整理IE3D中文手册第三章基本技术.docx

整理IE3D中文手册第三章基本技术.docx

《整理IE3D中文手册第三章基本技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《整理IE3D中文手册第三章基本技术.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

整理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。

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：

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：

εrc=εr-jσ/（ωε0）=εr（1-jtanδ）（3-1）

其中εr是实电导率，σ是电导率，ω是角频率，ε0是自由空间复介电常数（8.86⨯10-12F/m），tanδ是损耗正切。

换句话说，有

tanδ=-Im（εrc）/Re（εrc）=-jσ/（ωε0εr）（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tanδ或σ看作是与随频率无关的量。

然而从（3-2）可以看出：

当tanδ与频率无关时，σ将与频率有关，反之亦然。

为解决这一矛盾，定义tanδ和σ如下：

εrc=εr（1-jtanδ）-jσ/（ωε0）（3-3）

用户必须理解这并不是tanδ和σ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tanδ来定义材料，应在IE3D对话框中定义σ=0；如果想通过不依赖于频率的σ来定义材料，应在IE3D对话框中定义tanδ。

如果为tanδ和σ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tanδ或σ，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tanδ和σ。

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

Imaginarypartofconductivity=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全表示出来了，蓝色矩形就是线路图，红色小点是网格，红线是x和y坐标轴，其交点是原点（初始x和y可能不是0）。

用户应理解屏幕上蓝色矩形框并不表示电路边缘。

对边界开路结构，IE3D假定衬底和接地板（如果已定义）的边缘延伸到无穷远；对边界闭合结构，IE3D允许用户定义边界包围的范围。

线路图上的蓝色矩形框只是为了告诉用户其电路所处位置，在电路和结构尺寸上没有任何意义。

Param菜单中还有一些其它参数，不必在每次构造一个新结构时都更改OptionalParameters的设置，将在以后对IE3D更加熟悉后说明OptionalParameters。

