ACEM(Advanced computational electromagnetism)是由芯瑞微(上 海)電子科技有限公司，基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)開(kāi)發(fā)的三維電磁仿真軟件。

作為任意三維結(jié)構(gòu)全波電磁仿真工具，ACEM依托強(qiáng)大的3D編輯、自動(dòng)參數(shù)化、和極低的內(nèi)存占用特性，搭載imesh智能加密和網(wǎng)格后處理引擎，高性能的GPU加速，并行計(jì)算的HPC特性，可適配于航空航天、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、人工智能等行業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和仿真。

仿真場(chǎng)景

本次案例為ACEM在Ku波段基片集成波導(dǎo)縫隙天線的應(yīng)用，使用戶在天線產(chǎn)品實(shí)體化之前進(jìn)行有效仿真，規(guī)避潛在設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

傳統(tǒng)的陣列天線有微帶和金屬波導(dǎo)兩種形式，微帶陣列天線具有小型化、易與電路集成等優(yōu)點(diǎn)，但開(kāi)放結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生能量泄露、輻射，對(duì)其他器件產(chǎn)生影響，而且隨著頻率升高此現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重;金屬波導(dǎo)縫隙天線具有插損小、Q值高、功率容量大等優(yōu)點(diǎn)，但其尺寸大、重量重，因此難與其他電路集成。基片集成波導(dǎo)(SIW)縫隙陣列天線可同時(shí)具有金屬波導(dǎo)縫隙陣列天線和微帶陣列天線的優(yōu)點(diǎn)，因此基片集成波導(dǎo)縫隙陣列天線有廣泛的應(yīng)用前景。

案例介紹

本案例使用PCB工藝，上下兩層板結(jié)構(gòu)，上下金屬層之間用金屬化通孔連接，微帶線與上層金屬之間用轉(zhuǎn)換器連接，通過(guò)在上層金屬上開(kāi)縫，截?cái)嗔瞬▽?dǎo)壁上的電流，波導(dǎo)內(nèi)的電磁場(chǎng)便激勵(lì)了縫隙，實(shí)現(xiàn)了向空間的能量輻射。案例需求為通過(guò)PhySim ACEM來(lái)確認(rèn)此設(shè)計(jì)的S參數(shù)、近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。

天線疊層示意圖

仿真設(shè)置步驟

創(chuàng)建模型

在坐標(biāo)系中創(chuàng)建一個(gè)立方體，并在Properties中修改名稱、材質(zhì)、顏色、透明度和尺寸。

采用同樣的方法步驟對(duì)所有疊層進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后的模型如下。

設(shè)置激勵(lì)

選擇設(shè)置好的矩形，設(shè)置端口ID、電壓方向(低電勢(shì)箭頭指向天線)、起止頻率和掃頻步進(jìn)。

設(shè)置Order Adjust

Order Adjust功能用于調(diào)整不同材質(zhì)物體仿真的優(yōu)先級(jí)，在ACEM中，金屬材料仿真優(yōu)先級(jí)高于非金屬材料，Order Adjust功能用于調(diào)整不同材質(zhì)物體仿真的優(yōu)先級(jí)。

設(shè)置輻射邊界

系統(tǒng)會(huì)根據(jù)模型尺寸自動(dòng)生成輻射邊界。

設(shè)置網(wǎng)格

XY方向最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置一般遵循此方向最小尺寸值的一半，Z方向最小網(wǎng)格尺寸和最薄介質(zhì)尺寸一致，保證物體邊緣都卡在網(wǎng)格線上，設(shè)置完最小網(wǎng)格尺寸后點(diǎn)擊Mesh，系統(tǒng)自動(dòng)生成網(wǎng)格。

設(shè)置監(jiān)視器

點(diǎn)擊Output中的Far-field，設(shè)置需要觀測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)的頻點(diǎn)和2D/3D輻射方向圖;在需要觀測(cè)電場(chǎng)處添加平面，選擇平面點(diǎn)擊Output中的Field，勾選需要觀測(cè)的場(chǎng)與頻點(diǎn)。

仿真結(jié)果

S參數(shù)分析

諧振點(diǎn)在18GHz附近，滿足設(shè)計(jì)要求。

表面電流分析

選擇需要觀測(cè)表面電流的物體和頻點(diǎn)，查看電流分布和電流強(qiáng)度。

電場(chǎng)分析

選擇需要觀測(cè)表面電流的物體和頻點(diǎn)，查看電場(chǎng)分布和電場(chǎng)強(qiáng)度。

天線增益分析

查看遠(yuǎn)場(chǎng)2D/3D輻射方向圖，最大增益為11.6dBi，滿足設(shè)計(jì)要求。

仿真結(jié)論

以上使用ACEM仿真Ku波段基片集成波導(dǎo)縫隙天線，對(duì)其表面電流、電場(chǎng)、S參數(shù)和遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖等性能進(jìn)行了分析和優(yōu)化。在仿真中，對(duì)天線模型進(jìn)行了參數(shù)化建模，通過(guò)對(duì)縫隙的位置、尺寸以及介質(zhì)基板厚度等參數(shù)進(jìn)行參數(shù)掃描，得到了天線最優(yōu)的性能。

ACEM擁有單機(jī)和多機(jī)并行運(yùn)算功能，在得到天線的最優(yōu)性能的同時(shí)，可以減少仿真時(shí)間，提升仿真的效率，滿足客戶對(duì)仿真精度與效率的雙重要求。

綜上所述，通過(guò)ACEM對(duì)Ku波段基片集成波導(dǎo)縫隙天線進(jìn)行電磁仿真，得到了非常可靠的仿真結(jié)果，幫助客戶確認(rèn)了天線最佳的設(shè)計(jì)方案，完成了設(shè)計(jì)的最終定稿和打板。