IE3D中文手册第五章电流和方向图显示电磁最优化.docx
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IE3D中文手册第五章电流和方向图显示电磁最优化
第五章电流和方向图显示,电磁最优化
前两章讨论了基本技术和结构的构建,第3章和第4章构建、仿真及显示中使用了MGRID,IE3D和MODUA。
本章讨论用MGRID和PATTERNVIEW实现电流和方向图显示。
IE3D9.0以前利用CURVIEW应用程序完成电流分布、方向图计算和显示,后来利用PATTERNVIEW做方向图显示、对比和处理。
PATTERNVIEW在方向图显示中确实比CURVIEW好。
从IE3D9.0起,为更好集成,将CURVIEW所有功能集成到线路图编辑器MGRID,所有电流分布和方向图处理功能在MGRID中得到了提高。
尽管IE3D9.0中可能还提供CURVIEW,但它已被完全替代了。
CURVIEW将在9.0后的版本中逐渐淘汰,这里不再讨论其用法,建议老用户改用MGRID和PATTERN显示电流和进行方向图处理。
为显示一个结构的电流分布和辐射方向图,需在结构中运行仿真并保存电流分布和方向图数据文件。
第一个例子是第4章中的螺线电感。
第一节一个螺线电感的仿真及L和Q的提取
第1步运行MGRID打开c:
\ie3d\practice\cspiral1.geo,在Process菜单中选择Simulate。
反应:
跳出仿真设置对话框。
第2步将要扫描一个大的频率范围并观察其频率响应,输入StartFreq=0.05GHz,EndFreq=10GHz,NumberofFreq=200,按回车键。
反应:
从0.05GHz到10GHz以0.05GHz的步长共在列表中输入200个频率点。
图5.1MGRID发出的端口确认警告
第3步对如此多的频点,建议不激活CurrentDistributionFile,否则此文件将很大。
首先观察其频响,选择AdaptiveIntelli-Fit(AIF),不选中CurrentDistributionFile。
不选择CurrentDistributionFile,则RadiationPatternFile将自动不被选中,不激活AutomaticEdgeCells(AEC),AEC可获得高准确度结果,但将减慢仿真。
这里只想得到一些快的结果,选择OK继续。
反应:
MGRID将显示“ErrorsorWarningsDetectedinPortValidation”(见图5.1)。
说明:
对一个没有电磁仿真经验的一般用户,端口是最困难的问题。
从IE3D9.0起,尽量在一个仿真前用一些确认程序确认端口并为用户提出建议,端口确认错误和警告的讨论见表5.1。
第4步在端口1和端口2都有“HighWarning”,但在说明中选中“v1.vs.v2”,发现v1和v2相差并不远。
说明列表框对话框中的第一个说明中看到“…istoobig(0.vs.0.085)”,这说明衬底厚度比告警限制约大了20%,这并不算太多。
对这个螺旋线的例子,衬底中21mil中的20mil是导电性材料,绝缘层只有1mil厚,由于传导性,轨迹与地面间的“有效”距离应小于21mil,并不会有那么严重,请选择CONTINUE开始仿真。
表5.1MGRID的端口确认中的错误或警告信息分类
错误/警告
严重性
说明
错误Error
很严重
用户应在进行仿真前努力解决问题
高级告警
HighWarning
相当严重
一般来说已相当严重。
但用户应检查项目描述中的声明(v1.vs.v2),如果v1和v2的值很接近,就不是一个很大的错误
中级告警
MediumWarning
有些严重
没有HighWarning严重,也可查看描述中的声明(v1.vs.v2)
低级告警
LowWarning
不严重
应不是一个很严重的警告,但可能会带来准确度问题
注意:
MGRID不可能为用户避免所有可能的问题,一些探测到的问题可能不像MGRID想象的那样严重,这并不是说如果MGRID没有发出警告电路就是准确的
反应:
IE3D将被调用,在现代计算机中不到1分钟的时间内完成对结构的仿真。
仿真完成后MODUA被调用显示S参数,既可是笛卡儿坐标系也可是史密斯圆图形式。
第5步如果显示的不是笛卡儿坐标系下的S参数,可在MODUA的Control菜单中选择DefineDisplayGraph,选择“dBandPhaseofS-Parameters”,选择OK继续。
