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Microwave Office
微波平面電路設(shè)計(jì)工具介紹
== 微波EDA網(wǎng)
==
陳錫斌
[摘要]本文介紹了美國AWR公司近年推出的用于計(jì)算微波平面電路的通用軟件”Microwave
Office”(微波辦公室)及其兩個(gè)模擬器的概況和基本功能。 并從用戶的角度出發(fā),對(duì)該軟件的優(yōu)缺點(diǎn),進(jìn)行了分析。舉出了兩個(gè)計(jì)算實(shí)例。
[關(guān)鍵詞]微波平面電路, 計(jì)算機(jī)軟件, 矩量法
1. 引言
從八十年代開始,國際上微波電路技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的波導(dǎo)及同軸線元器件和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到采用微波平面電路(又稱微波集成電路或微波印刷電路),
其特點(diǎn)是把電路印制在介質(zhì)基片平面上。 體積,重量和成本都大大減小。 除了微帶,共面波導(dǎo),槽線,懸置線等無源電路以外,
微波半導(dǎo)體器件也可以集成在平面電路上, 構(gòu)成混合微波集成電路。
目前除了某些大功率和高極化純度的場合,微波平面電路已經(jīng)幾乎取代了在通信,電子戰(zhàn),雷達(dá)和武器系統(tǒng)中的各種常規(guī)形式的微波電路。
然而設(shè)計(jì)微波平面電路一直是一項(xiàng)困難的工作。 近年來設(shè)計(jì)工作變得更為復(fù)雜: 對(duì)電路的指標(biāo)要求越來越高, 電路的功能越來越多,
電路的尺寸要求越做越小, 而設(shè)計(jì)周期卻越來越短。 為了應(yīng)付這一挑戰(zhàn), 美國加州的Applied Wave
Research公司花費(fèi)了十年時(shí)間研究出一種叫做“Microwave Office”(微波辦公室)的軟件,
據(jù)稱這種軟件為微波平面電路設(shè)計(jì)提供了最完整, 最快速和最精確的解答。 這種軟件可以在Windows 95/98/NT操作系統(tǒng)下工作,
采用了面向?qū)ο蟮某绦蚣夹g(shù), 使用方便。 一個(gè)具有普通電腦操作水平和大學(xué)英語程度的微波工程師, 通常可以在三至四周時(shí)間內(nèi),
通過學(xué)習(xí)該軟件提供的有關(guān)幫助文件, 掌握該軟件最基本的使用技術(shù)。 然而, 要全面地掌握該軟件的使用技術(shù)并不容易,
需要3~6個(gè)月或更多的時(shí)間。 該公司聲稱, 該軟件價(jià)格不貴, 其目的是使各微波公司可以把它象工具一樣安裝在每個(gè)工程師的計(jì)算機(jī)桌面上。
據(jù)筆者所知, 該公司索要的$30,000的價(jià)位對(duì)國內(nèi)大多數(shù)用戶來說并不輕松, 但因?yàn)樵试S在網(wǎng)絡(luò)上復(fù)制和共享, 所以對(duì)計(jì)算機(jī)很多,
并且內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)的大公司還是可以接受。 為了推廣, AWR公司在它的因特網(wǎng)網(wǎng)址上提供了“ Microwave Office (2.5版本)”
軟件的試用本, 通過下載和索取密碼, 可以得到一個(gè)月的免費(fèi)試用權(quán)。 也可以向該公司在中國的代理商史泰普電子公司申請(qǐng)?jiān)囉没蛸徺I。
該軟件目前在國際上已有一定的著名度, 例如英國有名的Queen's大學(xué)高頻研究組, 在它的因特網(wǎng)網(wǎng)頁上介紹該校的高頻電子學(xué)CAD設(shè)備時(shí),
把"Microwave Office"和"HP-ADS","HP-MDS","HP-HFSS", "Sonnet", "Mathcad",
"Matlab" 等軟件并列為最有用的CAD計(jì)算軟件。
2. 軟件的功能和兩個(gè)模擬器
眾所周知,微波工程問題通�？梢酝ㄟ^電路的方法或者場的方法來加以研究。 “Microwave
Office”軟件是通過兩個(gè)模擬器來對(duì)微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。 對(duì)于由集總元件構(gòu)成的電路, 用電路的方法來處理較為簡便。
