02_微波工程中的数值计算方法

微波工程中的数值计算方法与计算机仿真技术电子科技大学物理电子学院贾宝富教授博导E-Mail:[e-mail]:[phone]历史回顾•英国物理学家J．C．Maxwell干1862年提出了位移电流的概念，并提出了“光与电磁现象有联系”的想法。•1865年，Maxwell在其论文中第一次使用了“电磁场”（electro一magneticfield）一词，并提出了电磁场方程组，推演了波方程，还论证了光是电磁波的一种。一百多年来的事实证明，建立在电磁场理论基础上的微波科学技术，对入类生活产生了极其巨大的影响。Maxwell方程组H(,)(,)(,)E(,)(,)D(,)(,)B(,)0rtDrtJrttrtBrttrtrtrtDEBHJE•本构关系•Maxwell方程组•边界条件解析方法与数值方法•早期人们解决微波工程中的设计与计算问题，基本上都采用解析方法•上世纪60年代，随着计算机技术的发展，开始采用数值计算技术解决不规则边界条件下微波工程问题的求解Maxwell方程+规则边界Maxwell方程+不规则边界=解析法=数值法常见的数值方法•频域：–差分法（FDM)–有限元法（FEM)–矩量法（MOM)–边界元法(BEM)–传输线法（TLM）•时域：–时域有限差分法（FDTD)–有限积分技术（FIT)微分型积分型数值解法根据空间变量分类•一维（1D）解法（传输线解，SPICE程序）–适用范围：场和源都是一维空间变量的函数。–典型应用：传输线；平面波和电路等。•二维（2D）解法（MOM,TLM,FEM,FDTD）–适用范围：场和源都是两维空间变量的函数。–典型应用：TE10矩形波导；TEM波同轴线等。•二维半（2.5D）解法（MOM,TLM,FEM,FDTD）–适用范围：场是三维空间变量的函数，源是两维空间变量的函数。–典型应用：平面传输线（微带线，共面波导）、平面结构天线和多层结构器件（LTCC）等。•三维（3D）解法（FDM,MOM,TLM,FEM,FDTD,FIT）–适用范围：场和源都是三维空间变量的函数。–典型应用：可以求解所有的电磁场问题。常见的仿真软件•系统仿真软件–AgilentADS（MOM+解析法)–MicrowaveOffice（MOM+解析法)–AnsoftDesigner（MOM+解析法)–CSTDesignStudio(解析法）•电磁场仿真软件–2.5D•AnsoftEsemble(MOM)•Sonnet(MOM)•IE3D(MOM)–3D•AnsoftHFSS（FEM)•Ansys(FEM)•CSTMicrowaveStudio(FIT)•CSTMafia(FIT)•EMPIRE(FDTD)•XFDTD(FDTD)•FEKO(MOM+PO/UTD)•SuperNEC(MOM+UTD)ADS(AdvancedDesignSystem)它是AgilentTechnoligyies公司推出的一套电路自动设计软件。AgilentTechnoligyies公司把已有产品HPMDS(MicrowaveDesignSystem)和HPEEsofIV(ElectronicEngineeringSoftware)两者的精华有机的结合起来，并增加了许多新的功能，构成了功能强大的ADS软件。ADS软件范围涵盖了小至元器件,大到系统级的设计和分析，主要包括RFIC设计软件、RF电路板设计软件、DSP专业设计软件、通讯系统设计软件以及微波电路设计软件。ADS软件仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。不但其仿真性能优越,而且提供了功能强大的数据后处理能力。这对我们进行复杂、特殊电路的仿真、数据后处理及显示提供了可能。该软件切实考虑到工程实际中各种参数对系统的影响，对要求分析手段多样，运算量大的仿真分析，尤其适用。ADS软件可应用于整个现代通信系统及其子系统，能对通信系统进行快速、便捷、有效的设计和仿真。这是以往任何自动设计软件都不能够的。所以，ADS已被广大电子工程技术人员接受，应用也愈加广泛。ADS主要应用•ADS功能非常强大，对整个现代通信系统及其子系统的设计和仿真提供支持。主要应用有以下几个主要方面：–射频和微波电路的设计（包括RFIC、RFBoard）。–DSP设计–通信系统的设计–向量仿真•每个设计本身又包括以下几个内容：–绘制原理图–系统仿真–布局图–Pspice原理图ADS界面MicrowaveOfficeMicrowaveOffice软件为微波平面电路设计提供了最完整,最快速和最精确的解答。它是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。对于由集总元件构成的电路,用电路的方法来处理较为简便。该软件设有一个叫“VoltaireXL”的模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题。而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效,该软件采用的是一个叫“EMSight”的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题。由于这里意在着重于电磁场分析，所以仅涉及“EMSight”模拟器。下面是它的具体功能：“EMSight”模拟器是一个完整的三维电磁场模拟程序包,它可用于平面高频电路和天线结构的分析。模拟器分析的电路都安装在一个矩形的金属包装盒内,对于电路的层数和端口数并没有限制。它还具有显示微波平面电路内金属上电流和空间电场力线的能力。“EMSight”模拟器可以对微波平面电路进行许多种类的计算,(在该软件中称计算为测量)。除了可以计算电路的阻抗参量,导纳参量,散射参量,传输参量,混合参量之外,对于线性电路,它能计算辅助稳定因子,输入电容,群延迟,偶/奇模传输常数/阻抗/导纳,电压驻波比,端口输入阻抗/导纳,增益等。