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三维全媒质体系的部分元等效电路法及其建模

作　者: 龙海波
导　师: 冯正和
学　校: 清华大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 部分元等效电路全媒质磁化电流极化电荷极化电流
分类号: TN702
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

未来移动通信终端应该体积更小、重量更轻、功耗更低和价格更便宜。这种发展趋势要求IC技术能将数字、基频、中频及射频电路整合于同一芯片上。硅基CMOS是实现这种系统一体化方案的唯一技术选择。但硅基RF IC面临着片上无源器件损耗很大这一障碍。如何克服这一障碍是当前研究的热点,而精确分析各种硅基片上无源器件的电磁特性则是消除障碍的必要条件之一。微米尺度的RF IC无源器件具有一系列新的电磁特征,导致传统的电路理论并不可行,而三维全波场分析法也遇上了困难。部分元等效电路(PEEC)法是一种针对三维导体系的高性能全波电磁仿真方法;而将电介质所在空间等效为含极化电荷和极化电流的自由空间,从而导出表征极化效应的附加电容,也可建立全波部分元等效电路。但现有的PEEC模型不包含磁性媒质而并不完备,故很有必要建立全媒质体系的PEEC模型;而尝试在RF IC中引入磁性材料来优化片上器件性能恰恰是一种颇具前景的解决RF-SoC难题的方案,所以也亟需开发RF IC片上磁结构的精确高效仿真技术。本文发展了PEEC法,建模得到涵盖导电性、电性及磁性媒质的全媒质体系PEEC模型,它可以定量分析磁化效应和极化效应。首先从麦克斯韦方程组的普适形式出发,严格导出将简单媒质空间等效为含束缚源的自由空间后麦克斯韦方程组的等效形式,在数学模型中分离出磁化电流、极化电荷和极化电流等客观存在的束缚源。进而严格判定均匀简单媒质中所有电磁源的分布区域及存在形式;此时求解相应的达朗贝尔方程所需的格林函数及滞后时间都是自由空间的量。在电路模型中赋予导电性、电性和磁性媒质同等的源空间地位,进而在源区剖分出部分元网格即可建立全媒质体系的PEEC模型,导出了媒质内部体电流元的全媒质电路模型和磁边界磁化面电流元的等效电路模型,得到了磁化附加电容、磁化附加电阻及磁边界流控传导面电流系数等表征磁化效应的全新电路元件。最后对此模型进行工程简化解决了RF IC片上螺旋电感的如下仿真问题:趋肤效应和临近效应、有耗硅衬底效应以及磁介质增强效应。

全文目录

第1章引言  11-24
  1.1 研究背景  11-15
  1.2 研究方案  15-22
    1.2.1 现有方法在RFIC 片上无源器件仿真中的局限  15-16
    1.2.2 面向三维复杂导体系的部分元等效电路法  16-18
    1.2.3 引入电介质电路模型的部分元等效电路法  18-20
    1.2.4 本文的研究:全媒质体系的部分元等效电路法  20-22
  1.3 本文研究的主要内容及主要贡献  22-23
  1.4 符号使用的基本约定  23-24
第2章媒质的自由空间等效及时域全媒质PEEC 方程  24-54
  2.1 均匀简单媒质的自由空间等效  24-35
    2.1.1 麦克斯韦方程组的非限定形式  24-25
    2.1.2 简单媒质中的本构关系  25-26
    2.1.3 边界条件  26-27
    2.1.4 简单媒质中麦克斯韦方程组的等效形式  27-31
    2.1.5 均匀简单媒质空间中的电磁源  31-33
    2.1.6 真空等效下达朗贝尔方程的解  33-35
  2.2 均匀简单媒质中的时域PEEC 方程  35-53
    2.2.1 PEEC 基本方程  35-36
    2.2.2 基于部分电流的三维均匀网格剖分  36-39
    2.2.3 体电流元的支路电位差方程  39-46
    2.2.4 磁化面电流元的支路电流方程  46-49
    2.2.5 电位节点的节点电流方程  49-51
    2.2.6 传导面电流相关的电路方程修正  51-53
  2.3 本章小结  53-54
第3章频域全媒质PEEC 模型及实用数值技术  54-71
  3.1 场源近区电磁场的全媒质PEEC 模型  54-64
    3.1.1 电流元与电荷元剖分准则  55
    3.1.2 体电流支路的等效电路模型  55-56
    3.1.3 磁化面电流支路的等效电路模型  56-57
    3.1.4 电位节点的等效电路模型  57-61
    3.1.5 PEEC 方程的求解、电路缩减技术及端口设置  61-62
    3.1.6 传导面电流相关的频域电路方程  62-64
  3.2 部分元多重积分的快速精确计算技术  64-68
    3.2.1 部分电感的快速精确计算  64-66
    3.2.2 部分电位系数的快速精确计算  66
    3.2.3 磁边界流控传导面电流系数的快速精确计算  66-68
  3.3 引入滞后效应的全媒质rPEEC 模型  68-70
    3.3.1 网格单元的剖分准则  68
    3.3.2 部分电感的广义化  68-69
    3.3.3 磁边界流控传导面电流系数的广义化  69
    3.3.4 部分电位系数的广义化  69-70
    3.3.5 电路方程的求解  70
  3.4 本章小结  70-71
第4章全媒质PEEC 模型的片上电感仿真应用  71-101
  4.1 RFIC 片上螺旋电感的分析基础  71-77
    4.1.1 片上螺旋电感的结构及电路模型  71-73
    4.1.2 片上电感的品质因数  73-77
  4.2 螺旋电感金属效应的 PEEC 分析  77-88
    4.2.1 螺旋电感的低频分析  77-80
    4.2.2 螺旋电感的趋肤效应和临近效应分析  80-85
    4.2.3 螺旋电感金属效应的数值结果及讨论  85-88
  4.3 片上螺旋电感衬底效应的PEEC 分析  88-100
    4.3.1 一维PEEC 电流元网格  89-91
    4.3.2 含衬底效应的PEEC 模型  91-95
    4.3.3 数值结果及算法验证  95-100
  4.4 本章小结  100-101
第5章 RFIC 片上磁结构的magPEEC 仿真  101-116
  5.1 磁增强片上电感的研究背景  101-103
  5.2 磁介质的magPEEC 模型  103-104
  5.3 数值结果及算法验证  104-110
  5.4 磁增强结构 RFIC 片上电感的设计  110-115
  5.5 本章小结  115-116
第6章结论  116-119
  6.1 总结  116-117
  6.2 进一步工作的建议  117-119
参考文献  119-126
致谢  126
声明  126-127
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  127-128

三维全媒质体系的部分元等效电路法及其建模

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