第2章天线仿真技术ppt课件

第2章天线仿真技术第2章天线仿真技术2.1 2.1 天线仿真计算的主要步骤天线仿真计算的主要步骤2.2 2.2 主要的点此计算算法以及对应的仿主要的点此计算算法以及对应的仿真软件真软件2.3 2.3 小结小结第2章天线仿真技术2.1天线仿真计算的主要步骤第2章天线仿真技术在天线工程设计中，借助软件的建模和仿真计算技术可以相对准确地对天线的设计效果和主要的技术指标进行预测，从而可以在天线加工之前验证天线设计方案的可行性，避免盲目地加工测试；同时还可以基于仿真计算对天线的设计方案进行进一步优化，提升天线设计的效率和效果。基于计算仿真技术还可以使许多在实际工程中难以通过测量得到的天线特性以更加直观的方式显示，例如天线结构表面的电流分布等，从而更加有利于对天线的工作机理进行清晰的理解和对设计方案的进一步优化。在天线工程设计中，借助软件的建模和仿真计算技术可以相对第2章天线仿真技术因此，基于电磁计算的天线仿真技术已经成为目前天线工程设计的最重要的一个步骤。本章将首先对天线设计中的电磁仿真计算的基本步骤、基本原理、算法进行简单介绍，然后对目前主流的商业电磁计算软件的特征和使用进行介绍，从而为后续的各类天线仿真计算提供基础。因此，基于电磁计算的天线仿真技术已经成为目前天线工程设计的第2章天线仿真技术2.1 天线仿真计算的主要步骤天线仿真计算的主要步骤借助电磁仿真软件进行仿真计算主要包括以下几个步骤，如图2.1所示。2.1天线仿真计算的主要步骤借助电磁仿真软件进行仿第2章天线仿真技术图2.1软件电磁仿真步骤图2.1软件电磁仿真步骤第2章天线仿真技术(1)天线建模。天线建模的主要任务是将已经形成的天线设计方案中的天线结构以虚拟的方式在计算机中进行模型的描述。通常，天线建模首先需要通过准备工作明确天线由哪几部分构成、每一部分的几何结构和具体尺寸以及材质、各部分的相对安装方式，然后就可以借助软件提供的建模工具在计算机中得到一个虚拟的天线模型。当然这样的建模不可能、也往往不需要完全再现天线的实际结构，在天线的电特性可以得到正确模拟的前提下可以做一定的近似处理。例如，由铜或者其他良导体金属构成的薄片结构(微带贴片等)通常会由理想导体且不考虑厚度的面来构成。(1)天线建模。天线建模的主要任务是将已经形成的天线设第2章天线仿真技术这里需要对馈电结构进行一个单独的说明，天线的实际馈电结构在软件中往往用理想的端口来代替，对此不同的软件和算法有不同的处理方式。但是，在端口的设置中必须明确端口的类别、激励方式、计算的模式以及归算的特性阻抗、端口的积分路径。最要注意的是，由于端口特性往往决定了天线的驻波比特性，因此合理地选择激励端口类型和设置端口参数也是非常重要的。这里需要对馈电结构进行一个单独的说明，天线的实际馈电结第2章天线仿真技术软件在几何建模完成后，会根据实际的算法对几何模型进行网格剖分处理，并且以剖分以后的网格化模型代替原有的几何模型作为天线的结构来进行计算。有的计算软件如FEKO需要明确设定网格的特性，如网格的棱边电长度、三角形网格的内角等。软件在几何建模完成后，会根据实际的算法对几何模型进行网第2章天线仿真技术(2)设置求解参数。求解设置需要依据天线仿真计算中所需要得到的特性来具体进行。首先是频率的设定，包括中心频点、扫描的频带、频点的间隔、扫描的方式等；其次是计算精度的控制，包括收敛控制的要求、迭代的最小和最大步骤；其他的设置还包括是否使用并行、多线程、远程控制、虚拟内存等。(3)解后处理。大部分电磁计算软件计算所得的结果是基于算法所获得的用基函数表示的电流分布，这些结果必须经过解后处理来转换成设计人员所需要的参数。解后处理的主要任务就是依据想获取的天线特性通过解后处理层面的设置来要求软件提供对应的参数。(2)设置求解参数。求解设置需要依据天线仿真计算中所需第2章天线仿真技术这里我们需要解释天线的主要电磁特性参数。天线是馈电系统中的导行波和空间传播电磁波之间的转换器，因此天线的工程设计涉及两种基本的电磁问题:主要用于分析馈电导行波系统的内问题和主要用于分析空间电磁波辐射特性的外问题。当电磁能量受制于一定边界条件时，其在金属导体或介质导体中的传播路径被限制在一定的封闭或相对有限的区域中以导行波的方式进行传播时，形成内问题。天线的内问题主要是指馈电系统的问题。这里我们需要解释天线的主要电磁特性参数。天线是馈电系统第2章天线仿真技术馈电系统的主要目标是将能量进行高效的传输，因此仿真计算的目标参数往往是用于表征传输特性的，如表示传输线自身特性和传输过程匹配特性的相关参数有特性阻抗、驻波比、S参数等。当电磁能量由电流激励离开源向外辐射和传播时，形成外问题，也可被称为“场”。天线辐射所产生的空间辐射场的特性属于外问题，因此仿真计算的目标参数往往是用于表征天线所产生的辐射场特性的，如增益、幅度及相位方向图、副瓣电平、轴比等参数。一个天线设计成功与否主要取决于对内外问题所提指标是否已经被满足。馈电系统的主要目标是将能量进行高效的传输，因此仿真计算的目第2章天线仿真技术因此，解后处理作为重要的一个步骤是由计算软件或程序所获得的电流分布来间接推算上述的各种指标参数。对天线而言，通常需要通过设置来获取输入阻抗、驻波比、S参数、辐射方向图等。必要的时候，还可以通过软件给出特定的几何位置和截面电流分布、场分布、幅相特性等。(4)特性分析。解后处理给出的天线特性是软件给出的直接计算结果，通常与实际天线特性还有一定的距离，这时需要通过对已获得的天线特性进行分析，明确哪些技术指标已经达到要求，哪些技术性指标尚未满足，哪些几何结构参数、介质特性与哪些天线特性具有对应关系，如何通过进一步调整参数来改进设计等。因此，解后处理作为重要的一个步骤是由计算软件或程序所获第2章天线仿真技术(5)参数调整和参数优化。天线初步设计的结果往往不能满足要求，这就需要在天线模型上不断地调整天线的各种参数，并根据计算结果优化天线具体参数，直到仿真计算的结果完全满足天线设计的要求为止。