現(xiàn)代微波電路與器件設(shè)計(jì) 1、概述 西安電子科技大學(xué)蘇濤老師

1、“英雄無(wú)用武之地英雄無(wú)用武之地”理論與實(shí)踐脫節(jié)理論與實(shí)踐脫節(jié)“書到用時(shí)方恨少書到用時(shí)方恨少”理論知識(shí)沒有理論知識(shí)沒有“掌握掌握”電磁場(chǎng)理論電磁場(chǎng)理論微波網(wǎng)絡(luò)微波網(wǎng)絡(luò)天線原理天線原理射頻電子電路射頻電子電路電子線路、高頻、物理電子線路、高頻、物理高數(shù)、矩陣論、線性代數(shù)、矢量分析、復(fù)變函數(shù)高數(shù)、矩陣論、線性代數(shù)、矢量分析、復(fù)變函數(shù)“學(xué)以致用學(xué)以致用”理論和工程的理論和工程的“橋梁橋梁”沒有建立，沒有建立，缺乏動(dòng)手的能力和模仿的機(jī)會(huì)；缺乏動(dòng)手的能力和模仿的機(jī)會(huì)；學(xué)校只講理論，公司只講產(chǎn)品；學(xué)校只講理論，公司只講產(chǎn)品；理論知識(shí)的應(yīng)用產(chǎn)生產(chǎn)品的過程往往被忽略；理論知識(shí)的應(yīng)用產(chǎn)生產(chǎn)品的過程往往被忽略；學(xué)習(xí)

2、、模仿、思考、實(shí)踐學(xué)習(xí)、模仿、思考、實(shí)踐相對(duì)的，理論研究發(fā)展、數(shù)值算法分析中的創(chuàng)相對(duì)的，理論研究發(fā)展、數(shù)值算法分析中的創(chuàng)新過程比較引起注意；大家也比較新過程比較引起注意；大家也比較“會(huì)會(huì)”文章的發(fā)文章的發(fā)展創(chuàng)新；展創(chuàng)新；缺乏創(chuàng)新缺乏創(chuàng)新基礎(chǔ)扎實(shí)，合理猜想，大膽實(shí)踐，謹(jǐn)慎操作！基礎(chǔ)扎實(shí)，合理猜想，大膽實(shí)踐，謹(jǐn)慎操作！ 早期的波導(dǎo)、場(chǎng)論早期的波導(dǎo)、場(chǎng)論 現(xiàn)代微波工程的分布電路分析現(xiàn)代微波工程的分布電路分析 當(dāng)今大多數(shù)微波工程師從事平面結(jié)構(gòu)元件和集成當(dāng)今大多數(shù)微波工程師從事平面結(jié)構(gòu)元件和集成電路設(shè)計(jì)，無(wú)需直接求助于電磁場(chǎng)分析；電路設(shè)計(jì)，無(wú)需直接求助于電磁場(chǎng)分析； 當(dāng)今微波工程師的基本工具是微波當(dāng)今微

3、波工程師的基本工具是微波CAD軟件和網(wǎng)軟件和網(wǎng)絡(luò)分析儀；絡(luò)分析儀； 微波工程仍然離不開電磁學(xué)，學(xué)生仍將從揭示事微波工程仍然離不開電磁學(xué)，學(xué)生仍將從揭示事務(wù)的本質(zhì)中受益，但是把重點(diǎn)改變到微波電路分務(wù)的本質(zhì)中受益，但是把重點(diǎn)改變到微波電路分析和設(shè)計(jì)上來(lái)這一點(diǎn)是不容置疑的。析和設(shè)計(jì)上來(lái)這一點(diǎn)是不容置疑的。 David M.Pozar微波工程微波工程 在一門有成效的微波工程課程中，應(yīng)有兩項(xiàng)重在一門有成效的微波工程課程中，應(yīng)有兩項(xiàng)重要內(nèi)容：使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（要內(nèi)容：使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模擬軟件和）模擬軟件和微波實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。微波實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。 David M.Pozar微波工程微波工程 Ansoft：

4、HFSS, Designer, ePhysics,- CST Microwave Office IE3D ADS (Advanced Design System) FEKO QFDTD -濾波器制造濾波器制造有限元分析波導(dǎo)結(jié)構(gòu)軟件有限元分析波導(dǎo)結(jié)構(gòu)軟件大功率功放功率測(cè)試大功率功放功率測(cè)試集總元件器件集總元件器件http:/ Ansoft公司的軟件產(chǎn)品，是通過高性能的設(shè)計(jì)和仿真評(píng)公司的軟件產(chǎn)品，是通過高性能的設(shè)計(jì)和仿真評(píng)估電子產(chǎn)品及系統(tǒng)來(lái)幫助我們的客戶提升競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。估電子產(chǎn)品及系統(tǒng)來(lái)幫助我們的客戶提升競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。高頻產(chǎn)品：高頻產(chǎn)品：Ansoft Designer：全新的射頻、微波及無(wú)線通信領(lǐng)域，電

