天線工程設計基礎課件：天線仿真技術

天線仿真技術2.1天線仿真計算的主要步驟2.2主要的點此計算算法以及對應的仿真軟件2.3小結(jié)

在天線工程設計中，借助軟件的建模和仿真計算技術可以相對準確地對天線的設計效果和主要的技術指標進行預測，從而可以在天線加工之前驗證天線設計方案的可行性，避

免盲目地加工測試；同時還可以基于仿真計算對天線的設計方案進行進一步優(yōu)化，提升天線設計的效率和效果?；谟嬎惴抡婕夹g還可以使許多在實際工程中難以通過測量得到的

天線特性以更加直觀的方式顯示，例如天線結(jié)構(gòu)表面的電流分布等，從而更加有利于對天線的工作機理進行清晰的理解和對設計方案的進一步優(yōu)化。

因此，基于電磁計算的天線仿真技術已經(jīng)成為目前天線工程設計的最重要的一個步驟。本章將首先對天線設計中的電磁

仿真計算的基本步驟、基本原理、算法進行簡單介紹，然后對目前主流的商業(yè)電磁計算軟件的特征和使用進行介紹，從而為后續(xù)的各類天線仿真計算提供基礎。

2.1天線仿真計算的主要步驟

借助電磁仿真軟件進行仿真計算主要包括以下幾個步驟，如圖2.1所示。圖2.1軟件電磁仿真步驟

(1)天線建模。天線建模的主要任務是將已經(jīng)形成的天線設計方案中的天線結(jié)構(gòu)以虛擬的方式在計算機中進行模型的描述。通常，天線建模首先需要通過準備工作明確天線由

哪幾部分構(gòu)成、每一部分的幾何結(jié)構(gòu)和具體尺寸以及材質(zhì)、各部分的相對安裝方式，然后就可以借助軟件提供的建模工具在計算機中得到一個虛擬的天線模型。當然這樣的建模不

可能、也往往不需要完全再現(xiàn)天線的實際結(jié)構(gòu)，在天線的電特性可以得到正確模擬的前提下可以做一定的近似處理。例如，由銅或者其他良導體金屬構(gòu)成的薄片結(jié)構(gòu)(微帶貼片等)

通常會由理想導體且不考慮厚度的面來構(gòu)成。

這里需要對饋電結(jié)構(gòu)進行一個單獨的說明，天線的實際饋電結(jié)構(gòu)在軟件中往往用理想的端口來代替，對此不同的軟件和算法有不同的處理方式。但是，在端口的設置中必須明

確端口的類別、激勵方式、計算的模式以及歸算的特性阻抗、端口的積分路徑。最要注意的是，由于端口特性往往決定了天線的駐波比特性，因此合理地選擇激勵端口類型和設置端

口參數(shù)也是非常重要的。

軟件在幾何建模完成后，會根據(jù)實際的算法對幾何模型進行網(wǎng)格剖分處理，并且以剖分以后的網(wǎng)格化模型代替原有的幾何模型作為天線的結(jié)構(gòu)來進行計算。有的計算軟件如

FEKO需要明確設定網(wǎng)格的特性，如網(wǎng)格的棱邊電長度、三角形網(wǎng)格的內(nèi)角等。

(2)設置求解參數(shù)。求解設置需要依據(jù)天線仿真計算中所需要得到的特性來具體進行。首先是頻率的設定，包括中心頻點、掃描的頻帶、頻點的間隔、掃描的方式等；其次是計算精度的控制，包括收斂控制的要求、迭代的最小和最大步驟；其他的設置還包括是否使用并行、多線程、遠程控制、虛擬內(nèi)存等。

(3)解后處理。大部分電磁計算軟件計算所得的結(jié)果是基于算法所獲得的用基函數(shù)表示的電流分布，這些結(jié)果必須經(jīng)過解后處理來轉(zhuǎn)換成設計人員所需要的參數(shù)。解后處理的主要任務就是依據(jù)想獲取的天線特性通過解后處理層面的設置來要求軟件提供對應的參數(shù)。

這里我們需要解釋天線的主要電磁特性參數(shù)。天線是饋電系統(tǒng)中的導行波和空間傳播電磁波之間的轉(zhuǎn)換器，因此天線的工程設計涉及兩種基本的電磁問題:主要用于分析饋電

導行波系統(tǒng)的內(nèi)問題和主要用于分析空間電磁波輻射特性的外問題。

當電磁能量受制于一定邊界條件時，其在金屬導體或介質(zhì)導體中的傳播路徑被限制在一定的封閉或相對有限的區(qū)域中以導行波的方式進行傳播時，形成內(nèi)問題。天線的內(nèi)問題

主要是指饋電系統(tǒng)的問題。

饋電系統(tǒng)的主要目標是將能量進行高效的傳輸，因此仿真計算的目標參數(shù)往往是用于表征傳輸特性的，如表示傳輸線自身特性和傳輸過程匹配特性的相關參數(shù)有特性阻抗、駐波比、S參數(shù)等。當電磁能量由電流激勵離開源向外輻射和傳播時，

形成外問題，也可被稱為“場”。天線輻射所產(chǎn)生的空間輻射場的特性屬于外問題，因此仿真計算的目標參數(shù)往往是用于表征天線所產(chǎn)生的輻射場特性的，如增益、幅度及相位方向圖、副瓣電平、軸比等參數(shù)。一個天線設計成功與否主要取決于對內(nèi)外問題所提指標是否已經(jīng)被滿足。

因此，解后處理作為重要的一個步驟是由計算軟件或程序所獲得的電流分布來間接推算上述的各種指標參數(shù)。對天線而言，通常需要通過設置來獲取輸入阻抗、駐波比、S參數(shù)、輻射方向圖等。必要的時候，還可以通過軟件給出特定的幾何位置和截面電流分布、場分布、幅相特性等。

(4)特性分析。解后處理給出的天線特性是軟件給出的直接計算結(jié)果，通常與實際天線特性還有一定的距離，這時需要通過對已獲得的天線特性進行分析，明確哪些技術指標

已經(jīng)達到要求，哪些技術性指標尚未滿足，哪些幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、介質(zhì)特性與哪些天線特性具有對應關系，如何通過進一步調(diào)整參數(shù)來改進設計等。

(5)參數(shù)調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化。天線初步設計的結(jié)果往往不能滿足要求，這就需要在天線模型上不斷地調(diào)整天線的各種參數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化天線具體參數(shù)，直到仿真計算的

結(jié)果完全滿足天線設計的要求為止。必要的時候，需要借助參數(shù)的掃描、敏感度分析、優(yōu)化算法等手段來尋求最佳參數(shù)。因此，這是一個反復的過程。

(6)結(jié)果輸出。在通過仿真和調(diào)試得到合適的設計模型之后，需要借助軟件的輸出功能，將設計的模型以標準格式輸出，并借助CAD等模型處理軟件來轉(zhuǎn)換成適合進行實際加工的圖形格式。同時，天線的各種仿真計算特性如輸入阻抗、駐波比、S參數(shù)、輻射方向圖等也要導出并存儲，以備和加工測試結(jié)果比對。

