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集美大学毕业设计 林远双 基于叉指结构的三维电容设计基于叉指结构的三维电容设计集美大学信息工程学院电子科学与技术专业 2015届 林远双 学号：2011850024摘要 随着电子电路技术的飞速发展，电容在密度和高频方面的局限性越来越明显，以往很多提高电容密度的方法是引入高介电常数（高）介质和减小介质层厚度，但无法从本质上解决问题。本文在讨论电容基本工作原理、结构和特性的基础上，设计出一种基于叉指结构的新型三维电容。利用HFSS和ADS等电磁仿真软件进行三维电容建模以及电容基础特性分析，设计出叉指形、分形化的三维电容，通过S参数提取以及电容的等效电路，仿真、优化出最佳的等效电容值和等效电感值。研究表明，当电容结构保持不变时，电容的宽距比从19:2减小到1:2，其等效电路的等效电容值减小了36.7%，寄生电感减小了44.8%；当电容宽距比保持不变时，通过分形化技术，等效电路的寄生参数有所减少。这些研究，在电容的集成化、微型化应用等方面均有普遍的积极意义。关键词 三维电容 叉指结构 分形化 等效电路IIInterdigital capacitor design based on three-dimensional structureLin YuanshuangNO: 2011850024, Electronics Science and Technology Major, 2015, Information Engineering College of Jimei UniversityAbstract :With the rapid development of electronic circuit technology.In terms of density and high frequency capacitance has limitation more and more obvious.Before,it was pulled in high media , reduce the thickness of media and increase ermittivity to increase capacitance density method,but,its not to solve problem in the essentially.This article has design based on the new three-dimensional structure of an interdigital capacitor on the basis of the capacitance works,structure and property.Make the use of HFSS soft to set up 3D capacitance modeling to design a 3D capacitance of interdigital,fractal.Its a value of equivalent capacitance and equivalent inductance for simulation and optimization by the way of S parameters and equivalent circuit.Studies shows that when the capacitor structure remains unchanged,the capacitance of the ratio wide to spacing from 19:2 decrease to 1:2,the capacitance value of the equivalent circuit has decreased 36.7%,parasitic inductance has decreased 44.8%.When the capacitance