微波电路及其CAD

微波电路及其CAD北京理工大学微波技术研究所费元春2微波电路CAD课程内容：共七章•一.微波电路CAD的发展及其功能(微波电路CAD的发展、软件来源、软件功能)二.微波电路的计算机辅助分析（线性AYS和非线性HB）三.微波电路最优化设计四.微波电路敏感度容差分析五.微波部件与电路的电磁仿真六.微波放大器的CAD七.微波滤波器的CAD3第一章:微波电路CAD的发展及其功能本章主要介绍微波电路CAD的发展、软件来源、软件功能第二章微波电路计算机辅助分析方法•本章主要介绍三种常用的线性电路分析方法，包括A.Y.S参数、矩阵法，非线性电路分析技术在最近10年中发展很快，也有相应的非线性分析软件出现。•作为补充内容主要介绍目前微波非线性CAD领域的状况，介绍最通用的谐波平衡法（HB）方法。4第三章微波电路最优化设计•本章数学性很强，最优化理论部分同学选修过，不好讲，听起来不好听，自己看更费劲，但这部分内容又很重要。没有最优化，就没有CAD，要在短时间内讲清，完全掌握，不容易。拟将内容浓缩，重点介绍最优化的基本概念，挑选几种有代表性的方法做介绍，了解最优化是什么？重点介绍电路，避免复杂推导，希望大家对最优化的基本问题有了解。5第四章微波电路灵敏度与容差分析•灵敏度部分重点介绍灵敏度的定义和应用。容差部分，主要介绍基本的容差分析方法。近年来，容差设计很受重视，出现许多新概念、新分法。拟补充中心值估计和容差检定。6第五章微波部件与电路的电磁仿真•介绍电磁仿真的基本原理，主要结合实例介绍如何进行电磁仿真。7第六章微波低噪声放大器的CAD•以有源小信号放大器为例介绍电路拓扑，设定初值，确定优化算法，每步应当注意的问题，主要从电路CAD设计角度出发，除放大器以外，对其它电路的设计也是普遍适用的。8第七章微波滤波器的CAD•结合在电子工程系统中大量应用的射频与微波滤波器，介绍典型实例的CAD方法。9主要参考书：•1.沈楚玉编著：微波电路的计算机辅助设计西安交大出版社1990•2.高葆新编著：微波电路的计算机辅助设计清华大学出版社1988•3.王惠功等编译：非线性微波毫米波电路分析与设计，北京邮电学院出版社1991、译自SlepnenA.MassNonlinearMicrowave4.Circuits前五章•5.GaptaK.C.etc.ComputerAidedDesignofMicrowaveCircuits﹒DidhamMA:ArtechHouse1981•6.Computer-AidedAnalysisofNonlineerMicrowaveCircuits共九章•7.Rhea.RandallW.OscillatordesignandComputerSimulation”•8.李润旗等著微波电路CAD软件应用技术国防工业出版社1996•9.王家礼编著，微波电路CAA与CAD。西安电子科技大学出版社，200310第一章微波电路CAD的发展及其功能•1.微波电路CAD的发展•计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）简称CAD。这是五十年代末发展起来的新设计技术，是计算机应用领域的一个重要方面。微波电路CAD软件，最早是在70年代末美国康柏（Compact）公司开发的通用微波电路分析和优化设计软件SuperCompact，该软件大约在80年代中传入我国。EESOF公司的Touchstone软件,80年代日渐完善，88年推出这套软件时的功能还比较单一，仅限于线性分析，界面也不方便，版本逐年升级提高。到了91年，HP公司推出MDS、Libra软件涌现出来了，功能由线性分析设计发展到非线性设计，近几年又推出ADS、APLAC、CST等微波软件，性能相当完善，使用方便，界面很漂亮，面貌也焕然一新。11微波电路的ＣＡＤ软件发展为何快？•原因有两方面：1.一是和微波电路在现代通信、雷达、导航、电子对抗、电子仪器等领域的广泛应用和发展需求分不开;2.