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

本案例為通過(guò)ACEM對(duì)帶狀平行線耦合器進(jìn)行電磁仿真。用戶在天線產(chǎn)品實(shí)體化之前進(jìn)行仿真，可以有效規(guī)避潛在設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

定向耦合器在微波技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，包括但不限于功率、頻率及頻譜的監(jiān)視;功率的有效分配與合成;雷達(dá)天線收發(fā)開(kāi)關(guān)平衡混頻器與測(cè)量電橋的構(gòu)建;以及反射系數(shù)與功率的精確測(cè)量等。帶狀平行線耦合器屬于定向耦合器中的一種，該耦合器由兩根緊密相鄰的微帶線組成，其中一根微帶線用于傳輸信號(hào)?；陔姶艌?chǎng)相互作用的原理，另一根微帶線將實(shí)現(xiàn)功率的耦合，直通端口和耦合端口的信號(hào)幅度不相等。

案例介紹

本案例使用帶狀線結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，如圖所示，它由等寬的耦合線組成，其耦合線的長(zhǎng)度是中心頻率波長(zhǎng)的1/4，當(dāng)信號(hào)從端口1輸入時(shí)，信號(hào)除了會(huì)向端口2傳輸外，還會(huì)通過(guò)兩線之間的電磁耦合向端口3和4傳輸。由于電場(chǎng)耦合在副線中向端口3和4反向產(chǎn)生的電壓是等幅同相的，而磁場(chǎng)耦合在副線中向端口3和4反向產(chǎn)生的電壓是等幅反相的，因此副線中端口3處的電壓是同相疊加而有信號(hào)輸出，副線中端口4處的電壓是反相抵消的，所以端口4為隔離端，端口2和3為輸出端。通過(guò)PhySim ACEM可以確認(rèn)此設(shè)計(jì)的插入損耗、電壓駐波比、耦合度、隔離度和方向性等參數(shù)是否滿足要求。

平行耦合線示意圖

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)源

激勵(lì)源可以設(shè)置為工作頻率范圍的最大值。

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中非金屬材料需要置頂，仿真優(yōu)先級(jí)低于金屬材料，Order Adjust功能用于調(diào)整不同材質(zhì)物體仿真的優(yōu)先級(jí)，在ACEM中非金屬材料需要置頂，仿真優(yōu)先級(jí)低于金屬材料。

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線寬值的一半，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)計(jì)算總的網(wǎng)格數(shù)。

設(shè)置輸入/輸出端口

因?yàn)楸景咐菐罹€結(jié)構(gòu)，端口激勵(lì)模式可以使用波端口模式，波端口尺寸必須足夠大能涵蓋傳輸線端口上所有場(chǎng)的分布，同時(shí)避免增加端口上額外的反射。設(shè)置好方向(與電流同向)、掃頻范圍和傳輸線模式后，點(diǎn)擊確認(rèn)。

仿真結(jié)果

S參數(shù)分析

紅色曲線為S11，表示1端口的回波損耗，在5GHz時(shí)S11<-10dB，滿足設(shè)計(jì)要求;

綠色曲線為S21，表示1和2端口之間的插入損耗，在5GHz時(shí)S12<0.5dB，滿足設(shè)計(jì)要求;

藍(lán)色曲線為S31，表示1和3端口之間的耦合度，耦合度大小由定向耦合器的用途決定，在5GHz時(shí)S13=-13.1dB，滿足平行線耦合器設(shè)計(jì)要求;

紫色曲線為S41，表示1和4端口之間的隔離度，理想情況下4端口是沒(méi)有功率輸出的，隔離度為無(wú)窮大，但實(shí)際上總會(huì)有一些功率從這個(gè)端口泄漏出來(lái)，在5GHz時(shí)S14=-33.8dB，也滿足設(shè)計(jì)要求;

方向性 = |隔離度| - |耦合度|，表示3和4端口的比例關(guān)系，本案例中方向性=20.7dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

仿真結(jié)論

以上使用ACEM仿真帶狀平行線耦合器，對(duì)其插入損耗、電壓駐波比、耦合度、隔離度和方向性等性能進(jìn)行分析和優(yōu)化。在仿真中，對(duì)耦合器模型進(jìn)行了參數(shù)化建模，通過(guò)對(duì)帶狀線寬度、間距以及介質(zhì)基板厚度等參數(shù)進(jìn)行參數(shù)掃描，得到耦合器的最優(yōu)的性能。

ACEM擁有單機(jī)和多機(jī)并行運(yùn)算功能，對(duì)于多個(gè)端口激勵(lì)的模型，ACEM的HPC-by-port功能可以將每個(gè)端口分配到不同服務(wù)器上進(jìn)行并行運(yùn)算，以減少仿真時(shí)間，提升仿真的效率，很好地滿足客戶對(duì)仿真精度與效率的要求。

綜上所述，通過(guò)ACEM對(duì)帶狀平行線耦合器進(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)天線最佳的設(shè)計(jì)方案，完成設(shè)計(jì)最終定稿和打板。