2.2主要的電磁計算算法以及對應的仿真軟件

此部分內(nèi)容是為深入理解電磁計算和軟件計算的基本操作流程而提供的。熟悉此部分內(nèi)容的讀者可以跳過此節(jié)。初學者也可以大致地進行瀏覽以便于必要的了解。另外，本教材的主要目的是為初學天線的設計者提供參考，而目前主流的商業(yè)軟件雖然界面各不相同，但其基本的求解過程大致上都是按照圖2.1的流程進行的。因此在軟件的介紹中，會首先針對基于MoM的IE3D軟件進行詳細的介紹，而后續(xù)的其他軟件因受篇幅的限制介紹會相對簡略。

2.2.1矩量法以及基于矩量法的軟件

1.矩量法

1968年，

Harrington提出了一種數(shù)值計算方法稱之為矩量法(MethodofMoment，MoM)。經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，矩量法已經(jīng)成為電磁計算和天線設計中非常重要的算法之一。矩量法是一種將連續(xù)方程離散化成代數(shù)方程組的方法，目前該方法大都用來求解積分方程。對于不同的問題采用不同形式的矩量法才有效。

1)基礎理論

根據(jù)線性空間理論，

N個線性方程的聯(lián)立方程組、微分方程、差分方程、積分方程等均屬于希爾伯特空間的算子方程，這類算子可以轉(zhuǎn)化為矩陣方程進行求解。在計算過程中用到廣義矩量，這種方法就是矩量法。

現(xiàn)有算子方程如下:

式中：

L為算子，算子可以是微分方程、差分方程或積分方程；g

是已知函數(shù)，如激勵源；f

是未知函數(shù)，如電流。假定方程的解唯一，于是逆算子存在L-1，則f=L-1成立。算子L

的定義域為算子作用于其上的函數(shù)f

的集合，算子L的值域為算子在其定義域上運算而得的函數(shù)g的集合。

假定兩個函數(shù)f1和f2

以及兩個任意常數(shù)a1

和a2

有下列關系：

則稱L為線性算子。

在矩量法處理問題的過程中，需要求內(nèi)積<f，

g>的運算。內(nèi)積的定義為：在希爾伯特空間H中的兩個元素f和g

的內(nèi)積是一個標量，記為<f，

g>，內(nèi)積運算滿足下列關系：

式中:a1和a2

為標量。

下面就線性空間和算子的概念來解釋矩量法的含義。假定有一算子方程為積分方程如下：

式中：

G(z，z‘)為核；

g(z)為已知函數(shù)；f(z’)為未知函數(shù)；

a、b表示積分算子的定義域，一般根據(jù)實際應用背景而定。

首先，用線性的獨立的函數(shù)fn(z‘)來近似表示未知函數(shù)，即

式中:an

為待定系數(shù)；fn(z')為算子域內(nèi)的基函數(shù)；

N

為正整數(shù)，其大小根據(jù)需要的計算精度來確定。將f(z')的近似表達式代入算子的左端，則得到：

由于f(z')是用近似式表示的，所以方程左右兩端存在一個偏差：

ε(z)稱為余量。如果令余量的加權平均值為零，即

式中:Wm

是權函數(shù)序列。這就是加權余量法。將上式展開可得矩量方程。

2)求解過程

對算子方程的求解過程如下:

(1)離散化過程:目的在于將算子方程化為代數(shù)方程。在算子L的定義域內(nèi)適當選擇基函數(shù)f1

，

f2

，…，

fn

，且它們是線性無關的。將未知函數(shù)f(x)表示為該基的線性組合，并取得有限項近似，即

將上式代入算子方程式中，利用算子的線性將算子轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程：

于是，求解f(x)的問題轉(zhuǎn)化為求解fn

的系數(shù)an

的問題。

(2)取樣檢驗過程:為了使f(x)的近似函數(shù)fN(x)與f(x)之間的誤差極小，必須進行取樣檢驗，在抽樣點上使加權平均誤差為零，從而確定未知系數(shù)an

。在算子L的值域內(nèi)適當選擇一組權函數(shù)(檢驗函數(shù)W1

，

W2

，…，

Wm

)，它們也是線性無關的。將Wm

與式取內(nèi)積進行抽樣檢驗，因為要確定N個未知數(shù)，需要進行N次抽樣檢驗，則

利用算子的線性和內(nèi)積的性質(zhì)，將上式轉(zhuǎn)化為矩陣方程，即

將它寫成矩陣形式，即

式中

于是，求解代數(shù)方程問題轉(zhuǎn)化為求解矩陣方程的問題。

(3)矩陣求逆過程：一旦得到了矩陣方程，通過常規(guī)的矩陣求逆或求解線性方程組，就可得到矩陣方程的解：

式中：

[lmn]-1是矩陣[lmn]的逆矩陣。將求得的展開系數(shù)an

代入到便得到原來算子的近似解：

在計算中要用到基函數(shù)和權函數(shù)。基函數(shù)常用全基域基函數(shù)，是算子定義域內(nèi)的全域上的一組基函數(shù)。在算子的值域內(nèi)選擇一組權函數(shù)，如果權函數(shù)等于基函數(shù)，則稱為迦遼

金法。它是一種常用的求解方法。對于比較復雜的基函數(shù)，為簡化計算，利用函數(shù)的篩選性產(chǎn)生了點選配。

如果研究問題目標體僅為PEC時，矩量法事實上是通過三維對象解決二維問題。對于涉及電介質(zhì)的問題，由于未知函數(shù)會在三維區(qū)域分離，此時矩量法將會失效。一般來說，矩量法比較適用于研究對象為純PEC的散射問題。

在矩量法中，在未知量數(shù)為N時內(nèi)存的利用率正比于N2，即O(N2

)。使用高斯排除算法用于求解模型方程的浮點運算的數(shù)量正比于N3

，即O(N3

)。然而，使用結(jié)合法或其他迭代技術用于求解模型方程的浮點運算量為O(NiN2

)，其中下標i是用于誤差控制的預設數(shù)集。與有限差分相比，

MoM仿真時間和內(nèi)存都耗費較大。

目前，主流的基于矩量法的電磁仿真軟件主要有ADS、AnsoftDesigner、MicrowaveOffice、IE3D、FEKO。這里重點介紹天線設計中常用的軟件IE3D和FEKO。下面首先對IE3D進行詳細的介紹。

2.IE3D軟件介紹

1)基本介紹

IE3D是一個基于全波分析的矩量法電磁場仿真工具，可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下的三維金屬結(jié)構(gòu)的電流分布問題。它是通過各界面的邊界條件和分層媒質(zhì)中的并矢格林函數(shù)建立起積分方程，然后導出阻抗矩陣和激勵矩陣來求得電流系數(shù)，并求解Maxwell方程組，從而解決電磁波輻射效應等問題。仿真結(jié)果包括S、Y、Z參數(shù)，

