《第三章基本技术.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第三章基本技术.doc(26页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章 基本技术在IE3D中,一个电路用一组多边形表示,而一个多边形用一组顶点表示。本章通过一个斜面转角的建立和分析过程,一步步的说明基本的编辑技巧。运行MGRID前,建议先对要建立的电路做简单了解。首先应在电路中建立x和y坐标系,并标出每个顶点的x和y坐标,如果必要还要计算顶点间的距离。考虑一个复杂的电路时,尽量将电路分解成很多部分,尽量找出一个最小长度,这样其它长度都是这个最小长度的倍数,这个最小长度可以用作鼠标输入时的网格尺寸。上面的准备工作对电路的建立过程是有利的。第一节 长度单位、层参数和网格参数 这里要建立一个顶视图如图3.1所示的斜面转角结构。作为默认值,在衬底下面将有一个无穷大
2、接地板,带有数字的小矩形是电路端口。如图3.2所示,可把这个电路分解成很多部分,并连接它们构成电路。多边形的互连将在下一章讨论,所以下面仍把这个斜面转角看作一个单个多边形来建立。建立x和y坐标如图3.1所示,最小长度是0.025mm,这样可将电路很好的填充到一个单元格为0.025mm的均匀网格中。而IE3D是一个基于非均匀网格的仿真器,这里引入均匀网格只是为了更加方便的用鼠标输入,在仿真该结构的网格化过程中将使用非均匀网格。 图3.1一个斜面微带转角及参数第1步在ZELAND FOLDER中双击MGRID图标运行MGRID,也可从Zeland Program Manager 中运行相应图标 (
3、ZPM或 ZELAND.EXE)。第2步从File菜单中选择New。说明:在输入一个电路的多边形前,首先需要输入基本参数,基本参数包括长度单位、层参数、衬底参数、金属带参数和离散化参数。在File菜单中选择New时, MGRID将自动提示设置基本参数(如图3.3)。说明:基本参数包括6组参数:(1) 注释:对整个结构的注释;(2)长度:长度单位及结构最小长度; (3) 线路图和网格:线路图编辑的网格系统参数; (4)网格化参数; (5) 衬底层; (6) 金属带类型。图 3.2 斜面转角分割成三个多边形图 3.3 基本参数对话框图 3.4图 3.3 列表框中功能键的含义 对于这里的结构,使用“
4、mm”作长度单位,并接受默认的最小长度。现在还没有定义线路图和网格,将在下一步定义线路图和网格参数。定义前需了解图 3.3中一些列表框上功能键的含义,这些键的含义如图3.4所示。第3步在图 3.3的Layouts and Grids列表框中选择 Insert。反应:跳出编辑线路图和网格对话框 (如图 3.5)。 说明:线路图参数 “X-From”, “Y-From”, “X-To” 和“Y-To”不表示电路的小。在默认模式下,IE3D的电路尺寸在x和y方向延伸到无穷远,线路图参数只定义编辑参考用的范围。默认网格尺寸Grid Size=0.025mm,这将定义一个单元格为0.025mm的均匀网格
5、系统。用户必须理解这一网格系统只是用作几何结构的,并不能用来网格化及数值仿真。图 3.5 编辑线路图和网格对话框第4步选择OK接受Layout and Grid的默认设置。反应:这个线路图和网格(Layout and Grid)将被添加到线路图和网格列表框中。如有必要,可在线路图和网格列表框中选择 Insert添加更多的线路图和网格。在线路图编辑过程中可在一组线路图和网格中进行切换。第5步设置网格化频率“Meshing Frequency (Fmax)”从1 到40 GHz,因为将把这个结构仿真到40 GHz。保留“Cells per Wavelength (Ncell)”为20。不选中自动边
6、缘单元“Automatic Edge Cells”栏,它是用来提高准确度的,暂时不使用以实现更快的仿真。选中网格最优化“Meshing Optimization”栏,网格将实现最优化。说明:离散化频率越高,波长越短,电路也将更好的被离散化。高离散率意味着高准确度,但其代价是仿真时间将大幅增加。很多人担心结构的网格化过程,因为一些电磁仿真器的仿真结果是与网格化过程密不可分的。IE3D是一个时域法仿真器,当使用15-20个单元/波长并且在强耦合边缘使用小单元格时,仿真结果通常很稳定,第12章将把准确度作为一个专题进行讨论。IE3D采用一个自动边缘单元方案“Automatic Edge Cells
7、(AEC)”,AEC可显著提高仿真准确度,它能为初学者提供完美结果。同样,启用AEC时仿真时间将更长。网格最优化用来消除网格化过程中建立的非常规单元,非常规单元是指长度很大但面积很小的单元,它们总是为数值分析带来麻烦,通常应激活“Meshing Optimization”,除非不想让网格化过程改变手动建立的网格。 一些用户可能困惑为什么不采用自适应网格化,经验表明,自适应网格化是不必要的,甚至会破坏一个MOM仿真。IE3D采用一个非常稳定的MOM算法,对于频响变化缓慢的结构,常规的非均匀网格化就足够好了;对于频响变化很快或者耦合强烈的结构,常规的非均匀网格化附加AEC将保证准确度;对于窄带结构
