微波電路EDA第二章0428

第二章微波電路建模建庫方法第二章微波電路建模建庫方法第一節(jié)：建模方法概述第二節(jié)：微波無源器件模型第三節(jié)：微波半導(dǎo)體器件模型1、元器件的建模方法有哪些？各自特點(diǎn)如何？2、怎樣進(jìn)行微帶傳輸線的分析與綜合？3、常見的微帶不連續(xù)結(jié)構(gòu)有哪些？它們的模型如何表示？4、什么是半導(dǎo)體器件的小信號(hào)模型和大信號(hào)模型？5、如何建立單向化等效模型和數(shù)據(jù)擬合模型？什么是微波模型？為什么要建模？計(jì)算機(jī)可以直接處理的數(shù)學(xué)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)、工藝等的內(nèi)在規(guī)律的數(shù)學(xué)提煉大大提高設(shè)計(jì)效率如何應(yīng)用模型？1.網(wǎng)絡(luò)分析2.優(yōu)化計(jì)算2.1建模方法概述2.1.1建模的基本要求（1）能夠真實(shí)反映器件工作時(shí)的物理特性；（2）在很寬的頻帶內(nèi)仍能保證足夠的精度；（3）在保證精度的前提下，模型簡單；（4）容易確定模型有關(guān)參量。確定元器件模型的一般思路場效應(yīng)管模型的基本結(jié)構(gòu)映射關(guān)系輸入輸出變量圖標(biāo)適用范圍2.1.2建立元器件模型的方法1.理論分析方法2.1.2建立元器件模型的方法無法求解不規(guī)則結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)。2.1.2建立元器件模型的方法2.3.電磁場全波仿真方法2.1.2建立元器件模型的方法3.電磁場全波仿真方法2.1.2建立元器件模型的方法3.電磁場全波仿真方法2.1.2建立元器件模型的方法3.電磁場全波仿真方法優(yōu)點(diǎn)：精度高，特別適合高頻（毫米波）電路。有大量商業(yè)軟件可以使用。缺點(diǎn)：不利于理解器件的物理機(jī)理。計(jì)算速度慢，不便于優(yōu)化。不能用于有源電路分析。2.1.2建立元器件模型的方法4.實(shí)驗(yàn)方法NetworkAnalyzerDC/RFProbesMicromanipulators/TunersWafer/Device2.1.2建立元器件模型的方法4.實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)點(diǎn)：能考慮封裝帶來的影響。精度高，適用范圍廣（有源、無源）。不用關(guān)心內(nèi)部結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)：不利于理解器件的物理機(jī)理。依賴測試條件和測試水平。2.1.2建立元器件模型的方法4.實(shí)驗(yàn)方法AMMC5040測試數(shù)據(jù)列表2.1.2建立元器件模型的方法4.實(shí)驗(yàn)方法2.1.2建立元器件模型的方法5.非線性方法優(yōu)點(diǎn)：能對有源電路進(jìn)行精確分析。缺點(diǎn)：方法較為繁瑣。時(shí)域法強(qiáng)非線性，無法處理線性分布電路頻域法（Volterra級(jí)數(shù)法）弱非線性，無法處理復(fù)雜非線性電路混合域法（諧波平衡法）強(qiáng)非線性，適應(yīng)范圍廣2.1.2建立元器件模型的方法2.2微波無源器件模型無源電路模型集總參數(shù)模型l/λ≤

