FDTD结合SPICE分析微波有源电路

论文摘要

时域有限差分(FDTD)方法,是麦克斯韦方程式以二阶中心差分法离散化,配合空间网格上的电磁场分布,在一个有限体积的计算空间内,以电生磁、磁生电的跳步方式,一步步计算出空间中电磁场的分布情况。由于其强大的功能,已经成为电磁场数值模拟的最重要方法之一。本论文主要讨论了时域有限差分法对微波无源及有源电路建模的理论和方法:包括集总元件的FDTD建模方法和模拟子电路的SPICE软件结合FDTD法的建模方法。首先,本文回顾了时域有限差分Yee算法。包括时域有限差分的差分方程、稳定性条件、数值色散特性、吸收边界条件、激励源的设置以及散射参数的计算等。接着研究传统的FDTD中加入集总元件的建模方法,同时分析了匹配电路,滤波器等几个无源微波电路来验证这种方法的准确性。然后根据上述方法的不足,提出用SPICE软件结合FDTD法进行包含集总元件的微波电路的建模,为了运用这种方法本文提出了一套用于控制FDTD算法和SPICE软件之间交流的通讯协议。通过通讯协议,可以方便的对任意端口数、任意复杂度的微波子电路进行建模。并分析了几个无源微波电路及有源微波电路如限幅电路和放大器,模拟结果可以验证这种建模方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 时域有限差分法的背景
• 1.2 微波电路及有源电路FDTD分析的背景
• 1.3 本文的主要内容
• 2 电磁波时域有限差分方法
• 2.1 时域有限差分方法的特点
• 2.2 时域有限差分算法的应用
• 2.3 时域有限差分算法的基本方程
• 2.4 时域有限差分算法的数值稳定性
• 2.5 时域有限差分算法的数值色散特性
• 2.6 时域有限差分算法的吸收边界条件
• 2.7 时域有限差分算法的激励源的设置
• 2.8 时域有限差分算法散射参数的提取
• 2.9 本章小结
• 3 包含集总元件的FDTD方法
• 3.1 引言
• 3.2 集总元件的FDTD建模方法
• 3.2.1 电阻
• 3.2.2 电阻性电压源
• 3.2.3 电容
• 3.2.4 电感
• 3.2.5 二极管
• 3.3 计算实例
• 3.3.1 微带终端负载为电阻
• 3.3.2 两条微带线中间接电容
• 3.3.3 两条微带线中间接电感
• 3.3.4 微带线终端接二极管
• 3.3.5 LC串联电路
• 3.3.6 匹配电路
• 3.4 本章小结
• 4 SPICE电路的FDTD法建模
• 4.1 引言
• 4.2 SPICE软件简介
• 4.2.1 SPICE功能简介
• 4.2.2 电路描述
• 4.3 FDTD法与SPICE软件的结合的基本原理
• 4.3.1 等效电流源模型
• 4.3.2 等效电压源法
• 4.3.3 FDTD方法与SPICE软件的通讯协议
• 4.4 实例计算
• 4.4.1 微带线终端负载为电阻
• 4.4.2 终端负载为电容
• 4.4.3 终端负载为电感
• 4.4.4 终端负载为二极管
• 4.4.5 无源集总元件组成的电路网络
• 4.4.6 限幅电路
• 4.4.7 放大电路
• 4.4.8 FDTD算法与SPICE软件相结合的计算效率分析
• 4.5 FDTD法与SPICE结合方法的优点及比较
• 4.6 本章小结
• 结论和工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 PSPICE的电路描述语言