該軟件設(shè)有一個(gè)叫”VoltaireXL”的模擬器來處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問題。
而對(duì)于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分布參數(shù)微波平面電路則采用場的方法較為有效,
該軟件采用的是一個(gè)叫”EMSight”的模擬器來處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場的問題。
”VoltaireXL”模擬器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)威力強(qiáng)大的諧波平衡和Volterra模擬引擎,它采用單 頻和多頻諧波平衡Volterra級(jí)數(shù)來進(jìn)行非線性電路的模擬,
混頻器分析, 高速線性電路分析,高速噪聲分析。 它處理難度較大的微波電路問題的速度和精度優(yōu)于其它品種的模擬器。 實(shí)際上Volterra級(jí)數(shù)分析法要比普通的多頻諧波平衡法快10~100倍,
是分析近線性電路的交調(diào)的最快方法。 據(jù)稱它是近十年來出現(xiàn)的最激動(dòng)人心的電路模擬器。 模擬器內(nèi)設(shè)一個(gè)元件庫, 在建立電路模型時(shí),
可以很方便地調(diào)出微波電路所用的一切 元件,其中無源器件有電感,電阻,電容, 諧振電路, 微帶線, 帶狀線, 同軸線等等,
非線性器件有雙極晶體管, 場效應(yīng)晶體管,二極管等等。 特別是該元件庫收集了國際上三十余家家著名公司的微波有源器件和參數(shù),
對(duì)于電路設(shè)計(jì)和計(jì)算非常有用。
值得提出的是”VoltaireXL”模擬器具有實(shí)時(shí)調(diào)諧功能。 在設(shè)計(jì)計(jì)算中, 經(jīng)常需要調(diào)整電路的某些元件的參數(shù), 以求獲得最佳性能。
這個(gè)模擬器與其它軟件不同之處在于它調(diào)整電路元件的參數(shù)并不需要重新從頭開始計(jì)算, 而是打開一個(gè)叫做“可變調(diào)諧器” 的視窗,
選擇需調(diào)諧的元件的名稱, 參數(shù)調(diào)諧的范圍。 通過移動(dòng)視窗上的滑桿, 就可以使參數(shù)值從最小變化到最大。
模擬器的圖表視窗就馬上把參數(shù)的變化對(duì)于整個(gè)電路性能的影響表現(xiàn)出來。 這一優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)槟M器采用了一種叫做“增量計(jì)算”的先進(jìn)分析技術(shù),
避免了軟件的許多重復(fù)計(jì)算。
”EMSight”模擬器是一個(gè)完整的三維電磁場模擬程序包, 它可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。
方法的特點(diǎn)是把一種威力強(qiáng)大的修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面(GUI)技術(shù)結(jié)合起來。
該模擬器可以精確地確定平面結(jié)構(gòu)的等效多端口網(wǎng)絡(luò)散射參量。 ”EMSight”模擬器除了能進(jìn)行常用的點(diǎn)頻逐點(diǎn)計(jì)算之外, 還安裝了快速掃頻(FFS)算法。
所以這種模擬器計(jì)算三維電磁場的精度與其它在工業(yè)上常用的方法相同, 而計(jì)算速度卻快得多。 它可以分析下列電路的電氣特性: 射頻集成電路 (RFIC),
微波單片集成電路(MMIC), 微帶貼片天線和高速印制電路(PCB)。
”EMSight”模擬器分析的電路都安裝在一個(gè)矩形的金屬包裝盒內(nèi), 對(duì)于電路的層數(shù)和端口數(shù)并沒有限制。
分析時(shí)模擬器自動(dòng)地對(duì)所計(jì)算的對(duì)象進(jìn)行分割, 在電流密度變化大的地方, 網(wǎng)格分得細(xì), 即單元尺寸取得小。 而在電流密度變化小的地方,
單元尺寸取得大。 用戶也可以根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)網(wǎng)格密度。
”EMSight”模擬器還具有顯示微波平面電路內(nèi)金屬上電流和空間電場力線的能力。 電流或電場均可以以三維或二維的形式來顯示,