第四节2D多边形输入

一个多边形通过一组顶点输入，MGRID中有很多输入顶点的方法，最简单的方法就是用鼠标画出这些点，电路中存在一个很好的最小长度时鼠标输入简单且准确。

好的最小长度意味着可以这个最小长度为网格尺寸，将电路很好的填入到一个均匀网格。

和一些其它仿真器不同，IE3D中线路图网格和仿真没有任何关系。

小的线路图网格并不会减慢IE3D仿真，因为不必把一个结构填充到这个均匀网格。

下面将用鼠标建立这个结构：

第11步在Edit菜单中选择2DInput，为“Z-coordinate”输入0.1，选择OK继续。

反应：

在层窗口中将看到黑带移到“No.2，0.1000（mm）”层，这意味着输入将是针对这一层的。

说明：

选择Edit菜单中的2DInput是改变输入层z坐标的一般方法。

实际上可点击层窗口中所示的一个颜色较淡的特定层，于是输入层z坐标就转到了这一层。

现在，可以逐点输入这个多边形。

从图3.1可知第一个顶点位于x=0.0mm和y=0.1mm，它在原点上方4格并位于垂直轴上。

第12步将鼠标从原点上移4格，将在右上方状态窗中看到x=0，y=0.1，点击鼠标左键。

说明：

不必将鼠标恰好放到x=0.0mm和y=0.1mm的网格点，只要鼠标距离网格点足够近，MGRID将自动把顶点放在网格点。

移动鼠标可计算光标到一个参考点（例如原点）的网格数，不断查看状态窗中的相对位置。

如果一个顶点被放到了一个不希望的网格点，可通过单击鼠标右键或在Input菜单中选择DropLastVertice将其取消。

要取消多个顶点，可不停点鼠标右键，也可在Input菜单中选择DropAllVertices。

反应：

图3.1的顶点被建立在x=0.0mm和y=1.0mm，且在窗口中显示为一个小点，在这个顶点与鼠标光标之间有一条线也显示在窗口中。

第13步将鼠标由原点右移4格，状态窗中显示x=0.1，y=0。

点击鼠标左键输入顶点2。

反应：

图3.2的第2个顶点被建立在x=0.1mm，y=0.0mm，且在顶点1和顶点2之间建立了一个边。

第14步将鼠标从上一顶点右移26格，状态窗显示x=0.75，y=0，点击鼠标左键。

反应：

图3.2的顶点3被建立在x=0.75mm，y=0.0mm，且在顶点2和顶点3间建立了一条边。

第15步将鼠标从上一顶点上移3格，状态窗显示x=0.75，y=0.075，点击鼠标左键。

反应：

图3.2的顶点4被建立在x=0.75mm，y=0.075mm，且在顶点3和顶点4间建立了一条边。

第16步将鼠标从上一顶点左移27格，状态窗显示x=0.075，y=0.075，点击鼠标左键。

反应：

图3.2的顶点5被建立在x=0.075mm，y=0.075mm，并在顶点4和顶点5间建立了一条边。

第17步将鼠标从上个顶点上移27格，状态窗显示x=0.075，y=0.75，点击鼠标左键。

反应：

图3.2的顶点6被建立在x=0.075mm，y=0.75mm，并在顶点5和顶点6间建立了一条边。

第18步将鼠标从上个顶点左移3格，状态窗显示x=0，y=0.75，点击鼠标左键。

反应：

图3.2的顶点7被建立在x=0.0mm，y=0.75mm，并在顶点6和顶点7之间建立一条边。

说明：

顶点1到7已经依次连接，但是它们还没有形成一个多边形。

要构成一个多边形，还要连接顶点1到7。

第19步在Input菜单中选择FormPolygon。

说明：

有很多构成多边形的方法，一种就是在Input菜单中选择FormPolygon项。

也可在顶点1处输入一个顶点，无论这两个顶点距离多近，MGRID将提示确定。

如果MGRID不提示确定，那么很可能这个连接是无效的。

第三个构成多边形的方法是双击鼠标左键。

反应：

一个多边形被建立并用颜色标志，这个多边形的颜色和层窗口中用z=0.1标记的色带相同，说明此多边形位于z=0.1mm的层。

最后结果如图3.9。

图3.9输入的斜面转角多边形

第五节定义端口和显示网格

第19步已完成了斜面转角的创建，现在要定义端口。

如果一个结构上没有任何端口，那么仿真引擎将无法运行。

端口在多边形的边上定义，有很多定义端口的方法。

Ports菜单中的DefinePort命令允许用户选择一个边并在上面用鼠标单击；Ports菜单中的PortforEdgeGroup命令使用户可以选中一组边。

实际上，尽管DefinePort在一些问题中更方便，PortforEdgeGroup用的更普遍，下面将在本例中使用DefinePort。

还有其它定义端口的方法，将在手册的后面讨论。

第20步在Port菜单中选择DefinePort项。

反应：

跳出定义断口类型的嵌入形式列表。

说明：

IE3D中每个端口都和一个嵌入形式相联系，不同端口可能需要不同的嵌入形式，每一种嵌入形式只能解决某些类型的问题。

为使IE3D更灵活，一共使用六种嵌入形式：

（a）微波集成电路扩展ExtensionforMMIC；（b）局部微波集成电路LocalizedforMMIC；（c）波扩展ExtensionforWaves;（d）垂直局部VerticalLocalized；（e）50Ω波50OhmsforWaves；（f）水平局部HorizontalLocalized。