必要的时候，需要借助参数的扫描、敏感度分析、优化算法等手段来寻求最佳参数。因此，这是一个反复的过程。(5)参数调整和参数优化。天线初步设计的结果往往不能满第2章天线仿真技术(6)结果输出。在通过仿真和调试得到合适的设计模型之后，需要借助软件的输出功能，将设计的模型以标准格式输出，并借助CAD等模型处理软件来转换成适合进行实际加工的图形格式。同时，天线的各种仿真计算特性如输入阻抗、驻波比、S参数、辐射方向图等也要导出并存储，以备和加工测试结果比对。(6)结果输出。在通过仿真和调试得到合适的设计模型之后第2章天线仿真技术2.2 主要的电磁计算算法以及对应的仿真软件主要的电磁计算算法以及对应的仿真软件此部分内容是为深入理解电磁计算和软件计算的基本操作流程而提供的。熟悉此部分内容的读者可以跳过此节。初学者也可以大致地进行浏览以便于必要的了解。另外，本教材的主要目的是为初学天线的设计者提供参考，而目前主流的商业软件虽然界面各不相同，但其基本的求解过程大致上都是按照图2.1的流程进行的。因此在软件的介绍中，会首先针对基于MoM的IE3D软件进行详细的介绍，而后续的其他软件因受篇幅的限制介绍会相对简略。2.2主要的电磁计算算法以及对应的仿真软件此部分内第2章天线仿真技术2.2.1 矩量法以及基于矩量法的软件矩量法以及基于矩量法的软件1.矩量矩量法法1968年，Harrington提出了一种数值计算方法称之为矩量法(MethodofMoment，MoM)。经过多年的发展和完善，矩量法已经成为电磁计算和天线设计中非常重要的算法之一。矩量法是一种将连续方程离散化成代数方程组的方法，目前该方法大都用来求解积分方程。对于不同的问题采用不同形式的矩量法才有效。2.2.1矩量法以及基于矩量法的软件1.矩第2章天线仿真技术1)基础理论根据线性空间理论，N个线性方程的联立方程组、微分方程、差分方程、积分方程等均属于希尔伯特空间的算子方程，这类算子可以转化为矩阵方程进行求解。在计算过程中用到广义矩量，这种方法就是矩量法。现有算子方程如下:1)基础理论根据线性空间理论，N个线性方程第2章天线仿真技术式中：L为算子，算子可以是微分方程、差分方程或积分方程；g是已知函数，如激励源；f是未知函数，如电流。假定方程的解唯一，于是逆算子存在L-1，则f=L-1 成立。算子L 的定义域为算子作用于其上的函数f的集合，算子L的值域为算子在其定义域上运算而得的函数g的集合。式中：L为算子，算子可以是微分方程、差分方程或积分方程第2章天线仿真技术假定两个函数f 1 和f 2 以及两个任意常数a 1 和a 2 有下列关系：则称L为线性算子。在矩量法处理问题的过程中，需要求内积的运算。内积的定义为：在希尔伯特空间H中的两个元素f 和g的内积是一个标量，记为，内积运算满足下列关系：式中:a 1 和a 2为标量。假定两个函数f1和f2以及两个任意常数a第2章天线仿真技术下面就线性空间和算子的概念来解释矩量法的含义。假定有一算子方程为积分方程如下：式中：G(z，z)为核；g(z)为已知函数；f(z)为未知函数；a、b 表示积分算子的定义域，一般根据实际应用背景而定。下面就线性空间和算子的概念来解释矩量法的含义。假定有一第2章天线仿真技术首先，用线性的独立的函数f n(z)来近似表示未知函数，即式中:a n 为待定系数；f n(z)为算子域内的基函数；N为正整数，其大小根据需要的计算精度来确定。将f(z)的近似表达式代入算子的左端，则得到：首先，用线性的独立的函数fn(z)来近似表示第2章天线仿真技术由于f(z)是用近似式表示的，所以方程左右两端存在一个偏差：(z)称为余量。如果令余量的加权平均值为零，即式中:W m 是权函数序列。这就是加权余量法。将上式展开可得矩量方程。由于f(z)是用近似式表示的，所以方程左右两端存在第2章天线仿真技术2)求解过程对算子方程的求解过程如下:(1)离散化过程:目的在于将算子方程化为代数方程。在算子L的定义域内适当选择基函数f 1，f 2，f n，且它们是线性无关的。将未知函数f(x)表示为该基的线性组合，并取得有限项近似，即2)求解过程对算子方程的求解过程如下:(第2章天线仿真技术将上式代入算子方程式中，利用算子的线性将算子转化为代数方程：于是，求解f(x)的问题转化为求解f n 的系数a n 的问题。将上式代入算子方程式中，利用算子的线性将算子转化为代数方程第2章天线仿真技术(2)取样检验过程:为了使 f(x)的近似函数fN(x)与f(x)之间的误差极小，必须进行取样检验，在抽样点上使加权平均误差为零，从而确定未知系数a n。在算子L的值域内适当选择一组权函数(检验函数W 1，W 2，W m)，它们也是线性无关的。将W m 与式取内积进行抽样检验，因为要确定N个未知数，需要进行N次抽样检验，则(2)取样检验过程:为了使f(x)的近似函数第2章天线仿真技术利用算子的线性和内积的性质，将上式转化为矩阵方程，即将它写成矩阵形式，即利用算子的线性和内积的性质，将上式转化为矩阵方程，即第2章天线仿真技术式中式中第2章天线仿真技术于是，求解代数方程问题转化为求解矩阵方程的问题。于是，求解代数方程问题转化为求解矩阵方程的问第2章天线仿真技术(3)矩阵求逆过程：一旦得到了矩阵方程，通过常规的矩阵求逆或求解线性方程组，就可得到矩阵方程的解：式中：lmn-1是矩阵l mn的逆矩阵。将求得的展开系数a n代入到便得到原来算子的近似解：(3)矩阵求逆过程：一旦得到了矩阵方程，通过常规的矩阵第2章天线仿真技术在计算中要用到基函数和权函数。基函数常用全基域基函数，是算子定义域内的全域上的一组基函数。在算子的值域内选择一组权函数，如果权函数等于基函数，则称为迦辽金法。它是一种常用的求解方法。对于比较复杂的基函数，为简化计算，利用函数的筛选性产生了点选配。如果研究问题目标体仅为PEC时，矩量法事实上是通过三维对象解决二维问题。