MICROSTRIPES高级传输线矩阵法微波天线分析软件

flomericsxu

【文件名】:06320@52RD_antenna design of Micro-Stripes.doc
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【简　介】:
【目　录】:

Micro-Strips的特点
公司背景：

FLOMERICS公司是一家在伦敦股票交易所上市的高技术软件公司。在1999年，FLOMERICS公司兼并了在时域电磁场分析方面全球领先的KCC软件公司（KCC在全球首先将三维时域电磁场分析软件引入到微波通信工业，公司是由TLM(传输线矩阵法)创始人PETER B.JOHNS创立），推出了时域的射频、天线及微波分析软件Micro-Stripes，同时推出了全球首个系统结构级电磁兼容仿真软件FLO/EMC。

FLOMERICS公司在全球40几个国家和地区都有分支机构或分销商从事市场与技术支持，其中英国、美国、法国、德国、意大利、瑞典、中国、日本、韩国、新加坡、印度等地区都拥有全资分支机构，覆盖了全球所有主要的电子生产、研发地区。

利用Micro-Strips来分析射频和微波系统已经成为国际上很多著名通信公司的选择，这些公司包括Intel, Nokia, Nortel Networks, Andrew, Motorola, Lucent, JDS Uniphase, NTT, Murata等等。

一．Micro-Strips 的独特处理技术：
Micro-Strips采用设计级的分析理念，包括以下独特的处理技术：
1．  Compact model(精简模型)
精简模型主要应用于：wires（线）、ports（端口）、circuits（电路）、slots（缝隙）、thin material sheets（薄的材料板）。
采用精简模型的优点是快速建模和有效的计算，所谓有效的计算指的是在占用较少的计算资源的情况下得到同样准确的计算结果。
a.     wires（线）
对于蝙蝠旋翼天线（helices）、螺旋天线（spiral）、抛物线天线（parabola）等较为复杂结构的天线，传统的方法将需要对此结构进行很详细的网格划分才能得到较为准确的结果。但在Micro-Strips中，首先将这些结构转化为很多段线（wires），TLM求解器将这些线看作子网格多导体结构（sub-cell multi-conductors），并将这些线的作用等效到周围的传输线之上，从而减少了网格数，加快了计算速度。
如对下图所示的一个双频蝙蝠旋翼天线（dual-band helix antenna）来说，计算0到3GHz的回波损耗（return losses），传统方法需要占用87M的内存和16小时的计算时间，但是Micro-Strips仅仅需要19M的内存和10分钟的计算时间。
传统方法
在Micro-Stripes中采用精简模型后


b.     周期性的边界条件（wrap-around boundary conditions）
可以用来表示无限周期性的结构，比如：频率选择表面（frequency selective surface）、相控阵天线（phased array antenna）。

2．  Advanced gridding technologies(高级网格技术)
高级网格划分技术主要有以下两个：automated grid generation（自动网格划分）、embedded grid（嵌入式网格划分）、Octree网格重组技术。
采用高级网格划分技术的优点是通过在采用自动网格划分的基础上采用嵌入式网格划分方法，从而对于有效减少计算资源和计算时间（可减少50%）。
采用Octree网格重组技术的优势是进一步减少划分的网格数，从而可以计算更大电尺寸的物体。如下图所示意的七相介质加载蝙蝠旋翼天线阵，采用这项技术前，网格数75，000，000，而采用这项技术后将会减少25倍。

3．  TLM time domain solver that utilizes parallel processing and batch queue（采用并行处理和批处理的时域求解器）
TLM time domain solver（时域求解器）的优点是通过一次求解得出整个频域的解，parallel processing and batch queue（并行处理和批处理）的优点是可以明显提高求解速度。
二．Micro-Strips 的特点：
1．求解原理及优点
Micro-Strips采用先进的时域传输线法(TLM)，从原理上来说，因为软件在做模拟时首先用的激励源是冲击脉冲，由于这个脉冲在时域的宽度极窄（实际上是趋于无限窄），从频域来说，它能覆盖极宽的频率范围（理论上说是无限宽）；当以这个冲击脉冲来激励整个系统时，根据信号与系统的理论，在时域得到的将是此脉冲与系统函数即h(t)的卷积，对应于频域，结果将是系统函数H(s)与冲击脉冲的频域响应（理想情况下是1）的乘积，自然，我们将得到H(S)，它就是整个系统的频域响应。
由于以上的求解原理，所以只需要一次求解，我们就可以得到系统在整个频域的响应曲线（理论上是无限宽）。
而频域求解软件，采用的是频域的矩量法，从理论上来说，可以得到特定频点的频域准确解，如要得到整个频域响应，就必需采用插值法或其它快速算法，而这除了需要很长的计算时间以外还很难保证其它频点结果的准确性。
   全球几家大的场分析软件公司曾对一个同样的问题做过分析，分析的结构如下：
vivaldi 宽带天线（带状线激励）
    而S参数的分析结果如下：
