0.05分布參數(shù)模型l/λ≥

0.05集總參數(shù)元件：移相可忽略不計(jì)。尺寸小、價(jià)格低、帶寬大。適合于頻率較低的微波集成電路設(shè)計(jì)分布參數(shù)元件電參數(shù)隨物理長度的變化呈現(xiàn)分布性。分布參數(shù)電路可以用傳輸線來建模。2.2.1集總參數(shù)模型集總參數(shù)模型–傳輸線等效電路2.2.2分布參數(shù)模型分布電感：L–H/m分布電容：C–F/m分布電阻：R-Ω/m分布電導(dǎo)：G–S/m微帶傳輸線基板材料微帶傳輸線微帶傳輸線微帶傳輸線微帶傳輸線微帶傳輸線微帶傳輸線微帶線的綜合微帶傳輸線微帶線的綜合微帶傳輸線微帶傳輸線的工程計(jì)算（分析與綜合）微帶線的分析微帶線的綜合電磁場理論精密的實(shí)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)解析式微帶傳輸線的工程計(jì)算（分析與綜合）2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4微帶線不均勻結(jié)構(gòu)建模金絲鍵合連接結(jié)構(gòu)三種絲線連接結(jié)構(gòu)的簡化模型金絲鍵合結(jié)構(gòu)建模2.2.4MMIC不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4MMIC不均勻結(jié)構(gòu)建模2.2.4MMIC不均勻結(jié)構(gòu)建模作業(yè)-1用Matlab編寫微帶線分析和綜合程序，并計(jì)算：

1）基片厚度1.27mm，相對介電常數(shù)2.2的50歐姆微帶線的寬度；

2）基片相對介電常數(shù)2.55的微帶線，W/h在0.5-10.0之間變化時(shí)，特性阻抗Z0的曲線。要求：

1）程序流程圖；

2）程序代碼及注釋；

3）運(yùn)行結(jié)果。2.3微波半導(dǎo)體器件模型微波半導(dǎo)體器件模型分類（建模方法）方法種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)基于物理數(shù)值模型理論上準(zhǔn)確;適用于各種物理結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)；可以預(yù)研究器件。過分耗機(jī)時(shí)，在CAD應(yīng)用中正在完善；準(zhǔn)確度依賴模型，精度有所局限。解析模型非常適合器件設(shè)計(jì)，尤其是MMIC設(shè)計(jì)和特性模擬。適用CAD技術(shù)由于加工過程中不可預(yù)知因素（缺陷等），因此必須以測量的方法確定其元件值及特性；精度較差?；跍y量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃唵?，比較準(zhǔn)確，適用于CAD技術(shù)。應(yīng)用最為廣泛。