VSWR，

RLC等效電路，電流分布，近場分布和輻射方向圖，方向性，效率等。IE3D具有強大的功能，具體來說具有以下特點：

E3D在微波/毫米波集成電路(MMIC)、RF印制板電路、微帶天線、線天線和其他形式的RF天線、濾波器、IC的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝方面是一個非常有用的工具。

2)軟件與算法介紹

矩量法在IE3D的應用如下：

①依據(jù)。IE3D主要是依據(jù)并矢格林函數(shù)在金屬層上建立磁流和電流模型。對于一般的電磁分布問題，假設有一個導體存在導電性的環(huán)境，一個入射電場加在其上，則產(chǎn)生感

應電場。感應電流分布在導體表面，則邊界條件如下：

式中：S

是導體表面積；

E(r)是在表面切向電場；

J(r)是表面電流分布；Zs(r)是導體的表面阻抗。

介質(zhì)層的總電場為

式中:G(r|r')是介質(zhì)的并矢格林函數(shù)；

Ei(r)是導體表面的入射電場。G(r|r')除了滿足導體S的邊界條件還滿足分層介質(zhì)的邊界條件。

將式(2－21)代入式(220)得到:

給定入射電場和表面阻抗就可得到格林函數(shù)，未知數(shù)是電流分布J(r')。假定電流分布由一組全域基函數(shù)表示:

得到:

將式(2－24)轉(zhuǎn)換為一個矩陣，則

上述過程采用一組檢驗函數(shù)即權函數(shù)(2－24)，它由無窮個函數(shù)組成。因此，式(2－25)是一個無窮的空間問題，實際應用中只能得到近似解。在有限空間條件下，得到:

式中

由式(2－26)求得電流分配系數(shù)。知道電流分配系數(shù)之后，可計算相關參數(shù)。

②網(wǎng)格與面元。一般的電磁仿真，常用網(wǎng)格作為基函數(shù)，網(wǎng)格可分為規(guī)格化和非規(guī)格化。在IE3D中，采用三角形和矩形混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這是一種非規(guī)格化的網(wǎng)格方法，產(chǎn)生的面元數(shù)目少且適配靈活，它的計算效率和精度比規(guī)格化網(wǎng)格好。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2.2和圖2.3所示。圖2.2規(guī)格化網(wǎng)格

圖2.2所示為規(guī)格網(wǎng)格，可以看到微帶線上分割了較多的面元。圖2.2(a)所示為微帶結(jié)構(gòu)；如圖2.2(b)所示，為了網(wǎng)格適配，改變了原微帶結(jié)構(gòu)。圖2.3非規(guī)格化網(wǎng)格

圖2.3所示為非規(guī)格網(wǎng)格，可以看到靈活地建立了面元。圖2.3(a)所示為比較粗略的網(wǎng)格的微帶結(jié)構(gòu)；如圖2.

3(b)所示，為了網(wǎng)格的適配產(chǎn)生了小的邊界元。

比較規(guī)格化網(wǎng)格和非規(guī)格化網(wǎng)格產(chǎn)生的面元數(shù)目，規(guī)格化產(chǎn)生的面元數(shù)為83格，非規(guī)格化產(chǎn)生的面元數(shù)為29格。

IE3D中電流密度由面元來表示，如圖2.4所示的橫截面上的面元代表微帶線上的電流密度分布情況。圖2.4橫截面上不同的網(wǎng)格

對于快速仿真，

IE3D只需用橫截面上的一個面元就可以較為精確地仿真，如圖2.4(b)所示。為了得到更精確的仿真數(shù)據(jù)，用靠近邊緣處的2個小面元來代表圖2.4(a)所示邊界處的電流分布，這樣仿真更接近實際的微帶線橫截面上的電流，如圖2.4(c)所示。而圖2.4(d)所示的規(guī)格化的網(wǎng)格沒有更好地起到作用，反而增加了計算量。

3)天線仿真過程介紹

(1)IE3D的組成。

IE3D包由七個主要的應用程序組成。

MGRID:建立幾何結(jié)構(gòu)的主要線路圖編輯器，允許用戶通過點及多邊形創(chuàng)建和編輯幾何結(jié)構(gòu)，可以完全控制幾何結(jié)構(gòu)的位置及形狀。

IE3DLIBRARY:參數(shù)化幾何模擬和編輯的建模向?qū)?，擁有FastEMDesignKit(快速電磁設計工具箱)，可實時全波電磁調(diào)整、優(yōu)化和綜合。參數(shù)化在IE3D全波設計中是極其重要的，在MGRID線路圖編輯器中，參數(shù)化功能可用，但僅限于點和多邊形。高水平的參數(shù)化可以在IE3DLIBRARY中完成。

AGIF:高級自動幾何建模工具可以直接從GDSII、CadenceVirtuoso及CadenceAllegro文件創(chuàng)建3D模型。

IE3DOS:數(shù)值分析的電磁仿真器或仿真引擎，使用DOS形式的命令行，可通過IE3D對話框后臺調(diào)用完成電磁仿真，一般對用戶是隱藏的。

IE3D:IE3D對話框顯示IE3D仿真或優(yōu)化過程，

IE3D引擎實際上在IE3DOS內(nèi)，而IE3D實際上只是顯示進程的外殼而已。IE3D對話框集成在MGRID和IE3DLIBRARY內(nèi)。

MODUA:MODUA是參數(shù)顯示和節(jié)點電路仿真的示意圖編輯器。

PATTERNVIEW:輻射方向圖后置處理器。ADIX包括可選的DXF、ACIS、GDSII及GERBER轉(zhuǎn)換器。ADIX所有功能都集成于MGRID中，方便用戶選擇。

(2)仿真流程。

要完成一個電磁仿真，用戶可以從線路圖編輯器MGRID、IE3DLIBRARY或AGIF開始，最基本的是從MGRID線路圖編輯器開始，在MGRID中，用戶使用一組多邊形創(chuàng)建一個電路。幾何結(jié)構(gòu)創(chuàng)建完并定義端口后，可調(diào)用仿真引擎IE3D進行電磁仿真，仿真結(jié)果保存到一個與Agilent/EEsofTouchstone格式兼容的文件，保存的仿真結(jié)果可導入到其他流行商業(yè)節(jié)點網(wǎng)絡或電路仿真器，如gilent/EEsof的ADS中或AWR公司的MWO微波辦公室中。

仿真結(jié)果也可保存成IE3D幾何文件(.geo或.ie3)，并用IE3D包中MGRID、MODUA、IE3DLIBRARY和AGIF顯示和后處理，

MODUA是一個和Touchstone

相似的程序，只是它沒有大量的元件庫。實際上，

MODUA不需要這樣的庫，因為任何仿真結(jié)果文件和MGRID預定義結(jié)構(gòu)文件都可用作MODUA模塊。用戶還可定義電阻、電容、電

感、互感、開路、短路和理想連接等集總元件進行電路和電磁協(xié)同仿真。MODUA唯一的作用就是電路仿真，這在MGRID中是不具備的。如果沒有調(diào)用電磁和電路協(xié)同仿真和優(yōu)化，用戶甚至不需要MODUA模塊。

