IE3D中文手册第一章引言.doc

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 ) + S G( r | r ) J ( r ) ds(2)其中G(r r)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，G(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 ) + S G( 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 ) = Sn In Bn( r ), n = 1, 2, .(4)可得 Zs( r ) Sn In Bn( r ) = Ei( r ) + Sn In S G( r | r ) Bn( r ) ds(5)利用Galerkin过程，将(5)转化为一个矩阵方程， S ds Ei( r ) Bn( r ) = Sn In S ds Zs( r ) Bm( r ) Bn( r ) - S ds S ds 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NN矩阵方程：Zmn Im = Vm(7)其中Zmn = S ds Zs( r ) Bm( r ) Bn( r ) - S ds S ds Bm( r ) G( r | r ) Bn( r )(8)Vm = S ds Ei( 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IE3D.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MTRAN，用户可导入AutoCAD DXF格式结构图。对CIF或GDSII格式，MGRID提供了一个共享软件完成转化。全双向的DXF，GDSII，GERBER和CIF转换用可选的LinkCAD转换器。对MTRAN和LinkCAD的更多信息，请联系Zeland Software, Inc.获取更多信息。无论在准确度、效率、性能还是可用性，IE3D都比其它商业化电磁仿真工具有很大优越性，表1.1列出了IE3D的主要性能。对任何接触或了解过其它电磁仿真器的用户，都可通过表1.1做对比，与其它仿真器相比，IE3D提供了更多功能和性能。表1.1还可作为用户的快速参考，如用户不清楚IE3D是否有某功能，可在任何时间查阅表1.1看该功能是否在列表中。如在列表中，就可通过关键字在索引中找到该功能，否则，仍可致电Zeland Software, Inc.获取技术支持。第五节 用户手册结构本手册中，第2章讨论MGRID，MODUA和PATTERNVIEW的窗口结构，每个项的功能作简要介绍，另外还列出使用菜单项的页码，用户理解一个菜单项有困难时，随时都可从第2章查得用到该菜单项的位置；第3章通过一个微带转角的建立说明基本输入技术；第4章讨论在线路图编辑器MGRID中如何保证电连接，该编辑器使用双浮点数描述多边形顶点位置以保证最佳准确度，此外还讨论怎样在MGRID中简便构建3D结构；第5章将讨论电流分布、方向图计算和全波电磁最优化；第6章讨论导入CIF格式文件的过程和关键点，并说明如何准确仿真闭合耦合结构如MIM电容器，还演示如何提取集总元件等效电路及提高等效电路准确度；第7章讨论混合电磁和电路仿真及分布式和集总元件最优化；第8章集中讨论利用磁流模型为口径结构建模和仿真；第9章讨论IE3D在信号完整性中的应用，并讨论怎样从SPICE格式提取集总元件RLC模型，以及怎样得到电路的瞬时响应；第10章讨论滤波器结构建模；第11章讨论线天线和其它RF天线建模；第12章讨论准确度和效率的提高；第13章讨论天线阵建模，并讨论重要功能“仿真和获取激励”；第14章讨论开放和封装结构建模；第15章讨论微分结构；附录讨论手册前面部分没有讨论的一些重要问题。表1.1 IE3D电磁仿真器的主要性能功能和性能通用性特殊性能或说明微带电路是多层介质，有耗且有限大接地板带状线电路是带厚有限的准确建模共面波导(CPW)是有限厚度，有耗地面，有限或无限大接地板开槽线结构是无限大接地板磁流和有限大接地板电流建模悬浮带状线和其它多层平面电路是对介质和金属层数无限制高速数字集成和信号完整性是SPICE 格式RLCG等效电流提取，SPICE文件频域校验仿真有耗硅衬底上的印刷电路是IE3D格林函数包括介质和金属中所有损耗HTS超导电路是表面影响和高介质介电常数建模同轴电路及凯装带状线电路是任意交叉形状的任意多导体传输线系统建模微带天线是边缘馈电、探针馈电、近耦合馈电和口径馈电，对馈源数目和垂直针数目无限制线天线是偶极天线、环形天线、柱面螺旋线和锥形螺旋线天线、四线天线。比典型线天线法则更加准确的建模RF天线是倒转天线、螺旋天线和任何其它平面和3D金属结构平面波入射和RCS问题是计算单基和收发分置雷达截面(RCS)3D能力是垂直和圆锥形通道孔、空间电桥、3D互连，对3D结构的形状和结构无限制任意形状结构是对平面和3D结构的形状和方向无限制，利用均匀网格无限制的对结构网格化开放结构是捕捉所有辐射和耦合影响闭合结构是电壁和磁壁围绕的结构。IE3D8.0利用严格的腔体格林函数对闭合结构进行精确建模周期性结构是周期壁围绕的周期性结构，例如无限阵。IE3D8.0利用严格的周期格林函数对周期性结构进行精确仿真端口数及端口位置未限定提供不同条件下的不同内嵌形式：高准确度扩展，没有无穷大接地板结构的差动馈电。对端口位置和方向无限制 集总元件和线路图电平仿真是集总元件在线路图和示意图编辑器中均可定义，插入S参数文件混合EM和节点仿真电磁最优化是自动调整多边形顶点位置使结构最佳混合电磁和网络最优化是MGRID+MODUA+IE3D支持混合电磁和网络及最优化反向仿真是用户可提取仿真结构一部分的作用，从而得到仿真结果中关心的主要部分导电层数未限定用户可以定义任意多的导电层电路中不同导体特性是用户可将导体定义为常规导体、HTS超导体或薄膜电阻器金属厚度建模是考虑到表面影响，可仿真实际厚金属结构电介质层数未限定不限定介质层数下格林函数的一般函数表达和应用复介电常数(er ),导磁率(mr)和电导率(s )是可得到介质层和金属带的复er，mr，和s 薄介质层是已在MMIC中验证到薄到0.1微米硅 介质层高介电常数材料是已在HTS电路中验证高至1000的介电常数MIM电容器是为准确建模，可选择将耦合板网格化成小单元；排列两个板上的网格；自动建立网格化MIM或没有通道螺旋电感是简单的一步建立矩形或圆形螺旋电感，仿真有限厚金属线，仿真空间电桥、有耗接地板交互图形输入结构是灵活的鼠标输入和键盘输入多边形顶点，强有力的2D和3D结构检测便利的几何结构编辑是复制、移动、多边形和顶点提升、自动切除重合多边形、结构挖洞、多边形连接检测等在图形编辑中显示3D结构是3D显示对3D结构编辑很有帮助自动生成几何图形是一步建立通道、接线器、圆形、圆环、曲线结构、球体、扇形圆锥形和柱面螺旋天线，圆柱管、探针馈电逼近、缝隙等参数显示是S, Y, Z参数和VS