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IE3D用户手册9.2版.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.41M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    IE3D 用户手册 发布号 9.2 2002.8 Zeland Software, Inc.
    本文件中所包含的内容如有任何变动，恕不另行通知，也不会委托 Zeland Software, Inc.的任何部门进行通知。手册和相关的软件都是具有版权的，并且保留相关的权利。本文 件中描述的软件经过授权及不泄密的协议方能获得，并且本软件只有在授权允许的范围内 使用或拷贝。除了授权或不泄密的协议特别规定的介质外，以任何形式复制本软件都是违 法的。未经 Zeland Software, Inc.书面授权，除了购买者和评估人员个人使用外，本手册的 任何部分都禁止通过任何形式和任何手段进行任何目的的复制或传播。对于由使用本手册 及其描述的软件带来的任何损失和毁坏，Zeland Software, Inc.不承担任何责任。 第 1 版，1993.2 第 2 版，1993.7 第 3 版，1993.11 第 4 版，1994.2 第 5 版，1994.5 第 6 版，1994.9 第 7 版，1995.3 第 8 版，1995.9 第 9 版，1996.1 第 10 版，1997.1 第 11 版，1997.4 第 12 版，1997.6 第 13 版，1998.8 第 14 版，1999.6 第 15 版，1999.12 第 16 版，2001.1 第 17 版，2002.3 第 18 版，2002.8 © Copyright 1992-2002, Zeland Software, Inc. All rights reserved. 除非注明，这里所有的公司名、产品名都是完整假定的过程的一部分， 都是为了描述 U.S.A. Phone: (510)623-7162 (510)623-7135 E-mail: zeland@zeland.com Web Site: http://www.zeland.com Zeland Software, Inc.产品 IE3D 的使用而专门设计的。 为获取技术支持、任何建议或报告其中的错误，请按以下方式联系： Zeland Software, Inc., 39120 Argonaut Way, PMB 499, Fremont, CA 94538,
    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： 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。 E( r ) = Zs( r ) J( r ), r ∈ S (1) 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 ) = Σn In Bn( r ), n = 1, 2, ... Zs( r ) Σn In Bn( r ) = Ei( r ) + Σn In ∫S G( r | r' ) · Bn( r' ) ds' 利用 Galerkin 过程，将(5)转化为一个矩阵方程， (4) (5) ∫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) 可得 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： 其中 Zmn = ∫S ds Zs( r ) Bm( r ) · Bn( r ) - ∫S ds ∫S ds' Bm( r ) · G( r | r' ) · Bn( r' ) Vm = ∫S ds Ei( r ) · Bn( r ) 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 [Zmn] [Im] = [Vm] (7) (8) (9) 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 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： 数值分析的电磁仿真器或仿真引擎。 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 ： MODUA ： 参数显示和节点电路仿真的示意图编辑器。 PATTERNVIEW： IE3DLIBRARY： 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 IE3D 第二个面向对象的界面，针对预定义的简单结构。 辐射方向图后置处理程序。 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 微带电路 带状线电路 共面波导(CPW) 开槽线结构 悬浮带状线和其它多层平面电路 高速数字集成和信号完整性 有耗硅衬底上的印刷电路 HTS 超导电路 同轴电路及凯装带状线电路 微带天线 线天线 RF 天线 平面波入射和 RCS 问题 3D 能力 任意形状结构 开放结构 通用性 特殊性能或说明 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 多层介质，有耗且有限大接地板 带厚有限的准确建模 有限厚度，有耗地面，有限或无限大接地 板 无限大接地板磁流和有限大接地板电流建 模 对介质和金属层数无限制 SPICE 格式 RLCG 等效电流提取，SPICE 文件频域校验仿真 IE3D 格林函数包括介质和金属中所有损耗 表面影响和高介质介电常数建模 任意交叉形状的任意多导体传输线系统建 模 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 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 倒转天线、螺旋天线和任何其它平面和 3D 金属结构 计算单基和收发分置雷达截面(RCS) 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 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 捕捉所有辐射和耦合影响
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