对于涉及电介质的问题，由于未知函数会在三维区域分离，此时矩量法将会失效。一般来说，矩量法比较适用于研究对象为纯PEC的散射问题。在计算中要用到基函数和权函数。基函数常用全基域基函数，第2章天线仿真技术在矩量法中，在未知量数为N时内存的利用率正比于N 2，即O(N 2)。使用高斯排除算法用于求解模型方程的浮点运算的数量正比于N 3，即O(N 3)。然而，使用结合法或其他迭代技术用于求解模型方程的浮点运算量为O(N i N 2)，其中下标i是用于误差控制的预设数集。与有限差分相比，MoM仿真时间和内存都耗费较大。目前，主流的基于矩量法的电磁仿真软件主要有ADS、AnsoftDesigner、MicrowaveOffice、IE3D、FEKO。这里重点介绍天线设计中常用的软件IE3D和FEKO。下面首先对IE3D进行详细的介绍。在矩量法中，在未知量数为N时内存的利用率正比于N第2章天线仿真技术 2.IE3D 软件介绍软件介绍1)基本介绍IE3D是一个基于全波分析的矩量法电磁场仿真工具，可以解决多层介质环境下的三维金属结构的电流分布问题。它是通过各界面的边界条件和分层媒质中的并矢格林函数建立起积分方程，然后导出阻抗矩阵和激励矩阵来求得电流系数，并求解Maxwell方程组，从而解决电磁波辐射效应等问题。仿真结果包括S、Y、Z参数，VSWR，RLC等效电路，电流分布，近场分布和辐射方向图，方向性，效率等。IE3D具有强大的功能，具体来说具有以下特点：2.IE3D软件介绍1)基本介绍IE第2章天线仿真技术第2章天线仿真技术E3D在微波/毫米波集成电路(MMIC)、RF印制板电路、微带天线、线天线和其他形式的RF天线、滤波器、IC的内部连接和高速数字电路封装方面是一个非常有用的工具。E3D在微波/毫米波集成电路(MM第2章天线仿真技术2)软件与算法介绍矩量法在IE3D的应用如下：依据。IE3D主要是依据并矢格林函数在金属层上建立磁流和电流模型。对于一般的电磁分布问题，假设有一个导体存在导电性的环境，一个入射电场加在其上，则产生感应电场。感应电流分布在导体表面，则边界条件如下：式中：S是导体表面积；E(r)是在表面切向电场；J(r)是表面电流分布；Z s(r)是导体的表面阻抗。2)软件与算法介绍矩量法在IE3D的应用第2章天线仿真技术介质层的总电场为式中:G(r|r)是介质的并矢格林函数；E i(r)是导体表面的入射电场。G(r|r)除了满足导体S的边界条件还满足分层介质的边界条件。介质层的总电场为式中:G(r|r)是第2章天线仿真技术将式(221)代入式(220)得到:给定入射电场和表面阻抗就可得到格林函数，未知数是电流分布J(r)。假定电流分布由一组全域基函数表示:将式(221)代入式(220)得到:第2章天线仿真技术得到:将式(224)转换为一个矩阵，则得到:将式(224)转换为一个矩阵，则第2章天线仿真技术上述过程采用一组检验函数即权函数(224)，它由无穷个函数组成。因此，式(225)是一个无穷的空间问题，实际应用中只能得到近似解。在有限空间条件下，得到:式中由式(226)求得电流分配系数。知道电流分配系数之后，可计算相关参数。上述过程采用一组检验函数即权函数(224)，它由无第2章天线仿真技术网格与面元。一般的电磁仿真，常用网格作为基函数，网格可分为规格化和非规格化。在IE3D中，采用三角形和矩形混合网格结构，这是一种非规格化的网格方法，产生的面元数目少且适配灵活，它的计算效率和精度比规格化网格好。网格结构如图2.2和图2.3所示。网格与面元。一般的电磁仿真，常用网格作为基函数，第2章天线仿真技术图2.2规格化网格图2.2规格化网格第2章天线仿真技术图2.2所示为规格网格，可以看到微带线上分割了较多的面元。图2.2(a)所示为微带结构；如图2.2(b)所示，为了网格适配，改变了原微带结构。图2.3非规格化网格图2.2所示为规格网格，可以看到微带线上分割了较多第2章天线仿真技术图2.3所示为非规格网格，可以看到灵活地建立了面元。图2.3(a)所示为比较粗略的网格的微带结构；如图2.3(b)所示，为了网格的适配产生了小的边界元。比较规格化网格和非规格化网格产生的面元数目，规格化产生的面元数为83格，非规格化产生的面元数为29格。IE3D中电流密度由面元来表示，如图2.4所示的横截面上的面元代表微带线上的电流密度分布情况。图2.3所示为非规格网格，可以看到灵活地建立了面元第2章天线仿真技术图2.4横截面上不同的网格图2.4横截面上不同的网格第2章天线仿真技术对于快速仿真，IE3D只需用横截面上的一个面元就可以较为精确地仿真，如图2.4(b)所示。为了得到更精确的仿真数据，用靠近边缘处的2个小面元来代表图2.4(a)所示边界处的电流分布，这样仿真更接近实际的微带线横截面上的电流，如图2.4(c)所示。而图2.4(d)所示的规格化的网格没有更好地起到作用，反而增加了计算量。对于快速仿真，IE3D只需用横截面上的一个面元就可第2章天线仿真技术3)天线仿真过程介绍(1)IE3D的组成。IE3D包由七个主要的应用程序组成。MGRID:建立几何结构的主要线路图编辑器，允许用户通过点及多边形创建和编辑几何结构，可以完全控制几何结构的位置及形状。IE3DLIBRARY:参数化几何模拟和编辑的建模向导，拥有FastEMDesignKit(快速电磁设计工具箱)，可实时全波电磁调整、优化和综合。参数化在IE3D全波设计中是极其重要的，在MGRID线路图编辑器中，参数化功能可用，但仅限于点和多边形。高水平的参数化可以在IE3DLIBRARY中完成。3)天线仿真过程介绍(1)IE3D的组成第2章天线仿真技术AGIF:高级自动几何建模工具可以直接从GDSII、CadenceVirtuoso及CadenceAllegro文件创建3D模型。IE3DOS:数值分析的电磁仿真器或仿真引擎，使用DOS形式的命令行，可通过IE3D对话框后台调用完成电磁仿真，一般对用户是隐藏的。