電磁仿真的一個主要優(yōu)勢是用戶可獲得被仿真結(jié)構(gòu)的場和電流分布，對電路和天線設計者來說，結(jié)構(gòu)的電流和場分布信息是很有價值的。在IE3D中，用戶可有選擇地保存仿真中的電流分布文件，在V14版本中，打開幾何文件后，可以訪問電流分布文件以顯示電流分布的標量場和矢量場，也可以顯示電流分布的動畫效果及輻射方向圖和其他參數(shù)。最后，輻射方向圖可以在MGRID或PATTERNVIEW中顯示和處理。這里包括顯示2D方向圖和3D方向圖、合并不同的方向圖、獲取陣列輻射方向圖、收發(fā)天線間的傳輸函數(shù)、顯示和處理線極化與圓極化天線的參數(shù)。在MGRID中，用戶也可以計算和顯示結(jié)構(gòu)表面的近場分布。

典型的IE3D電磁仿真流程圖如圖2.5所示?？梢?，在IE3D12中有多種方法完成仿真求解。每種方法都為用戶提供了不同的便利工具?？梢钥吹剑?/p>

IE3D大致有三種仿真方法，而其中基本的仿真方法為左邊的方法，中間和右邊的仿真方法比較適合于對IE3D已經(jīng)熟悉的高級用戶使用。下文的仿真將基于左邊的方法。圖2.5典型的IE3D電磁仿真流程圖

(3)建模過程及仿真。

IE3D是一個通用的EM電磁仿真器，通常用于高頻電路和天線的精確仿真設計。不失一般性，我們將電路或天線看做一種結(jié)構(gòu)，在IE3D中，結(jié)構(gòu)一般由多邊形構(gòu)成，而多邊形又由一系列的點構(gòu)成。

①參數(shù)設置。

啟動MGRID，彈出基本參數(shù)對話框如圖2.6所示?；緟?shù)包含八組參數(shù):

?注釋(Comment):注釋新建的項目。

?長度(Length):長度單位和最小長度值。

?層和格子(LayoutsandGrids):層編輯下的格子參數(shù)。

?網(wǎng)格參數(shù)(MeshingParameters):控制網(wǎng)格化幾何圖形。

?封閉域(Enclosure):定義垂直電壁和磁壁。

?介質(zhì)層(SubstrateLayers):介質(zhì)和接地板參數(shù)。

?金屬類型(MetallicStripTypes):定義結(jié)構(gòu)中所用金屬的厚度、介電常數(shù)、磁導率和電導率。

?介質(zhì)類型(DielectricTypes):有限尺寸的介質(zhì)類型。圖2.6基本參數(shù)對話框

舉例構(gòu)建一個斜邊微帶。構(gòu)建斜邊微帶電路，可以將幾個多邊形組合成一個幾何圖形，如圖2.7所示。

首先，打開MGRID，新建一個圖形，彈出基本參數(shù)對話框，選擇“mm”作為長度單位。

然后，點擊“層和格子(LayoutsandGrids)”中的插入(Insert)按鈕，

MGRID會彈出編輯層和格子對話框(如圖2.

8所示)，默認的格子大小為0.025mm，這個格子只是用來構(gòu)造幾何而不是用來作為網(wǎng)孔和數(shù)值計算的。圖2.7斜邊帶分割成三部分圖2.8編輯層和格子對話框

接著，點擊“OK”按鈕，接受默認值，這個尺寸被加到層和格子列表框中。

最后，改變網(wǎng)孔頻率，范圍從1GHz改為40GHz，

40GHz是要仿真的頻率。仍選每波長20面元(CellsperWavelength(Ncell))，不選自動邊界元(AutomaticEdgeCells)檢查框。

高離散頻率得到高精度計算值，但仿真過程時間較長。網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)對仿真是非常敏感的，一般選取每波長15~20面元。另外，選擇自動邊界元，能夠優(yōu)化結(jié)果，但是仿真時間會加長。

②基片參數(shù)。

基片參數(shù)包括介質(zhì)層、介質(zhì)層上表面的Z坐標值、基片的磁導率、介電常數(shù)、電導率。在零層設置為接地，無限地平面被看做高電導率的基片。零層的上表面的Z坐標總為零，它不能被修改。其他的參數(shù)可根據(jù)實際情況來修改。在介質(zhì)層空間部分，至少定義一個介質(zhì)層，即一個結(jié)構(gòu)中至少有兩個介質(zhì)層(包括零層)。介質(zhì)層頂部空間可用一個極大的數(shù)字來定義，如1.0e+10mm。默認條件下，

MGRID會建立兩層介質(zhì)層。零層(No.0layer)是良導體，其電導率是4.9e+7s/m。第一層(No.1layer)是空氣，并且上表面的Z標是1.0e+15mm，即整個上部空間填充為空氣。

本例中，有三層介質(zhì)層(包含地平面)，零層(No.0layer)是接地，第一層是介質(zhì)層，第二層是空氣。其中，第一層的參數(shù)如下:

?TopSurfaceZ-Coordinate，

Ztop=0.1mm

?RealPartofPermittivity，

Re(EPSr)=12.9

?LossTangentofEPSr=0.0005

?RealPartofPermeability，

Re(MUr)=1.0

?LossTangentofMUr=0.0

?RealPartofConductivity=0.0s/m

?ImaginaryPartofConductivity=0.0s/m

首先，點擊基片層的列表框內(nèi)的“插入(Insert)”按鈕，

MGRID會彈出新的基片層(如圖2.9所示)。

然后，確認為正常類型。輸入第一層介質(zhì)層的參數(shù)(如圖2.9所示)，點擊“OK”按鈕，將新介質(zhì)層加入到了基本對話框內(nèi)。圖2.9No.1介質(zhì)層參數(shù)輸入到編輯介質(zhì)層對話框

③金屬層參數(shù)。

金屬層參數(shù)包括金屬帶厚度、介電常數(shù)、磁導率和電導率。電路中要至少定義一層金屬層。編輯電路總是默認第一層為金屬層，要改動其他的多邊形可選擇編輯下的目標屬性

(Edit→ObjectProperties)來進行。

定義金屬帶類型也可點擊“插入(Insert)”按鈕，會彈出對話框來定義參數(shù)。對本例，默認第一層金屬層參數(shù)如下:

?Stripthickness=0.002mm

?Realpartofpermittivity=1.0

?Imaginarypartofpermittivity=0.0

?Realpartofpermeability=1.0

?Imaginarypartofpermeability=0.0

?Realpartofconductivity=4.9e+7s/m

?Imaginarypartofconductivity=0.0s/m

首先，雙擊列表框內(nèi)的金屬層的參數(shù)，會彈出對話框(如圖2.10所示)。

然后，定義完金屬層上的相關參數(shù)后，點擊“OK”按鈕，即可將參數(shù)加入到基本對話框中。圖2.10在編輯金屬類型對話框中的No.1金屬帶參數(shù)