    计算时间及占用计算资源如下：

软件名称频率范围计算时间（Hr:Min）占用内存（Mb）硬件平台
Micro-Strips
(TLM)0.5-20GHz0:4250Pentium Ⅲ @650 MHz
Ansoft HFSS
(FEM)0.5-10GHz2:43821Sun Ultra Ⅱ @450 MHz
(4 processors)
CST Microwave Studio
(FV)0.5-20GHz0:64100Pentium Ⅲ @800 MHz
Vector Fields Concerto
(FDTD)0.5-20GHz2:00256Pentium Ⅲ @600 MHz

    以上数据可以进一步证明，由于采用TLM解法，所以Micro-Strips具有求解准确、计算快速、占用计算资源少的优点。

2．Micro-Strips可以求解的问题：
  Micro-Strips主要用于天线以及射频和微波系统的辐射性能分析,还可以用于RCS(雷达反射面积)以及SAR（比吸收率）等的计算。
a.     天线
Micro-Strips可以用来分析各种类型的天线，尤其适合于宽带天线的分析，下面是一些具体的天线结构：


















七个单元的相控蝙蝠旋翼天线

















对数周期天线
















喇叭天线




















移动电话















四重蝙蝠旋翼天线












带有电路的贴片天线

舰船上天线阵及分析结果（船体的电流分布）

飞机上的收发天线及分析结果

b.     Micro-Strips还可以用于射频和微波器件系统的分析，下图所示是一个光电转换接头的结构图，用Micro-Strips可以分析单个或者一组光电转换接头置于一块电路板上的整个系统的分析。
同轴到波导的转换
同轴到微带的转换
功分器
曲折线
波导模式转换器
波导滤波器




光电转换接头

单个光电转换接头的电场分布图

c.       RCS的计算
如对于一个半径为1m的金属球，在4.771MHz时的辐射方向图如下：
RCS(雷达反射面积)可计算如下：
说明此球体在此频率（4.771MHz）时不可见，但在138.369MHz时辐射方向图如下：

说明此球体在此频率（138.369MHz）时可见。

d.       SAR（比吸收率）等的计算
设置好激励源及人脑模型后，就可完成SAR的计算。
手机置于人的头部的建模图
头部模型的SAR分布图

3．灵活的激励源设置方式
实际的激励源可能有各种不同的波型，我们可以模拟不同的激励脉冲的情况，只要定义具体的激励源时间波形，通过将由冲击脉冲激励得到的系统的冲击响应与实际激励脉冲相卷积来得到整个系统的时域响应波形。

系统的冲击响应

实际激励脉冲
对应于实际激励脉冲的响应
4．强大的后处理模块(Postprocessing Module)
通过后处理模块，将要分析的系统的表面电流和系统内的电场、磁场可视化，还可以通过Animation来观察电流以及电场和磁场随相位的变化，为设计人员提供丰富的设计依据。
可以根据屏蔽效能曲线，得出系统的风险频率点（屏蔽效能差的频率点，即谐振点），然后从可视化的后处理模块中分析对应这些频率点的表面电流分布或电场分布，马上就可以看到是什么部件造成了此谐振，通过改进此部分结构就可以进一步提高产品性能,当然，通过改进这一部分结构也可进一步提高辐射性能。
Smith 圆图



















频域响应曲线
场分布及相位模拟图（animation）
近场圆柱扫描图

辐射方向图

5．完善的图形用户接口（GUI）
完善的GUI，使Micro-strips可以很方便地导入各种格式的图形文件（如.DXF、.GEOM、.STEP、.IGES、.STL），大大减少了建模的工作量。





















导入模型并做修正

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