IE3D:IE3D对话框显示IE3D仿真或优化过程，IE3D引擎实际上在IE3DOS内，而IE3D实际上只是显示进程的外壳而已。IE3D对话框集成在MGRID和IE3DLIBRARY内。AGIF:高级自动几何建模工具可以直接从GDSII第2章天线仿真技术MODUA:MODUA是参数显示和节点电路仿真的示意图编辑器。PATTERNVIEW:辐射方向图后置处理器。ADIX包括可选的DXF、ACIS、GDSII及GERBER转换器。ADIX所有功能都集成于MGRID中，方便用户选择。MODUA:MODUA是参数显示和节点电路仿真第2章天线仿真技术(2)仿真流程。要完成一个电磁仿真，用户可以从线路图编辑器MGRID、IE3DLIBRARY或AGIF开始，最基本的是从MGRID线路图编辑器开始，在MGRID中，用户使用一组多边形创建一个电路。几何结构创建完并定义端口后，可调用仿真引擎IE3D进行电磁仿真，仿真结果保存到一个与Agilent/EEsofTouchstone格式兼容的文件，保存的仿真结果可导入到其他流行商业节点网络或电路仿真器，如gilent/EEsof的ADS中或AWR公司的MWO微波办公室中。(2)仿真流程。要完成一个电磁仿真，用户可以从第2章天线仿真技术仿真结果也可保存成IE3D几何文件(.geo或.ie3)，并用IE3D包中MGRID、MODUA、IE3DLIBRARY和AGIF显示和后处理，MODUA是一个和Touchstone相似的程序，只是它没有大量的元件库。实际上，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、互感、开路、短路和理想连接等集总元件进行电路和电磁协同仿真。MODUA唯一的作用就是电路仿真，这在MGRID中是不具备的。如果没有调用电磁和电路协同仿真和优化，用户甚至不需要MODUA模块。仿真结果也可保存成IE3D几何文件(.geo或.第2章天线仿真技术电磁仿真的一个主要优势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信息是很有价值的。在IE3D中，用户可有选择地保存仿真中的电流分布文件，在V14版本中，打开几何文件后，可以访问电流分布文件以显示电流分布的标量场和矢量场，也可以显示电流分布的动画效果及辐射方向图和其他参数。最后，辐射方向图可以在MGRID或PATTERNVIEW中显示和处理。这里包括显示2D方向图和3D方向图、合并不同的方向图、获取阵列辐射方向图、收发天线间的传输函数、显示和处理线极化与圆极化天线的参数。在MGRID中，用户也可以计算和显示结构表面的近场分布。电磁仿真的一个主要优势是用户可获得被仿真结构的场和电流第2章天线仿真技术典型的IE3D电磁仿真流程图如图2.5所示。可见，在IE3D12中有多种方法完成仿真求解。每种方法都为用户提供了不同的便利工具。可以看到，IE3D大致有三种仿真方法，而其中基本的仿真方法为左边的方法，中间和右边的仿真方法比较适合于对IE3D已经熟悉的高级用户使用。下文的仿真将基于左边的方法。典型的IE3D电磁仿真流程图如图2.5所示。可第2章天线仿真技术图2.5典型的IE3D电磁仿真流程图图2.5典型的IE3D电磁仿真流程图第2章天线仿真技术(3)建模过程及仿真。IE3D是一个通用的EM电磁仿真器，通常用于高频电路和天线的精确仿真设计。不失一般性，我们将电路或天线看做一种结构，在IE3D中，结构一般由多边形构成，而多边形又由一系列的点构成。参数设置。启动MGRID，弹出基本参数对话框如图2.6所示。基本参数包含八组参数:注释(Comment):注释新建的项目。(3)建模过程及仿真。IE3D是一个通用的E第2章天线仿真技术长度(Length):长度单位和最小长度值。层和格子(LayoutsandGrids):层编辑下的格子参数。网格参数(MeshingParameters):控制网格化几何图形。封闭域(Enclosure):定义垂直电壁和磁壁。介质层(SubstrateLayers):介质和接地板参数。金属类型(MetallicStripTypes):定义结构中所用金属的厚度、介电常数、磁导率和电导率。介质类型(DielectricTypes):有限尺寸的介质类型。长度(Length):长度单位和最小长度值。第2章天线仿真技术图2.6基本参数对话框图2.6基本参数对话框第2章天线仿真技术举例构建一个斜边微带。构建斜边微带电路，可以将几个多边形组合成一个几何图形，如图2.7所示。首先，打开MGRID，新建一个图形，弹出基本参数对话框，选择“mm”作为长度单位。然后，点击“层和格子(LayoutsandGrids)”中的插入(Insert)按钮，MGRID会弹出编辑层和格子对话框(如图2.8所示)，默认的格子大小为0.025mm，这个格子只是用来构造几何而不是用来作为网孔和数值计算的。举例构建一个斜边微带。构建斜边微带电路，可以将几个多边第2章天线仿真技术图2.7斜边带分割成三部分图2.7斜边带分割成三部分第2章天线仿真技术图2.8编辑层和格子对话框图2.8编辑层和格子对话框第2章天线仿真技术接着，点击“OK”按钮，接受默认值，这个尺寸被加到层和格子列表框中。最后，改变网孔频率，范围从1GHz改为40GHz，40GHz是要仿真的频率。仍选每波长20面元(CellsperWavelength(Ncell)，不选自动边界元(AutomaticEdgeCells)检查框。高离散频率得到高精度计算值，但仿真过程时间较长。网孔结构对仿真是非常敏感的，一般选取每波长1520面元。另外，选择自动边界元，能够优化结果，但是仿真时间会加长。接着，点击“OK”按钮，接受默认值，这个尺寸被加到第2章天线仿真技术基片参数。基片参数包括介质层、介质层上表面的Z坐标值、基片的磁导率、介电常数、电导率。在零层设置为接地，无限地平面被看做高电导率的基片。