选择“dB[S(1,1)]”和“dB[S(2,1)]”,然后选择OK在笛卡儿坐标系中显示S参数(如图5.2)。
说明:
这是一个典型的螺线电感响应,S21在直流时近似于1(或[S21]近似于0dB)并随频率减小,S11随频率变大,由于衬底有耗,S11不能增加到1。
一些用户可能对电感的L和Q大小感兴趣,螺线电感最简单的等效电路是LR串联电路,但用户应理解这只是一个很低频的近似,宽带等效电路甚至要比通常使用的复杂的π网络要复杂的多。
在计算中,当螺线作为1端口差动激励时,Q值计算为Im(Zin)/Re(Zin),可能和其它更精确模型不同。
IE3D中确实允许提取L和Q,即使在高频中不再有任何意义。
第6步在Process菜单中选择LC-Equivalent,为MultipleFrequencyLC-Equivalence对话框选择OK,在等效电路端口类型定义并联R选项对话框ShuntROptioninPortDefinitionStyleforEquivalence中为并联电阻选择“WithShuntR”。
MODUA将开始提取电路,将发出一个电感为负的告警,这是因为事实上等效电路在一些高频上是无效的。
如果强迫等效电路,将得到负的L值,选择YES继续,MODUA将在一分钟之内完成提取,完成后将发出一个信息说明结构保存到cspiral1.txt文件,选择OK继续,spiral1.txt将在Windows附件的NOTEPAD打开。
图5.2螺线电感的频响
说明:
低频数据的一部分列在表5.2中,可将这些数据导入MicrosoftExcel或类似的程序中绘制曲线,图5.3给出了MicrosoftExcel中的L和Q的频率曲线。
可见,L值下降并最终在1.5GHz附近低于0。
实际上电路在0.25GHz之后已不再准确,由误差因子可以看出(见表5.2)。
对本例,当误差因子超过0.25-0.3,等效电路的S参数就和初始电路不同了。
对于要得到和SPICE格式兼容的LC等效电路的情况,应在一个单一频点进行提取,MODUA将在这个频率提取等效电路。
用户可通过选择MODUA的FILE菜单中的SaveSPICEFile将结果保存为SPICE格式。
表5.2低频时的LC等效电路参数
频率(GHz)
误差因子
Q因子
串联R(Ohms)
串联L(nH)
并联R(Ohm)
并联C(pF)
0.05
0.06005
2.2928
3.1269
22.923
1.17E+05
1.5893
0.1
0.12107
4.454
3.1396
22.631
46819
1.6183
0.15
0.18259
6.5366
3.0881
22.343
16674
1.6275
0.2
0.24494
8.5289
2.959
21.984
8174.6
1.6327
0.25
0.30848
10.384
2.7348
21.545
4825.7
1.6377
0.3
0.37367
12.018
2.3954
21.026
3179.3
1.644
0.35
0.44097
13.327
1.9191
20.43
2245.4
1.6525
0.4
0.51092
14.203
1.2843
19.764
1661.2
1.6636
0.45
0.58407
14.565
0.46986
19.033
1269.3
1.6775
0.5
0.661
14.395
-0.54348
18.243
992.38
1.6943
第二节平均电流显示
第1步保存打开的文件c:
\ie3d\practice\cspiral1.geo为c:
\ie3d\practice\cspiral1a.geo,在Process菜单中选择Simulate。
说明:
这次将从电流分布文件中保存的频点对其进行仿真。
第2步在FrequencyParameters组中选择DeleteAll移除所有的频点,输入StartFreq=0.5,EndFreq=2和NumberofFreq=4,并按Enter。
反应:
0.5,1.0,1.5,2.0四个频点被输入到列表。
第3步输入StartFreq=5并按Enter。
反应:
f=5也被输入到列表。
图5.3Q和L的频率曲线
第4步不选中AIF,选中电流分布文件CurrentDistributionFile,选择OK继续。
MGRID将再次发出警告,选择Continue继续仿真,仿真将在短时间内完成。
反应:
仿真后MODUA被调用显示S参数,另一个MGRID被调用对结构网格化并显示电流分布。
说明:
在9.0版本之前,CURVIEW用作显示网格化的结构和电流分布显示的后置处理,为了更好的集成,CURVIEW的功能已完全集成到MGRID中。
网格化结构的显示和初始结构很相似,网格化结构的顶视图显示在MGRID的主窗口和3D视图窗口中。
实际上,对后置处理,3D视图窗口就是主显示窗口。
另外一个窗口显示网格化结构的层,此窗口也用来显示当前显示的颜色栏。
用户可能发现MGRID主窗口的菜单改变了,用户不能使用MGRID的所有编辑功能,除了仍然可选择多边形和顶点。
第5步请在3D视图点击左键并移动,螺线的3D视图将改变角度。
请按下面六个键中的任何一个:
←,↑,→,↓,Home,End,可看到视图角度也发生变化。
要缩放视图,按下“Ctrl”键并圈中要显示的部分。
要截取窗口,在3D视图按下右键并移动。
用上面的命令可调整3D视图到合适的角度和尺寸。
第6步在MGRID主窗口的Process菜单中选择DisplayCurrentDistribution。
反应:
电流分布显示参数对话框如图5.4。
说明:
可在左上角的组合框中选择显示类型,默认值是AverageCurrentDistribution,在写本文时共有6种可选的显示类型,在附录L中说明。
左边列表框的列表中共5个频点,用户必须每次选择一个频点。
在列表框右侧,用户可选择参数控制显示,例如用户可选择显示电流或磁流,可选择是否要显示每个单元的边界,可选择为颜色刻度使用dB还是线性。
左下角的列表显示结构的层,用户可选择要显示的层,右下角列出端口和激励,用户可选择源的类型有:
(1)电压源;
(2)电流源;(3)波源。
用户还可定义源的幅度和相位,以及每个端口的终端阻抗,请查阅附录R获取不同源的意义。
图5.4电流分布显示参数CurrentDistributionDisplayParameters对话框
第7步选择OK接受默认的电流分布显示设置。
反应:
3D视图更新为彩色显示,出现一个显示端口激励的新窗口(见图5.5)。
说明:
螺线变成红色,颜色窗口显示一个用作颜色刻度的颜色栏,螺线上不同位置的不同颜色表示电流幅度的不同。
实际上在0.5GHz的低频,螺线上的颜色总是红色,说明电流密度在整个螺线上变化不大。
激励窗口显示源的幅度和相位,入射波,反射波,电压,电流和每个端口的终端阻抗。
入射波和反射波总是以50-ohm系统为参考。
图5.5所示为电流分布,平均电流分布的更多信息请查阅附录L。
第8步再次在MGRID主窗口的Process菜单中选择DisplayCurrentDistribution。
反应:
再次跳出电流分布显示参数对话框。
说明:
这次自动颜色刻度AutoColorScaling自动不被选中,MaxE-Current为
图5.5螺线中低频(0.5GHz)时的近均匀电流分布
图5.6螺线中高频(5GHz)时的显著非均匀电流分布
329.81,这是上个显示中在0.5GHz处探测到电流密度的最大值,是上个显示中0dB的参考,可能不是其它频率的电流最大值,但是为比较,在显示其它频率点是不更改此值。
如要得到特定频点的最大电流密度,应为每个频率显示选中AutoColorScaling。
第9步在频率列表框中选择”Freq=5GHz”并选择OK继续。
反应:
3D视图被更新,将在螺线上看到更多不同的颜色(图5.6)。
说明:
更高频率上电流将更分散,螺线上的更多颜色说明一些位置的电流比其它位置更强,如要区别更多颜色,可再次选择DisplayCurrentDistribution菜单项,并更改“MagScale”和“dBstep”值,这里不做这一步,有兴趣的用户可以尝试。
第三节矢量电流显示
图5.5和5.6所示为平均电流分布,说明电流时间平均值的强弱,但不能得到特定位置电流的方向。
如附录L所述,频域中电流分布是一个复矢量函数,换句话说矢量的方向随时间变化。
因此,显示时间平均矢量电流是没有意义的。
取而代之,我们对不同时间特定位置的矢量电流感兴趣,从特定时间的方向可知道天线结构的极化特征,下面演示怎样显示特定时间的矢量电流。
第1步再次在MGRID主窗口的Process菜单中选择DisplayCurrentDistribution。
反应:
跳出电流分布显示参数CurrentDistributionDisplayParameters对话框。
图5.7选择VectorCurrentDistribution后的对话框