圖2.11所示是已經(jīng)定義了所有參數(shù)的基本對話框，點擊“OK”按鈕，即可進入圖形的編輯狀態(tài)。圖2.11已定義了所有參數(shù)的基本對話框

④編輯多邊形。

若多邊形是由一系列同一平面上的頂點組成的，則稱為二維多邊形；若多邊形的頂點位于不同層上，則稱為三維多邊形。

IE3D的層包括基片層和金屬層?；瑢邮窃诨緟?shù)中定義的，是具有特定介質(zhì)結(jié)構(gòu)的層；而金屬層是顯示在層窗口上的即在MGRID的右下角處的窗口。MGRID會自動保存金屬層上的z坐標位置和基片上表面的z坐標位置。

首先，點擊z=0.1代表第二層的長條，則層焦點落在第二層。

然后，移動鼠標，會看到狀態(tài)窗口顯示光標的位置，點擊鼠標左鍵，則選定該點。鼠標位置如圖2.12所示。本例中，從原點開始上移光標，選定點(0.0，

0.1)，即x=0.0mm和y=0.1mm。不需要將光標指向確切的位置，只要將光標放在最近的格子即可，如圖2.12所示。MGRID自動地捕獲這個點，移動鼠標時可以計算從參考點到光標處的距離。如果一個地方放置了不需要的頂點，可以點擊鼠標右鍵或選擇“Input→DropLastVertex”命令去除該點。如果去除多個點，可選擇“Input→DropAllVertices”命令。圖2.12鼠標位置

隨后，向右移動鼠標。狀態(tài)窗口顯示出光標的坐標(

0.1，

0.0)，點擊鼠標左鍵，則輸入為第二點;向右移動鼠標到坐標為(0.75，

0.0)，點擊鼠標左鍵，得到第三個頂點。于是2、3頂點之間被建立了一條邊。

最后，從第三個點開始，上移鼠標建立第四個點，坐標為(0.75，

0.075)，同樣3、4頂點之間也形成一條邊。

同前所述，依次建立頂點5(0.075，

0.075);頂點6(0.075，

0.75);頂點7(0.0，

0.75)。這些頂點順序連接，但仍未形成一個多邊形。如果要形成一個多邊形，連接1與7即可。也可以用另一種方法來完成:選擇“Input”菜單下的“FormPolygon”，就會形成一個多邊形，并被填充標記色。該標記色與同層窗口的z=0.1的標簽顏色一致，則意味著多邊形所在的垂直坐標為z=0.1mm，如圖2.13所示。圖2.13斜邊帶多邊形

⑤定義端口。

完成了電路圖形結(jié)構(gòu)后，為了使仿真引擎能夠工作，需要定義端口，相當于為電路加入平面波激勵。通常定義端口的方法有：在端口菜單上選擇“定義端口”，然后在要定義的邊上點擊一下鼠標左鍵，就會看到一個標有數(shù)字的矩形框出現(xiàn)在被選的邊上；選擇端口菜單上的“邊組定義端口”，框住要定義的邊即可。另外，在工具條上有圖標，選擇圖標也能定義端口。當端口定義后，要退出定義端口狀態(tài)，否則不能進入下一步的工作。就本例而言：

首先，在端口菜單上選擇“定義端口”，則彈出去嵌入的對話框。這是因為IE3D中的端口都是與去嵌入相捆綁的。不同的端口有不同的去嵌入，為了靈活應用，

IE3D提供了六種去嵌入體系:

?ExtensionforMMIC單一集成微波電路擴展

?LocalizedforMMIC本地單一集成微波電路

?ExtensionforWaves波擴展

?VerticalLocalized本地垂直

?50OhmsforWaves

50歐姆波

?HorizontalLocalized本地水平

最精確的擴展去嵌入是：單一集成微波電路擴展、波擴展、50歐姆波。通過在端口添加去嵌入手柄來消除激勵區(qū)域的高次模，對于沒有空間可擴展的用其他三種方法較好。實際應用較多的是單一集成微波電路擴展。

然后，選ExtensionforMMIC后確認，接受默認去嵌入柄長“3面元”。響應：MGRID處于定義端口模式，默認端口長度為3面元，可以在參數(shù)菜單內(nèi)的“選擇參數(shù)”對話框來改變其他的參數(shù)。要提高計算精度可增加擴展面元數(shù)。

接著，移動鼠標到6、7兩點所在的邊上，如圖2.14所示，點擊鼠標左鍵。這樣定義了端口1，同時在6、7所在的邊上有一個帶有矩形框的數(shù)字“1”。圖2.14定義端口結(jié)構(gòu)

注意：如果選的二維層不正確，

MGRID找不到邊，會有一個“沒有可定義端口的邊”的提醒顯示，則在層狀態(tài)窗口內(nèi)點擊要定義的層，重新定義端口。

隨后，用同樣的方法可以定義第二個端口。

最后，退出端口操作。定義完端口后可以選擇端口菜單的“退出端口”，返回到2D輸入狀態(tài)。選擇相應的參數(shù)后確認，就立即進入網(wǎng)孔過程。本例中網(wǎng)孔結(jié)束后有13個面元，如圖2.15所示。圖2.15帶有端口的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)

⑥電磁仿真。

首先，選擇過程菜單中的仿真，則會彈出仿真設置對話框，如圖2.16所示。

由IE3D的相關原理可知，仿真的過程需要解矩陣方程。IE3D中設置了多種矩陣求解器，其中默認矩陣求解器是先進型對稱矩陣求解器(Adv.SymmetricMatricSolver)。一般

的設計過程要求求解器能夠較快地進行仿真計算，在滿足一定的工程需要下，具體設計中根據(jù)不同的情況可以選擇其他的矩陣求解器。圖2.16MGRID中仿真設置對話框

大多數(shù)情況，需要研究的參數(shù)是S、Y、Z參數(shù)。為了得到完全頻響，要選AIF(AdaptiveIntelli-Fit)。AIF能夠得到快速精確的頻響，但在方向圖和電流分布計算的過程中不能采用。因此，當用于多頻率點仿真時，采用AIF；用于特殊頻率點電流分布和方向圖計算時，重新運行仿真，不采用AIF。

另外，還有兩個精確的選擇：二維仿真速度和精度與三維仿真速度和精度，可以由MGRID自動地設定。本例中，在開始頻率輸入0.5GHz，結(jié)束頻率輸入40GHz，頻率數(shù)目為80，點擊“enter”按鈕即可將這些參數(shù)輸入。AIF仿真頻率點較多，從而使仿真曲線更加圓滑。

然后，確認其他的參數(shù)后，選“OK”確定，激活IE3D仿真引擎進入仿真過程，如圖2.17所示。

仿真過程結(jié)束后，所得仿真數(shù)據(jù)保存在“.SIM”文件中。當點擊“OK”按鈕確定后，激活“IE3D.EXE”進入仿真過程。仿真結(jié)束后，激活MODUA，從MODUA的相關命令菜單中進行選擇顯示仿真結(jié)果。圖2.17IE3D仿真引擎對話框