零层的上表面的Z坐标总为零，它不能被修改。其他的参数可根据实际情况来修改。在介质层空间部分，至少定义一个介质层，即一个结构中至少有两个介质层(包括零层)。介质层顶部空间可用一个极大的数字来定义，如1.0e+10mm。默认条件下，MGRID会建立两层介质层。零层(No.0layer)是良导体，其电导率是4.9e+7s/m。第一层(No.1layer)是空气，并且上表面的Z标是1.0e+15mm，即整个上部空间填充为空气。基片参数。基片参数包括介质层、介质层上表面的第2章天线仿真技术本例中，有三层介质层(包含地平面)，零层(No.0layer)是接地，第一层是介质层，第二层是空气。其中，第一层的参数如下:TopSurfaceZ-Coordinate，Ztop=0.1mmRealPartofPermittivity，Re(EPSr)=12.9LossTangentofEPSr=0.0005RealPartofPermeability，Re(MUr)=1.0LossTangentofMUr=0.0RealPartofConductivity=0.0s/mImaginaryPartofConductivity=0.0s/m本例中，有三层介质层(包含地平面)，零层(No.0l第2章天线仿真技术首先，点击基片层的列表框内的“插入(Insert)”按钮，MGRID会弹出新的基片层(如图2.9所示)。然后，确认为正常类型。输入第一层介质层的参数(如图2.9所示)，点击“OK”按钮，将新介质层加入到了基本对话框内。首先，点击基片层的列表框内的“插入(Insert)”第2章天线仿真技术图2.9No.1介质层参数输入到编辑介质层对话框图2.9No.1介质层参数输入到编辑介质层对话框第2章天线仿真技术金属层参数。金属层参数包括金属带厚度、介电常数、磁导率和电导率。电路中要至少定义一层金属层。编辑电路总是默认第一层为金属层，要改动其他的多边形可选择编辑下的目标属性(EditObjectProperties)来进行。金属层参数。金属层参数包括金属带厚度、介电常第2章天线仿真技术定义金属带类型也可点击“插入(Insert)”按钮，会弹出对话框来定义参数。对本例，默认第一层金属层参数如下:Stripthickness=0.002mmRealpartofpermittivity=1.0Imaginarypartofpermittivity=0.0Realpartofpermeability=1.0Imaginarypartofpermeability=0.0Realpartofconductivity=4.9e+7s/mImaginarypartofconductivity=0.0s/m定义金属带类型也可点击“插入(Insert)”按钮，第2章天线仿真技术首先，双击列表框内的金属层的参数，会弹出对话框(如图2.10所示)。然后，定义完金属层上的相关参数后，点击“OK”按钮，即可将参数加入到基本对话框中。首先，双击列表框内的金属层的参数，会弹出对话框(如图第2章天线仿真技术图2.10在编辑金属类型对话框中的No.1金属带参数图2.10在编辑金属类型对话框中的No.1金属带第2章天线仿真技术图2.11所示是已经定义了所有参数的基本对话框，点击“OK”按钮，即可进入图形的编辑状态。图2.11已定义了所有参数的基本对话框图2.11所示是已经定义了所有参数的基本对话框，点第2章天线仿真技术编辑多边形。若多边形是由一系列同一平面上的顶点组成的，则称为二维多边形；若多边形的顶点位于不同层上，则称为三维多边形。IE3D的层包括基片层和金属层。基片层是在基本参数中定义的，是具有特定介质结构的层；而金属层是显示在层窗口上的即在MGRID的右下角处的窗口。MGRID会自动保存金属层上的z坐标位置和基片上表面的z坐标位置。首先，点击z=0.1代表第二层的长条，则层焦点落在第二层。编辑多边形。若多边形是由一系列同一平面上的顶第2章天线仿真技术然后，移动鼠标，会看到状态窗口显示光标的位置，点击鼠标左键，则选定该点。鼠标位置如图2.12所示。本例中，从原点开始上移光标，选定点(0.0，0.1)，即x=0.0mm和y=0.1mm。不需要将光标指向确切的位置，只要将光标放在最近的格子即可，如图2.12所示。MGRID自动地捕获这个点，移动鼠标时可以计算从参考点到光标处的距离。如果一个地方放置了不需要的顶点，可以点击鼠标右键或选择“InputDropLastVertex”命令去除该点。如果去除多个点，可选择“InputDropAllVertices”命令。然后，移动鼠标，会看到状态窗口显示光标的位置，点击鼠标第2章天线仿真技术图2.12鼠标位置图2.12鼠标位置第2章天线仿真技术随后，向右移动鼠标。状态窗口显示出光标的坐标(0.1，0.0)，点击鼠标左键，则输入为第二点;向右移动鼠标到坐标为(0.75，0.0)，点击鼠标左键，得到第三个顶点。于是2、3顶点之间被建立了一条边。最后，从第三个点开始，上移鼠标建立第四个点，坐标为(0.75，0.075)，同样3、4顶点之间也形成一条边。随后，向右移动鼠标。状态窗口显示出光标的坐标(0.第2章天线仿真技术同前所述，依次建立顶点5(0.075，0.075);顶点6(0.075，0.75);顶点7(0.0，0.75)。这些顶点顺序连接，但仍未形成一个多边形。如果要形成一个多边形，连接1与7即可。也可以用另一种方法来完成:选择“Input”菜单下的“FormPolygon”，就会形成一个多边形，并被填充标记色。该标记色与同层窗口的z=0.1的标签颜色一致，则意味着多边形所在的垂直坐标为z=0.1mm，如图2.13所示。同前所述，依次建立顶点5(0.075，0.第2章天线仿真技术图2.13斜边带多边形图2.13斜边带多边形第2章天线仿真技术定义端口。完成了电路图形结构后，为了使仿真引擎能够工作，需要定义端口，相当于为电路加入平面波激励。