8、,仿真的谐振频率可能会有0.1%偏差,并且很难消除这0.1%的误差。然而,如果采用自适应网格化,将会得到一个不断反复永不停止的过程,因为0.1%的谐振频率误差可能在一些频率点上使S参数产生超过10dB的差别。无论怎样,自适应网格化能做到的,常规非均匀网格化和AEC都能做的更好,而IE3D中AEC不能做到的,自适应网格化也同样不能做到。如前所述,20单元/波长通常就具有足够的准确度,但这一经验法则是针对常规微波结构的,不适用于低频结构或特殊结构。对于数字电路,结构和波长相比太小,所以需要提高“Fmax”以确保结构在网格化时不至于只分成为数不多的几个单元;对于MIM电容器,甚至要将强耦合板也网格化
9、成理想单元以获得准确结果。 其要领是,在电流变化较快的地方需要增加更多单元。对于比波长小很多的结构,为获得高准确度的结构,需要做更好的网格化。第二节 衬底参数定义衬底参数包括介质衬底层数量、介质顶面z坐标、介质介电常数、导磁率和电导率,复介电常数、导磁率和电导率在仿真中得到。No.0介质层被默认为接地板,这个无穷大接地板定义为一个具有很高电导率的衬底。No.0衬底层上表面z坐标总等于0且不能改变,其它参数可据实际情况改变。例如,可定义No.0层电导率为0从而移走默认接地板。可随意定义多少个介质层,并且至少在上半空间定义一个介质层,这就意味着一个结构中至少要有2个介质层(包括No.0层,也就是接
10、地板)。当上半空间用一种单一介质填充时,可定义一个顶面z坐标非常大的介质层,例如 1.0e+10 mm 。定义介质层的实例可在附录T中找到。MGRID默认建立两层介质:No.0是电导率conductivity=4.9e+7s/m的金质良导体, No.1层是空气,其上表面z坐标Ztop=1.0e+15 mm,也就是说整个上半空间填充满空气。要仿真的电路有三个介质层(包括接地板):No.0层为接地板,No.2层是上半空间的空气,也可忽略不计,No.1介质板参数如下:Top Surface Z-Coordinate, Ztop=0.1mm 顶面z坐标Real Part of Permittivity
11、, Re(EPSr)=12.9 介电常数的实部Loss Tangent of EPSr=0.0005 EPSr损耗正切Real Part of Permeability, Re(MUr)=1.0 导磁率的实部Loss Tangent of MUr=0.0 MUr损耗正切Real Part of Conductivity=0.0s/m 电导率的实部Imaginary Part of Conductivity=0.0s/m 电导率的虚部IE3D中有两种定义衬底损耗的方法: (1)定义介电常数的虚部 (或损耗正切) ;(2) 定义电导率。从理论上说,它们是可以互相转换的,定义如下: erc=er -
12、 j s / ( we0 )= er ( 1 - jtand)(3-1)其中er是实电导率,s是电导率,w是角频率,e0是自由空间复介电常数 (8.86 10-12 F/m), tand是损耗正切。换句话说,有tand = -Im(erc) / Re(erc) = - j s / ( we0 er )(3-2)损耗正切总是非负数,介电常数的虚部总是正数。在实际应用中,总是把tand或s看作是与随频率无关的量。然而从(3-2)可以看出:当tand与频率无关时,s将与频率有关,反之亦然。为解决这一矛盾,定义 tand和s如下:erc = er ( 1 - j tand)- j s / ( we0
13、)(3-3)用户必须理解这并不是tand和s的真实定义,这样作只是为了方便用户。如果用户想通过不依赖于频率的tand来定义材料,应在IE3D对话框中定义s=0;如果想通过不依赖于频率的s来定义材料,应在IE3D对话框中定义tand。如果为tand和s都定义非0值,那么这两个值都不是参数实际值。要定义依赖于频率的tand或s,最好办法是为两变量都定义非0值。在不久将发布的版本中, 甚至将允许用户更加灵活的定义依赖于频率的tand和s。这里还显示了“Conductor Assumption Limit(CAL)”,此参数在Param菜单中Optional Parameter中定义(附录A)。在IE
14、3D内部,高电导率的介质被看作是不同于常规介质的,“CAL”用来判断哪一种介质将在IE3D中被看作高电导率介质。每一种介质通过一个“Cfactor”表示,如果一种介质的“Cfactor”超过了“CAL”,那么这种介质被看作高电导率介质。第6步选择Substrate Layers列表框上Insert(如图3.3和图3.4),MGRID将提示建立一个新衬底层 (如图 3.6)。图 3.6 输入No.1衬底参数后的编辑衬底(Edit Substrate)对话框第7步确定选择的是“Normal”型,在对话框中输入No.1衬底参数(如图 3.6)并选择OK。反应:No.1衬底层被建立并显示在列表框。说明
15、:可为衬底选择“HTS II”型,后面讨论金属带的参数时解释“HTS II”。第三节 金属带参数定义下面定义结构中所用金属带的类型。对一般导体,印刷带参数包括带的厚度、介电常数、导磁率和电导率,至少要定义一个金属带。在几何图形编辑中输入一个多边形时,这个多边形总被默认为是第一种类型的印刷金属带,为调整一个多边形的印刷带类型,可选取要改变印刷带类型的多边形,在Edit 菜单中选择Object Properties项。也可为金属带类型定义“HTS I”、“HTS II”以及“薄膜电阻器thin film resistor”, “HTS I”和“HTS II”不表示不同类型的HTS材料,而是对HTS模式使用两个不同方程。要定义一个印刷带类型,选择列表框上的Insert,线路图编辑器将提示选择一个类型并定义其参数。如果想定义所