EDA实验报告

微波电路EDA实验报告学院电子工程学院专业电磁场与微波技术学生学号1502120869学生姓名杨占彪导师成绩2015年月日实验4功率分配器要求：设计一个三端口等功率分配器，采用微带电路结构。已知输入特性阻抗0Z50，工作频率03fGHz；微带基板9.8,1000,18rHumTum。。基本内容：测量特性指标112123SSS、、（dB），与频率00(0.5~1.5)ff的关系曲线。调节微带线的尺寸，使功分器的性能达到最佳。进阶内容：进行版图设计，包括原件封装，布线调节，尤其是2MTRACE元件的布线。扩展内容：利用自动电路提取()ACE技术，提取电磁模型，进一步缩小版图尺寸。第一部分：原理图仿真1.原理值计算图1图1中，0203ZZ、的长度均为p0/4。计算：，将计算结果填入表1如下。2.物理尺寸计算使用MicrowaveOffice的TXLine软件，选择Microstrip页，输入已知电参数，得到的微带线的物理参数如图2。详细数据如表1。图2参数阻值(Ω)电长度(deg)L(um)W(um)Z050202159.34952.279Z02、Z0370.719010055405.981Z04、Z0550202159.34952.279r100///表13.完成电路图，测量各特性指标创建新工程，保存路径为自建的文件夹，命名为Ex4.emp。创建原理图。所需元件：MLIN,MTRACE2,MTEE$,RES,PORT,MSUB。可应用Ctrl+L搜索元件并添加。设置单位：GHzum，，设置工作频率：1.5~4.5GHz，阶长0.01；绘制原理图，在隔离电阻RES的上、下各添加一小段微带线元件，作为该元件的焊盘；添加图表，添加测量项112123S、S、S。全部完成后，分析电路，记录仿真结果。参数设置如图3所示：图3元件参数及修改如图4所示：图4电路图如图5所示：图5绘制矩形测量图以及测量项如图6：图6测量期望图如图7所示：MLINID=TL1W=952.3umL=2159umMLINID=TL3W=1000umL=500umMLINID=TL4W=952.3umL=2159um123MTEE$ID=TL6RESID=R1R=100Ohm123MTEE$ID=TL7123MTEE$ID=TL8MTRACE2ID=X1W=406umL=8624umBType=2M=1MSUBEr=9.8H=1000umT=18umRho=1Tand=0ErNom=9.8Name=SUB1MLINID=TL2W=1000umL=560umMLINID=TL5W=952.3umL=2159umMTRACE2ID=X2W=406umL=L@MTRACE2.X1umBType=2M=0.6PORTP=1Z=50OhmPORTP=2Z=50OhmPORTP=3Z=50Ohm图7-1S11参数图7-2S11、S21、S23参数第二部分：版图设计1.定义封装电阻元件的封装用于确定功分器上、下两臂之间的距离，本实验采用0603封装。按照《微波电路EDA实验讲义（第二版）》（张媛媛老师著）的详细步骤，图层定义如图8，端口定义如图9。1.52.53.54.5Frequency(GHz)Graph2-50-40-30-20-10DB(|S(1,1)|)Schematic11.52.53.54.5Frequency(GHz)Graph1-50-40-30-20-100DB(|S(1,1)|)Schematic1DB(|S(2,1)|)Schematic1DB(|S(2,3)|)Schematic1图8图92.版图调整版图调整分为元件的粗调和细调，粗调为了安排整体布局，细调则为了安排部分元件的位置以及改变局部的拓扑结构这里给出经过调整后的Layout图如图10所示图10第三部分：自动电路提取（ACE-AutomaticCircuitExtract）提取器及其参数如图11，添加提取器后的电路图如图12，提取出来的平面电磁结构如图13.图11图12图13MLINID=TL1W=952.3umL=2159umMLINID=TL3W=1000umL=500umMLINID=TL4W=952.3umL=2159um123MTEE$ID=TL6RESID=R1R=100Ohm123MTEE$ID=TL7123MTEE$ID=TL8MTRACE2ID=X1W=406umL=8624umBType=2M=1MSUBEr=9.8H=1000umT=18umRho=1Tand=0ErNom=9.8Name=SUB1MLINID=TL2W=1000umL=560umMLINID=TL5W=952.3umL=2159umMTRACE2ID=X2W=406umL=L@MTRACE2.X1umBType=2M=0.6STACKUPName=SUB2EXTRACTID=EX1EM_Doc=EM_Extract_ACEName=EM_Extract1Simulator=ACEX_Cell_Size=10umY_Cell_Size=10umSTACKUP=SUB2Override_Options=YesHierarchy=OffSweepVar_Names=PORTP=1Z=50OhmPORTP=2Z=50OhmPORTP=3Z=50Ohm1576111098214131243提取出来的三维电磁电路模型如图14。