|
本文的所有内容基于作者的研发经历，偏向于研发测试人员，如有错误的地方，欢迎指正。 从以下几个方面介绍高频电路三维有限元仿真： 1.高频理论以及数值计算 2.高频电路简介 3.有限元理论 4.边界荷载 5.材料相关 6.几何和网格 7.后处理 8.其它 1. 高频理论以及数值计算相关 通常把高于0.5到1G赫兹的频率称为高频。在高频电磁场数值仿真领域，有限元成为非常有效的计算方法，HFSS，ADAS，CST以及mentor 高频仿真软件等都使用了有限元方法，当然这些软件中也使用了其它算法（参考附录），以后单独讨论。其中HFSS历史最为悠久，成为高频领域仿真事实上的标准，HFSS现归在ANSYS公司。 历史上，在有限元方法成功解决结构应力应变分析问题之后，科学家们自然而然想到把有限元方法应用在求解电磁场问题上，早期选择了和结构分析一样的基函数形函数，基函数使用电场和磁场强度的多项式表达式，将电磁强度放在节点上，但是在计算中发现常出现伪解，同时边界上很难处理。于是科学家们发明了棱边单元，将自由度放在边而不是节点上，扫除了有限元方法在电磁领域应用的障碍。 2. 高频电路简介 电小尺寸，电大尺寸。 如果我们认为物理尺寸远远小于一个波长的时候,即k<<1，该结构是电小尺寸，反之，是电大尺寸。那么，这就是一个近知似的标准。这一小段距离应该有多小？对此，并没有统一的标准，但是，我们假设，当物理尺寸小于波长的1/10时，相位的变化就可以忽略，这样的结构就被认为是电小尺寸。 参考平面：参考平面是高频电路分析中常用到的一个概念。参考平面主要有两个作用：一是提供返回电流路径，参考平面一定是返回路径，但是返回路劲不仅仅包含参考平面，还可能包含与信号线同层的邻近导体；二是提供阻抗控制功能。高频电路是典型的电小尺寸。 高频下，电路中的电磁场会呈现一些特殊现象： 高频电路中，由于趋肤效应，电流会在聚集在金属的表面流动，聚集程度取决于频率的高低；寄生效应明显 ------------------------------------------------- 4. 材料相关 又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用ε表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。 导电率，多称为电导率，是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。当施加电压于导体的两端时，其电荷载子会呈现朝某方向流动的行为，因而产生电流。 许多介质的介电系数或其它本构参数随频率而变化，这类介质称为色散介质。色散介质的常用频域模型有以下几种： 1. Drude模型 Drude模型常用于等离子体，金属等介质的色散特性描述。 2. Debye模型 Debye模型常用于土壤，水，人体组织等介质。 3. Lorentz模型 Lorentz模型可用于生物组织，光学材料，人工介质等介质。 表面粗糙度： 通常仿真时假设导体表面非常光滑，但实际导体表面存在小突起有很多毛刺。表面粗糙度通常用表面凸起高度的均方根来衡量。由前面介绍的趋肤效应，电流在高频时会在金属表面聚集，金属表面粗造会显著增加信号的损耗。 ------------------------------------------------- 5. 几何和网格 既然是有限元分析，就离不开几何和网格。 电路中的三维几何实体相对简单，走线，焊盘等多以长方体，圆柱体，正多边形拉伸体为主，再复杂比如扫掠的圆柱金线以及球形的焊球，梯形截面扫掠实体，少有建筑，机械中的复杂曲线曲面。当然其它器件比如连接器，接插件等会有各种曲线曲面几何，增加了几何处理的复杂程度。在实际仿真中一般很少会在三维设计软件中设计三维几何的电路，而是导入外部的二维设计文件，然后生成三维几何。三维软件主要以设计单元个数有限的组件(component)为主。 电磁三维仿真基本上都使用四面体网格，主要原因是四面体网格生成相对容易，而且四面体对复杂几何的适应性强。对于规则的几何，六面体其实是最佳选择，尤其是电路结构中的走线非常适合使用六面体，电磁六面体单元不存在结构分析中的沙漏和锁死问题，在不降低精度的同时以大幅减少网格数量，但实际工程中，各种非规则几何比如过孔，焊球，金线，连接器等，使得生成理想六面体比较困难。对于四面体结构，如果需要提升精度，简单加密网格数量或者提升阶次即可满足要求，同时由于使用了矢量单元，自由度放在边上，不存在结构刚度过大的问题，所以在网格的选择上，结构应力分析所摒弃的四面体反而成了电磁分析的最佳选择。 -------------------------------------------- 下篇介绍高频电路中有限元方法中的边界，激励，荷载以及其它内容 匹配吸收边界 边界条件PEC ABC PMC 激励 Lumped Port Wave Port
|
|
|