of the ratio wide to spacing remains unchanged,by use of the fractal technology,the parasitic of the equivalent circuit has decreased.For the studies,iss important to the development of circuit,capacitance property,integrated.Key words： 3D Capacitance Interdigitated structure Fractal technology Equivalent circuitIV目录目录引言1第一章 绪论21.1 背景21.2 电容介绍21.3 发展现状3第二章 分形化结构电容42.1 分形电容简介42.2 经典的叉指电容静态参数提取方法52.3 基于保角变换的解析方法62.4 基于解析模型的叉指平面电容计算82.5 分形化叉指平面电容设计112.6 平面电容的高频分析12第三章 软件简介-HFSS/ADS143.1 HFSS的简介143.2 HFSS叉指结构的三维电容设计流程143.3 ADS的简介163.4 ADS电容的等效电路16第四章 基于叉指结构的三维电容设计184.1 三维电容简介184.2 三维电容的设计过程184.2.1 软件环境设置184.2.2 三维电容设计194.2.3 结果显示224.3 电容的仿真分析254.4 等效电路参数提取31结论37致谢语38【参考文献】39VI引言引言随着社会的进步变化，经济飞速发展，在电子电路方面，电子元器件也不断的进步和发展，经历了从无到有，从好用到实用，电子器件的集成度、设计封装得到越来越大的重视。电容集成设计和封装是一个重点和难点，早先开始的电容是一种基于横向电通量的平面电容，也是一种可行的方式。电容，是一种无源器件，它是各种电路设计中的关键部位，电容的发展研究也随着社会进步而更加飞速发展。那么在现代，电容需要急需解决的问题是什么呢？有两个方面，电容密度和绝缘强度。传统的电容有薄膜电容、陶瓷电容和云母电容等等，它们通过引入高介质来达到提高电容密度的效果，但是提高电容密度和介电常数，这样是无法从本质上解决问题的。什么是平面电容？它是利用了共面电极间的一种电磁耦合方式实现的。平面电容和MIM电容有不同，对于平面电容来说，它几乎没有绝缘方面的问题困扰。那是因为：平面电容的电极是共面相邻的，可以避免由纵向工艺所导致漏电问题，可以说是有很好的绝缘特性。但平面电容有一个最大的不足之处就是电容密度太低了，远远不如MIM电容。一种基于叉指结构的分形化电容在很多性能方面有很大的优越性，分形化设计的电容，当且仅当，我们可以让面积不变的情况下，让电容值增大。此外，这种方法也可以减少其他寄生电感以及寄生电容、阻抗等一些不希望出现的不利因素。可以说分形化电容对平面电容来说有了很大发展进步。本文所设计的电容，是一种在平面电容的基础上，对其进行分形化处理；其次在分形化的基础上，对其进行三维立体化处理，以达到本次论文的设计目标要求。通过这种三维方式的电容，使得电容电极间的耦合电容量有横向和纵向的两种分量，在其稳定性上有很大的好处，是一种非常新颖的电容结构。51第一章第一章 绪论1.1 背景电容是无源器件中的一员，也是非常重要的一部分，可以说电容在各大电子设备中是无处不在。电容器在生活中也经常可见，电路结构也看起来很简单，它由两个极板构成，可是在实际的应用中会出现挺多问题的。随着电子电路的飞速发展，电容也得到了很好的发展。现代电容急需解决的问题有：电容的高频特性、电容密度以及电容的绝缘强度等等。在传统方式上，为了提高电容的密度可以通过引入高，但这样也会出现其他的问题，就是材料方面上的不足之处；通过减小介质层宽度当然也可以提高电容密度，但这样会减弱电容的绝缘强度。所以从本质是出发，还有很多问题需要解决，会出现矛盾的。1.2 电容介绍对于电容的书面上简单的定义是：与电荷和电压没有联系的，电荷与电压的比值，即。