微波電路CAD-重慶郵電大學-0

1、微波電路微波電路CAD 主 講 ：王王 斌斌 光電工程學院光電工程學院自我介紹自我介紹個人經(jīng)歷個人經(jīng)歷所教授課程所教授課程研究方向研究方向聯(lián)系方式聯(lián)系方式上課時間及注意事項上課時間及注意事項上課時間：周四上課時間：周四 5-75-7節(jié)節(jié) 課間休息課間休息1010分鐘分鐘 地點：地點：23022302注意事項：注意事項：1.1.教材：教材：射頻與微波工程實踐導論射頻與微波工程實踐導論 射頻通信電路射頻通信電路課程的基本要求課程的基本要求2.2.日常要求：日常要求： 按時上課，不得遲到、早退、無故曠課、按時上課，不得遲到、早退、無故曠課、說話說話 保質(zhì)保量的完成作業(yè)，按時交作業(yè)。保質(zhì)保量的完成作業(yè)

2、，按時交作業(yè)。 * *按學校規(guī)定作業(yè)或到課率少于按學校規(guī)定作業(yè)或到課率少于1/31/3者，取消考試資格。者，取消考試資格。3.3.考核：考核：平時成績平時成績3030期末考試成績期末考試成績70%70% 閉卷，閉卷，2 2小時小時課程的基本要求課程的基本要求0.引言引言l微波與射頻技術(shù) 微波與射頻技術(shù)在國民經(jīng)濟各個方面廣泛應用，如：網(wǎng)絡微波與射頻技術(shù)在國民經(jīng)濟各個方面廣泛應用，如：網(wǎng)絡設備、通信、雷達、集成電路、印刷電路板設計、醫(yī)療電子設備、通信、雷達、集成電路、印刷電路板設計、醫(yī)療電子系統(tǒng)、電磁兼容等領(lǐng)域。與早期定位于波導和場論相比，現(xiàn)系統(tǒng)、電磁兼容等領(lǐng)域。與早期定位于波導和場論相比，現(xiàn)代微

3、波工程中占支配地位的內(nèi)容是代微波工程中占支配地位的內(nèi)容是微波電路分析微波電路分析。大多數(shù)微。大多數(shù)微波工程師從事平面結(jié)構(gòu)元件和集成電路設計所使用的基本工波工程師從事平面結(jié)構(gòu)元件和集成電路設計所使用的基本工具是具是微波微波CAD（計算機輔助設計）軟件（計算機輔助設計）軟件和網(wǎng)絡分析儀，因此和網(wǎng)絡分析儀，因此微波工程的學習重點逐漸轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡分析、平面電路和元器微波工程的學習重點逐漸轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡分析、平面電路和元器件及有源電路設計方面。件及有源電路設計方面。課程框架課程框架l微波電路分析基礎(chǔ)微波無源電路微波無源電路(無半導體器件或電真空器件無半導體器件或電真空器件)： 微波網(wǎng)絡參量，微波網(wǎng)絡元件，功率

4、分配器，定向耦合器，微波網(wǎng)絡參量，微波網(wǎng)絡元件，功率分配器，定向耦合器，濾波器，匹配電路；濾波器，匹配電路；微波有源電路微波有源電路(有半導體器件或電真空器件有半導體器件或電真空器件)： 微波晶體管器件，微波場效應器件，微波電真空器件，微波微波晶體管器件，微波場效應器件，微波電真空器件，微波系統(tǒng)。系統(tǒng)。l微波電路CAD 運用微波設計軟件設計具體的微波電路及微波系統(tǒng)。運用微波設計軟件設計具體的微波電路及微波系統(tǒng)。課程目標課程目標 l微波電路分析 了解并掌握微波無源電路及有源電路的常用分析方法了解并掌握微波無源電路及有源電路的常用分析方法,針針對具體微波電路進行分析。對具體微波電路進行分析。l微波

