IE3D中文手册第一章引言

第一章引言电磁仿真是一种新技术，在复杂微波和射频印刷电路、天线、高速数字电路和其它电子元件设计中，可提供高准确度的分析和设计。IE3D集成了全波电磁仿真和最优化包，可用于分析和设计三维微带天线和高频印刷电路和数字电路，如微波和毫米波集成电路(MMIC)以及高速印刷电路板(PCB)。自1993年在MTT论坛正式介绍以来，IE3D已被接受为平面和3D电磁仿真的工业标准，其间IE3D有了很多改善。IE3D已成为最通用的、简单易学、高效准确的仿真工具。下面的章节为使用IE3D组件提供一个指南，重点是线路图编辑器MGRID、示意图编辑器MODUA和方向图显示后处理机PATTERNVIEW。在IE3D9.0前，电流显示和方向图计算由CURVIEW完成，从IE3D9.0起，CURVIEW的大部分功能被很大改善并完全集成到面向对象的图形界面MGRID9.0中。尽管如此，IE3D9.0仍提供CURVIEW，以后的版本中将逐步淘汰。IE3D手册中不讨论CURVIEW的用法。在实际例子之前，先简要介绍一些理论。对于不需知道IE3D理论部分的用户，可跳过本章第1至3节。实际上，对没有很多数值仿真经验的用户，建议在学完下章具有更多知识后再阅读下面的两节。第一节基础理论及应用IE3D的初始方程是一个通过格林函数得到的积分方程，IE3D既可仿真金属结构上的电流又可仿真金属口面上反映场分布的磁流。简单起见，下面的讨论只集中在电流方程，磁流方程同理可得。图1.1一个作用于金属结构的入射场对一般电磁散射问题，假设电介质中有一导体结构，如图1.1。一入射场作用于此结构，在其上感生出电流分布。感生电流产生次生场以满足金属结构的边界条件。对一个典型的导体结构，感生电流分布在导体表面且边界条件为：E(r)=Zs(r)J(r),rS(1)其中S是导体表面，E(r)是表面上总切向场，J(r)是表面电流分布，s(r)是导体表面阻抗。多层介质中结构总场写为E(r)=Ei(r)+SG(r|r')·J(r')ds'(2)其中G(rr')是电介质的二阶格林函数，Ei(r)是导体表面的入射场，除导体S的边界条件，1-2G(r|r')还满足分层电介质边界条件。(2)代入(1)得积分方程，Zs(r)J(r)=Ei(r)+SG(r|r')·J(r')ds'(3)入射场和表面阻抗已知，可求解格林函数，未知量是电流分布J(r)。假设电流分布由一组完备的基本方程表示，J(r)=nInBn(r),n=1,2,...(4)可得Zs(r)nInBn(r)=Ei(r)+nInSG(r|r')·Bn(r')ds'(5)利用Galerkin过程，将(5)转化为一个矩阵方程，SdsEi(r)·Bn(r)=SnIn{SdsZs(r)Bm(r)·Bn(r)-SdsSds'Bm(r)·G(r|r')·Bn(r')}(6)上述过程是为了将(5)用一组完备检验方程表示，且这些检验方程和基本方程相同。一组完备的基本方程由无限个项组成，于是方程(6)是一个无限元问题，只能得到近似数值解。近似是用有限项截取无穷序列，从数学上讲这个截取是一个投射过程，将实际的无穷多元解投射到有限元。如果选择有限元，那么实际解的主要部分都在这个有限元中，这样就可得到很好的近似。投射后方程(6)变成一个N×N矩阵方程：[Zmn][Im]=[Vm](7)其中Zmn=SdsZs(r)Bm(r)·Bn(r)-SdsSds'Bm(r)·G(r|r')·Bn(r')(8)Vm=SdsEi(r)·Bn(r)(9)方程(7)到(9)的解是电流分布系数。得到电流分布系数后，可以计算S参数、辐射方向图、RLC等效电路，以及任何其它感兴趣的参数。所有时域方法(或时域法，MOM)方程，无论简单还是复杂，都具有(7)到(9)形式的方程，不同点是基本方程和格林函数的选择。考虑到基本方程和并矢格林函数，主要和(8)中的二重表面积分的效率和准确度评估相联系，有很多选择方法。