在电路中，电容器是用来存储电能的基本元器件，它的基本结构是由两个导体电极板（也有片类和膜类的）和中间一个电介质所组成，它的结构如图1-1所示。电容具有存储电能和提供电容量的器件，它的一个重要的特征是阻止直流电通过而允许交流电通过。图1-1 电容基本结构在电子元件中，电容器是一种能够冲放电荷的元器件，其中导体两个极板的作用是用来储存电流所提供的电荷，产生两个极板之间电介质的电场，最后通过引线连接外电路；中间还会存在一个叫做电介质的东西，在外加电场的作用下，产生极化，从而达到增大电容量的效果。电容器的最初模型产品是以弗兰克林板和莱顿瓶为代表。随着电子电路工业的发展，电容器在产品种类、结构类型以及材料开发中不断发展，技术性能不断地提高，电容与其他电子元件相互配合，在电路中常见的应用有：旁路、滤波、调谐、能量转换、耦合、隔直流等各种方面。在计算机航空航天、自动控制、医疗设备、通讯、军事准备等技术领域的电子设备中，被广泛应用，它是电子工业发展中非常重要的一种基本电子元件。1.3 发展现状电容的发展，从真空管开始，电容器就进入了电子时代。在无线电发射机、无线电接收机中，电容器发挥着举足轻重的作用，推进了信息传递的速度。这个时代的电容器对可承受纹波电流、体积以及等效串联电阻（ESR）没有很高的要求。由于晶体管的出现，电子线路的体积得到大大的减小。同时，也带来了作为无源器件电阻、电容等体积的减小。从而有力地推动了电容器体积的小型化过程，收音机也变得非常便携。表面贴装技术的飞速发展，使得电容器的体积微型化达到了另一个新高。电子电路板的尺寸得以不断地缩小。我们今天用的数码产品，电脑等体积越来越小就是一个很好的证明。现在有一种新型的电容器，叫做：超级电容器，如果将电容器的电容储存能力做的很好很大，它也许可以代替蓄电池。这样的话，在某些领域会有很好的、很适合的应用环境。如今，超级电容器的单体可以做到5000F/2.7V（体积为60mm X 70mm X 165mm），其能量密度可以达到6Wh/kg，是目前最优秀的锂离子电池的1/（1020），放电电流可以达到2000A以上，同体积的蓄电池绝不会具有这个水平的放电能力。如果觉得这个能量密度还不满意，还可以将蓄电池原理引入到超级电容器中，这就是电化学电容器，目前的能量密度的实际应用水平可以达到1315Wh/kg，实验室水平可以达到2030Wh/kg。这个水平接近于普通铅酸蓄电池的能量密度。因此，有人曾乐观地预计电化学电容器会取代铅酸蓄电池。电容器的介质材料是电容器性能的关键。高介电强度、高介电系数是电容器体积缩小的最基本因素。高介质强度是减小高压电容器体积降低成本的主要因素，在高压、超高压电力电容器中，介质的介电强度将是成本和性能的最强大的竞争因素。高介电系数陶瓷材料的介电系数可以超过10000。因此，相同的电容量、耐压的陶瓷电容器的体积有可能比电解电容器还小。随着电容器材料和制造技术的进步，各类新型的、性能更优异的、体积更小的电容器会层出不穷，以满足各种应用要求。科技工作者也会利用现有的电容器，开发出更多新颖的应用领域。第二章 分形化结构电容第二章 分形化结构电容2.1 分形电容简介近年来，人们对各种电子设备，小型化、多频带、集成化的迫切需求，作为无源器件之一的电容得到了很高的重视，它的设计和封装发展的越来越迅速。下面我们讨论的是一种平面电容，叉指形的。众所周知，简单的平面电容由两个电极板和中间的电介质构成，那么叉指形的平面电容会有怎样的情况呢？它和普通的平面电容有哪些方面的优越性呢？对于平面电容来说，电容的两个极板长度和面积以及中间电介质的介电常数是影响电容密度的很重要因素。其中平面电容有一个很大的局限性就是它的电容密度太小了，从分形化角度出发。“分形”这一概念是由法国数学家B.Mandelbrot于1975年首次提出的1，分形化其实是大自然的高级设计师的完美作品，在我们的生活中，分形化的东西随处可见。通过自然界的分形化，让我们有一个感官上的认知，分形并不陌生。如图2-1所示，生活中的分形化现象。