扩展嵌入形式包括（a）、（c）和（e），这些是最准确的，它们利用嵌入臂消除激励区内产生的高阶模。

然而，它们需要附加扩展空间。

局部列表包括（b）、（d）和（f），适用于没有端口扩展空间的高集成结构。

ExtensionforMMIC是最灵活的扩展形式，它几乎可以用于任何情况，其准确度在高散射系统中可能会下降，将在第12章讨论。

对100微米厚的GaAs电路，ExtensionforMMIC可用于低于50GHz的微带结构。

对于相同衬底的差动激励（耦合微带线或CPW），无论衬底厚度怎样，ExtensionforMMIC仍很准确，因为即使在很厚的衬底时差动激励结构也具有少的多的散射。

ExtensionforMMIC可用于差动激励、耦合端口和没有无穷大接地板的结构。

ExtensionforWaves在微带和带状线结构中最准确，但它和Touchstone®格式的EEs不兼容。

其它五种形式和Touchstone®格式的EEs兼容。

50OhmsforWaves对MMIC电路和滤波器设计是最好的，但它只适用于具有无穷大接地板的分离端口，不能用于差动激励和耦合端口，这就是为什么把ExtensionforMMIC作为默认值的原因。

VerticalLocalized和HorizontalLocalized是特别灵活的局部形式，默认为差动端口。

VerticalLocalized可完全代替LocalizedforMMIC，但不易设置，为简便仍保留LocalizedforMMIC，更多讨论见第12章。

第21步选择ExtensionforMMIC，选择OK接受嵌入列表分支中默认的“3cells”。

反应：

MGRID被设定为定义端口模式，默认端口扩展（或嵌入臂）长度为3个单元，也可在Param菜单中的OptionalParameters对话框改为其它值。

为提高准确度，可增加扩展单元数。

研究发现，3个单元通常就可产生很好且稳定的结果，但也有例外。

如端口的扩展长度（用灰色表示）不比微带到地面的距离明显的大很多，就要考虑定义更多的扩展单元。

对于更高准确度的仿真，用户可提高网格化频率和每个波长的单元数，这将提高单元密度，仿真准确度通常会更高，但这也并不是一直都成立的。

端口扩展是通过单元的数目来确定的，随单元的变小它也将变短。

为得到更高的准确度，还要增加扩展单元的数量

第22步将鼠标移到图3.9中由顶点6和顶点7构成的边，单击鼠标左键。

反应：

端口1被定义了，由顶点6和顶点7构成的边被加厚，边缘出现一个带有数字“1”的小矩形框。

说明：

端口定义是对层敏感的，如果2D输入的层不对，MGRID将不能找到边缘。

如果看到“Noedgeisselectedfortheport…”，很可能2D输入是在一个不同于z=0.1mm的层，应在层窗口中点击No.2（z=0.1mm）并重新选择边。

第23步把鼠标移到图3.1中由顶点3和顶点4构成的边并点击鼠标左键。

说明：

定义了端口1后，MGRID仍然处于定义端口模式，如有必要可继续定义更多端口。

反应：

端口2被定义，此时的结构将如图3.10所示，只不过其中还没有网格。

第24步在Port菜单中选择ExitPort继续2DInput模式（也可以在工具栏选取定义端口的图标退出定义端口模式）。

说明：

定义完端口后退出DefinePort模式是一个好习惯，否则MGRID将一直处于定义端口模式中，这样就不能再进行其它操作。

第25步在File菜单中选择Save，输入“c：

\ie3d\practice\c_bend.geo”作为文件名。

说明：

用户在电路完成或未完成时都可保存电路的一部分，建议在建立大型电路时不断将改变存盘，这将避免数据的意外丢失。

用户可能关心一个电路离散化后会是什么样子，或者想要把线路图和离散化电路作硬拷贝备份。

第26步在Process菜单中选择DisplayMeshing。

说明：

用户必须清楚，离散化过程总是在仿真引擎中完成。

这里的网格化过程，只是为了让用户理解电路网格化后是什么样子，而并不是必须的一步。

建议用户在进行网格化之前保存电路，网格化过程是一个递归过程，对大型结构，如内存不足，在网格化过程中可能会因占用大量内存而出现内存问题。

MGRID9.0为用户提供了更多关于几何图形的信息。

图3.10