三维电磁场路混合仿真

     微波工程中经常遇到某些电磁结构需要加载集总器件的设计，例如共面波导加载二极管进行功率限幅，

或周期电磁结构加载电容、电感进行空间滤波，

或天线结构馈电端口加载限幅器等。

    总的来说，处理集总加载问题的时域仿真往往要进行场路混合仿真（hybrid simulation），也称场路协同仿真（co-simulation），方法可以分为两大类：基于瞬态交互的全波数值仿真和基于卷积技术的等效电路仿真。

    其中全波数值仿真如时域有限差分或传输线矩阵法，等效电路仿真如因果脉冲响应建模或宏电路提取。需要指出的是，无论采用何种方法，都需要考虑仿真频率的限制（篇幅限制，就不多解释了）。

    下面举例进行对比说明。

（1）全波数值仿真

    以具有空间滤波功能的集总加载频率选择表面为例，下图给出了模型结构参数和集总器件加载的位置，采用CST时域求解器，仿真频率上限为3.0 GHz，边界为周期边界，波导端口激励（TEM模），对应CST工程FieldCircuitSim1。

    集总器件为一个1.0 nH电感和10.0 pF的电容串联，因此可以预测该频率选择表面为空间带阻特性。

    全波仿真得到结果如下图所示，可以看出谐振点在1.33GHz附近。

    采用全波仿真的优点在于，仿真直观，用户无需考虑具体场路交互过程，缺点是当集总端口器件需要更换时，仿真需要重复进行，这导致仿真效率降低。为此，需要研究等效电路仿真。

（2）等效电路仿真

    等效电路仿真的核心思想是，将除去集总器件的剩余部分（线性部分）单独仿真，获取其频率响应，然后再加载集总器件进行电路仿真，达到混合仿真的目的。

    为此，新建CST工程FieldCircuitSim2，设置两个波导端口1、2和一个离散端口3，然后进行时域仿真导出S参数。

    导出S参数时一定要注意选择S参数归一化为50欧姆，这是因为波导端口的归一化阻抗为120*PI欧姆（与周期结构长宽比和端口模式有关），而离散端口的归一化阻抗为50欧姆，需要统一。

    因为不涉及到集总器件的瞬态响应，为此可以先直接将S参数导入ADS（snp元件），建立下图所示的原理图进行仿真。

    得到结果如下图所示，谐振频率为1.34 GHz，与全波仿真相比，稍有偏差，但可以接受（因为CST导出S参数时进行了插值、采样）。

    除了利用ADS自带的基于S参数定义的元件以外，还可以通过S参数提取出等效宏电路（基于矢量拟合的方法），然后再带入ADS进行仿真。这里利用CST自带的后处理工具（MOR）导出等效SPICE电路。

    然后倒入SPICE电路文件到ADS，

    仿照前面snp元件的仿真原理图，新建基于等效电路的原理图，如下

    其中，带有三个端口的fieldcircuitsim2元件为等效电路，其内部组成如下所示

    这个等效电路有超过一百个受控源的器件组成，局部放大如下

    最后，通过ADS电路仿真可以得到传输参数，下图给出了全波仿真和两种电路仿真的结果，可以发现，三者结果吻合很高，这说明上述仿真方法是有效的。

（3）补充说明

    受限于文章篇幅，这里不举例对比集总器件的瞬态响应，因为涉及到波导端口的瞬态激励、等效电路源的设置等等，这些仿真细节将会在将来陆续讲解。

    最后，请大家仔细思考一下，当CST仿真包含波导端口和离散端口的工程后，给出的S参数如上图，看起来如此平坦，这样的结果该怎么解释？（提示：根据S参数在各个端口的定义，离散端口用真实电压、电流，波导端口用等效电压、等效电流）。