[发明专利]一种微波有源电路的多物理场时域协同仿真方法

说明书

本发明公开了一种微波有源电路的多物理场时域协同仿真方法，包括以下步骤，S1：将微波有源电路分为无源结构和有源器件两部分，所述有源器件由管芯和封装构成；S2：利用FDTD对无源结构的电磁效应进行分析；S3：采用有限体积法对有源器件的管芯进行多物理场仿真和分析；S4：利用节点分析法对有源器件的封装等效电路进行电路仿真和分析；S5：将有源器件管芯的多物理场仿真和封装等效电路仿真通过等效源耦合到FDTD，实现整个微波有源电路强电磁效应的多物理场时域协同仿真。本发明中的仿真方法仿真结果准确性和有效性明显优于商用的ADS仿真软件，且可用于其他微波有源电路的仿真。

技术领域

本发明涉及微波有源电路技术领域，尤其涉及一种微波有源电路的多物理场时域协同仿真方法。

背景技术

现有微波频段的有源电路设计较为复杂，需要采用源牵引法，设计输入/输出阻抗匹配网络，例如，通常微波放大器的设计大多是在商业CAD软件中完成。其中采用了器件的等效电路模型，然而微波放大器通常工作于大信号条件下，有源器件的非线性准确描述显得非常困难。同时，软件中的仿真通常基于谐波平衡法，将电路划分成小的元件，并将每个元件的特性串联起来，以获得整个系统的性能，电磁效应被忽略或者最多是近似的。因此，常用的商业软件在仿真微波有源电路的时候效果不佳，难以满足实际工程的需求。

因此，对于现代微波有源电路的仿真和设计，一种准确、有效的数值仿真方法必不可少。随着电磁仿真技术的进步，结合半导体器件集总电路仿真和全波电磁仿真方法，同步求解麦克斯韦(Maxwell)方程和基尔霍夫电路方程，发展出了一系列的(电磁)场-(电)路协同仿真算法(也被称为场路混合仿真)。这些仿真算法被广泛应用于各种微波有源电路全波分析、电磁干扰和电磁兼容仿真等领域。这些协同仿真算法虽能同时表征半导体器件的非线性特性及其微波电路的电磁效应，但其中的半导体器件大多基于等效模型，难以模拟半导体器件内部的载流子输运、器件热能积累、温度场变化等相互耦合的多物理场而导致强电磁效应仿真失效。另一方面，通过耦合求解麦克斯韦方程和热传导方程的电磁-热多物理场仿真方法能够实现电磁场和热场的耦合，已成功应用于大功率微波器件的电热协同仿真、三维集成电路(Integrated Circuit，IC)封装的瞬态热分析、肖特基二极管的电热效应分析。然而，这些电磁-热的多物理场协同仿真算法大多局限于半导体器件或集成电路的模拟，难以应用于电路系统级的仿真和分析。近年来，有研究提出了包含半导体器件物理模型的多物理场时域协同仿真算法，能够分析微波有源电路的电热耦合特性，但这些仿真算法基于理想的或特制的半导体器件，且仿真结果缺乏准确的实验验证。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种微波有源电路的多物理场时域协同仿真方法，能够准确、有效的对微波有源电路进行仿真，从而解决微波有源电路仿真难题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种微波有源电路的多物理场时域协同仿真方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：将微波有源电路分为无源结构和有源器件两部分，所述有源器件由管芯和封装构成；

S2：利用FDTD对无源结构的电磁效应进行分析；

S3：采用有限体积法对有源器件的管芯进行多物理场仿真和分析；

S4：利用节点分析法对有源器件的封装等效电路进行电路仿真和分析；

S5：将有源器件管芯的多物理场仿真和封装等效电路仿真通过等效源耦合到FDTD，实现整个微波有源电路强电磁效应的多物理场时域协同仿真。

进一步的，步骤S3的具体操作包括以下步骤，

S301：初始化有源器件管芯的参数、终端电压和当前温度；

S302：在当前时间步，根据温度计算有源器件管芯的物理参数；