箭頭表示電流的流向或電場的指向, 而力線顏色的深淺表示電流或電場的強(qiáng)弱。
”EMSight”模擬器可以對(duì)微波平面電路進(jìn)行許多種類的計(jì)算, (在該軟件中稱計(jì)算為測量)。
除了可以計(jì)算電路的阻抗參量,導(dǎo)納參量,散射參量,傳輸參量, 混合參量之外, 對(duì)于線性電路,它能計(jì)算輔助穩(wěn)定因子,輸入電容,群延遲,
偶/奇模傳輸常數(shù)/阻抗/導(dǎo)納, 電壓駐波比, 端口輸入阻抗/導(dǎo)納, 增益等。
”EMSight”模擬器具有計(jì)算各種線/圓極化微帶天線的電場方向圖和功率方向圖的能力, 在計(jì)算天線時(shí)矩形的金屬包裝盒邊界可以改變,
頂部和底部可以改為自由空間阻抗,而側(cè)壁可以拉遠(yuǎn)。 方向圖可以用直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)顯示, 用線性顯示或?qū)?shù)顯示。
在”EMSight”模擬器內(nèi)也設(shè)有一個(gè)元件庫, 其特點(diǎn)是列入了大量的微帶元件的資料如各種彎頭, 開路線, 短截線, 耦合器, 階梯,
T形接頭等。 還包括了許多傳輸線的資料。
安裝“Microwave Office”軟件對(duì)于計(jì)算機(jī)的硬件的基本要求是:
主頻200+MHz奔騰II中央處理器(或等效的微處理機(jī)系統(tǒng)), 128 MB RAM內(nèi)存, Windows 95,Windows 98
或Windows NT操作系統(tǒng)。 對(duì)于復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)和電路則推薦使用256 MB 以上內(nèi)存的工作站。
3. 使用情況介紹:
筆者在HP公司Kayak XA小型工作站上對(duì)該軟件從主要功能, 解決平面電路問題的能力, 計(jì)算的精度,
使用的方便與否等幾個(gè)方面進(jìn)行了考察。 筆者計(jì)算了兩個(gè)典型的平面電路問題: (1)矩形微帶貼片天線; (2)微帶耦合器。
工作站采用奔騰II中央處理器,主頻為300MHz, 內(nèi)存RAM為64MB, 硬盤容量為4000MB。
在工程設(shè)計(jì)的起始階段, 往往需要確定微帶線的基本尺寸。 軟件給微帶線的設(shè)計(jì)提供了方便的使用環(huán)境。 軟件中設(shè)有一個(gè)"傳輸線計(jì)算器",
對(duì)于五種常用的傳輸線, 即: 微帶線, 帶狀線, 共面波導(dǎo), 接地共面波導(dǎo)和槽線, 進(jìn)行極其方便的分析和綜合。
該計(jì)算器實(shí)際上是一個(gè)表格。例如對(duì)于微帶線的分析。只要在表格內(nèi)填上微帶線和基片的幾何尺寸,基片的介電常數(shù)和損耗角, 工作頻率,
然后按一下視窗內(nèi)的"分析"按鈕, 馬上可以得到該微帶線的電氣參數(shù)包括阻抗, 有效介電常數(shù), 傳播常數(shù), 衰減和電長度。
而對(duì)于微帶線的綜合, 只要在表格內(nèi)填上所設(shè)計(jì)的微帶線的工作頻率, 阻抗和電長度, (基片的尺寸和介電常數(shù)已選定),
則按一下視窗內(nèi)的"綜合"按鈕, 馬上可以得到該微帶線的導(dǎo)體寬度和長度。
兩個(gè)實(shí)例的計(jì)算情況如下:
(1)矩形微帶貼片天線
貼片的尺寸為a=11.43 cm,b=7.62 cm, 基片h=1.60 mm, εr=2.62,
工作頻率F=1187MHz,饋電方式采用邊饋。 貼片所在的XY平面剖分的基本單元尺寸選為dx=dy=2 mm,
基片的X方向尺寸為150mm, Y方向尺寸為100mm。 這是一個(gè)由具體的微帶尺寸構(gòu)成的"場"問題,
用這些幾何尺寸可以建立一個(gè)EMSight電磁結(jié)構(gòu), 如圖1(d)所示。
結(jié)構(gòu)分成兩層,上層是空氣層,其頂板是開放的自由空間,取阻抗為377歐姆; 下層是介質(zhì)基片層,
底板是金屬接地平面。在空氣與介質(zhì)交界面上建立微帶天線的幾何圖形。 使用軟件中的EMSight模擬器,
可以很方便地算得天線的E面和H面功率方向圖, 圓錐切割方向圖以及天線的散射參數(shù)S11如圖1所示。
在文獻(xiàn)[2]的圖1-12有用腔體理論計(jì)算的這個(gè)例子的E面和H面的電場方向圖。 比較可見二者基本上是一致的。