5、：全新的射頻、微波及無(wú)線通信領(lǐng)域，電磁場(chǎng)、電路及系統(tǒng)仿真的綜合解決方案。磁場(chǎng)、電路及系統(tǒng)仿真的綜合解決方案。HFSS：三維高頻電磁場(chǎng)分析軟件。：三維高頻電磁場(chǎng)分析軟件。Nexxim：下一代頻域和時(shí)域仿真器。：下一代頻域和時(shí)域仿真器。信號(hào)完整性產(chǎn)品：信號(hào)完整性產(chǎn)品：Q3D Extractor：電磁參數(shù)自動(dòng)提取工具。：電磁參數(shù)自動(dòng)提取工具。DesignSI：擴(kuò)展：擴(kuò)展Ansoft Designer設(shè)計(jì)平臺(tái)在高性能信號(hào)完設(shè)計(jì)平臺(tái)在高性能信號(hào)完整性的應(yīng)用軟件。整性的應(yīng)用軟件。SIwave：高速：高速PCB和高密度和高密度IC封裝信號(hào)完整性和功率傳輸封裝信號(hào)完整性和功率傳輸全波高密度分析工具。全波高密度

6、分析工具。TPA：全自動(dòng)三維封裝信號(hào)完整性分析軟件。：全自動(dòng)三維封裝信號(hào)完整性分析軟件。機(jī)電產(chǎn)品：機(jī)電產(chǎn)品：Maxwell2D：精確的二維電磁場(chǎng)分析，溫度場(chǎng)，有限元分析：精確的二維電磁場(chǎng)分析，溫度場(chǎng)，有限元分析軟件。軟件。Maxwell3D：高精度電磁場(chǎng)，溫度場(chǎng)，有限元分析軟件。：高精度電磁場(chǎng)，溫度場(chǎng)，有限元分析軟件。SIMPLORER：包含電路，機(jī)電系統(tǒng)，控制算法在內(nèi)的多工：包含電路，機(jī)電系統(tǒng)，控制算法在內(nèi)的多工程領(lǐng)域系統(tǒng)仿真軟件。程領(lǐng)域系統(tǒng)仿真軟件。RMxprt：旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)專家。：旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)專家。PExprt：開關(guān)電源設(shè)計(jì)軟件。：開關(guān)電源設(shè)計(jì)軟件。選項(xiàng)：選項(xiàng)：AnsoftLinks：接

7、口軟件，可直接導(dǎo)入：接口軟件，可直接導(dǎo)入/出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。Full-wave Spice：超寬帶：超寬帶SPICE模型發(fā)生器。模型發(fā)生器。ePhysics：電磁應(yīng)用中熱和應(yīng)力作用分析（中文網(wǎng)站錯(cuò)誤）：電磁應(yīng)用中熱和應(yīng)力作用分析（中文網(wǎng)站錯(cuò)誤）Optimetrics：參數(shù)化，敏感性及優(yōu)化智能引擎。：參數(shù)化，敏感性及優(yōu)化智能引擎。CSTMicrowave StudioWelcome to CST MICROWAVE STUDIO the specialist tool for the fast accurate simulation of high frequency problems.

8、Main Features1.Broadband calculation of S-parameter and antenna problems.2.Calculation of 3D eigenmodes.3.Modal Analysis: Improved S-parameter solver for extremely high resonant structures, based on 3D eigenmode calculation.4.Frequency domain solver with adaptive sampling.5.Powerful macro language (

9、VBA), OLE automation server.6.Fast, accurate and memory efficient Finite Integration Method (FI-Method) with Perfect Boundary Approximation (PBA).7.Expert system based automatic mesh generation with 3D adaptive mesh refinement.8.Fully parametric 3D ACIS based solid and curve modeling.9.Import and Ex

10、port of SAT, Step, CATIA, Pro/E, IGES or STL 3D CAD data.10.Import and Export of DXF 2D CAD data.11.Import GDSII and Gerber 2D CAD data.12.Import of voxel data models (Human Model Data).13.AR-Filter analysis for resonant structures.14.Farfield (2D, 3D, gain, angular beam width and more) and radar cr

11、oss section (RCS) calculation.15.Efficient build-in optimizer. (Powell and Quasi-Newton type, advanced multilevel interpolation schemes)16.Parameter Sweeps.17.Network Parameter Extraction.18.Spice Model Extraction Welcome to Microwave Office, a powerful design and analysis tool for automating the hi

12、gh frequency design process. Unique to Microwave Office is its fully integrated solution, which allows you to take designs from concept to production without ever leaving the Microwave Office design environment. You use Microwave Offices intuitive graphical interface to design circuits composed of s

13、chematics and electromagnetic (EM) structures from an extensive electrical model database, and then generate layout representations of these designs. You can perform simulations using one of Microwave Offices simulation engines - a linear simulator, an advanced harmonic balance or Volterra-series no

14、nlinear simulator, or a 3D-planar EM simulator (EMSight) - and display the output in a wide variety of graphical forms based on your analysis needs. You can then tune or optimize the designs and your changes are automatically and immediately reflected in the layout. At the core of Microwave Offices