必須制造出用于測試的器件為前提，不適合超前器件的研究。表格模型模型精確，易于建模，通用性好。測試數(shù)據(jù)多；會(huì)出現(xiàn)收斂、可微等問題；模型精度依賴測試數(shù)據(jù)的精度；不能對器件預(yù)研。微波半導(dǎo)體器件模型分類（功能）BJT,HBTMESFET,MOSFETHEMT(pHEMT,mHEMT)PNDiodePINDiodeVaractorDiodeSchottkeyDiode小信號(hào)分析：有源電路小信號(hào)分析是假設(shè)輸入交流信號(hào)的幅度起伏偏離恒定偏壓值（或在附近波動(dòng)）一個(gè)小量級(jí)，其偏離量對器件的工作特性影響非常小，認(rèn)為其工作狀態(tài)是線性的。大信號(hào)分析：有源電路大信號(hào)分析方法是在輸入大幅值交流信號(hào)時(shí)器件的工作區(qū)域覆蓋了大部分非線性區(qū)，甚至部分進(jìn)入了非線性區(qū)，從而引起了器件的非線性工作狀態(tài)。一個(gè)大信號(hào)放大器可設(shè)計(jì)為A類工作方式（相對表現(xiàn)為線性），此時(shí)可利用小信號(hào)S參量的修正公式進(jìn)行分析；也可設(shè)計(jì)為AB類、B類或C類工作凡是，但此時(shí)器件已表現(xiàn)為非線性特性，故在進(jìn)行這類放大器設(shè)計(jì)之前，必須先要獲得晶體管的高功率特性。微波半導(dǎo)體器件大信號(hào)模型和小信號(hào)模型2.3.1微波半導(dǎo)體二極管模型PN結(jié)：結(jié)電容高，不適合高頻應(yīng)用。肖特基（金屬-半導(dǎo)體）結(jié)：結(jié)電容低，適合高頻應(yīng)用。管殼等效電路元件Cp和Lr可用測量開路和短路管殼的阻抗求出。2.3.2微波半導(dǎo)體晶體管模型網(wǎng)絡(luò)分析儀(S參數(shù))非線性模型小信號(hào)等效電路模型非線性柵源、柵漏電容模型近似線性元件值非線性漏源電流模型擊穿特性模型色散模型溫度相關(guān)模型I-V測試儀(I-V特性)參考文獻(xiàn)實(shí)測數(shù)據(jù)小信號(hào)等效電路模型MESFET器件經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚆ESFET小信號(hào)等效電路模型小信號(hào)模型參數(shù)提取步驟外部寄生參數(shù)提取通過特定的測試方法確定本征參數(shù)提取通過網(wǎng)絡(luò)矩陣?yán)碚搫冸x外部寄生參數(shù)后獲得參數(shù)優(yōu)化與實(shí)測的器件S參數(shù)擬合小信號(hào)模型ADS中的優(yōu)化模型和與實(shí)測結(jié)果的對比小信號(hào)模型的局限小信號(hào)模型只能用于器件的S參數(shù)仿真，用來計(jì)算器件的小信號(hào)增益、噪聲等特性，而不能用于計(jì)算器件的諧波特性、1dB功率壓縮點(diǎn)（P1dB）、三階交調(diào)遮斷點(diǎn)（IP3）等非線性重要參數(shù)，因此需建立器件的非線性模型。但是，另一方面小信號(hào)模型可以利用倒推（bottom-up）技術(shù)推導(dǎo)出大信號(hào)等效電路模型。因此，準(zhǔn)確建立小信號(hào)等效電路模型是微波功率MESFET大信號(hào)建模，以及MESFET器件應(yīng)用的首要工作。MESFET非線性等效電路模型擊穿特性模型非線性柵源、柵漏電容非線性漏源電流MESFET非線性等效電路模型色散模型自熱效應(yīng)模型HEMT非線性等效電路模型常見的FET非線性模型模型/時(shí)間I-V模型優(yōu)點(diǎn)不足參數(shù)精度導(dǎo)數(shù)連續(xù)色散Curtice-Cubic（1985）6比較高否級(jí)聯(lián)RC簡單，使用于工程CAD應(yīng)用。沒有考慮自熱效應(yīng)，Ids立方多項(xiàng)式外推精度差；色散模型不夠；是有條件夾斷Marterka（1983）5比較高否級(jí)聯(lián)RC簡單，軟夾斷。沒有考慮自熱效應(yīng)，色散和QV模型過于簡單Statz(1987)5比較差否級(jí)聯(lián)RC電容的模擬非常準(zhǔn)確。閥值電壓與Vds無關(guān)。色散模型不夠。TriQuint（1990）改進(jìn)TOM模型（1997）TOM3模型（1999）6高否Ibd簡單。色散模型較好不適合脈沖數(shù)據(jù)，所以RFI-V的模擬不夠精確。Angelov/Chalmers(1992)Chalmers(1996)>8高是級(jí)聯(lián)RC簡單QV方程與路徑無關(guān)。色散模型不夠。Parker（1997）7高是級(jí)聯(lián)RC簡單，精度高色散模型不夠。模型在商用軟件中的嵌入SDD模型編程模型在ADS中仿真原理圖SDD模型編程ADS中用戶可以利用符號(hào)定義器件（symbolicdefineddevices)建立非線性器件模型。該器件可以在原理圖中輸入，通過定義端口數(shù)，端口電壓，端口電流，建立起器件模型。建立的模型可以在ADS中的任意仿真器中使用。模型在商用軟件中的嵌入商用模型庫（FoundryDesignKit）商用模型庫的結(jié)構(gòu)DevicedatabookDevices:NPN,MOSFET,Varactordiode,MIM,Inductors,Resistors….Devicemodeltohardwarecorrelationdata:DC,AC,Noise,Ft….DesignmanualLayoutrulesElectricaldesignrulesReliabilityrulesUser’sGuidetoDesignSystemsSupporteddesignsystemsFoundrydesignkits模型庫的安裝模型的適用范圍模型的適用范圍模型的適用范圍模型的適用范圍版圖模型與器件工藝2.3.3單向化等效模型2.3.3單向化等效模型2.3.3單向化等效模型通過S參數(shù)，可以表示出管子的輸入和輸出反射系數(shù)2.3.3單向化等效模型2.3.3單向化等效模型2.3.3單向化等效模型例2-12.3.3單向化等效模型2.3.3單向化等效模型2.3.3單向化等效模型元器件值確定后可確定單向化等效電路模型：例2-12.3.4數(shù)據(jù)擬合法數(shù)據(jù)擬合法通常采用最小二乘法將離散頻率上每個(gè)S參數(shù)元素的測試值用兩個(gè)實(shí)數(shù)多項(xiàng)式擬合，從而得到S參數(shù)以頻率為變量的連續(xù)函數(shù)，并將它作為管子的數(shù)學(xué)模型。單向化模型數(shù)據(jù)擬合模型等效電路模型數(shù)學(xué)表達(dá)式模型直接建立數(shù)據(jù)擬合法基本原理數(shù)據(jù)擬合法基本原理數(shù)據(jù)擬合法基本原理數(shù)據(jù)擬合法基本原理數(shù)據(jù)擬合法基本原理數(shù)據(jù)擬合法基本原理對晶體管S矩陣中的每個(gè)元素都進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，即可得到晶體管S參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式模型：其它擬合方式：樣條函數(shù)柯西函數(shù)插值模型映射關(guān)系建立模型的一些方式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法（NN)包含兩層人工神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