但是本軟件較腔體理論計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)在于用矩量法計(jì)算方向圖時(shí), 能把饋線對(duì)方向圖的影響考慮在內(nèi)。 因?yàn)?quot;邊饋"是一種不對(duì)稱,
所以圖1(b)的圓錐切割方向圖也出現(xiàn)不對(duì)稱情況, 這符合物理概念和實(shí)驗(yàn)測量。
(2)微帶線定向耦合器:
在文獻(xiàn)[3]的第九章舉出了微帶線定向耦合器的一些設(shè)計(jì)實(shí)例。 該書第355頁的一個(gè)實(shí)例中, 基片的參數(shù)是h=1.58 mm,
εr=4.8, 微帶線的寬度w=2.7 mm, 耦合部分的長度 L=7.5 mm, 耦合部分主副線的距離為 S=0.3 mm。
主副線的四個(gè)端口都連有90°切角彎頭。 這個(gè)問題用本軟件的兩個(gè)模擬器都可以求解。但使用”VoltaireXL”模擬器更為方便,
因?yàn)樵谲浖脑䦷熘杏鞋F(xiàn)成的各種耦合器和彎頭的數(shù)據(jù)可以調(diào)用, 只要輸入尺寸, 其電氣性能即已知。
然后建立一個(gè)由集總元件構(gòu)成的電路圖(Schematic), 如圖2(b)所示。
注意電路的四個(gè)端口也作為四個(gè)元件,根據(jù)實(shí)際使用情況,又分為"源端口"和"負(fù)載端口"。 另外,
整個(gè)基片也作為一個(gè)元件,要輸入其電參數(shù)和幾何參數(shù)。在建立電路后, 選擇要計(jì)算的參數(shù),
”VoltaireXL”模擬器在幾秒鐘內(nèi)即可求出該微帶線定向耦合器在1到9GHz的性能(見圖2(a))。
把圖2(a)與L.A.Trinogga書中的圖9.5(C)的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相比較,二者符合得很好。
4. 結(jié)論
(1) 從上述分析和使用情況介紹可知, "微波辦公室"軟件是計(jì)算微波平面電路的強(qiáng)有力工具。其計(jì)算精度完全能滿足工程設(shè)計(jì)的要求。
HP公司的HFSS軟件在計(jì)算封閉的波導(dǎo)元件方面是強(qiáng)有力的工具, 但是計(jì)算微帶電路, 微帶天線, 半導(dǎo)體微波器件方面則力不從心。
因此"微波辦公室"軟件可以補(bǔ)充HFSS軟件之不足。
(2) 在用”EMSight”模擬器分析復(fù)雜微波平面電路問題時(shí), 對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存往往要求很高。 導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間非常長。
甚至無法得出正確結(jié)果。 如果選擇尺寸較大的計(jì)算單元, 可以減少單元總數(shù),縮短計(jì)算時(shí)間。 但是計(jì)算精度往往太差, 在工程上無法接受。
因此對(duì)于復(fù)雜的微波平面電路問題, 應(yīng)該采用大型工作站或超級(jí)工作站。 目前計(jì)算機(jī)技術(shù)所能提供的資源, 并不足以解決一切復(fù)雜的電磁場問題。
矩量法和有限單元法所需的計(jì)算機(jī)內(nèi)存與被研究對(duì)象的單元總數(shù)的平方成正比。 近年來,
國際上趨向于采用時(shí)域有限差分法(FDTD)來研究電磁場問題, 因?yàn)?FDTD所需的計(jì)算機(jī)內(nèi)存僅與被研究對(duì)象的單元總數(shù)的一次方成正比。
也就是說, 在同樣的內(nèi)存等計(jì)算資源條件下, FDTD軟件能解決更為復(fù)雜的電磁場問題。
(3) 本軟件的繪圖工具功能過于簡單。 因此對(duì)一些復(fù)雜的圖形, 要建立提供計(jì)算用的EM結(jié)構(gòu)有一定困難。 這時(shí)可以在其它的軟件上建立圖形,
然后輸入到"EMSight"模擬器中。 "EMSight"模擬器對(duì)于AutoCAD的DXF格式, Sonnet
的GEO格式和GDSII格式都是兼容的。
(4) 盡管本軟件提供了豐富的元件庫, 但是還是有不少器件是元件庫中所沒有的。 這時(shí)可以人工建立一個(gè)元件或一個(gè)子電路,
其數(shù)據(jù)可以是由實(shí)驗(yàn)測量所得的散射參數(shù)或其它參數(shù)。 這就使計(jì)算的結(jié)果更加符合實(shí)際情況。
(5) 所有的電磁場計(jì)算軟件均有其局限性, 本軟件的一個(gè)明顯的局限性就是只能計(jì)算制