第2步在组合框的左上角选择VectorCurrentDisplay(见图5.7),确定频率为5GHz。
说明:
可能注意到这里有几个参数被激活:
(1)矢量形状VectorShape;
(2)矢量尺寸VectorSize;(3)周期统计CycleCount。
在CURVIEW的矢量电流显示中,矢量尺寸表示特定时间特定位置矢量电流密度的幅度,已经认识到,不同位置电流密度的幅度可能会有次序的不同,次序的不同可能对矢量尺寸产生很大影响,电流密度幅度用矢量的颜色表示,单位为dB。
MGRID中的矢量是圆锥形矢量,矢量形状定义圆锥底部直径与圆锥长度的比率,默认值为0.5,矢量尺寸参数定义矢量的尺寸,默认尺寸由网格化尺寸自动计算,周期统计定义显示时间。
正在仿真的是电流分布频响,电流随时间和频率作正弦函数变化。
在某种意义上,显示时间矢量电流分布时,只要显示一个周期的一部分,周期统计的值从0到1定义一个周期中的时间。
第3步确定参数如图5.7所示,选择OK继续,将显示矢量电流分布。
第4步可以看到矢量和希望的一样指向轨迹,轨迹的颜色是均匀褐色,矢量的颜色是变化的,显示0.25个周期内不同位置电流强度的变化,再次在Process菜单选择DisplayCurrentDistribution,更改VectorSize到2mm。
反应:
矢量的尺寸增加并如图5.8所示。
第5步在Process菜单中选择CurrentDistributionDisplay,将CycleCount从0.25改为0.5,选择OK继续。
反应:
矢量的颜色改变显示不同时间矢量电流分布的变化。
图5.85GHz处0.25周期内的矢量电流显示
第四节平均和矢量电流显示
已知道怎样显示平均和矢量电流分布,每一个显示都揭示结构电流分布的一些特定信息,可不可以在一个显示中同时显示这些信息?
这在CURVIEW中是无法实现的,但是MGRID9.0实现了这样的功能。
第1步在MGRID的Process菜单中选择DisplayCurrentDistribution,MGRID将提示显示参数,在左上角的组合框中为显示类型选择AverageandVectorCurrentDistribution,选择OK继续。
反应:
螺线上的电流分布视图再次改变,在结构中看到不同颜色显示结构中的平均电流分布。
还可看到不同颜色的矢量表示特定时间的电流强度,结构和特定位置矢量的颜色不必相同。
显然,在一个特定位置,平均电流可以很大,但是在特定时间不一定很大。
图5.95GHz处0.5周期内的矢量电流显示
第2步再次在Process菜单中选择DisplayCurrentDistribution,将CycleCount改为其它值,看到结构中不同位置的颜色没有变化,但矢量颜色随周期统计变化。
结构颜色显示不同位置的平均电流幅度,不是时间的函数。
矢量的颜色显示不同时间不同位置处电流的幅度,是时间的函数。
第五节标量和矢量电流分布动画
正如所见,结构上的电流分布是时间的函数,可仿真电流怎样在结构中流动。
第1步在MGRID的Process菜单中选择DisplayCurrentDistribution,MGRID将提示显示参数,在左上角的组合框中为显示类型选择ScalarCurrentDistributionAnimation。
反应:
电流分布显示参数CurrentDistributionDisplayParameters对话框改变了,可看到两个参数被激活:
(1)帧/周期Frames/Cycle;
(2)时间间隔(ms)。
帧/周期的默认值是15,说明MGRID以15帧/周期的速度仿真电流,时间间隔默认值为200ms,说明两个连续帧间的时间间隔是200ms,每个周期为3000ms即3s。
第2步更改Frames/Cycle为15,Interval(ms)为100ms,选择OK继续。
反应:
结构中不同位置的颜色随时间变化。
说明:
和平均电流显示的颜色不同,此显示中的颜色表示特定时间特定位置的电流强度,和矢量电流显示中矢量颜色的意义相同,结构上变化的颜色以时间的函数说明电流流动。
第3步再次在Process菜单中选择DisplayCurrentDistribution,在左上角的组合框中为显示类型选择VectorCurrentDistributionAnimation。
反应:
电流用改变颜色的矢量模拟。
说明:
矢量的颜色变化同时显示电流流动时间函数的幅度和方向。
第六节在电流动画中使用ZDib动画