图2-1 生活中的分形化平面电容的工作原理是两个极板间充放电，由于电磁耦合的缘故，实现工作过程的。另一种电容是叉指形平面电容，该电容现在已经应用于各种电子设备，航空航天、微波等领域。和普通的平面电容不一样，叉指形平面电容的电极长度和叉指数是影响它工作稳定和电容密度的重要部分。如果长度增加，则寄生参数也会变得明显，这样的话就会导致这种叉指形的平面电容工作的非常不稳定，由此提出了分形化的平面电容。分形技术新颖，但分形化的东西在我们的生活中还是随处可以见到的，北方生活的人会遇到下雪情景，雪花也是一种分形化的自然界产物，还有梯田、树叶等等。分形化的电容：如果我们假设面积不变的情况下，可以通过增大它的长度来增大它的密度；由于分形的随机化，使得其它没用的寄生参数影响变小，增加电容工作的稳定性。2.2 经典的叉指电容静态参数提取方法叉指形的平面电容，现已经应用于各种电子设备，航空航天、微波等领域。该电容结构比较简单，运用广泛。结构如图2-2所示。图2-2 平面叉指电容对于叉指电容方面的讨论，以往的方式方法是在低频、直流的环境下，对静态参数，电容值进行提取。John I.Smith2和Gray D.Alley3等人在基于传输线原理的基础上发起了一个叉指平面电容的模型，他们假设的前提是无耗的前提下，可想而知，很多因素都没有考虑进去，就会导致模型仿真的最后结果会和真实的情况有很大的差别。由于电磁学的飞速发展，Gerald W.Farmell等人推导出了用来计算叉指电容的公式，称为半经验公式，该公式如下：.（2.1）.（2.2）该半经验公式，可以看出它的计算过程体现了电极间距、尺寸和材料之间的相互作用。但是又有一个问题来了，虽然该公式能较好的反映出叉指电容的计算过程，毕竟有它的局限性，就是如果叉指周期增加的话，它的适用范围就变得很有限。2.3 基于保角变换的解析方法图2-3 多层电介质的电通量情况如上图2-3所示，在我们的实际应用中，除了要考虑以上的叉指电极周期数增加的情况下，还可能会考虑到两极板间的介质是由多种组成的。比如：为了提高电容密度，在电极表面添加介质层，有时候也会添加衬底介质等等情况。像如图所示的那样，衬底、覆盖层和空气层的多层介质的存在，那我们考虑的因素就会更多了。现如今有一种叉指电容参数提取的方法-保角变换，这种方法已被业界普通认同，是一种比较有效的一种方法。保角变换的思想很简单，就是将不同平面进行变换，将复杂的电场问题转化成简单的电场问题，最关键的一点是平面间的变化函数。图2-4 叉指电容的保角变换（顺序：Z平面，T平面，W平面）如图2-4所示，平面电容的计算是保角变换的过程。第一个：图a所示，是一个半的电极组成，可以用如图b所示的图形表达，显示的是一个半电极和等势面25的电容，然后我们再将图b中的Z平面等效成图c中T平面所示，他们等效的过程就是叫做保角变换，其中函数为：.（2.3）图b的Z平面向图c的T平面的转换过程被称为第一次保角变换，图c的T平面向图d的W平面的转换过程被称为第二次保角变换，变换的函数为：.（2.4）通过上述的二次保角变换过程，将图b的Z平面转换成了图d的W平面，这种变换的结果是该平面电容就变得很容易计算了。那么如果将该种变换方式运用到三叉指电容上时，情况又会是怎么样呢？三叉指的保角变换过程的计算公式为：.（2.5）该2.5公式所示，其中、为椭圆积分函数，为等效相对介电常数。如公式2.6所示的情况：.（2.6）以上该式中，其中空气介质，、为衬底介质，为覆盖层介质。同样，通过保角变换，也可以计算一些其它情况下的问题，如基于叉指结构的电极尾部的电容。Gevorgian等人4就是基于这个原理来进行了一些研究，当平面电容的叉指数增加时，即n叉指电极时，对于平面电容的计算公式如下：.（2.7）以上该式中，其中是叉指电极尾部的电容，利用这种公式，先得出，然后再对后面的（n-3）叉指电容，有关计算公式如下：.（2.8）.（2.9）.（2.10）.（2.11）上面的式子中的加权因子和积分变量如下表2-5所示：表2-5 公式中的加权因子和积分变量通过上面的这些公式，可以比较客观的考虑的了空气层、覆盖层以及衬底层等多种介质的影响因素。