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基于等效原理的PEEC建模研究

作　者: 张筱
导　师: 冯正和
学　校: 清华大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 部分元等效电路法体等效原理面等效原理磁增强电感电磁-电路混合仿真
分类号: TN454
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着微波集成电路设计向高频、低压、低功耗、小尺寸的方向发展,更多功能被集成在一个系统、封装、甚至芯片之上,这使得具有分布参数的电磁结构与其他集总元件之间的互耦对系统性能的影响更加突出。现有的电磁计算软件普遍在电磁-电路混合仿真时存在困难。因此进一步改进电磁-电路联合仿真软件,对于在设计初期精确地估计电磁结构与集总元件之间的互耦对系统性能的影响具有重要意义。本文结合并发展了基于体等效原理的PEEC方法和基于面等效原理的PEEC方法,建立了包含导电性、电性及磁性媒质的PEEC模型。基于体等效原理的PEEC方法从包含束缚源的自由空间形式的麦克斯韦方程组出发,将媒质空间等效为含磁化电流、极化电流和极化电荷数值体等效源的自由空间。在源区剖分出等效电路网格,对不同类型的媒质导出了相应的PEEC模型,用磁化附加电容、磁化附加电阻及磁边界部分流控电流源表征磁性媒质的电磁效应。将PEEC法扩展到包含导电磁媒质的三维电磁结构的模拟。基于面等效原理的PEEC方法从等效性原理出发,建立了媒质分界面上等效源与空间电磁场分布的关系,用等效电路网格剖分媒质分界面上的等效电流源、磁流源、电荷、磁荷,导出了相应的PEEC模型,并将它们扩展到导电媒质表面,得到了导电媒质表面对应的非频变面等效PEEC模型。本文提出了一种用流控电流源表示各电流支路之间互感的新模型,取代了传统PEEC模型中的流控电压源,从而降低了模型的计算复杂度,提高了效率。文章最后,作者用基于体等效原理的PEEC模型模拟了趋肤效应、临近效应、磁化效应、涡流效应、磁介质的色散特性、以及导电磁媒质的导电率对片上磁增强型螺旋电感性能的影响。作者还用改进电流支路模型的时域PEEC方法模拟了二单元天线阵,实现了天线与外围电路之间的无缝连接,并仿真了非线性开关对天线阵的影响。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第1章引言  11-24
  1.1 研究背景  11-14
  1.2 国内外研究现状  14-21
    1.2.1 部分元等效电路法的研究进展  14-18
    1.2.2 滞后时间不稳定性（late time instability）研究  18-19
    1.2.3 用于磁增强型电感设计的magPEEC 法  19-21
  1.3 本文研究的主要内容及主要贡献  21-24
第2章基于体等效原理的PEEC 方程  24-52
  2.1 简单媒质的自由空间等效  24-33
    2.1.1 麦克斯韦方程组，本构方程和边界条件  24-27
    2.1.2 简单媒质中自由空间等效的麦克斯韦方程组  27-29
    2.1.3 简单媒质中电磁源的分布  29-31
    2.1.4 自由空间等效的达朗贝尔方程  31-33
  2.2 简单媒质中的 PEEC 方程  33-47
    2.2.1 三维网格剖分  33-37
    2.2.2 体电流元的支路电位差方程  37-42
    2.2.3 磁化面电流元的支路电流方程  42-44
    2.2.4 电位节点的节点电流方程  44-45
    2.2.5 完整部分元等效电路模型  45-46
    2.2.6 改进的体电流支路模型  46-47
  2.3 部分元的计算  47-51
    2.3.1 部分电感和部分电位系数的计算  47-49
    2.3.2 磁边界部分流控面电流系数的计算  49-51
  2.4 本章小结  51-52
第3章基于面等效原理的PEEC 方程  52-78
  3.1 等效性原理  52-62
    3.1.1 等效性原理  52-58
    3.1.2 等效面源和等效问题分解  58-60
    3.1.3 矢量位函数和标量位函数  60-62
  3.2 基于等效性原理的PEEC 方程  62-74
    3.2.1 二维网格剖分  62-66
    3.2.2 等效面电流元的支路方程  66-68
    3.2.3 等效面磁流元的支路方程  68-71
    3.2.4 等效面电位节点的节点方程  71-72
    3.2.5 等效面磁位节点的节点方程  72-73
    3.2.6 完整的电型和磁型部分元等效电路  73-74
  3.3 导电媒质表面的等效电路  74-77
  3.4 本章小结  77-78
第4章 PEEC 法在天线仿真中的应用  78-92
  4.1 PEEC 法模拟天线的可行性分析  78-80
  4.2 天线仿真基础  80-84
    4.2.1 调制高斯脉冲激励源的时频域信号形式  80-81
    4.2.2 远场计算  81-82
    4.2.3 平面波激励  82-84
  4.3 二单元天线阵  84-90
  4.4 折叠线单极子天线  90-91
  4.5 本章小结  91-92
第5章三维磁增强螺旋电感的PEEC 仿真  92-115
  5.1 包含色散磁媒质的片上螺旋电感的体等效分析  92-108
    5.1.1 片上螺旋电感的分析基础  92-100
    5.1.2 片上磁增强型电感  100-104
    5.1.3 数值结果及讨论  104-108
  5.2 磁芯增强型螺旋电感的体等效分析  108-113
    5.2.1 磁芯增强型螺旋电感建模  109-112
    5.2.2 数值结果及算法验证  112-113
  5.3 本章小结  113-115
第6章结论  115-117
  6.1 总结  115-116
  6.2 进一步工作的建议  116-117
参考文献  117-124
致谢  124-125
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  125-126

基于等效原理的PEEC建模研究

内容摘要

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