图14-1图14-2图14-3图14-4最大耦合距离：10um最大耦合距离：1500um最大耦合距离：5000um最大耦合距离：8000um通过记录不同耦合距离的S11参数曲线，得到如下结果：随着耦合距离的递增，对应的S11的值先增后减，当S11的性能没有明显改变时，即为适当的最大耦合距离。S11表示回波损耗，也就是有多少能量被反射回源端（Port1）了，这个值越小越好，一般建议S110.1，即－20dB。如图15。可见当耦合距离为8000um时，仍然符合要求。图15将ACE改为AXIEM后的参数如图16，最终的版图如图17。图16图17第四部分：总结本实验使用MicrowaveOffice软件设计的三端口功率分配器，经过分析矩形测量图中的S11，S21和S23曲线可以得到，它基本实现了设计要求即：采用微带电路结构设计一个三端口等功率分配器。下面给出一个使用HFSS设计的Ka波段的一分二等功分器，它的结构如1.52.53.54.5Frequency(GHz)Graph3-50-40-30-20-10DB(|S(1,1)|)Schematic1最大耦合距离：8000um耦合距离：5000um图18，S11参数如图19，从它的S11参数可以看出，这个功分器的效果还是比较理想的：图18Ka波段微带等功分器模型图19散射参数曲线该微带等功分器模型采用Rogers5880板材，底层基片厚度为0.254mm，顶层基片厚度为0.146mm。由于Rogers5880板材的介质损耗比较小，因此常用来作为高频天线的介质基板，是一款高性能的介质材料。采用双层基板常见于寄生辐射的天线应用，可以有效的扩展频宽和增加天线的增益。图20给出该功分器的部分参数，如有兴趣可以与作者联系：图2030.0032.0034.0036.0038.0040.00Freq[GHz]-7.50-7.00-6.50-6.00-5.50-5.00-4.50-4.00-3.50Y1HFSSDesign1XYPlot1ANSOFTm2m3m1CurveInfodB(S(2,1))Setup1:SweepdB(S(3,1))Setup1:SweepdB(S(3,2))Setup1:SweepNameXYm135.0000-3.7719m235.0000-3.8302m335.0000-6.8525实验13天线远场特性分析要求：建立、求解、分析一个矩形波导腔体天线，工作频率为10GHz，测量其远场、近场特性。记录天线模型图，以及三维极化图、辐射方向图结果。设计步骤一、创建工程如图1所示，在Project上点击鼠标右键。选择Insert后在次级菜单中选择InsertHFSSDesign创建HFSS模型，第二个HFSS-IE是HFSS的时域求解器，用来计算电大尺寸的模型，尤其是雷达反射截面RCS等。图1二、创建模型波导腔体的模型及参数如图2所示。这里在绘制腔体时可以先画一个任意大小的长方体，然后在图2-1中更改参数，模型如图2-2。图2-1图2-2空气腔体参数和整个天线的模型如图3所示，注意空气腔体要比波导腔体的尺寸大1/4波长但又不能太大，如果空气腔体太大则影响计算的效率。图3-1图3-2三、设置边界条件和激励源天线的导体部分是由波导腔体实现的，这里需要设置波导腔体的边界为导体。这里可以使用[Edit]-[Select]-[SelectByName],然后选择waveguide，如图4所示，然后在模型界面点击鼠标右键选择[AssignBoundary]-[Radiation]-PerfectE,如图5所示。这里PerfectE是理想导体，但是实际中不可能实现。这里需要设置空气腔为辐射边界条件。设置结果如图7所示。图4图5图6设置波导腔体边界图7设置空气为辐射边界设置好了边界条件之后，还需要进一步设置激励源端口，由于激励源是在模型的表面的，所以可以使用快捷键F切换成面模式，然后通过旋转模型选择波导腔体的底部平面，然后添加WavePort激励。如图8。图8-1添加激励源后的波导模型底面四、设置求解项并分析HFSS在模型建立完成后需要自己定义扫频，因此求解项以及扫频范围需要自己设置该波导天线的谐振频率在10Ghz，因此需要把求解频率设置在10Ghz，具体设置如图9所示，网格划分如图10所示。图9图10这些都设置完成后，使用确认一下模型有没有错误的地方，如果没有，则点击进行仿真。五、查看结果图以下为天线的三维极化图（图11）以及远场和近场方向图（图12）图11-1图11-2图12-1图12-2六、总结通过本次HFSS天线仿真实验，使我更加清楚的了解天线的原理。并且加深了我对波导的认识，在生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线，却不知其意义何在。在这次实验过程中，我不停的操作，翻阅资料，上网查阅文献，对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识，对天线的各种参数也有了具体的理解，这些东西对以后的相关学习和研究打下了基础。同时，在此也非常感谢张媛媛老师对我的悉心指导，我刚入手HFSS，并且本科学的是通信专业，对于天线这一新的学科不是很熟悉，她不耐其烦的指导以及认真的工作态度，给我留下了深刻的印象，我今后在学习和科研中应当以她为榜样。