15、technology is its advanced object-oriented approach. The Microwave Office software is compact, fast, reliable, and easily enhanced with new technology as it becomes available. 綜合，還是優(yōu)化綜合，還是優(yōu)化 傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)，采用網(wǎng)絡(luò)綜合的方法。傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)，采用網(wǎng)絡(luò)綜合的方法。 所謂網(wǎng)絡(luò)綜合，在微波工程實(shí)用上指的是預(yù)先所謂網(wǎng)絡(luò)綜合，在微波工程實(shí)用上指的是預(yù)先規(guī)定元器件特性而用網(wǎng)絡(luò)去實(shí)現(xiàn)的一個(gè)過程。規(guī)定元器件特性而用網(wǎng)

16、絡(luò)去實(shí)現(xiàn)的一個(gè)過程。 它大致包括三個(gè)步驟：它大致包括三個(gè)步驟：（1 1）提出目標(biāo)，即理想響應(yīng)；）提出目標(biāo)，即理想響應(yīng)；（2 2）選用可能的函數(shù)去逼近理想響應(yīng)；）選用可能的函數(shù)去逼近理想響應(yīng)；（3 3）設(shè)法實(shí)現(xiàn)具有逼近函數(shù)特性的網(wǎng)絡(luò)。）設(shè)法實(shí)現(xiàn)具有逼近函數(shù)特性的網(wǎng)絡(luò)。 由于采用的逼近函數(shù)不同，一般有由于采用的逼近函數(shù)不同，一般有ButterworthButterworth綜合、綜合、ChebyshevChebyshev綜合、橢圓函數(shù)綜合綜合、橢圓函數(shù)綜合等濾波器設(shè)計(jì)方法。等濾波器設(shè)計(jì)方法。 無(wú)論計(jì)算能力多么巨大，仿真軟件如何優(yōu)秀，單無(wú)論計(jì)算能力多么巨大，仿真軟件如何優(yōu)秀，單純地依賴優(yōu)化的方法仍然

17、有其固有的局限性。純地依賴優(yōu)化的方法仍然有其固有的局限性。 優(yōu)化的方法需要確定優(yōu)化的變量和代價(jià)函數(shù)，通優(yōu)化的方法需要確定優(yōu)化的變量和代價(jià)函數(shù)，通常代價(jià)函數(shù)可以采用實(shí)際響應(yīng)和理想響應(yīng)的差距，而常代價(jià)函數(shù)可以采用實(shí)際響應(yīng)和理想響應(yīng)的差距，而優(yōu)化變量的確定就復(fù)雜得多，實(shí)際中常常是已確定網(wǎng)優(yōu)化變量的確定就復(fù)雜得多，實(shí)際中常常是已確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，?yōu)化元件值；或者已確定基本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化絡(luò)的拓?fù)?，?yōu)化元件值；或者已確定基本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化物理尺寸等等。也就是說(shuō)，無(wú)法憑空優(yōu)化，而如何得物理尺寸等等。也就是說(shuō)，無(wú)法憑空優(yōu)化，而如何得到優(yōu)化前預(yù)先確定的部分呢？到優(yōu)化前預(yù)先確定的部分呢？ 優(yōu)化的代價(jià)可以分為兩個(gè)部分：一是優(yōu)

18、化算法優(yōu)化的代價(jià)可以分為兩個(gè)部分：一是優(yōu)化算法的代價(jià)；二是每次疊代計(jì)算代價(jià)函數(shù)的代價(jià)。采用的代價(jià)；二是每次疊代計(jì)算代價(jià)函數(shù)的代價(jià)。采用全波電磁仿真軟件雖然可以得到實(shí)際模型的響應(yīng)，全波電磁仿真軟件雖然可以得到實(shí)際模型的響應(yīng)，進(jìn)而得到代價(jià)函數(shù)，但該過程常常是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。進(jìn)而得到代價(jià)函數(shù)，但該過程常常是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。優(yōu)化過程中需要做全波仿真的次數(shù)越多，全波仿真優(yōu)化過程中需要做全波仿真的次數(shù)越多，全波仿真的復(fù)雜度越大，設(shè)計(jì)工程的時(shí)間和復(fù)雜度就會(huì)越大的復(fù)雜度越大，設(shè)計(jì)工程的時(shí)間和復(fù)雜度就會(huì)越大。 即使假定可以優(yōu)化得到最優(yōu)解（在預(yù)先確定部分，即使假定可以優(yōu)化得到最優(yōu)解（在預(yù)先確定部分，比如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上），如何保證其最優(yōu)解滿足設(shè)計(jì)比如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上），如何保證其最優(yōu)解滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)呢？指標(biāo)呢？ 首先，采用綜合的方法得到原理電路和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌紫?，采用綜合的方法得到原理電路和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌梢员ＷC設(shè)計(jì)的可成功性；并且，根據(jù)原理電路得到的可以保證設(shè)計(jì)的可成功性；并且，根據(jù)原理電路得到的實(shí)際濾波器結(jié)構(gòu)可以明確優(yōu)化的變量和合理的初值（減實(shí)際濾波器結(jié)構(gòu)可以明