应用于射频无源器件与天线的高效宽带仿真方法及建模技术

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随着超大规模集成电路技术的快速发展,所涉及的模型越来越复杂,对仿真的准确性和速度的要求越来越高。在计算电磁学中,解析法和数值法是求解电磁场问题中应用最广泛的方法。解析法虽然结果十分准确,但是局限性很大,对于复杂器件和大规模集成电路问题,则无法计算。因此,数值法具有主导地位。数值法基于麦克斯韦方程组,该方程组有时域形式和频域形式,在求解过程中,相对于时域解法,频域解法的结果更准确。本文基于频域方法中的矩量法来求解电磁问题。矩量法中的关键是矩阵矢量乘法,但在计算大尺寸目标时,未知数增多,计算效率非常低。因此,为了提高计算效率,采用多层格林函数插值法,其核心内容是利用同层介质之间和由低层与高层之间的插值技术,利用同样的技术对格林函数进行插值,从而使时间复杂度由O(N~2)降低到O(Nlog N)。虽然时间复杂度降低了,但是在求解宽频带时,总体花费的时间仍然非常多,因此,本文提出两种自适应频率扫描算法,利用较少的采样频点,通过插值或拟合,可以高效地得到仿真带宽内的频率响应。首先,基于Lagrange矩阵有理插值算法,第一轮利用较少的采样数据进行内插,然后判断是否达到收敛误差,如果达到的标准,则返回结果,反之,利用二分算法增加采样点,进行第二轮插值,再判断是否达到收敛误差要求,如此不断增加采样数据进行迭代,直到满足误差要求。然后,提出了一种新的基于零极点模型的自适应频率扫描算法。该方法是用有理函数来近似计算的频域响应,利用迭代法,通过计算出的改进极点不断替换初始极点来实现,快速又精准的捕获射频散射曲线上的全部谐振点,结合零极点模型,得到含有有限谐振点的函数,进而拟合频率响应。并通过二分算法实现自适应拟合算法。自适应频率扫描算法利用较少的采样数据,便得到整个频段的响应,提高了仿真效率。通过实例验证上述算法的鲁棒性。最后,上述提出的算法已经实现了自适应扫频,能够快速的得到仿真结果。仿真结果的等效电路模型对设计者有更好的指导意义,因此利用上述的自适应频率扫描算法对目标器件进行仿真得到的频率响应,然后通过遗传算法和Powell方法能够生成一个精确的电路模型,生成的电路模型能够更好的表征频域特性。同时该电路模型也可以验证上述算法的准确性。并通过示例证明了准确性和有效性。
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