通常定义端口的方法有：在端口菜单上选择“定义端口”，然后在要定义的边上点击一下鼠标左键，就会看到一个标有数字的矩形框出现在被选的边上；选择端口菜单上的“边组定义端口”，框住要定义的边即可。另外，在工具条上有图标，选择图标也能定义端口。当端口定义后，要退出定义端口状态，否则不能进入下一步的工作。就本例而言：定义端口。完成了电路图形结构后，为了使仿真引第2章天线仿真技术首先，在端口菜单上选择“定义端口”，则弹出去嵌入的对话框。这是因为IE3D中的端口都是与去嵌入相捆绑的。不同的端口有不同的去嵌入，为了灵活应用，IE3D提供了六种去嵌入体系:ExtensionforMMIC单一集成微波电路扩展LocalizedforMMIC本地单一集成微波电路ExtensionforWaves波扩展VerticalLocalized本地垂直50OhmsforWaves50欧姆波HorizontalLocalized本地水平首先，在端口菜单上选择“定义端口”，则弹出去嵌入的对话第2章天线仿真技术最精确的扩展去嵌入是：单一集成微波电路扩展、波扩展、50欧姆波。通过在端口添加去嵌入手柄来消除激励区域的高次模，对于没有空间可扩展的用其他三种方法较好。实际应用较多的是单一集成微波电路扩展。然后，选ExtensionforMMIC后确认，接受默认去嵌入柄长“3面元”。响应：MGRID处于定义端口模式，默认端口长度为3面元，可以在参数菜单内的“选择参数”对话框来改变其他的参数。要提高计算精度可增加扩展面元数。最精确的扩展去嵌入是：单一集成微波电路扩展、波扩展、第2章天线仿真技术接着，移动鼠标到6、7两点所在的边上，如图2.14所示，点击鼠标左键。这样定义了端口1，同时在6、7所在的边上有一个带有矩形框的数字“1”。图2.14定义端口结构接着，移动鼠标到6、7两点所在的边上，如图2第2章天线仿真技术注注意：意：如果选的二维层不正确，MGRID找不到边，会有一个“没有可定义端口的边”的提醒显示，则在层状态窗口内点击要定义的层，重新定义端口。随后，用同样的方法可以定义第二个端口。最后，退出端口操作。定义完端口后可以选择端口菜单的“退出端口”，返回到2D输入状态。选择相应的参数后确认，就立即进入网孔过程。本例中网孔结束后有13个面元，如图2.15所示。注意：如果选的二维层不正确，MGRID找不到边，会第2章天线仿真技术图2.15带有端口的网孔结构图2.15带有端口的网孔结构第2章天线仿真技术电磁仿真。首先，选择过程菜单中的仿真，则会弹出仿真设置对话框，如图2.16所示。由IE3D的相关原理可知，仿真的过程需要解矩阵方程。IE3D中设置了多种矩阵求解器，其中默认矩阵求解器是先进型对称矩阵求解器(Adv.SymmetricMatricSolver)。一般的设计过程要求求解器能够较快地进行仿真计算，在满足一定的工程需要下，具体设计中根据不同的情况可以选择其他的矩阵求解器。电磁仿真。首先，选择过程菜单中的仿真，则会第2章天线仿真技术图2.16MGRID中仿真设置对话框图2.16MGRID中仿真设置对话框第2章天线仿真技术大多数情况，需要研究的参数是S、Y、Z参数。为了得到完全频响，要选AIF(AdaptiveIntelli-Fit)。AIF能够得到快速精确的频响，但在方向图和电流分布计算的过程中不能采用。因此，当用于多频率点仿真时，采用AIF；用于特殊频率点电流分布和方向图计算时，重新运行仿真，不采用AIF。另外，还有两个精确的选择：二维仿真速度和精度与三维仿真速度和精度，可以由MGRID自动地设定。本例中，在开始频率输入0.5GHz，结束频率输入40GHz，频率数目为80，点击“enter”按钮即可将这些参数输入。AIF仿真频率点较多，从而使仿真曲线更加圆滑。大多数情况，需要研究的参数是S、Y、Z参数。为了得到第2章天线仿真技术然后，确认其他的参数后，选“OK”确定，激活IE3D仿真引擎进入仿真过程，如图2.17所示。仿真过程结束后，所得仿真数据保存在“.SIM”文件中。当点击“OK”按钮确定后，激活“IE3D.EXE”进入仿真过程。仿真结束后，激活MODUA，从MODUA的相关命令菜单中进行选择显示仿真结果。然后，确认其他的参数后，选“OK”确定，激活IE第2章天线仿真技术图2.17IE3D仿真引擎对话框图2.17IE3D仿真引擎对话框第2章天线仿真技术(4)参数分析。查看S、Z、Y、VSWR等参数。接上例，在很短时间内IE3D完成了仿真，由于在“SimulationSetup”对话框的“Post-Processing”中选择了“InvokeMODUA”，因此将会调用MODUA显示S参数，如图2.18所示。(4)参数分析。查看S、Z、Y第2章天线仿真技术图2.18MODUA中S参数显示图2.18MODUA中S参数显示第2章天线仿真技术若要显示其他参数，或者显示其他内容，可以通过control菜单下的“definedisplaydata”、definedisplaygraph”、“definedisplaysmithchart”来显示不同的内容。其中“definedisplaydata”以数据格式显示当前参数，“definedisplaygraph”以图形方式显示各种参数，而“definedisplaysmithchart”以史密斯圆图方式显示S参数。图形中的各项参数可以通过在图形上打开右键快捷菜单中的“graphparameter”来调整。若要显示其他参数，或者显示其他内容，可以通过cont第2章天线仿真技术还有一个常用的技巧就是要同时观察几个*.sp文件，可以通过“viewdisplayqueueitem”打开对话框，点击“addfile”来选择要打开的sp文件，并在“displayqueueitem”上打钩，确定之后就会显示选择的多条sp参数曲线。还有一个常用的技巧就是要同时观察几个*.sp文件，可第2章天线仿真技术查看辐射参数。