2.4 基于解析模型的叉指平面电容计算下面，我们就用实际的模型例子对电容值的计算以及电容参数的提取，做一个完整的过程。然后研究影响电容值的因素：叉指长度、间距和宽度等等情况。首先，我们需要设定一些参数，其中，覆盖层的介电常数为=80，薄膜，厚度10um；衬底的介电常数为，陶瓷基片，厚度2mm。我们在计算时，对函数进行了如下的近似处理：.（2.12）.（2.13）其中，通过以上的公式，在Matlab软件的环境下进行。如下图2-6所示，分析了不同电极间距和宽度对最后的电容值的影响：增大电容间的电极宽度，得到的电容值更大；当其宽度保持一样时，增大它的间距，得到的电容值更小，且最后这个电容值会达到一个稳定值。图2-7所示，分析了叉指长度对电容值的影响：如果长度变大，电容值也随着增加，并且这种变换会比电极间距和电极宽度大的很多，影响的更多。图2-6 间距和宽度对电容的影响：a.；b.；c.；d.图2-7 尺寸对电容值的影响比较结论：通过这个实例，我们可以得出这样的结论。第一：叉指长度是影响电容密度的一个很重要的因素；第二：当叉指长度不变时，电极宽度减小反而会增大电容值。2.5 分形化叉指平面电容设计如图2-8所示，这次平面电容的设计是对叉指结构的电容进行分形化处理。从下图中可以看出，图a是一个叉指形电容，然后经过分形处理得到图b所示的电容。在图b的基础上又进行分形处理就得到了图c所示的电容图2-8 叉指形电容的设计根据之前介绍的解析模型，我们可以对图b和图c所示的叉指形平面电容进行简单的估算：图2-8a的电容.（2.14）对叉指平面电容进行计算，s、g、l分别为最初的电极宽度、间距和叉指长度。图2-8b的电容.（2.15）上面的式子中，体现了的是第一次分形处理后的尺寸改变情况，其中对应图2-8b中所画区域I。图2-8c的电容.（2.16）上面的式子中，体现了的是第二次分形处理后的尺寸改变情况，和是图中2-8c的区域II和III的电容参数。下图2-9所示的是一个不同尺寸下的电容值，CapA、CapB、CapC分别对应图2.1ac的电容。图2-9 分形电容计算我们可以从上面的图中看到，叉指电容密度的值是有很多因素考虑的，有宽距比和电极长度等。2.6 平面电容的高频分析这里我们讨论先平面电容的高频率情况。在高频情况下，电容不再是普通的电容，而是会有很多的寄生参数影响平面电容值。我们通常一般采用等效电路的方式方法来表示电容的高频特性。如图2-10所示。图2-10 平面电容等效电路上图所示中的部分参数有，为寄生电阻，为寄生电感，为等效电容，和为衬底寄生电容。我们知道，在高频特性的情况之下，图中的电路就会发生自谐振的问题，可以根据其中的参数估算出电容的Q值：.（2.17）图2-11 平面电容拓扑结构上图2-11可以由图2-10进行一个等效，同时需要找到其中的自谐振频率。如果，自谐振频率高或者说是等效电抗更大范围，那么它的频率稳定性就会有更好。第三章 软件简介-HFSS/ADS第三章 软件简介-HFSS/ADS3.1 HFSS的简介本文设计的基于叉指形的电容，用到了两款软件，分别是HFSS和ADS。HFSS是用来进行电磁建模仿真用的以及参数的提取，而ADS是对叉指形的电容进行等效电路的，两者结合起来使用，才使得本文的设计更加的直观性和可靠性。我们就针对这两个软件来一个的介绍，这样会有一个很好的认识了解。先介绍下HFSS，它是由Ansoft公司生产出来的软件，该软件实用性很大，运用范围广，在电磁仿真界有很高的知名度，也是这方面之中的一个标准，用的群体很多。HFSS有很多非常突出的优点，可靠性很高、非常的适用，非常的精准等等。现已经被运用于各种领域，如电子设备类的、机械自动化、半导体行业，甚至是更高端点的航空类的，也都是到处可见。另外，它的适用性表现在具有非常友好的图形化界面，设计的流程也很人性化、简单。无论是对于初学者还是电磁学方面的工程师，都具有很好的可用性，但本次涉及的建模用的到的有谐振频率和S参数。