5、電路CAD 學會幾種常用微波設計軟件的仿真設計。重點掌握運用學會幾種常用微波設計軟件的仿真設計。重點掌握運用ADS (Agilent公司公司)和和HFSS (Ansoft公司公司)軟件進行幾個專題軟件進行幾個專題的射頻微波電路設計。的射頻微波電路設計。 微波微波CAD軟件與電磁場的數(shù)值算法密切相關(guān)，所有的數(shù)軟件與電磁場的數(shù)值算法密切相關(guān)，所有的數(shù)值算法都是建立在值算法都是建立在Maxwell方程組之上的。在方程組之上的。在頻域頻域，數(shù)值算法，數(shù)值算法有：有：有限元法有限元法(Finite Element Method)、矩量法矩量法(Method of Moments) 、差分法、差分法(Fi

6、nite Difference Methods) 、邊界元法、邊界元法(Boundary Element Method) 和傳輸線法和傳輸線法(Transmission Line matrix Method);在在時域時域，數(shù)值算法有：，數(shù)值算法有：時域有限差分法時域有限差分法(Finite Difference Time Domain)和和有限積分法有限積分法(Finite Integration Technology)。微波微波CAD軟件與電磁場數(shù)值計算軟件與電磁場數(shù)值計算常見的數(shù)值方法常見的數(shù)值方法l頻域：差分法差分法(FDM)(FDM)矩量法矩量法(MOM)(MOM)有限元法有限元法(

7、FEM)(FEM)邊界元法邊界元法(BEM)(BEM)傳輸線法傳輸線法(TLM)(TLM)l時域：時域有限差分法時域有限差分法(FDTD)(FDTD)有限積分法有限積分法(FIT)(FIT)矩量法矩量法 矩量法矩量法(MOM)(MOM)是將是將MaxwellMaxwell積分方程化為差分方程，或?qū)⒎e積分方程化為差分方程，或?qū)⒎e分方程中積分化為有限求和，從而建立代數(shù)方程組，并用計分方程中積分化為有限求和，從而建立代數(shù)方程組，并用計算機求解代數(shù)方程組。它是一種函數(shù)空間中的近似方法。算機求解代數(shù)方程組。它是一種函數(shù)空間中的近似方法。 矩量法可以矩量法可以對任意結(jié)構(gòu)形狀的物體上的電流結(jié)構(gòu)建模，直對任意

8、結(jié)構(gòu)形狀的物體上的電流結(jié)構(gòu)建模，直接求出接求出電流電流的精確分布的精確分布，故特別適合于電磁兼容、天線輻射、，故特別適合于電磁兼容、天線輻射、雷達工作等問題的研究。一般其輻射條件允許求解在輻射物雷達工作等問題的研究。一般其輻射條件允許求解在輻射物體外的任何地點的體外的任何地點的E E和和H H場。場。 矩量法對內(nèi)部區(qū)域建模問題困難較大，在非均勻媒質(zhì)中會矩量法對內(nèi)部區(qū)域建模問題困難較大，在非均勻媒質(zhì)中會遇到困難，要用大量的內(nèi)部資源。遇到困難，要用大量的內(nèi)部資源。時域有限差分法時域有限差分法 時域有限差分法時域有限差分法(FDTD)(FDTD)是將時域是將時域MaxwellMaxwell方程組的兩

9、個旋度方程方程組的兩個旋度方程中關(guān)于空間變量和時間變量的偏導數(shù)用差商近似，從而將其轉(zhuǎn)換為中關(guān)于空間變量和時間變量的偏導數(shù)用差商近似，從而將其轉(zhuǎn)換為離散網(wǎng)格節(jié)點上的時域有限差分方程。加入時域脈沖激勵后，在時離散網(wǎng)格節(jié)點上的時域有限差分方程。加入時域脈沖激勵后，在時間迭代就可直觀地模擬出脈沖在求解區(qū)域上傳播、反射和散射的過間迭代就可直觀地模擬出脈沖在求解區(qū)域上傳播、反射和散射的過程，進而采用程，進而采用FFTFFT將時域響應變換到頻域就可獲得所希望的各種電將時域響應變換到頻域就可獲得所希望的各種電參數(shù)，如無源電路的散射參數(shù)、天線的輻射特性、散射體的雷達散參數(shù)，如無源電路的散射參數(shù)、天線的輻射特性、