以上介绍了建模和仿真的方法，对于天线而言，我们更想知道它的辐射特性，接下来就来介绍天线的电磁分析过程。首先，天线的建模过程和上文的微带电路的建模过程是一样的，而且天线的S、Z、VSWR等参数也可以像上文中介绍的一样通过调用MODUA来查看。下面着重介绍天线辐射参数的查看。使用的例子是插入式棱边馈电矩形贴片天线，俯视图如图2.19所示，天线基本参数见表2.1。查看辐射参数。以上介绍了建模和仿真的方法，对于天线第2章天线仿真技术表2.1贴片天线参数表2.1贴片天线参数第2章天线仿真技术图2.19插入式棱边馈电矩形贴片天线图解图2.19插入式棱边馈电矩形贴片天线图解第2章天线仿真技术在MGRID里建模和仿真，可以得到如图2.20所示的S参数结果，并且可根据需要调出其他参数。图2.20天线S参数在MGRID里建模和仿真，可以得到如图2.20第2章天线仿真技术由S参数曲线可以看到，天线谐振在1.88GHz，因此只需观察1.88GHz时的天线辐射特性。在MGRID窗口选择“ProcessSimulate”，频率只输入1.88GHz，同时选中RadiationPatternFile复选框，CurrentDistributionFile复选框将被自动选中，这两个选项将生成电流分布文件(.cur)和辐射方向图文件(.pat)。仿真结束后，软件自动弹出电流密度分布显示窗口和方向图后处理窗口，在电流密度分布显示窗口选择“Processdisplaycurrentdistribution”，弹出对话框，确定将显示天线的电流密度分布，从而可以观察天线的电流分布情况，如图2.21所示。此外，还有很多的功能从各个角度来帮助设计者分析天线。由S参数曲线可以看到，天线谐振在1.88GHz第2章天线仿真技术图2.21电流密度分布图2.21电流密度分布第2章天线仿真技术在PatternView打开的是天线的辐射方向图文件(.pat)，用来查看天线的辐射特性以及一些阵列计算功能。其常用功能如下:查看整体辐射特性信息，可选择EditPatternProperty”。在Display菜单下查看二维、三维方向图或者其他参数。方向图计算，可选择“EditArrayPatternCalculation”。选择“EditPatternProperty”，弹出如图2.22所示的信息框，上面为天线的辐射参数。在PatternView打开的是天线的辐射方向图文第2章天线仿真技术图2.22天线辐射参数图2.22天线辐射参数第2章天线仿真技术选择“Display3Dpattern”，弹出对话框，分别确定相应显示参数，可以得到如图2.23所示的三维方向图。图2.233维方向图选择“Display3Dpattern”，弹出对第2章天线仿真技术选择“Display2Dpattern”，弹出对话框，分别确定相应显示参数，可以得到如图2.24所示的E面和H面方向图。选择“Display2Dpattern”，弹出对第2章天线仿真技术图2.24E面和H面方向图图2.24E面和H面方向图第2章天线仿真技术(5)应用例子。例例 2.1 对称振子的仿真。打开IE3D软件，选择“ParamBasicParameter”，设置z=0层的电导率为0，使整个空间为自由空间，并确认没有多余的介质层，选择单位为mm。选择“EntityConicalTube”，输入相应参数，建立对称振子的一臂，振子半径设为2mm，截面分6段，臂长为170mm，这样在z=0到z=170间就建立了对称振子的一臂。在窗口底下点击“Insertalayer”，输入175，然后确定。(5)应用例子。例2.1对称振子的仿第2章天线仿真技术重复步骤，注意起始的z=175，建立对称振子的另一个臂。选择“EditSelectVertices”，在右边的小窗口选择z=175层，框选振子的整个截面，再选择“AdvEditBuildViaConnectiononEdges”。在弹出的对话框中，选择连接到层z=170，positivelevel选为z=175，negativelevel选为z=170，然后确定。这样便给两个臂加了端口，于是便完成了对称振子的建模，如图2.25所示。重复步骤，注意起始的z=175，建立对第2章天线仿真技术图2.25振子俯视图图2.25振子俯视图第2章天线仿真技术选择“ProcessSimulate”设置扫描频率为0.30.5GHz，网格化频率为0.8GHz，网格密度为20个/波长，确定开始仿真。仿真结束后，自动调用MODUA显示S参数，如图2.26所示。可以看到，天线在0.406GHz谐振。选择“ProcessSimulate”设置扫第2章天线仿真技术图2.26天线S参数图2.26天线S参数第2章天线仿真技术在MGRID窗口中，重新打开仿真对话框，频率只输入0.406GHz，同时选中RadiationPatternFile复选框，CurrentDistributionFile复选框将被自动选中，重新仿真。仿真结束后，自动弹出电流密度分布窗口和PatternView窗口，在电流密度分布窗口可以观察电流密度分布，如图2.27所示。在PatternView窗口可以查看天线方向图，如图2.28和图2.29所示，具体操作可以参考上文。在MGRID窗口中，重新打开仿真对话框，频率只第2章天线仿真技术图2.27对称振子的电流密度分布图2.27对称振子的电流密度分布第2章天线仿真技术图2.28对称振子的E面方向图图2.28对称振子的E面方向图第2章天线仿真技术图2.29对称振子的H面方向图图2.29对称振子的H面方向图第2章天线仿真技术选择“EditPatternProperty”，可以查看天线的辐射参数。可以看到，该天线的方向系数为2.12dBi，最大增益达到1.98dBi，而对称振子方向系数的理论值为1.64(2.14dBi)，可见该结果是正确的。选择“EditPatternProperty第2章天线仿真技术例例 2.2 螺旋天线的仿真。