3.2 HFSS叉指结构的三维电容设计流程下面我们介绍下利用HFSS仿真分析的一个基本的三维电容的设计流程，如图3-1所示，设计流程的功能分述如下。图3-1 叉指形的三维电容设计流程1、 设置求解类型。 在我们设计一个三维的电容的时候，先开始需要设置软件的运行环境，如：求解类型等。有四种类型可以选择，后续我们会进行选择使用。2、 创建结构模型。 设计的时候，可以创建结构模型，进行参数的设置。当然了，这款软件功能强大，也可以通过其他软件进行导入结构模型。3、 设置边界条件。软件环境的设置，其中边界条件的设置是其中的之一，也是很重要的一个设置，它关系到了后面设计结果的可靠性。软件的默认边界条件是“Perfect E”，也还有其他边界条件供使用者选择使用，例如：“Perfect H”、“Lumped RLC”等等。 4、 设置激励方式。同样的，在HFSS中进行三维电容设计，也需要设置激励方式。这个激励也就是电子电路中常见的所谓输入输出端口，与设计相关的激励有：集总和波端口类型的激励方式，当然还有其他的，只是在设计中未涉及到。在这里其他方式的激励不进行讨论。5、 设置求解参数，包括设定求解频率和扫描参数7，其中，求解频率通常设定为天线的中心工作频率。6、 运行求解分析。在我们创建好以上的基本框架模型了以后，要对这个模型进行一个最后的分析阶段，软件上进行仿真操作了以后，我们就可以等待几分钟的时间，整个过程会有软件进行自动完成。7、 查看求解结果。第六步完成后，整个软件的操作基本已经进入末尾阶段，仿真分析已经结束。这时，我们可以通过添加的分析结果，对仿真出来的图形进行分析，排错，以使得仿真出来的结果图符合本设计的要求。参数扫描的设计功能以及后面会出现的对整个模型进行一个优化过程。8、 Optimetrics 优化设计。这个阶段的主要作用是，当仿真出来的结果会和实际要求的有些不符合的情况下使用，通过这个阶段的优化设计功能来达到最终的要求。3.3 ADS的简介介绍完了之前的HFSS，下面我们来继续介绍下另一个在本课题设计中需要使用的软件-ADS。该软件有美国的Agilent公司生产，也是一款在通信、射频、数电等方面有很大用处的，它也支持模块化的设计以及电磁、信号处理等等。可以说也是在业界很有名的软件，设计工具了。3.4 ADS电容的等效电路电容与其频率有很大的关系，例如在一个高频的状态环境下，电容的等效电路会有很多我们不想它出现的寄生参数出现，寄生的电感、寄生的电容等等。采用Francisco等人5的论述电路对其进行等效，如图3-2所示。其中为等效电容，L和为寄生电感和寄生电阻，为衬底寄生电容。图3-2 平面电容等效电路利用图3-2等效电路和平面电容的S参数测试数据，可以在ADS仿真环境下进行等效参数提取（如图3-3），重点在于找出等效电容值和寄生电感值。6图3-3平面电容等效电路参数提取第四章 基于叉指结构的三维电容设计第四章 基于叉指结构的三维电容设计4.1 三维电容简介本文所设计的三维电容，可以实现电容量在横向和纵向间的一种耦合，这样的目的可以大大的增加其电容的密度，在电容结构上可以说是一种质的飞跃性的突破，如图4-1所示的原理图。图4-1 三维电容原理图4.2 三维电容的设计过程4.2.1 软件环境设置1、 新建工程文件选择主菜单栏【File】-【Save As】命令，把工程文件另存为后缀hfss的文件2、 设置求解类型从主菜单栏选择【HFSS】-【Solution Type】命令，打开如图4-2所示的Solution Type对话框，选中Driven Terminal单选按钮，然后单击OK，完成设置图4-2 设置求解类型3、 设置默认的长度单位设置当前设计在创建模型时所使用的默认长度单位为毫米。从主菜单栏选择【Modeler】-【Units】命令，打开下图所示的Set Modal Units对话框。Select units项选择微米单位，即um；然后单击OK按钮，完成设置。图4-3 设置长度单位4.2.2 三维电容设计1、 创建介质基片选择【Draw】-【box】，建一个长方体，并命名为Sub，材质选择：A12_03_ceramic，如图4-4所示。