具有计算各种线/圆极化微带天线的电场方向图和功率方向图的能力,在计算天线时矩形的金属包装盒边界可以改变,顶部和底部可以改为自由空间阻抗,而侧壁可以拉远。在“EMSight”模拟器内也设有一个元件库,其特点是列入了大量的微带元件的资料如各种弯头,开路线,短截线,耦合器,阶梯,T形接头等。还包括了许多传输线的资料。MicrowaveOffice界面AnsoftDesigner™平面电磁场仿真主要功能•Designer可以精确快速仿真超大电尺寸结构的电磁场问题!–SVD快速求解器–低内存需求•模型结构可以自由创建或直接输入–友好的用户图形界面–直接输入DXF,IGES以及其它MCAD结构设计的几何模型–通过AnsoftLinks还可读入Cadence、Zuken、Synopsys、MentorGraphics等EDA软件所设计的数据信息•全参数化•按需求解–Designer可以由用户来决定不同单元部分用不同的求解器来求解。•协同仿真–Designer可以无缝集成电路、系统及电磁场仿真•场型图多种图型显示功能–2D/3D直角坐标,极坐标显示等•场型图–3D场型,源激励编辑,辐射图,增益等AnsoftDesigner™界面CSTDesignStudio•Components–Severalanalyticalcomponents–Availabilityofcircuitelements–Provisionofsemiconductormodellibrary–Supportofhierarchicalmodeling,i.e.separationofasysteminlogicalcomponents–Tightintegrationwith3DelectromagneticfieldsimulationsfromCSTMICROWAVESTUDIO®–IntegrationofhighfrequencyplanaranalysisfromtheSonnetem®3suite–ImportofmeasuredorsimulateddatainTOUCHSTONEfileformat–Controlandusageofextensibleelementlibrary•Analysis–Globalparameterization–Parametersweepwithanarbitrarynumberofparameters–Optimizationforanarbitrarynumberofparametersandforacombinationofweightedgoals–BuiltinAPLAC®forCSTDESIGNSTUDIO™circuitsimulatorforlinearandnonlinearsimulationpurposes–OptionallinktofullAPLAC®functionality–Easydefinitionofso-calledsimulationtasks,someofthemrelatedtospecialdevicesasmixers,amplifiers,antennas–Automatic(re-)calculationofresultsfromintegratedfieldsimulators–Interpolationforsimulatedblocksspeedsupsimulations–Solvertransparencyallowsselectionofanalyticornumericalevaluationofsomecomponents–De-embeddingeliminatestheeffectofsomecomponents–Usageofdifferentialportsenablesallkindsofcircuit/EMco-simulations–ConsiderationofhigherordermodesCSTDesignStudio界面AnsoftSerenade•AnsoftSerenade设计环境为现代的射频以及微波设计者们提供了一个强大的电路、系统和电磁仿真的工具。简易的使用环境允许使用者们在仿真器和其他的工具（如文字处理器）最大程度的产生数据资料的转移。简单的说，它主要包括Harmonica电路仿真和Symphony系统仿真部分。•Symphony可以在Serenade文件夹（一种计算机标原理图获取、布局、和仿真环境）下面运行。它是一个可以仿真有射频、微波和数字部分组成的通信系统的软件工具。Symphony添加了针对外围环境的高效的模拟、数字混合方式（模拟和数字）和系统分析能力。使用者能够很快的构建一个系统包括大量元件的库里的射频部分的模拟和数字信号处理。像信道编码，模拟和数字信号处理滤波器，放大器，晶体震荡器衰减信道模型。这些都能使设计者们迅速的组建有线的或者无线系统。由于系统自带了那么多模型，因此设计者只需要对元器件键入很少的关键特征。它也能够对线性或非线性系统进行彻底的操作。•它也能输出例如增益、噪声和在时域或者频域上的误码率。针对不同的设计方法，在早期阶段的时候它就能够迅速的检查，以减少设计周期时间和避免由于射频和数字信号处理系统之间的互相干扰而造成的高成本的重新设计。一旦一个设计系统结构被确认了那么一个自上而下的设计流程就能被完成。•一个系统的误码率能够基于完整的系统分析而计算出来。对射频的描述，例如阻抗不匹配，晶体震荡器的相位噪声和群延迟，在系统中（当然包括噪声，输入功率，S参数和其他的输入信号扫描分析）把误码率的计算作为一个任何参数的函数。AnsoftSerenade界面AnsoftEnsemble•AnsoftEnsemble是一个针对射频和微波的平面电磁仿真软件。它是一个对微带线和像滤波器、功分器和天线一类的平面微波结构进行计算S参数和全波场的仿真软件包。Ensemble软件包包括一个从底部开始的计算机辅助设