ZDibAnimator首次在FIDELITY电磁仿真器(ZelandSoftware,Inc.的一个非均匀FDTD全波3D仿真器)中用作近场仿真,尽管已为IE3D用户提供,但直到IE3D9.0为止其用处很小。
IE3D9.0中可在MGRID9.0中完成高质量的电流分布仿真,但也可在ZDibAnimator实现高质量电流仿真,两者的仿真各有所长。
MGRID9.0是一个实时仿真器,不必创建可能占用很大硬盘空间的位图文件,用户可更改仿真的实际时间。
MGRID的缺点是:
(1)用户要调整参数才能得到彩色仿真;
(2)复制相同意义的显示可能有困难;(3)多边形的数量很多时显示质量会降低。
另一方面,用户可捕捉位图文件为仿真作仔细的调整,只要在ZDibAnimator中保存位图文件,就可在任意时间后精确复制仿真。
无论显示多边形的数量有多大,ZDibAnimator仿真的质量相同。
ZDibAnimator仿真的缺点是在仿真中不能更改参数,如要获得不同参数的仿真,不得不制作多组位图图片,通常每组位图图片包括10到50个帧,每个帧可能占用多于1MB的硬盘空间,这样可能占用大量的硬盘空间。
下面演示怎样用ZDibAnimator进行电流分布仿真。
第1步在MGRID仍在显示矢量电流仿真时,在MGRID的3D视图窗口(不是主窗口)中View菜单中选择SavetoBitmapFiles。
反应:
MGRID提示保存位图文件对话框(见图5.10)。
图5.10ZdibAnimator仿真中的保存位图文件对话框
第2步为仿真选择InvokeZDibAnimator,选择OK继续。
说明:
用户可为位图文件输入相同的前缀,这里接受默认前缀,请注意位图文件的目录,如果从c:
\ie3d\practicedirectory打开cspiral1a.cur文件,位图文件应在c:
\ie3d\practicedirectory。
反应:
MGRID将保存位图文件,保存了所有文件后提示文件被保存。
第3步选择OK继续。
反应:
调用ZdibAnimator进行仿真,MGRID上的仿真仍在继续,这两个仿真的质量相同。
第4步关闭ZdibAnimator,下面演示怎样利用ZDibAnimator通过保存的位图文件复制相同仿真。
第5步从ZelandProgramManager或ZelandFolder中运行ZDibAnimator。
反应:
跳出一个对话框并询问位图选项。
说明:
默认仿真时间间隔AnimationTimeInterval是100ms,这是一个很好的设置,下一步是选择文件。
第6步选择Browse键,将被提示选择位图文件。
更改目录到:
c:
\ie3d\samples或保存位图文件的目录,将看到该目录中位图文件的列表,需选择一组位图,本例可得表5.3所示列表。
表5.3列表中的位图文件
Cspiral1a_0.bmp
Cspiral1a_14.bmp
Cspiral1a_7.bmp
Cspiral1a_1.bmp
Cspiral1a_2.bmp
Cspiral1a_8.bmp
Cspiral1a_10.bmp
Cspiral1a_3.bmp
Cspiral1a_9.bmp
Cspiral1a_11.bmp
Cspiral1a_4.bmp
Cspiral1a_12.bmp
Cspiral1a_5.bmp
Cspiral1a_13.bmp
Cspiral1a_6.bmp
说明:
位图文件由第一个统计数字开始以数字序号排列,所以第一个位图文件是cspiral1a_0.bmp,最后一个位图文件是cspiral1a_9.bmp而不是cspiral1a_14.bmp,这并不是关键,应选择所有15个文件。
第7步在列表中点击cspiral1a_0.bmp将其选中,按下“Shift”键并选择cspiral1a_9.bmp文件,范围中的所有15个位图文件应被选中,点击Open键。
反应:
所有15个位图文件应选中在“PleaseSpecifyBitmapOptions”对话框的列表中(见图5.11)。
说明:
所有文件应自动排序,还没有看到过任何没有排序的情况,如用户遇到这样的情况,总可从列表中选取一个文件,然后选择列表中的上下键调整文件顺序。
第8步选择OK继续,ZDibAnimator被调用并显示螺线的仿真,应和本节第3步中调用的完全相同。
用户可
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