第二节均匀和非均匀网格化基本功能对一般目的的电磁仿真器，在一个网格化的结构中使用基本方程，问题是网格化是均匀的还是非均匀的。利用FFT计算(8)中二重表面积分的仿真器使用均匀网格，对基于均匀网格的仿真器，线路图被分解到均匀网格。然后如图所示，用户将利用网格点绘制电路，此过程基本把电路填入到如图1.2所示的一个均匀网格中。如电路不能填充到一个均匀网格，有两个选择：一个选择是将不能填充的部分切掉并忽略不计；另一个选择是改善均匀网格以得到更好的近似。对时域方法，将网格缩小一半意味着单元数增加四倍，单元数增加四倍意味着仿真时间增加16倍。当然，对基于均匀网格的电磁仿真器，均匀网格化可有一个最大准确度和效率限制。因为利用FFT法则计算(8)中的二重表面积分，均匀网格基本方程仍被一些仿真器采用。在IE3D，采用一个三角形和矩形混合的网格化方案，并利用非均匀网格基本方程。基于非均匀网格的仿真器可更好的解决一个问题，用户首先在线路图编辑器绘制一个电1-3路，然后仿真器把一个非均匀的三角形和矩形网格填入其中。此过程中仿真器建立非均匀网格来适应电路，而不是将电路填入到一个事先定义的均匀网格。图1.3给出了一个数值建模中的两个典型网格化方案，从图1.2和1.3间的比较可知，非均匀网格化方案更灵活、高效且比均匀网格化方案准确，可比均匀网格化创建少的多的单元。一些人声称均匀网格化仿真器要比非均匀网格化仿真器准确的多，这实际上是对概念的误导。总之，非均匀网格化仿真器可比均匀网格仿真器更准确的近似实际结构，因为不必忽略电路的不规则部分。图1.2均匀网格化创建大量单元：(a)一个微带转角结构绘制在均匀网格线路图中。(b)转角在资料库中更改以填充到一个均匀网格，结构内部的单元用于实际计算，共创建了83个单元。图1.3非均匀网格化灵活、高效且准确：(a)图1.2(a)中结构的粗糙非均匀网格化，在结构外形未采用近似，共创建了8个单元。(b)为提高准确度在边缘创建小边缘单元，共创建了29个单元，沿结构边缘小单元用来仿真电流分布的边缘效应。即使电路可填充到一个均匀网格中，均匀网格化仿真器通常会建立更多的单元，于1-4是计算中有更多的未知量。从数学上讲，更多的未知量通常意味着更高的准确度，单在均匀网格和非均匀网格中这个规律可能不适用。均匀网格产生更多未知量，然而并不是利用临界区中的所有未知量，而是在各处都使用更多单元。用户并不关心需要更多未知量的区域，在非均匀网格化仿真器中，可在需要更多未知量的区域建立小单元并在需要更少未知量的区域中使用大单元。很多人可能知道，对图4.1所示的微带线，一些边缘处的电流分布密度可能会出现异常。这里试图用roof-top函数近似微带上的电流分布，这是一个在轴向倾斜而横向为常数的函数。一个典型的IE3D仿真横向使用1-5个单元。用户可能会奇怪，为什么用1-5个单元就可以得到准确的结果。图1.4表明，即使在横向使用很多单元也不会得到很高准确度的电流密度，这对电流密度总是成立的。实际上，无论在横向使用多少个单元，仍不能得到微带边缘处准确的电流分布。然而，即使在横向使用几个单元就可得到准确电路或天线参数。为什么会这样呢？对一个电路设计者，最感兴趣的参数是S参数（或y-，z-参数），这些参数和一个端口上横向总的电流直接联系。于是，电路设计者实际关心的参数是总电流，也就是电流密度积分。对天线设计者，另外一个感兴趣的参数是辐射方向图，也是对电流密度积分的量度。于是，设计者感兴趣的参数是电流密度的积分而不是电流密度本身。图1.4奇怪的是，利用roof-top函数的MOM编码在预测横向电流上很准确，即使只在横向使用1-5个单元。对快速仿真，IE3D在横向使用1个单元(如图1.4b)，仍可得到合理的准确度。为获得高准确度，在带的边缘使用2个单元(如图1.4c)，对图1.4d中的均匀网格，中间区域的单元确实对改善准确度起不到太大作用，图1.4d中基于均匀网格化的仿真可能不如图1.4c中基于非均匀网格化的一个单元准确，因为图1.4c中边缘的小单元可更好仿真沿边缘电流密度的快速变化。