10、散射體的雷達散射截面射截面(RCS)(RCS)等。等。 時域有限差分法可以時域有限差分法可以直接求解直接求解MaxwellMaxwell方程方程，不需要存儲空間形，不需要存儲空間形狀參數(shù)，很容易對非均勻媒質(zhì)的場問題建模，對內(nèi)部復雜介質(zhì)問題狀參數(shù)，很容易對非均勻媒質(zhì)的場問題建模，對內(nèi)部復雜介質(zhì)問題也可以有效地進行建模。也可以有效地進行建模。 時域有限差分法對無邊界問題需要吸收邊界條件處理，計算密集時域有限差分法對無邊界問題需要吸收邊界條件處理，計算密集型問題有數(shù)值色散誤差，內(nèi)存量消耗大。而時域有限差分法在計算型問題有數(shù)值色散誤差，內(nèi)存量消耗大。而時域有限差分法在計算場傳播和電磁分布等參數(shù)方面也比

11、較困難。場傳播和電磁分布等參數(shù)方面也比較困難。有限元法有限元法 有限元法有限元法(FEM)(FEM)是以變分原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種高效是以變分原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種高效能計算方法。它將大結(jié)構(gòu)劃分為有限個小單元，再用比較簡能計算方法。它將大結(jié)構(gòu)劃分為有限個小單元，再用比較簡單的函數(shù)表示每個單元的解，邊界條件只在集合體中的方程單的函數(shù)表示每個單元的解，邊界條件只在集合體中的方程中引入，只需要考慮強迫邊界條件。中引入，只需要考慮強迫邊界條件。 有限元法求解工程電磁場問題，可有限元法求解工程電磁場問題，可將物體的幾何尺寸和電將物體的幾何尺寸和電尺寸特性分開定義和處理尺寸特性分開定義和處理，可以克服

12、時域有限差分，可以克服時域有限差分(FDTD)(FDTD)中中必需的階梯建?？臻g問題，適合于分析較復雜的結(jié)構(gòu)，對內(nèi)必需的階梯建?？臻g問題，適合于分析較復雜的結(jié)構(gòu)，對內(nèi)部部EMEM問題和非均勻媒質(zhì)問題建模也很有效。問題和非均勻媒質(zhì)問題建模也很有效。 有限元法對無邊界問題需要對邊界進行建模，計算密集型有限元法對無邊界問題需要對邊界進行建模，計算密集型和處理開放區(qū)域上未知場點時很難處理，內(nèi)存量消耗也很大。和處理開放區(qū)域上未知場點時很難處理，內(nèi)存量消耗也很大。數(shù)值解法根據(jù)空間變量分類數(shù)值解法根據(jù)空間變量分類l一維(1D)解法 (傳輸線解，SPICE程序) 適用范圍：場和源都是一維空間變量的函數(shù)。適用范

13、圍：場和源都是一維空間變量的函數(shù)。 典型應用：傳輸線；平面波和電路等。典型應用：傳輸線；平面波和電路等。l二維(2D)解法 (MOM,TLM,FEM,FDTD) 適用范圍：場和源都是二維空間變量的函數(shù)。適用范圍：場和源都是二維空間變量的函數(shù)。 典型應用：典型應用：TETE1010矩形波導；矩形波導；TEMTEM波同軸線等。波同軸線等。l二維半(2.5D)解法 (MOM,TLM,FEM,FDTD) 適用范圍：場是三維空間變量的函數(shù)，源是二維空間變量的函數(shù)。適用范圍：場是三維空間變量的函數(shù)，源是二維空間變量的函數(shù)。 典型引用：平面?zhèn)鬏斁€典型引用：平面?zhèn)鬏斁€( (微帶線，共面波導微帶線，共面波導)

14、)、平面結(jié)構(gòu)天線和多層結(jié)構(gòu)器、平面結(jié)構(gòu)天線和多層結(jié)構(gòu)器件件(LTCC)(LTCC)等。等。l三維 (3D)解法 (FDM,MOM,TLM,FEM,FDTD,FIT) 適用范圍：場和源都是三維空間變量的函數(shù)。適用范圍：場和源都是三維空間變量的函數(shù)。 典型應用：可以求解所有的電磁場問題。典型應用：可以求解所有的電磁場問題。常用仿真軟件常用仿真軟件l系統(tǒng)仿真軟件Agilent ADS ( (MOM+解析法解析法) )Microwave Office (MOM+解析法解析法)Ansoft Designer (MOM+解析法解析法)CST Design Studio (MOM+解析法解析法)l電磁場仿真

