實驗一 匹配電路仿真與設(shè)計

實驗一匹配電路仿真與設(shè)計第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二掌握阻抗匹配、共軛匹配的原理掌握集總元件L型阻抗抗匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配機(jī)理掌握并(串)聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器、λ/4阻抗變換器匹配機(jī)理了解ADS軟件的主要功能特點(diǎn)掌握Smith原圖的構(gòu)成及在阻抗匹配中的應(yīng)用了解微帶線的基本結(jié)構(gòu)一、實驗?zāi)康牡诙?，共四十七頁，編輯?023年，星期二信號源的輸出功率取決于Us、Rs和RL。在信號源給定的情況下，輸出功率取決于負(fù)載電阻與信號源內(nèi)阻之比k。當(dāng)RL=Rs時可獲得最大輸出功率，此時為阻抗匹配狀態(tài)。無論負(fù)載電阻大于還是小于信號源內(nèi)阻，都不可能使負(fù)載獲得最大功率，且兩個電阻值偏差越大，輸出功率越小。二、基本阻抗匹配理論第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二1.共軛匹配：

當(dāng)，源輸出功率最大，稱作共軛匹配。

若，需在負(fù)載和信號源之間加一個阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，將負(fù)載阻抗變換為信號源阻抗的共軛。第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二2.阻抗匹配：λ/4阻抗變換器第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二b).等ρ圓順時針旋轉(zhuǎn)與g=1的圓交于B點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)長度為d（接入點(diǎn)的位置）6調(diào)配原理y(左)=1=y(右)+jby(右)=1-jb調(diào)配過程a).yL于A點(diǎn)BAc).B點(diǎn)的虛部為jb，并聯(lián)支節(jié)的電納為-jb，則匹配d).–jb于E點(diǎn)，則支線電長度為l（短路線）bd-blE并(串)聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器y(左)y(右)第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使Zs=(25－j*25)Ohm信號源與ZL=(100－j*25)Ohm的負(fù)載匹配，頻率為500MHz。例1：分立器件LC匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二三、ADS仿真步驟第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二元件庫列表元件列表原理圖編輯區(qū)選擇的元件第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗與該值共軛選擇時網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗與該值相等選擇時網(wǎng)絡(luò)輸出阻抗與該值共軛第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二先選并聯(lián)C，鼠標(biāo)移至圓圖區(qū)，負(fù)載變?yōu)锳點(diǎn)時單擊左鍵；再選串聯(lián)電感L，負(fù)載移至?xí)r，單擊左鍵完成匹配。改變可移動目標(biāo)阻抗A第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二仿真結(jié)果第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二設(shè)計L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使Zs=(46－j×124)Ohm信號源與ZL=(20+j×100)Ohm的負(fù)載匹配，頻率為2400MHz.練習(xí)第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二設(shè)計微帶單枝節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)，使ZS=(55－j*40)Ohm信號源與ZL=(30+j*50)Ohm的負(fù)載匹配，頻中心頻率為1.5GHz例2：微帶單枝節(jié)短截線匹配電路的設(shè)計第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二100%出現(xiàn)后，Close該對話框第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二

在工具欄單擊“DeactiveorActive”控件，然后單擊2個“地”、2個“Term”，“SP”控件，使它們失效，就不會出現(xiàn)在所生成的版圖中。11.匹配電路的版圖生成第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二

執(zhí)行菜單命令【Layout】->【Generate/UpdateLayout】，彈出一個設(shè)置對話框，這里應(yīng)用其默認(rèn)設(shè)置，直接單擊OK。第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二設(shè)計微帶單枝短截線線匹配電路，使MAX2660的輸出阻抗ZS=（126-j*459）Ohm與ZL=50Ohm的負(fù)載匹配，頻率為900MHz.

微帶線板材參數(shù)：

相對介電常數(shù)：2.65

相對磁導(dǎo)率：1.0

導(dǎo)電率：1.0e20

損耗角正切：1e-4

基板厚度：1.5mm

導(dǎo)帶金屬厚度：0.01mm練習(xí)第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二常用的微波/射頻EDA仿真軟件有哪些？用ADS軟件進(jìn)行匹配電路設(shè)計和仿真的主要步驟有哪些？給出兩種典型微波匹配網(wǎng)絡(luò)，并簡述其工作原理。畫出微帶線的結(jié)構(gòu)圖，若導(dǎo)帶寬度w、εr增大，其特征阻抗Z0如何變化？寫出實驗體會和建議。四、思考題第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二微波/射頻系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)雜，對電路的指標(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)計周期卻越來越短。傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計的需要，使用微波/射頻EDA(ElectronicDesignAutomation)軟件工具進(jìn)行微波/射頻元器件與微波/射頻系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)成為微波/射頻電路設(shè)計的必然趨勢。目前，國外各種商業(yè)化的微波/射頻EDA軟件工具不斷涌現(xiàn)，微波/射頻領(lǐng)域主要的EDA工具有Agilent公司的ADS軟件和Ansoft公司的HFSS、Designer軟件，MicrowaveOffice,AnsoftSerenade,CST等微波/射頻電路設(shè)計軟件，還有Smith圓圖軟件Winsmith等。附錄：常用微波/射頻EDA軟件簡介微波/射頻EDA仿真軟件與電磁場的數(shù)值算法密切相關(guān)，所有的數(shù)值算法都是建立在Maxwell方程組之上的，了解Maxwell方程是學(xué)習(xí)電磁場數(shù)值算法的基礎(chǔ)。在頻域，數(shù)值算法有有限元法(finiteelementmethod,FEM)、矩量法(methodofmoments,MOM)、差分法(finitedifferencemethod,FDM)、邊界元法(boundaryelementmethod,BEM)和傳輸線法(transmissionlinematrixmethod,TLM)；在時域，數(shù)值算法有時域有限差分法(finitedifferencetimedomain,FDTD)和有限積分法(finiteintegrationtechnology,FIT)。第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二其中，使用矩量法(MOM)的微波/射頻EDA仿真軟件有ADS、AnsoftDesigner、MicrowaveOffice、AnsoftEsemble、SuperNEC和FEKO；使用有限元(FEM)的微波/射頻EDA仿真軟件有HFSS和Ansys；使用時域有限差分法(FDTD)的微波/射頻EDA仿真軟件有EMPIRE和XFDTD；使用有限積分法(FIT)的微波/射頻EDA仿真軟件有CSTMicrowaveStudio和CSTMafia等。