另一方面的主要原因是和微波电路自身的复杂性有关，因其特性分析十分复杂，设计计算量很大，使研制周期长，成本高，急切需要开发CAD，使之成为工程设计与科学研究的一个必备的工具。12微波电路的组成和计算复杂性•每个微波电路都由一些微波传输线（波导、同轴线、微带线等）和微波元器件组成，在微波频段，各种传输线和电路元件（如电抗膜片、销钉、耦合微带、螺旋电感、各种传输结构的不连续性，谐振器等等）的特性与其尺寸、形状、填充介质及工作频率有关，有源器件的寄生参量效应在微波频段已十分严重，不容忽略。在一般情况下，精确表征它们的数学模型相当繁杂，精确分析和设计微波电路所需用的计算量十分巨大，若不借助计算机软件往往难以胜任。此外，微波集成电路（ＭＩＣ）特别是单片微波集成电路（ＭＭＩＣ）一经制成便难予调整，要保证高的成品率，在设计中必须考虑电路配件的制造公差和器件特性离散性对电路性能的影响，如果不用计算机是无法完成的，对于MMIC而言，CAD将是设计的唯一手段。13•随着卫星通信，移动通信的蓬勃发展，对微波电路小型化、标准化、模块化、高成品率，提出了越来越高的要求，使人们越来越依赖于CAD，以免除烦琐调测之苦，CAD成为微波工程师赖以生存和发展的基本工具。14研究方法•微波CAD软件形形色色，我们应该做的不是针对某具体CAD软件，介绍它的使用方法，操作规程，而是从微波电路的特性出发，重点介绍它们的基本概念，设计原理和分析方法。从而建立微波电路CAD系统深入的知识，把握它的实质，使其对各种CAD软件运用起来得心应手。151.2微波电路的CAD软件来源1.首先我们来看一看微波电路CAD软件的发展情况。微波电路的CAD软件来自微波专家、学者、微波软件工程师编制的软件，通过专业厂商、图书公司、互联网等传播和推广。2.从CAD的技术内容讲发展，微波电路CAD的含义和内容经历了一个发展变化的过程。早期的CAD只是利用计算机的精确而又快速的计算能力，解决一些复杂的计算问题，例如微波电路中的电磁边值问题和网络设计中的一些计算问题.16•随着计算技术，元器件模型技术和精确的自动化测试技术的发展，使原先只能用近似模型表示的一些元器件可用比较精确的模型表示，从而使计算机能较精确的模拟各种微波电路，通过人机对话，使设计者能方便地改变电路参数，进行各种模拟分析，这时计算机不再只是一种计算工具，人们可以利用它试验各种设计思想。直到电路满足预定特性。不过这时的CAD实质上只是一种计算机辅助微波电路的分析即CAA。后来最优化设计与计算机辅助分析技术结合起来，使计算机能根据分析结果自动修改电路元件参数，从而使电路设计性能最优化。这就是现代CAD概念。17从CAD软件发展来看：•CAD在微波工程领域的大规模应用始于70年代末。美国COMPACT公司开发的通用微波电路分析和优化设计软件－SUPERCOMPACT的推广，在此之后，微波电路CAD蓬蓬勃勃地发展起来，有许多专业微波电路CAD厂家出现，其中有较大影响的包括大家比较熟悉的COMPACT公司，HP公司，EESOF公司，ANSOFT公司、APLACESolutionsInc.等。几年前，EESOF公司被HP公司兼并，成为HP-EESOF软件。18微波电路CAD的软件功能•微波电路CAD的软件功能包括路和埸两个方面。就微波电路软件而言，又包括线性电路和非线性电路分析设计两方面。电磁埸的分析包括天线分析设计、射频结构电磁仿真等。•线性电路分析设计：如各种无源电路，如传输线元件，微波滤波器、小信号放大器。分析参数有驻波VSWR,插损、噪声系数NF等特性。19非线性电路分析设计：•如非线性有源电路的CAD：包括微波振荡器、放大器、混频器、倍频器、开关等（Osc.Amp.Mixer.etc）。分析参数有驻波VSWR,增益Gain、P1dB、相位噪声、谐波分析，三阶交调分析、AM／PM转换系数等。•其它还包含有微波系统仿真、客差设计等许多功能强大的软件。20•应当强调指出在发展CAD软件过程中，中国学者作出了不可磨灭的贡献。