(4)參數(shù)分析。

①查看S、Z、Y、VSWR等參數(shù)。接上例，在很短時間內(nèi)IE3D完成了仿真，由于在“SimulationSetup”對話框的“Post-Processing”中選擇了“InvokeMODUA”，因此將會調(diào)用MODUA顯示S參數(shù)，如圖2.18所示。圖2.18MODUA中S參數(shù)顯示

若要顯示其他參數(shù)，或者顯示其他內(nèi)容，可以通過control菜單下的“definedisplaydata”、definedisplaygraph”、“definedisplaysmithchart”來顯示不同的內(nèi)容。其中

“definedisplaydata”以數(shù)據(jù)格式顯示當前參數(shù)，“definedisplaygraph”以圖形方式顯示各種參數(shù)，而“

definedisplaysmithchart”以史密斯圓圖方式顯示S參數(shù)。圖形中的各項參數(shù)可以通過在圖形上打開右鍵快捷菜單中的“

graphparameter”來調(diào)整。

還有一個常用的技巧就是要同時觀察幾個*.sp文件，可以通過“view→displayqueueitem”打開對話框，點擊“addfile”來選擇要打開的sp文件，并在“displayqueueitem”上打鉤，確定之后就會顯示選擇的多條sp參數(shù)曲線。

②查看輻射參數(shù)。以上介紹了建模和仿真的方法，對于天線而言，我們更想知道它的輻射特性，接下來就來介紹天線的電磁分析過程。

首先，天線的建模過程和上文的微帶電路的建模過程是一樣的，而且天線的S、Z、VSWR等參數(shù)也可以像上文中介紹的一樣通過調(diào)用MODUA來查看。下面著重介紹天線輻射參數(shù)的查看。使用的例子是插入式棱邊饋電矩形貼片天線，俯視圖如圖2.19所示，天線基本參數(shù)見表2.1。

表2.1貼片天線參數(shù)圖2.19插入式棱邊饋電矩形貼片天線圖解

在MGRID里建模和仿真，可以得到如圖2.20所示的S參數(shù)結(jié)果，并且可根據(jù)需要調(diào)出其他參數(shù)。圖2.20天線S參數(shù)

由S參數(shù)曲線可以看到，天線諧振在1.88GHz，因此只需觀察1.88GHz時的天線輻射特性。在MGRID窗口選擇“Process→Simulate”，頻率只輸入1.88GHz，同時選中RadiationPatternFile復選框，

CurrentDistributionFile復選框?qū)⒈蛔詣舆x中，這兩個選項將生成電流分布文件(.cur)和輻射方向圖文件(.pat)。仿真結(jié)束后，軟件自動彈出電流密度分布顯示窗口和方向圖后處理窗口，在電流密度分布顯示窗口選擇“Process→displaycurrentdistribution”，彈出對話框，確定將顯示天線的電流密度分布，從而可以觀察天線的電流分布情況，如圖2.21所示。此外，還有很多的功能從各個角度來幫助設計者分析天線。圖2.21電流密度分布

在PatternView打開的是天線的輻射方向圖文件(.pat

)，用來查看天線的輻射特性以及一些陣列計算功能。其常用功能如下:

?查看整體輻射特性信息，可選擇

Edit→PatternProperty”。

?在Display菜單下查看二維、三維方向圖或者其他參數(shù)。

?方向圖計算，可選擇“Edit→ArrayPatternCalculation”。

選擇“Edit→PatternProperty”，彈出如圖2.22所示的信息框，上面為天線的輻射參數(shù)。圖2.22天線輻射參數(shù)

選擇“Display→3Dpattern”，彈出對話框，分別確定相應顯示參數(shù)，可以得到如圖2.23所示的三維方向圖。圖2.233維方向圖

選擇“Display→2Dpattern”，彈出對話框，分別確定相應顯示參數(shù)，可以得到如圖2.24所示的E面和H面方向圖。圖2.24E面和H面方向圖

(5)應用例子。

[例2.1]對稱振子的仿真。

①打開IE3D軟件，選擇“Param→BasicParameter”，設置z=0層的電導率為0，使整個空間為自由空間，并確認沒有多余的介質(zhì)層，選擇單位為mm。

②選擇“Entity→ConicalTube”，輸入相應參數(shù)，建立對稱振子的一臂，振子半徑設為2mm，截面分6段，臂長為170mm，這樣在z=0到z=170間就建立了對稱振子的一臂。

③在窗口底下點擊“Insertalayer”，輸入175，然后確定。

④重復步驟②，注意起始的z=175，建立對稱振子的另一個臂。

⑤選擇“Edit→SelectVertices”，在右邊的小窗口選擇z=175層，框選振子的整個截面，再選擇“AdvEdit→BuildViaConnectiononEdges”。在彈出的對話框中，選擇連接到層z=170，

positivelevel選為z=175，

negativelevel選為z=170，然后確定。這樣便給兩個臂加了端口，于是便完成了對稱振子的建模，如圖2.25所示。圖2.25振子俯視圖

⑥選擇“Process→Simulate”設置掃描頻率為0.3~0.5GHz，網(wǎng)格化頻率為0.8GHz，網(wǎng)格密度為20個/波長，確定開始仿真。

⑦仿真結(jié)束后，自動調(diào)用MODUA顯示S參數(shù)，如圖2.26所示。可以看到，天線在0.406GHz諧振。圖2.26天線S參數(shù)

⑧在MGRID窗口中，重新打開仿真對話框，頻率只輸入0.406GHz，同時選中RadiationPatternFile復選框，

CurrentDistributionFile復選框?qū)⒈蛔詣舆x中，重新仿真。

仿真結(jié)束后，自動彈出電流密度分布窗口和PatternView窗口，在電流密度分布窗口可以觀察電流密度分布，如圖2.

27所示。在PatternView窗口可以查看天線方向圖，如圖2.28和圖2.29所示，具體操作可以參考上文。圖2.27對稱振子的電流密度分布圖2.28對稱振子的E面方向圖圖2.29對稱振子的H面方向圖

⑨選擇“Edit→PatternProperty”，可以查看天線的輻射參數(shù)?？梢钥吹?，該天線的方向系數(shù)為2.12dBi，最大增益達到1.98dBi，而對稱振子方向系數(shù)的理論值為1.64(2.14dBi)，可見該結(jié)果是正確的。

[例2.2]螺旋天線的仿真。

?建模過程

①在MGRID的File菜單中選擇“New”，則彈出“BasicParameters”對話框。

②選擇mil作為長度單位，在右上角的線路圖和網(wǎng)格列表框中選擇“Insert”，輸入XFrom=50、YFrom=50、XTo=50及YTo=50和GridSize=2mil，

XFrom、YFrom、XTo和YTo不是關鍵參數(shù)，使用View菜單中的ViewWholecircuit時可被MGRID自動修改。GridSize決定每個網(wǎng)格的大小，這是一個重要數(shù)字，點擊“OK”按鈕添加線路圖和網(wǎng)格參數(shù)。