15、軟件2.5D Ansoft Esemble (MOM) Sonnet (MOM) IE3D (MOM)3D Ansoft HFSS (FEM) Ansys (FEM) CST Microwave Studio (FIT) XFDTD (FDTD) FEKO (MOM+PO/UTD)微波工程類問題分析的一般過程微波工程類問題分析的一般過程 微波微波CAD常用軟件介紹常用軟件介紹 微波仿真軟件微波仿真軟件數(shù)值算法數(shù)值算法簡簡 介介ADS(Advance Design system)矩量法矩量法(MoM)Agilent公司產(chǎn)品：線性公司產(chǎn)品：線性/非線非線性電路仿真；數(shù)字電路仿真；性電路仿真；數(shù)字電

16、路仿真；信號系統(tǒng)分析信號系統(tǒng)分析、仿真。、仿真。Ansoft HFSS有限元法有限元法(FEM)Ansoft公司產(chǎn)品：三維電磁仿公司產(chǎn)品：三維電磁仿真。電磁場數(shù)值解和開邊界問真。電磁場數(shù)值解和開邊界問題；近遠場輻射問題；特征阻題；近遠場輻射問題；特征阻抗抗、傳輸常數(shù)及、傳輸常數(shù)及S參數(shù)計算；參數(shù)計算；結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。Ansoft Designer矩量法矩量法(MoM)Ansoft公司產(chǎn)品：線性公司產(chǎn)品：線性/非線性非線性電路仿真；電路仿真；2.5維平面電路高維平面電路高頻仿真；信號系統(tǒng)分析頻仿真；信號系統(tǒng)分析、仿真。、仿真。CST有限積分法有限積分法(FIT)CST

17、公司產(chǎn)品：三維電磁仿真；公司產(chǎn)品：三維電磁仿真；微波電路仿真；溫度場仿真等微波電路仿真；溫度場仿真等協(xié)同仿真。協(xié)同仿真。XFDTD時域有限差分法時域有限差分法(FDTD)REMCOM公司產(chǎn)品：三維電公司產(chǎn)品：三維電磁仿真；無線磁仿真；無線、微波電路仿真；、微波電路仿真；雷達散射、化學、光學和生物雷達散射、化學、光學和生物組織仿真組織仿真 。微波微波CAD其它軟件介紹其它軟件介紹 微波仿真軟件微波仿真軟件數(shù)值算法數(shù)值算法微波仿真軟件微波仿真軟件數(shù)值算法數(shù)值算法Momentum(Agilent公司公司)矩量法矩量法(MoM)EMPIRE(IMST公司公司)時域有限差分法時域有限差分法(FDTD)E

18、nsemble(Ansoft公司公司)矩量法矩量法(MoM)Fiedelity(Zeland公司公司)時域有限差分法時域有限差分法(FDTD)Mafia(CST公司公司)有限積分法有限積分法(FIT)FEKO(ANSYS公司公司)矩量法矩量法(MoM)MW Office(AWR公司公司)矩量法矩量法(MoM)ANSYS(ANSYS公司公司)有限元法有限元法(FEM)ADS ADS(Advanced Design System)ADS(Advanced Design System)是美國是美國Agilent 公司推出的公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)的仿真設計軟件。它是當今業(yè)界最流行微波電路和通信系

19、統(tǒng)的仿真設計軟件。它是當今業(yè)界最流行的的微波射頻電路微波射頻電路、通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)和和RFIC設計軟件，也是國內(nèi)高設計軟件，也是國內(nèi)高校、科研院所和大型校、科研院所和大型IT公司使用最多的軟件之一。公司使用最多的軟件之一。 ADS軟件范圍涵蓋了小至元器件軟件范圍涵蓋了小至元器件,大到系統(tǒng)級的設計和分析，大到系統(tǒng)級的設計和分析，主要包括主要包括RFIC設計軟件、設計軟件、RF電路板設計軟件、電路板設計軟件、DSP專業(yè)設專業(yè)設計軟件、通訊系統(tǒng)設計軟件以及微波電路設計軟件。計軟件、通訊系統(tǒng)設計軟件以及微波電路設計軟件。 ADS軟件仿真手段豐富多樣，可實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)軟件仿真手段豐富多樣，可實現(xiàn)

