Microwave Office 微波平面電路設(shè)計(jì)工具介紹

1、Microwave Office 微波平面電路設(shè)計(jì)工具介紹    摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte     

2、;   1. 引言        從八十年代開始,國(guó)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(wú)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(chǎng)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。

3、近年來(lái)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(lái)越高, 電路的功能越來(lái)越多, 電路的尺寸要求越做越小, 而設(shè)計(jì)周期卻越來(lái)越短。 為了應(yīng)付這一挑戰(zhàn), 美國(guó)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(yǔ)程度的微波工程師, 通?？梢栽谌了闹軙r(shí)間內(nèi), 通過(guò)學(xué)習(xí)該軟件提供的有關(guān)幫助文件, 掌握該軟件最基

4、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36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(guó)內(nèi)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)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(guò)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(guó)的代理商史泰普電子公司申請(qǐng)?jiān)囉没蛸?gòu)買。該軟件目前在國(guó)

5、際上已有一定的著名度, 例如英國(guó)有名的Queen's大學(xué)高頻研究組, 在它的因特網(wǎng)網(wǎng)頁(yè)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 

6、0;      眾所周知,微波工程問(wèn)題通?？梢酝ㄟ^(guò)電路的方法或者場(chǎng)的方法來(lái)加以研究。 “Microwave Office”軟件是通過(guò)兩個(gè)模擬器來(lái)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(lái)處理較為簡(jiǎn)便。該軟件設(shè)有一個(gè)叫”VoltaireXL”的模擬器來(lái)處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問(wèn)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(chǎng)的方法較為有效, 該軟件采用的是一個(gè)叫”EMSight”的模擬器來(lái)處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)的問(wèn)題?！盫oltaireXL”模擬器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)威力強(qiáng)大的諧波平衡和V

7、olterra模擬引擎,它采用單頻和多頻諧波平衡Volterra級(jí)數(shù)來(lái)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(wèn)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10100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(lái)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(kù), 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(wú)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(chǎng)效應(yīng)晶體管,二極管等等。 特別是該元件庫(kù)收集了國(guó)際

8、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(guò)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(lái)。 這一優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)槟M器

9、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?！盓MSight”模擬器是一個(gè)完整的三維電磁場(chǎng)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(lái)。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(chǎng)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

10、線和高速印制電路(PCB)?！盓MSight”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(chǎng)力線的能力。 電流或電場(chǎng)均可以以三維或二維的形式來(lái)顯示, 箭頭表示電流的流向或電場(chǎng)的指向, 而力線顏色的深淺表示電流或電場(chǎng)的強(qiáng)弱?！盓MSight”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(cè)

11、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(chǎng)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(kù), 其特點(diǎn)是列入

12、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:     

13、0;  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(wèn)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(wèn)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

14、。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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度。兩個(gè)實(shí)例的計(jì)算情況如下:        (1)矩形微帶貼片

15、天線        貼片的尺寸為a=11.43 cm,b=7.62 cm, 基片h=1.60 mm, r=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(chǎng)"問(wèn)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

16、。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(chǎng)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(cè)量。· 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

17、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

18、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(chǎng)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(wú)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(chǎng)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(cè)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(cè)量· 新天線方向性測(cè)量和圖形· 對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)提