均匀网格化和非均匀网格化实例的对比将在附录M中讨论。第三节开放边界，闭合边界和周期性边界传统上，MOM电磁仿真器按其作用域分为两类：(1)开放边界格林函数方程；(2)闭合边界格林函数方程。开放边界格林函数方程用于仿真天线结构及没有金属凯装的大型线路图结构，这正1-5是多数天线和很多不同RF和微波电路的边界条件。闭合边界格林函数方程用于凯装内部的微波电路，典型例子是微波滤波器。对多数封闭式微波电路，凯装对线路性能影响不大。开放边界格林函数方程通常也用于得到高准确度的结果，但也有金属外壳对微波电路性能影响很大的例子，典型例子是微波厚介质层微波滤波器，通常厚介质层使能量集中在路径的程度较小，更容易从电路辐射。对于非谐振电路，辐射通常很小。然而，当电路谐振时，将辐射很多能量。事实上，天线就是一个谐振状态下能量辐射的例子，天线设计者利用谐振实现功率辐射。另一重要的谐振高频应用是滤波器，多数滤波器包括多个耦合频率以得到更好的通带和阻带性能。电路设计者利用谐振使功率在特定频带内损耗很小的通过电路，不希望功率在谐振下辐射。对于这样的情况，可用金属凯装阻止功率辐射。对一个典型微带滤波器，衬底很薄时即使谐振的辐射也很小。然而如果衬底很厚，辐射功率会比滤波器的发射功率大的多，设计者通常用一个金属凯装阻止辐射。如在这种情况中使用基于开放边界格林函数的仿真器，可能不能很好的预测厚衬底滤波器的性能，因为开放边界格林函数将预测到强辐射，而实际上凯装阻止了这样的辐射。传统上，开放边界格林函数方程用于非均匀网格化，闭合边界格林函数方程用于均匀网格化。正是这个原因，尽管IE3D７.0及早期版本中有开放结构灵活结构的建模，而对闭合结构中灵活几何建模，微波设计者没有一个好的工具，。让人欣慰的是，IE3D8.0引入了闭合边界格林函数方程和非均匀网格化。对闭合边界、开放边界和周期边界，IE3D8.0都为用户提供了最大灵活性和非均匀网格化能力。周期边界用来仿真大型相控阵天线，一个周期性边界单元允许用户研究大型相控阵天线中互耦的影响。第四节IE3D应用程序及性能IE3D包由五个主要的应用程序组成：MGRID：建立结构的线路图编辑器，以及电流显示和方向图计算后置处理程序。IE3D：数值分析的电磁仿真器或仿真引擎。MODUA：参数显示和节点电路仿真的示意图编辑器。PATTERNVIEW：辐射方向图后置处理程序。IE3DLIBRARY：IE3D第二个面向对象的界面，针对预定义的简单结构。CURVIEW：显示电流分布和场分布的后置处理程序，正在被MGRID9.0的后置处理能力取代。MTRAN：可选的DXF转换器。要完成一个电磁仿真，用户首先从线路图编辑器MGRID开始，在MGRID中，用户将一个电路画成一组多边形。建立了多边形并定义端口后，可调用仿真引擎IE3D执行电磁仿真，仿真结果保存到一个与HP/Eesof兼容的文件，仿真结果可导入其它流行商业节点网络或电路仿真器，如HP/EEsof的Touchstone。仿真结果也可用IE3D包中示意图编辑器MODUA显示和处理，MODUA是一个和Touchstone相似的程序，只是它没有大的元件库。MODUA不需要这样的库因为任何仿真结果文件和MGRID预定义结构文件都可用作MODUA模块。用户还可定义电阻、电容、电感、互耦电感、开路、短路和理想连接等集总元件。电磁仿真的一个优点是用户可获得被仿真结构的场和电流分布，对电路和天线设计者来说，结构的电流和场分布很有价值。在IE3D中，用户可选择为电流分布建立数据文件。然后运行MGRID/CURVIEW程序显示电流分布、辐射方向图和近场。PATTERNVIEW扩展了辐射方向图后置处理能力，允许比较同一结构或不同结构不同频率的辐射方向图。一些用户可能有一个用其它工具建立的结构，MGRID综合了可选的DXF转换器1-6MTRAN，用户可导入AutoCADDXF格式结构图。对CIF或GDSII