IE3D中文手册第三章基本技术

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ZELANDFOLDER中双击MGRID图标运行MGRID，也可从ZelandProgramManager中运行相应图标(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。3-2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“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LayoutsandGrids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：3-3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GridSize=0.025mm，这将定义一个单元格为0.025mm的均匀网格系统。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LayoutandGrid的默认设置。反应：这个线路图和网格（LayoutandGrid）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“MeshingFrequency(Fmax)”从1到40GHz，因为将把这个结构仿真到40GHz。保留“CellsperWavelength(Ncell)”为20。不选中自动边缘单元“AutomaticEdgeCells”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“MeshingOptimization”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“AutomaticEdgeCells(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“MeshingOptimization”，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，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3-4的几个单元；对于MIM电容器，甚至要将强耦合板也网格化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+10mm。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+15mm，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：TopSurfaceZ-Coordinate，Ztop=0.1mm顶面z坐标RealPartofPermittivity，Re(EPSr)=12.9介电常数的实部LossTangentofEPSr=0.0005EPSr损耗正切RealPartofPermeability，Re(MUr)=1.0导磁率的实部LossTangentofMUr=0.0MUr损耗正切RealPartofConductivity=0.0s/m电导率的实部ImaginaryPartofConductivity=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：rc=r-j/(0)=r(1-jtan)(3-1)其中r是实电导率，是电导率，是角频率，0是自由空间复介电常数(8.8610-12F/m)，tan是损耗正切。换句话说，有tan=-Im(rc)/Re(rc)=-j/(0r)(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tan或看作是与随频率无关的量。然而从(3-2)可以看出：当tan与频率无关时，将与频率有关，反之亦然。为解决这一矛盾，定义tan和如下：rc=r(1-jtan)-j/(0)(3-3)用户必须理解这并不是tan和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tan来定义材料，应在IE3D对话框中定义=0；如果想通过不依赖于频率的来定义材料，应在IE3D对话框中定义tan。如果为tan和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tan或，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tan和。这里还显示了“ConductorAssumptionLimit(CAL)”，此参数在Param菜单中OptionalParameter中定义（附录A）。在IE3D内部，高电导率的介质被看作是不同于常3-5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SubstrateLayers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（EditSubstrate）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：可为衬底选择“HTSII”型，后面讨论金属带的参数时解释“HTSII”。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ObjectProperties项。也可为金属带类型定义“HTSI”、“HTSII”以及“薄膜电阻器thinfilmresistor”，“HTSI”和“HTSII”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。如果想定义所有输入的多边形并选取第二种印刷带，可删除默认的第一种印刷带类型，那么第二种印刷带类型将自动变为第一种印刷带类型。这个电路有一种印刷带类型，No.1型印刷带参数如下，它和默认的No.1金属带相同：Stripthickness=0.002mm微带厚度Realpartofpermittivity=1.0介电常数的实部Imaginarypartofpermittivity=0.0介电常数的虚部Realpartofpermeability=1.0导磁率的实部Imaginarypartofpermeability=0.0导磁率的虚部Realpartofconductivity=4.9e+7s/m电导率的实部3-6Imaginarypartofconductivity=0.0s/m电导率的虚部第8步在MetallicStripTypes列表框中双击No.1印刷带选中。反应：跳出编辑金属类型（EditMetallicType）对话框并要求编辑参数(如图3.7)。图3.7输入No.1金属类型参数后的编辑金属类型（EditMetallicType）对话框第9步不必改变参数因为这正是所需要的，选择OK，MGRID将在对话框中显示所有基本参数，因得到如图3.8所示参数。第10步选择OK，MGRID将准备建立电路的多边形。图3.8定义了所有参数的基本参数对话框现在MGRID中的线路图和网格已经完