20、包括時域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設計結(jié)果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電對設計結(jié)果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設路的設計效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設計工具。計工具。 ADS軟件可應用于整個現(xiàn)代通信系統(tǒng)及其子系統(tǒng)，能對通信系統(tǒng)進軟件可應用于整個現(xiàn)代通信系統(tǒng)及其子系統(tǒng)，能對通信系統(tǒng)進行快速、便捷、有效的設計和仿真。這是以往任何自動設計軟件都不能行快速、便捷、有效的設計和仿真。這是以往任何自動設計軟件都不能夠的。所以，夠

21、的。所以，ADS已被廣大電子工程技術(shù)人員接受，應用也愈加廣泛。已被廣大電子工程技術(shù)人員接受，應用也愈加廣泛。 ADS功能非常強大，對整個現(xiàn)代通信系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的設計和仿真功能非常強大，對整個現(xiàn)代通信系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的設計和仿真提供支持。主要應用有以下幾個主要方面：提供支持。主要應用有以下幾個主要方面： 射頻和微波電路的設計（包括射頻和微波電路的設計（包括RFIC、RF Board） DSP設計設計 通信系統(tǒng)的設計通信系統(tǒng)的設計 向量仿真向量仿真每個設計本身又包括以下幾個內(nèi)容：每個設計本身又包括以下幾個內(nèi)容： 繪制原理圖繪制原理圖 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 布局圖布局圖 Pspice原理圖原理圖ADS H

22、FSS軟件是美國軟件是美國Ansoft公司推出的適用于射頻、無線通信、公司推出的適用于射頻、無線通信、封裝及光電子設計的任意形狀封裝及光電子設計的任意形狀三維電磁場仿真軟件三維電磁場仿真軟件。Ansoft HFSS是業(yè)界公認的三維電磁場標準仿真軟件包，它為是業(yè)界公認的三維電磁場標準仿真軟件包，它為射頻射頻、無無線通信線通信、封裝封裝及及光電子產(chǎn)品光電子產(chǎn)品新功能的開發(fā)提供高效的研究手段。新功能的開發(fā)提供高效的研究手段。本軟件徹底擺脫了傳統(tǒng)的設計模式，大大減少了研制費用和時本軟件徹底擺脫了傳統(tǒng)的設計模式，大大減少了研制費用和時間，加快產(chǎn)品進入市場的步伐。間，加快產(chǎn)品進入市場的步伐。HFSS提供了

23、一簡潔直觀的用戶提供了一簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場求解器、擁有空前電性能分析能力設計界面、精確自適應的場求解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和參數(shù)和全波電磁場。全波電磁場。 HFSSHFSS HFSS功能非常強大功能非常強大,主要應用有以下幾個主要方面：主要應用有以下幾個主要方面：1.射頻和微波器件設計射頻和微波器件設計 HFSS能夠快速精確地計算各種射頻能夠快速精確地計算各種射頻/微波部件的電磁特性，得到微波部件的電磁特性，得到S參數(shù)、參數(shù)、傳播特性、高功率擊穿特性，優(yōu)化部件的性能指標

24、，并進行容差分析，幫助傳播特性、高功率擊穿特性，優(yōu)化部件的性能指標，并進行容差分析，幫助工程師們快速完成設計并把握各類器件的電磁特性，包括：波導器件、濾波工程師們快速完成設計并把握各類器件的電磁特性，包括：波導器件、濾波器、轉(zhuǎn)換器、耦合器、功率分配器、轉(zhuǎn)換器、耦合器、功率分配/和成器，鐵氧體環(huán)行器和隔離器、腔體等。和成器，鐵氧體環(huán)行器和隔離器、腔體等。 2.電真空器件設計電真空器件設計 在電真空器件如行波管、速調(diào)管、回旋管設計中，在電真空器件如行波管、速調(diào)管、回旋管設計中，HFSS本征模式求解本征模式求解器結(jié)合周期性邊界條件，能夠準確地方針器件的色散特性，得到歸一化相速器結(jié)合周期性邊界條件，能夠準確地方針器件的色散特性，得到歸一化相速與頻率關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)中的電磁場分布，包括與頻率關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)中的電磁場分布，包括H場和場和E場，為這