下面介紹幾種較流行的微波/射頻EDA仿真軟件的功能和應(yīng)用：第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二1.ADSADS(AdvancedDesignSystem)軟件是在HPEESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善起來的大型綜合設(shè)計軟件，是美國安捷倫（Agilent）公司開發(fā)推出的大型綜合設(shè)計軟件，是微波/射頻電路和通信系統(tǒng)基于矩量法的仿真軟件，是國內(nèi)各大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)使用最多的軟件之一。其功能非常強(qiáng)大，仿真手段豐富多樣，可實現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真手段，并可對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計效率，是非常優(yōu)秀的微波/射頻電路、系統(tǒng)信號鏈路的設(shè)計工具。主要應(yīng)用于：各種形式的微波/射頻電路設(shè)計；通信系統(tǒng)的設(shè)計；DSP設(shè)計和向量仿真；可從最簡單到最復(fù)雜，從離散微波／射頻模塊到集成MMIC的設(shè)計；從電路元件的仿真，模式識別的提取等。該軟件還提供了一種新的濾波器的設(shè)計引導(dǎo)，可以使用智能化設(shè)計規(guī)范的用戶界面來分析和綜合微波／射頻回路集總元濾波器，并可提供對平面電路進(jìn)行場分析和優(yōu)化功能。它允許工程師定義頻率范圍，材料特性，參數(shù)的數(shù)量和根據(jù)用戶的需要自動產(chǎn)生關(guān)鍵的無源器件模式。該軟件范圍涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級的設(shè)計和分析。是設(shè)計人員的有效工具。第四十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二2.AnsoftDesignerAnsoftDesigner是Ansoft公司推出的微波／射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件。它采用了新視窗技術(shù)，可將射頻電路系統(tǒng)、版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一設(shè)計環(huán)境。這種集成不是簡單的界面集成，其關(guān)鍵是AnsoftDesigner獨(dú)有的“按需求解”的技術(shù)，即能夠根據(jù)需要選擇求解器，從而實現(xiàn)對設(shè)計過程的完全控制。AnsoftDesigner還能方便地與其它設(shè)計軟件集成到一起，并可以和測試儀器連接，完成各種設(shè)計任務(wù)。主要應(yīng)用于：頻率合成器、功率分配器、合成器、放大器、混頻器、濾波器、移相器、鎖相等各種微波/射頻電路設(shè)計以及電路板和各種部件模塊設(shè)計；通信系統(tǒng)設(shè)計；雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計；微帶天線設(shè)計等。第四十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二3.AnsoftHFSSAnsoftHFSS是Ansoft公司推出的基于有限元算法的三維電磁場仿真軟件，是世界上第一個商業(yè)化的三維電磁場仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的電子設(shè)計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了簡潔、直觀的用戶界面，精確自適應(yīng)的場解器和功能強(qiáng)大的電性能分析后處理器。能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計功能。它可以計算天線增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)場3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性：包括球形場分量、圓極化場分量和軸比。由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的微波／射頻解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設(shè)計手段，覆蓋了微波／射頻設(shè)計的所有環(huán)節(jié)。第四十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二4.MicrowaveOfficeMicrowaveOffice是AWR公司推出的微波EDA軟件，為微波／射頻平面設(shè)計提供了完整、快速和精確的解答。它是通過”VoltaireXL”和”EMSight”兩個模擬器來對微波／射頻平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。該軟件采用”VoltaireXL”的模擬器來處理集總元件構(gòu)成的微波／射頻平面電路問題?！盫oltaireXL”模擬器內(nèi)設(shè)一個元件庫，在建立電路模型時，可以調(diào)出微波／射頻電路所用的元件，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。該軟件采用”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。”EMSight”模擬器是一個三維電磁場模擬程序包，可用于平面微波／射頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。其特點(diǎn)是把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，使得計算速度加快許多。它可以分析射頻集成電路(RFIC)、微波單片集成電路(MMIC)、微帶貼片天線和高速印制電路板(PCB)等電路的電氣特性。第四十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期二5.CSTMICROWAVESTUDIOCSTMICROWAVESTUDIO仿真軟件是德國CST（ComputerSimulationTechnology）公司推出的高頻三維電磁場仿真軟件，是一款基于時域有限差分算法和PC機(jī)Windows環(huán)境下的仿真軟件。是為快速、精確仿真電磁場高頻問題而專門開發(fā)的EDA工具。它主要應(yīng)用在復(fù)雜設(shè)計和更高的諧振結(jié)構(gòu)。微波工作室可以通過散射參數(shù)使電磁場元件結(jié)合在一起，把復(fù)雜的系