③對網(wǎng)格化參數(shù)，在MeshingParameters中更改MeshingFrequency=10GHz，CellsperWavelength=20不選中“AutomaticEdgeCells”鍵。

④下面定義襯底層，在右上角的SubstrateLayers列表框中選擇“Insert”鍵，跳出編輯襯底EditSubstrate對話框，為No.1襯底輸入以下參數(shù)：

·TopsurfaceZtop=20mils頂面z坐標

·Realpartofpermittivity=12介電常數(shù)實部

·LossTangentforpermittivity=0介電常數(shù)損耗角正切

·Realpartofpermeability=1.0磁導率實部

·Losstangentforpermeability=0磁導率損耗角正切

·Realpartofconductivity=5s/m電導率實部

·Imaginarypartofconductivity=0s/m電導率虛部

點擊“OK”按鈕，將襯底添加到襯底層列表中。

⑤再次在SubstrateLayers列表框中選擇“Insert”鍵，又跳出編輯襯層對話框，為No.2襯層輸入以下參數(shù)：

·TopsurfaceZtop=21mils

·Realpartofpermittivity=4

·LossTangentforpermittivity=0

·Realpartofpermeability=1.0

·Losstangentforpermeability=0

·Realpartofconductivity=0s/m

·Imaginarypartofconductivity=0s/m

⑥點擊“OK”按鈕添加襯層，

MGRID將從頂面z坐標自動探測到應為No.2襯層。

⑦在MetallicStripType的右上角選擇“Insert”鍵，跳出“EditMetallicType”對話框，輸入以下參數(shù):

·Thickness=0.1574804mils厚度

·Realpartofpermittivity=1介電常數(shù)實部

·LossTangentofpermittivity=0介電常數(shù)損耗角正切

·Realpartofpermeability=1磁導率實部

·LossTangentofpermeability=0磁導率損耗角正切

·Realpartofconductivity=4.9e7s/m電導率實部

·Imaginarypartofconductivity=0s/m電導率虛部

點擊“OK”按鈕添加金屬類型為No.2型。全部設置結(jié)束后，如圖2.30所示。圖2.30定義了所有必需參數(shù)后的基本參數(shù)對話框

⑧在Entity菜單中重新選擇CircularSpiral，在ApproximationGuarantees組確定VertexLocation，輸入以下參數(shù)(如圖2.31所示):

·AxisDirection=Zdirection軸向

·NumberofSegmentsforCircle=16每圈的片數(shù)

·StartAngle=0degree起始角度

·TotalSegments=68總片數(shù)

·StripWidth=2mils帶的寬度

·Separation=2.5mils間隔

·StartRadius=10mils起始半徑

·CenterXCoordinate=20mils中心x坐標

·CenterYCoordinate=10mils中心y坐標

·CenterZCoordinate=21mils中心z坐標圖2.31圓形螺旋線對話框

建立的圓形螺旋線如圖2.32所示。圖2.32第8步中MGRID自動建立的圓形螺旋線

⑨點擊No.2層：右下角層窗口中z=21mil的層，設置2D輸入z=21mil，也可在Edit菜單中選擇“2DInput”，并輸入z=21mils。

⑩在Input菜單中選擇“SettoClosestVertex”，在圖2.32中點擊頂點1，在頂點1連接一個頂點。

在Entity菜單選擇“Rectangle”，

MGRID將提示輸入矩形參數(shù)，將參數(shù)改為

·XCoordinate=30x坐標

·YCoordinate=11y坐標

·ZCoordinate=21z坐標

·ReferencePointAs=UpperLeftCorner參考點

·Length=2.5長度

·Width=2寬度

·Rotation=0旋轉(zhuǎn)

點擊“OK”按鈕，創(chuàng)建一個矩形覆蓋螺旋線末端的內(nèi)部(如圖2.33所示)。再點擊“YES”按鈕創(chuàng)建此矩形。圖2.33第11步中放開鼠標左鍵前的圖形

在AdvEdit菜單中選擇“CutOverlappedPolygons”。反應：重疊多邊形將在要建立點連接的頂端被剪切(如圖2.34所示)。圖2.34兩個多邊形在CutOverlappedPolygons后合并的圖形

按下“Shift”鍵，圈中圖2.32所示的頂點3和4并將其選中，在AdvEdit菜單中選擇繼續(xù)路徑彎頭ContinuePathBend。

更改最終角度FinalAngle=180，彎頭半徑BendRadius=0及片數(shù)Segments=0，點擊“OK”按鈕結(jié)束命令，如圖2.35所示。圖2.35第14步輸入?yún)?shù)后的ContinueBendonEdges對話框

按下“Shift”鍵，圈中圖2.36所示的頂點3和5并將其選取，在AdvEdit菜單中選擇“ContinueStraightPath”，更改PathLength為40，點擊“OK”按鈕接受默認的PathStartWidth和PathEndWidth。圖2.36第14步后的結(jié)構(gòu)

按下“Shift”鍵，并圈中如圖2.37所示的頂點7和8并將其選中，在AdvEdit菜單中選擇“ContinueStraightPath”，輸入PathLength=20，選中建立多頂點路徑Intendtobuildmultiplevertexpath，點擊“OK”按鈕接受默認值。

按下“Shift+R”鍵(與在Input菜單中選擇“KeyInRelativeLocation”等效)，輸入xoffset=10和Yoffset=0，點擊“OK”按鈕，則第三個頂點被定義。在AdvEdit菜單中選擇“BuildPath”，點擊“OK”按鈕接受默認設置。圖2.37第15步后的結(jié)構(gòu)

按下“Shift”鍵，并在圖2.38所示的多邊形1上點擊鼠標左鍵，只選擇多邊形1(多邊形1應變?yōu)楹谏?。圖2.38第19步后的位置細節(jié)

在Edit菜單中選擇“ChangeZCoordinate”，輸入z坐標為23，并確定KeepPolygonConnection被選中了，點擊“OK”按鈕繼續(xù)。

在Ports菜單中選擇“PortforEdgeGroup”，然后選擇“ExtensionforMMICcircuit”，點擊“OK”按鈕繼續(xù)。

選中圖2.39所示左下角軌跡末端的兩個頂點，定義端口1。

選中右邊的軌跡末端的兩個頂點。圖2.39第19步后的2D視圖和第20步后的3D視圖

再次在Ports菜單中選擇“PortforEdgeGroup”退出邊組端口模式。這是退出該模式的兩種方法之一，默認方法是在Ports菜單中選擇“ExitPort”，最終得到如圖2.40所示的圓形螺旋天線。圖2.40定義了端口的完整圓形螺旋天線

?S參數(shù)顯示選擇“

Process→Simulate”，彈出仿真對話框，輸入StartFreq=0.05GHz、EndFreq=10GHz和NumberofFreq=200，按回車鍵。將彈出警告，在這里警告可以忽略。仿真結(jié)束后，