作在多層介質(zhì)上的平面電路(多層介質(zhì)板構(gòu)成一個(gè)矩形立方體, 立方體的外面是金屬外殼板)。
無法計(jì)算空間平面立體電路(例如矩形波導(dǎo)內(nèi)的鰭線電路)。 另外, 雖然層與層之間的金屬貼片可以互連或接地,
但是在立方體內(nèi)垂直于層平面的方向不能建立接地平面。
這也限制了某些平面電路,例如由多個(gè)單偶極子構(gòu)成的對(duì)數(shù)周期天線的計(jì)算。盡管如此,本軟件仍然不失為計(jì)算微波平面電路的一個(gè)強(qiáng)有力的工具。
5. 參考文獻(xiàn)
[1] AWR公司: Microwave Office軟件內(nèi)的Help 文件。;
[2] 鐘順時(shí):"微帶天線理論與應(yīng)用", 西安電子科技大學(xué)出版社,1991年;
[3] L。A。Trinogga, Guo Kaizhou & I.C.Hunter: "Practical Microstrip
Circuit Design", Ellis Horwood limited, 1991
附錄: “Microwave Office”軟件的功能一覽表
“VoltaireXL”模擬器 “EMSight”模擬器
集成的設(shè)計(jì)環(huán)境:
直觀分層次的圖形界面
對(duì)流行的圖表格式和數(shù)據(jù)格式的支持
多級(jí)的撤銷鍵入和重復(fù)鍵入的編輯功能
先進(jìn)的圖形/數(shù)據(jù)顯示能力
剪切和粘貼功能 集成的項(xiàng)目環(huán)境:
先進(jìn)的圖形/數(shù)據(jù)顯示能力
多級(jí)的撤銷鍵入和重復(fù)鍵入的編輯功能
同時(shí)觀看多個(gè)二維或三維的結(jié)構(gòu)
用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖動(dòng)的方法搬移結(jié)構(gòu)
剪切和粘貼功能
輸入或輸出GDSII, AutoCAD DXF和Sonnet GEO 設(shè)計(jì)文件
先進(jìn)的模擬環(huán)境模擬器即將具有的功能:
交互實(shí)時(shí)調(diào)整
多次優(yōu)化法
對(duì)于統(tǒng)計(jì)法的全面支持
離散值的優(yōu)化 先進(jìn)的EM模擬器即將具有的功能:
快速頻率掃描(FFS)算法
自動(dòng)可變網(wǎng)格
精確的全波譜域法(矩量法)
最快速的電磁場求解器之一
多重模擬法:
單頻諧波平衡引擎
多頻諧波平衡
靜態(tài)和時(shí)變Volterra級(jí)數(shù)引擎
混頻器分析(變換矩陣分析)
先進(jìn)的高速線性分析
高速噪聲分析
采用EMSight的無縫積分(可選) 先進(jìn)的電流模擬和可視化能力:
電流在結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的真正的時(shí)域和頻域模擬
觀看任意端口的激勵(lì)和終端阻抗的效應(yīng)
顯示掃頻的駐波比和相位
在結(jié)構(gòu)的任意一層顯示電場
廣泛的線性和非線性器件模型:
集總元件,微帶線,帶狀線,懸置基片和共面不連續(xù)模型
支持MESFET,HBT,PHEMT,BJT和二極管模型
模型的樣板允許用戶把模型的參數(shù)設(shè)置到正確的偏壓條件下
用戶定義線性和非線性模型 廣泛的輸出和測量能力:
顯示S, y, h, z, g 和ABCD參數(shù)
觀看增益,穩(wěn)定性,VSWR測量
新天線方向性測量和圖形
對(duì)簡單的結(jié)構(gòu)提取SPICE等效參數(shù)
具有實(shí)時(shí)可變調(diào)諧特性的集成線性模擬器
采用工業(yè)上的標(biāo)準(zhǔn)格式如Touchstone進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀和寫
開放的模型結(jié)構(gòu):
很容易在幾分鐘內(nèi)創(chuàng)建出用戶定義的模型
編輯器獨(dú)立范例
添加新模型不需要重新編輯與重新連接模擬器
通過電子郵件或因特網(wǎng)發(fā)送模型 模擬器即將具有的功能:
電磁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
分析芯片的電容器結(jié)構(gòu)
模擬器即將具有的功能:
非線性振蕩器分析
非線性噪聲分析
相位噪聲和混頻器噪聲
非線性振蕩器分析
非線性穩(wěn)定性分析
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