三層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立微波器件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模一般流程圖建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要步驟就是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使之可以很好的表達(dá)實(shí)際器件模型的輸入輸出映射關(guān)系。訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的是調(diào)整權(quán)值w，使得誤差函數(shù)最小化。更新權(quán)值的方式主要有back-propagation算法、Levenberg-Marquardt算法和quasi-Newton算法等。模型映射關(guān)系建立模型的一些方法建模實(shí)例LTCCfilter建模第一步:將LTCC濾波器結(jié)構(gòu)劃分為三種子結(jié)構(gòu)：單個(gè)諧振器諧振頻率結(jié)構(gòu)、級(jí)間耦合結(jié)構(gòu)和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)。這樣是為了避免對濾波器建立整體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能夠減小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大小，降低模型所需要的訓(xùn)練數(shù)據(jù)量，提高模型的精度。第二步：用電磁仿真軟件HFSS對每種子結(jié)構(gòu)提取所需要的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的耦合機(jī)制合理的選擇輸入輸出變量，避免模型產(chǎn)生多值問題。第三步：把電磁仿真訓(xùn)練出的正模型的相應(yīng)數(shù)據(jù)做輸入和輸出對換，構(gòu)成訓(xùn)練反向模型所需要的數(shù)據(jù)形式。第四步：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練環(huán)境，為三種子結(jié)構(gòu)分別訓(xùn)練三個(gè)反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)子模型。模型映射關(guān)系建立模型的一些方式模型映射關(guān)系建立模型的一些方式模型適用范圍為，中心頻率3至8GHz，相對帶寬5%至20%。模型映射關(guān)系建立模型的一些方式支持向量機(jī)回歸(SVR)特點(diǎn)：統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論(SLT，Statisticallearningtheory)SVR是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)有限樣本在學(xué)習(xí)精度和學(xué)習(xí)能力之間尋求最佳期望，獲得最好的推廣能力。特征空間映射結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化模型映射關(guān)系建立模型的一些方式建模實(shí)例帶狀線-帶狀線層間互連模型為了建模方便，引入兩個(gè)變量a/b模型輸入模型輸出模型映射關(guān)系建立模型的一些方式模型映射關(guān)系建立模型的一些方式3.空間映射