IE3D將自動調(diào)用MODUA來顯示S參數(shù)，如圖2.41所示。圖2.41MODUA中顯示的S參數(shù)曲線

?電流分布和方向圖顯示

①在Process菜單中選擇“Simulate”。

②在FrequencyParameters組中選擇“DeleteAll”移除所有的頻點，輸入StartFreq=0.5、EndFreq=2和NumberofFreq=4，并按“Enter”鍵。

③輸入StartFreq=5，并按“Enter”鍵。

④不選中AIF，而選中電流分布文件CurrentDistributionFile和輻射方向圖文件

RadiationPatternFile，點擊“OK”按鈕繼續(xù)。MGRID將再次發(fā)出警告，選擇“Continue”繼續(xù)仿真，仿真將在短時間內(nèi)完成。仿真后MODUA被調(diào)用顯示S參數(shù)，另一個MGRID被調(diào)用對結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化并顯示電流分布。PatternView將被調(diào)用來顯示方向圖特性。

⑤在MGRID主窗口的Process菜單中選擇“DisplayCurrentDistribution”，彈出電流顯示對話框，設定相應的參數(shù)，可以看到不同的電流顯示形式:平均電流分布如圖2.42所示;矢量電流分布如圖2.43所示。平均和矢量電流分布以動畫顯示，按“N”快捷鍵可以切換顯示不同頻率的電流分布情況。

在PatternView中，同上可以調(diào)用Display菜單下的“2Dpattern”和“3Dpattern”顯示天線的2D和3D方向圖，分別如圖2.44和圖2.45所示。圖2.42f=1.5GHz時的平均電流分布圖2.43f=1.5GHz時的矢量電流分布圖2.44f=1.5GHz時?=0°、?=90°時的二維方向圖圖2.45f=1.5GHz時的三維方向圖

由上面關于IE3D軟件的介紹和相關的實例演示可以看出，基于軟件的仿真計算和分析基本按照圖2.1所示的流程完成。下面介紹基于矩量法的另外一款軟件FEKO。

3.FEKO軟件介紹

FEKO是一款用于3D結(jié)構(gòu)電磁場分析的仿真工具。它提供多種核心算法，如矩量法(MoM)、多層快速多極子方法(MLFMM)、物理光學法(PO)、一致性繞射理論(UTD)、有限元(FEM)、平面多層介質(zhì)的格林函數(shù)，以及它們的混合算法來高效處理各類不同的問題。

FEKO界面主要有三個組成部分:CADFEKO、EDITFEKO和POSTFEKO。CADFEKO用于建立幾何模型和網(wǎng)格剖分。文件編輯器EDITFEKO用來設置求解參數(shù)，

還可以用命令定義幾何模型，形成一個以*.pre為后綴的文件。前處理器/剖分器POSTFEKO用來處理*.pre為后綴的文件，并生成*.fek文件，即FEKO實際計算的代碼；它還可以用于在求解前顯示FEKO的幾何模型、激勵源、所定義的近場點分布情況以及求解后得到的場值和電流。如前所述，基于軟件的仿真過程基本類似，僅是軟件的具體界面和算法略有不同，因此后續(xù)的介紹會稍微簡略。下面通過兩個實例來介紹FEKO的使用。

[例2.3]對稱振子的FEKO的使用。

(1)建模過程。FEKO基本的建模求解步驟如下:

①設置模型單元。

②添加關于模型幾何結(jié)構(gòu)和材料的參數(shù)。

③添加模型所需的新的介質(zhì)類型。

④建立模型幾何結(jié)構(gòu)。

⑤創(chuàng)建探針并設定激勵。

⑥設置求解頻率及近遠場設置。

⑦網(wǎng)格剖分。

⑧模型預處理及仿真結(jié)果查看。

現(xiàn)對對稱振子進行圖解:

①如圖2.46所示，在CADFEKO主界面菜單欄中，點擊“ModelUnit”按鈕，選擇“Meter”為模型單位，再點擊“OK”按鈕確定并退出。圖2.46第一步過程圖2.46第一步過程

②在Variables處右鍵單擊，在彈出的選項卡中選擇“Addvariable”，在新選項卡中添加建模所需的變量后點擊“Create”即創(chuàng)建該變量，如圖2.47所示。依次添加所有需要的變量后，點擊“Close”按鈕關閉選項卡。圖2.47第二步創(chuàng)建變量

③創(chuàng)建新介質(zhì)材料同創(chuàng)建變量類似，在Media處右鍵單擊，出現(xiàn)創(chuàng)建介質(zhì)材料、多層介質(zhì)等選項。這里選擇介質(zhì)材料，命名為“dielectric_A”，并可設定該材料的介電常數(shù)、電導率等參數(shù)，設定完畢后點擊“Create”按鈕，左側(cè)Media即出現(xiàn)所創(chuàng)建的材料，右鍵單擊該處還可以改變材料顏色，如圖2.48所示。創(chuàng)建完畢后點擊“Close”按鈕關閉選項卡。圖2.48創(chuàng)建介質(zhì)材料

④CADFEKO左側(cè)第一欄為建模所需基本圖形，第二欄為對創(chuàng)建的模型進行的合并、移動等操作。這里我們選擇對稱陣子臂為矩形面，點擊左側(cè)rectangle即出現(xiàn)創(chuàng)建矩形選項卡，在Geometry卡中即可設置該矩形尺寸，

Label一欄對其命名為“Arm1”，點擊“Create”按鈕即可。同理，可創(chuàng)建Arm2、Workplane卡為相對坐標卡，創(chuàng)建完畢后關閉選項卡。創(chuàng)建對稱振子雙臂如圖2.49所示。圖2.49創(chuàng)建對稱振子雙臂

⑤創(chuàng)建一條饋電線，點擊左側(cè)圖形窗口中的“Line”，在彈出的窗口中設置其起始點和終止點并命名為“Port”，使之連接振子兩臂，關閉該選項卡。點擊Geometry一欄中的“Port”，在下面出現(xiàn)的Wire17處右鍵單擊，選擇“Createport”、“Wireport”，即出現(xiàn)激勵設置卡，選擇激

勵點為“Middle”，并重命名為“Port”，在Solution一欄中，右鍵單擊“Excitations”，選擇“VoltageSource1”，在彈出的選項卡中設置激勵電壓的幅度為1，相位為0，如圖2.50所示。圖2.50創(chuàng)建端口圖2.50創(chuàng)建端口

⑥CADFEKO左側(cè)第三欄為求解設置項，包括求解頻率、激勵、近遠場設置等，單擊“AddFrequency”按鈕，在彈出的選項卡中可設置求解頻率為單頻點、連續(xù)頻段、離散頻點和對數(shù)離散點?，F(xiàn)選擇連續(xù)頻段，起始點為100MHz，終止點為400MHz，如圖2.51所示，設定結(jié)束后關閉選項卡。圖2.51設置求解頻率

⑦單擊左側(cè)求解設置欄中的“Requestafarfieldcalculation”，在彈出的選項卡中可設置遠場，或者直接點擊卡中提供