在land，IE3DMH由中国学生完成。对微波学者而言，有必要了解目前微波CAD软件的发展水平及其CAD软件功能分类，以选择合适的软件，帮助我们有针对性地解决微波电路和系统设计中所碰到的各种实际问题，使CAD成为微波电路和系统工程设计的有效的工具。21微波CAD软件功能：有十余项•1.线性微波电路分析•分析对象：包括线性微波无源电路和线性微波有源电路两部份。线性微波无源电路包括微波滤波器filter，耦合器Coupler，阻抗匹配，传输线元件分析等。•线性微波有源电路—窄带、宽带小信号放大器（LNA），振荡器起振条件分析等。•线性微波电路分析方法：有节点导纳法、双口矩阵法、散射参对法，用线性网络参数：22•Y、A、S参数描述元件和网络，求得网络参数，由网络参数导出电路性能。•相应的软件：Compact公司的SuperCompact软件，Eesof公司的Tanchstone软件，Eaglement公司的Smperstar软件，以及ANSOFT、MDS、ADS、APLAC等软件的线性电路分析。232.非线性微波电路分析方法•有Volterra级数法、时域法、频域法、谐波平衡法等。相应的软件有ANSOFT、HP－MDSADS、Librp、HP－EESOF、APLAC等非线性电路分析软件，大多数都采用谐波平衡法。在分析功能中都有调谐扫描功能，能进行参数扫描，很有用处。•分析对象包括各类非线性微波电路—功率放大器、振荡器、混频器、倍频器、微波开关电路等。分析电路的谐波特性，交调系数，1dB功率压缩点等。243．电路的直流分析、系统仿真•能够计算有直流电源的微波电路各器件的直流工作点。•Success系统仿真，SysCAD系统分析等。254．非线性微波电路的瞬态分析•分析对象：强非线性微波电路、超高速脉冲数字电路可进行电路的瞬态分析。•软件：Compact-Super，Spice，HP－Eesof，micronquoSpice，HP_Impluse超高速脉冲数字电路分析、大功率放大器的设计等。265.微波电路的噪声分析•用于分析线性和非线性微波电路的噪声特性。例如低噪声放大器的噪声分析，微波振荡器的相位噪声分析，晶体管噪声模型参数提取等。•软件有MDS、ANSOFT、APLAC等。276.微波电路的优化设计•根据给定电路拓朴初值和电路设计指标，通过CAD优化算法，自动改变元件值，直到达最优性能。前面提到的软件都有优化设计功能。287.容差分析和容差设计•根据电路性能指标要求，计算达到性能和一定成品率所需元件的容差，并分析元件容差对电路性能的影响。通过改变元件中心值使所生产的电路达到最高成品率。298.微波部件和电路的电磁仿真•电路分析软件是从路的概念出发，应用电压电流通过Z、Y、A参数来分析微波电路，但由于在微波频段难以得到恒定的电压源或电流源，也不易得到真正的微波短路和开路，所以要精确测量A、Y参数是很困难的.•从场的角度出发，应用边界元法解Maxwell方程，能得到电磁场分布，从而获得精确的微波电路特性，以此为基础发展成现今的二维、三维场分析软件。30微波部件和电路的电磁仿真适宜应用的场合：•1)针对在微波电路CAD软件的元件库中没有列入的元件进行的，微波电路中一些复杂形状的元件和结构是很多的，而且在不断的增多。•2)虽已列入元件库，但模型精度不够的元件常采用等效电路模拟元件，受频率影响大，各种传输不均匀区分析以及电磁仿真精确度要求很高的场合。•3)用来分析必须精确计算的元器件间的寄生耦合，小体积元件紧密排布的MMIC等。•4)用在须考虑封装影响的电路。•5)用于天线场的分析计算。31方法特点：•一般采用有限元法或矩量法，输入要分析电路及封装、寄生参数影响。考虑分布参数效应等。•用有限元法或矩量法分析场，速度慢，计算机内存占用大，但通用性强，能解决其它软件不能解决的很多问题。•软件：HP-HFSSHP—Momentum平面结构电磁仿真有限元法，三维电磁仿真，Ansoft公司的Maxwell