整理IE3D中文手册第三章基本技术.docx

1、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

2、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ZELAND FOLDER中双击MGRID图标运行MGRID，也可从Zeland Program

3、 Manager 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

4、 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.

5、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 p

6、er Wavelength (Ncell)”为20。不选中自动边缘单元“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

7、采用一个自动边缘单元方案“Automatic Edge Cells (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

8、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

9、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

10、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+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=

11、0.1mm 顶面z坐标 Real Part of Permittivity， 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)

12、 ；(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 10-12 F/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 - j

13、tan)- 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“Conductor Assumption Limit(CAL)”，此参数在Param菜单中Optional Parameter中定义（附录A

14、）。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

15、显示在列表框。 说明： 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H

16、TS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： Strip thickness=0.002mm 微带厚度 Real part of permittivity=1.0 介电常数的实部 Imaginary part of permittivity=0.0 介电常数的虚部 Real part of perm

17、eability=1.0 导磁率的实部 Imaginary part of permeability=0.0 导磁率的虚部 Real part of conductivity=4.9e+7s/m 电导率的实部 Imaginary part of conductivity=0.0s/m 电导率的虚部第8步 在Metallic Strip Types列表框中双击No.1印刷带选中。 反应： 跳出编辑金属类型（Edit Metallic Type）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（Edit Metallic Type）对话框第9步 不必改变

18、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。Pa

19、ram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Optional Parameters的设置，将在以后对IE3D更加熟悉后说明Optional Parameters。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

20、在Edit 菜单中选择 2D Input ，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2D Input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=0.0 mm和y=0.1 mm，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

21、恰好放到x=0.0 mm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Drop Last Vertice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 Drop All Vertices。 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

22、=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

23、=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，

24、还要连接顶点1到7。第19步 在Input 菜单中选择 Form Polygon。 说明： 有很多构成多边形的方法，一种就是在Input菜单中选择Form Polygon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

25、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Define Port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Port for Edge Group命令使用户可以选中一组边。实际上，尽管Define Port在一些问题中更方便，Port for Edge Group用的更普遍，下面将在本例中使用Define Port。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Define Port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

26、，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Extension for MMIC； (b) 局部微波集成电路Localized for MMIC；(c)波扩展 Extension for Waves; (d) 垂直局部Vertical Localized；(e)50波 50 Ohms for Waves；(f) 水平局部Horizontal Localized。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

27、(b)、(d)和(f)，适用于没有端口扩展空间的高集成结构。Extension for MMIC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， Extension for MMIC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， Extension for MMIC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。 Extension for MMIC可用于差动激励、耦合端口和没有无穷大接地板的结构。Extension for Waves在微带和带状线结

28、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。50 Ohms for Waves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Extension for MMIC作为默认值的原因。Vertical Localized和Horizontal Localized是特别灵活的局部形式，默认为差动端口。Vertical Localized可完全代替Localized for MMIC，但不易设置，为简便仍保留Localized for MMIC，更多讨论见第12章。第

29、21步 选择 Extension for MMIC，选择OK接受嵌入列表分支中默认的“3 cells”。 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Optional Parameters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

30、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“No edge is selected for the port”，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

31、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Exit Port继续2D Input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Define Port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：ie3dpracticec_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Display Meshing。 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。MGRID 9.0为用户提供了更多关于几何图形的信息。 图 3.10