如图4-42、 创建叉指结构电容选择【Draw】-【box】，建一个长方体，并命名为ML1，材质选择：pec，同样的方法创建出多个长方体，再通过布尔运算操作将多个长方体进行合并操作得到如图4-5所示的叉指结构电容模型。图4-5 叉指电容的创建3、 叉指结构电容的分形化选择【Draw】-【box】，建一个长方体，并命名，材质选择：pec，同样的方法创建出多个长方体，再通过布尔运算操作将多个长方体进行相减操作得到如图4-6所示的叉指结构分形化电容模型。4、 叉指结构分形化的三维电容在以上操作的基础上，将两个画好的叉指分形电容进行几何变换，在操作历史树选中ML1 右击【Edit】-【Arrange】-【Move】，对其进行物体上下移动，结果如图4-7所示。图4-7 创建三维电容5、 创建同轴馈线从主菜单栏选择【Draw】-【Cylinder】命令，在三维模型窗口创建一个圆柱体，名称为：Feed，设其材质：pec，同样的方式新建出多个，作为输入输出的载体，如图4-8所示。图4-8 同轴馈线的创建4.2.3 结果显示1、 设置端口激励这里采用的是集总端口激励。在设计中，把端口平面Port设为集总端口激励，阻抗设置为50ohm，如图4-9所示。图4-9 端口激励的设置2、 求解设置我们所设计的电容的工作频率为5GHz，因此需要设置求解频率为5GHz，最大迭代次数为15，误差为0.02。如图4-10所示。图4-10 求解频率的设置展开Analysis的内容，右键单击求解设置项Setup1，然后选择【Add Frequency Sweep】，打开下图的内容，如图4-11所示。扫频类型选择快速扫频，频率范围为0.140GHz。图4-11 扫频设置3、 设计检查选择【HFSS】-【Validation Check】，进行设计检查。此时，会弹出如图4-12所示的检查结果显示对话框，该对话框中的每一项都显示，表示当前的HFSS设计正确、完整。图4-12 检查结果显示对话框4、 运行仿真分析右键单击工程树Analysis节点下的求解设置项Setup1，从弹出菜单中选择【Analysis】，运行仿真计算。4.3 电容的仿真分析1、 扫描结果使用HFSS的数据后处理模块，得到端口回波损耗（即）的结果。右键单击工程树下的Results节点，选择【Create Modal Solution Data Report】-【Rectangular Plot】命令，点击设置对话框，如图4-13所示。图4-13 分析结果报告设置对话框图4-14 的扫频分析结果2、平面分析结果根据HFSS建模，建立基于平面的叉指电容和分形电容。如下图4-15所示。图4-15a图4-15b上图中的平面电容模型，4-15a是未分形的平面电容结构，4-15b是分形后的平面电容结构。覆盖层的材料类型是Cover，基片介质的材料是Al2_O3_ceramic，其他的各类参数一样。在电极间距和宽度不变的前提下，比较不同电极结构的S参数情况。如下图4-16和表4.1所示。图4-16a 未分形处理图4-16b分形化处理电容结构图4-17a图4-17b(dB)-66.19-57.33第一谐振频率点(GHz)3.563.74表4.1表格中的数据显示，分形化后的参数反而减小了。还可以看出，分形化后的第一谐振频率点从3.56提高到了3.74，频率特性有了明显提高，稳定性有了更好的改善。3、三维分析结果使用HFSS进行三维电容的建模，如下图4-17ab所示：a. Cap_Ab.Cap_B图4-17 三维电容的建模上面三维电容建模中，Cap_A是未分形化的三维电容，Cap_B是在前面的基础上进行分形化处理得到的，覆盖层的材料类型是Cover，基片介质的材料是Al2_O3_ceramic，其他的各类参数一样。在电极间距和宽度不变的前提下，比较不同电极结构的自谐振频率。如图4-18所示结果：图4-18a 未分形处理图4-18b 分形化处理电容结构Cap_ACap_B自谐振频率19.34GHz19.16GHz表4.2表中可以明显看出，三维电容进行分形化以后的自谐振频率基本没有变化，影响不大。