建模过程在MGRID的File菜单中选择“New”，则弹出“BasicParameters”对话框。选择mil作为长度单位，在右上角的线路图和网格列表框中选择“Insert”，输入XFrom=50、YFrom=50、XTo=50及YTo=50和GridSize=2mil，XFrom、YFrom、XTo和YTo不是关键参数，使用View菜单中的ViewWholecircuit时可被MGRID自动修改。GridSize决定每个网格的大小，这是一个重要数字，点击“OK”按钮添加线路图和网格参数。例2.2螺旋天线的仿真。建模过程第2章天线仿真技术对网格化参数，在MeshingParameters中更改MeshingFrequency=10GHz，CellsperWavelength=20不选中“AutomaticEdgeCells”键。下面定义衬底层，在右上角的SubstrateLayers列表框中选择“Insert”键，跳出编辑衬底EditSubstrate对话框，为No.1衬底输入以下参数：对网格化参数，在MeshingParameter第2章天线仿真技术TopsurfaceZtop=20mils顶面z坐标Realpartofpermittivity=12介电常数实部LossTangentforpermittivity=0介电常数损耗角正切Realpartofpermeability=1.0磁导率实部Losstangentforpermeability=0磁导率损耗角正切Realpartofconductivity=5s/m电导率实部Imaginarypartofconductivity=0s/m电导率虚部点击“OK”按钮，将衬底添加到衬底层列表中。TopsurfaceZtop=20mils顶面第2章天线仿真技术再次在SubstrateLayers列表框中选择“Insert”键，又跳出编辑衬层对话框，为No.2衬层输入以下参数：TopsurfaceZtop=21milsRealpartofpermittivity=4LossTangentforpermittivity=0Realpartofpermeability=1.0Losstangentforpermeability=0Realpartofconductivity=0s/mImaginarypartofconductivity=0s/m再次在SubstrateLayers列表框中选第2章天线仿真技术点击“OK”按钮添加衬层，MGRID将从顶面z坐标自动探测到应为No.2衬层。在MetallicStripType的右上角选择“Insert”键，跳出“EditMetallicType”对话框，输入以下参数:Thickness=0.1574804mils厚度Realpartofpermittivity=1介电常数实部LossTangentofpermittivity=0介电常数损耗角正切点击“OK”按钮添加衬层，MGRID将从顶第2章天线仿真技术Realpartofpermeability=1磁导率实部LossTangentofpermeability=0磁导率损耗角正切Realpartofconductivity=4.9e7s/m电导率实部Imaginarypartofconductivity=0s/m电导率虚部点击“OK”按钮添加金属类型为No.2型。全部设置结束后，如图2.30所示。Realpartofpermeability=1磁第2章天线仿真技术图2.30定义了所有必需参数后的基本参数对话框图2.30定义了所有必需参数后的基本参数对话框第2章天线仿真技术在Entity菜单中重新选择CircularSpiral，在ApproximationGuarantees组确定VertexLocation，输入以下参数(如图2.31所示):AxisDirection=Zdirection轴向NumberofSegmentsforCircle=16每圈的片数StartAngle=0degree起始角度TotalSegments=68总片数StripWidth=2mils带的宽度Separation=2.5mils间隔StartRadius=10mils起始半径CenterXCoordinate=20mils中心x坐标CenterYCoordinate=10mils中心y坐标CenterZCoordinate=21mils中心z坐标在Entity菜单中重新选择Circular第2章天线仿真技术图2.31圆形螺旋线对话框图2.31圆形螺旋线对话框第2章天线仿真技术建立的圆形螺旋线如图2.32所示。图2.32第8步中MGRID自动建立的圆形螺旋线建立的圆形螺旋线如图2.32所示。图2.32第2章天线仿真技术点击No.2层：右下角层窗口中z=21mil的层，设置2D输入z=21mil，也可在Edit菜单中选择“2DInput”，并输入z=21mils。在Input菜单中选择“SettoClosestVertex”，在图2.32中点击顶点1，在顶点1连接一个顶点。在Entity菜单选择“Rectangle”，MGRID将提示输入矩形参数，将参数改为XCoordinate=30 x坐标YCoordinate=11y坐标ZCoordinate=21z坐标点击No.2层：右下角层窗口中z=21m第2章天线仿真技术ReferencePointAs=UpperLeftCorner参考点Length=2.5长度Width=2宽度Rotation=0旋转点击“OK”按钮，创建一个矩形覆盖螺旋线末端的内部(如图2.33所示)。再点击“YES”按钮创建此矩形。ReferencePointAs=UpperLef第2章天线仿真技术图2.33第11步中放开鼠标左键前的图形图2.33第11步中放开鼠标左键前的图形第2章天线仿真技术在AdvEdit菜单中选择“CutOverlappedPolygons”。反应：重叠多边形将在要建立点连接的顶端被剪切