微波电路CAD重庆邮电大学剖析.pptVIP

微波电路CAD 主 讲 ：王 斌 wangbin1@cqupt.edu.cn 自我介绍 个人经历 所教授课程 研究方向 联系方式 0.引言 微波与射频技术 微波与射频技术在国民经济各个方面广泛应用，如：网络设备、通信、雷达、集成电路、印刷电路板设计、医疗电子系统、电磁兼容等领域。与早期定位于波导和场论相比，现代微波工程中占支配地位的内容是微波电路分析。大多数微波工程师从事平面结构元件和集成电路设计所使用的基本工具是微波CAD（计算机辅助设计）软件和网络分析仪，因此微波工程的学习重点逐渐转移到网络分析、平面电路和元器件及有源电路设计方面。 课程框架 微波电路分析基础 微波无源电路(无半导体器件或电真空器件)： 微波网络参量，微波网络元件，功率分配器，定向耦合器，滤波器，匹配电路； 微波有源电路(有半导体器件或电真空器件)： 微波晶体管器件，微波场效应器件，微波电真空器件，微波系统。 微波电路CAD 运用微波设计软件设计具体的微波电路及微波系统。 课程目标 微波CAD软件与电磁场数值计算 微波CAD软件与电磁场的数值算法密切相关，所有的数值算法都是建立在Maxwell方程组之上的。在频域，数值算法有：有限元法(Finite Element Method)、矩量法(Method of Moments) 、差分法(Finite Difference Methods) 、边界元法(Boundary Element Method) 和传输线法(Transmission Line matrix Method);在时域，数值算法有：时域有限差分法(Finite Difference Time Domain)和有限积分法(Finite Integration Technology)。 常见的数值方法 频域： 差分法(FDM) 矩量法(MOM) 有限元法(FEM) 边界元法(BEM) 传输线法(TLM) 时域： 时域有限差分法(FDTD) 有限积分法(FIT) 矩量法 矩量法(MOM)是将Maxwell积分方程化为差分方程，或将积分方程中积分化为有限求和，从而建立代数方程组，并用计算机求解代数方程组。它是一种函数空间中的近似方法。 矩量法可以对任意结构形状的物体上的电流结构建模，直接求出电流的精确分布，故特别适合于电磁兼容、天线辐射、雷达工作等问题的研究。一般其辐射条件允许求解在辐射物体外的任何地点的E和H场。 矩量法对内部区域建模问题困难较大，在非均匀媒质中会遇到困难，要用大量的内部资源。 时域有限差分法 时域有限差分法(FDTD)是将时域Maxwell方程组的两个旋度方程中关于空间变量和时间变量的偏导数用差商近似，从而将其转换为离散网格节点上的时域有限差分方程。加入时域脉冲激励后，在时间迭代就可直观地模拟出脉冲在求解区域上传播、反射和散射的过程，进而采用FFT将时域响应变换到频域就可获得所希望的各种电参数，如无源电路的散射参数、天线的辐射特性、散射体的雷达散射截面(RCS)等。 时域有限差分法可以直接求解Maxwell方程，不需要存储空间形状参数，很容易对非均匀媒质的场问题建模，对内部复杂介质问题也可以有效地进行建模。 时域有限差分法对无边界问题需要吸收边界条件处理，计算密集型问题有数值色散误差，内存量消耗大。而时域有限差分法在计算场传播和电磁分布等参数方面也比较困难。 有限元法 有限元法(FEM)是以变分原理为基础发展起来的一种高效能计算方法。它将大结构划分为有限个小单元，再用比较简单的函数表示每个单元的解，边界条件只在集合体中的方程中引入，只需要考虑强迫边界条件。 有限元法求解工程电磁场问题，可将物体的几何尺寸和电尺寸特性分开定义和处理，可以克服时域有限差分(FDTD)中必需的阶梯建模空间问题，适合于分析较复杂的结构，对内部EM问题和非均匀媒质问题建模也很有效。 有限元法对无边界问题需要对边界进行建模，计算密集型和处理开放区域上未知场点时很难处理，内存量消耗也很大。 数值解法根据空间变量分类 一维(1D)解法 (传输线解，SPICE程序) 适用范围：场和源都是一维空间变量的函数。 典型应用：传输线；平面波和电路等。 二维(2D)解法 (MOM,TLM,FEM,FDTD) 适用范围：场和源都是二维空间变量的函数。 典型应用：TE10矩形波导；TEM波同轴线等。 二维半(2.5D)解法 (MOM,TLM,FEM,FDTD) 适用范围：场是三维空间变量的函数，源是二维空间变量的函数。 典型引用：平面传输线(微带线，共面波导)、平面结构天线和多层结构器件