但可以从图4-18中发现一个问题，它的S参数变化较大，如下表4.3所示。电容结构Cap_ACap_B(dB)-10.44-23.22表4.3表中可以看出，分形化以后的三维电容的参数增长了两倍多，有了明显的优势。4、 扫描分析在HFSS软件中通过添加Length变量，来改变电容的宽距比，进而查看扫描分析的结果，如图4-19所示。图4-19从图中可以看到多出了很多条线，分别对应不同的宽距比得出频率与S参数之间的关系。4.4 等效电路参数提取1、 三维电容等效电路设计打开ADS，新建工程文件，设置Name和Length unit，然后点击OK进入原理图编辑界面。添加元件，在列表中的“Simulating-S Param”，选择S参数扫描控件和Term，如图4-15所示。图4-15 S参数控件和Term在表中的“Data Items”，选择编号为2的S参数控件，双击该元件进行编辑，导入从HFSS软件中仿真出来的.s2p参数文件，如图4-16所示。图4-16在元件面板列表中选择“Lumped-Components”，选取电容、电阻、电感等元器件已经接地线和导线，最终得出等效电路如下图4-17所示。图4-17在原理图画好的了基础上，对其进行仿真。仿真的结果如图4-18所示。图4-18图中可以看出，电容的自谐振频率为3.73GHz，S参数中的为-39.03dB。2、 优化设计优化设计是在等效参数原理图的基础上，添加“OPTIM”、“GOAL”和“VAR”等控件，进行参数的优化。如图4-19是添加控件后的原理图，同时设置好这些控件的参数。图4-19优化控件及其参数设置好了后，点击优化按钮进行参数的优化，图4-20ac是优化后的结果。图4-20a图4-20b图4-20c根据以上的参数优化后的结果，可以看到其中谐振频率点：3.366GHz，：-10.194dB，旁路寄生电容：2.00001pF，等效电阻：8.06678Ohm，等效电感：2.00006nH，等效电容：9.77473pF3、等效分析根据以上使用ADS进行等效电路设计以及参数优化，现在进行宽距比不同的情况下进行讨论，分析其参数优化后等效电容、寄生电感和寄生电阻的不同影响。如下表4.4所示。宽距比19:217:413:81:11:2(pF)14.8533313.0225111.222469.774739.40835(nH)3.3556032.4556032.2555832.000061.852088()8.608.558.238.077.814表4.4从表格中，可以明显的看出：宽距比由19:2到1:2，等效电容值从14.85333pF减少到9.40835pF；寄生电感则从3.355603nH减少到1.852088nH。因此我们得出结论，电容值会随着宽距比的减少而减少；寄生电感会随着宽距比的减少而减少。由于宽距比的减小，电极之间的耦合程度降低，导致电容值减小，同时寄生参数也会降低。同样的，我们可以使用ADS，比较宽距比一样时（宽距比为13:8），不同电容结构的等效电容和寄生电感等。如下表4.5所示。电容结构图4-17a(未分形处理)图4-17b(分形化处理)(pF)11.2224612.08859(nH)2.2555832.23083()8.238.17表4.5从表中，可以看出：电容结构不同，其等效电路的等效电容值、寄生电感等也不一样，随着电容结构的分形化处理，等效电容值增加，且其寄生电感值有略微的减小。由于分形化技术具有随机性，导致其中的寄生参数影响降低，电容工作时的稳定性得到提高。结论结论本文所设计的是基于叉指结构的三维电容，首先在电磁仿真软件HFSS上进行三维电容的建模进而提取S参数。接着通过这个参数在ADS上进行等效电路参数提取，采用设置变量、添加优化控件的方式，优化仿真出其等效电路参数，得出最优值的等效电容、寄生电感以及寄生电阻等。通过这些等效参数比较得出：当电容结构相同，宽距比不同时，随着宽距比的减小，等效电容值减小，寄生电感减小。这是由于宽距比的减小导致电极间电磁的耦合程度降低，导致电容值