ADS-HFSS教程PPT课件

1,ADS&HFSS中微波器件的设计,2013年6月,.,2,主要内容,1简要介绍两款电磁仿真软件（ADS、HFSS）2ADS中功分器建模及优化3根据ADS中设计的模型尺寸在HFSS中建模仿真4两款软件的仿真结果对比,.,3,1电磁仿真软件介绍,ADS是由美国安捷伦（Agilent）公司推出的一款基于矩量法（MoM）的射频电路仿真工具。AnsoftHFSS是Ansoft公司推出的基于有限元法（FEM）的针对高频结构的电磁仿真软件。,ADS优缺点,优点：1.ADS主要用来设计射频电路及低频无源器件，其建模方便，计算速度快，效率远超过HFSS。2.Agilent公司和各大元器件厂商广泛合作并提供最新的DesignKit给用户使用，在射频有源电路的设计上体现了其他EDA软件无法比拟的优势。缺点：1.对高频电路（毫米波以上）的仿真可靠性降低。2.如果要仿真天线等3维度上非均匀延展的结构需要全波三维求解器协助。,HFSS优缺点,优点：1.仿真精度高，操作界面方便易用，其直观的后处理器及独有的场计算器，可计算分析显示各种复杂的电磁场。2.对三维模型的支持性强，可设计任意形状的产品。缺点：1.仿真速度慢，占用内存大。2.对射频电路的支持较弱。,.,4,4,以一分二功分器为例分别在ADS和HFSS里建模仿真，功分器设计指标如下。功分器指标：工作频段：2GHz-3GHz输入输出端回波损耗：Returnloss-20dB插入损耗：Insertionloss-3.2dB输出端口隔离：Isolation-20dB,2020/6/3,5,2ADS2009中功分器设计,.,6,启动ADS进入如下界面,.,7,创建新的工程文件,点击File-NewProject设置工程文件名称（本例中为divider）及存储路径点击LengthUnit设置长度单位为毫米,.,8,工程文件创建完毕后主窗口变为下图,.,9,同时原理图设计窗口打开,.,10,生成功分器的原理图,在原理图设计窗口中选择微带电路的工具栏。窗口左侧的工具栏变为右图所示。选择微带线以及控件MSUB分别放置在绘图区中。选择画线工具将电路连接好。连接方式见下页图（本图只是提供参考，还有其它形式可供选择）。,.,11,功分器的原理图示例,.,12,设置微带电路的基本参数,这里选用Rogers4003的基板，双击图上的控件MSUB设置介质基板参数。H:基板厚度(0.508mm)Er:基板相对介电常数(3.55)Mur:磁导率(1)Cond:金属电导率(5.88E+7)Hu:封装高度(1.0e+33mm)T:金属层厚度(0.017mm)TanD:损耗角正切(2.7e-3)Roungh:表面粗糙度(0mm),.,13,微带线计算工具,功分器两边的引出线是特性阻抗为50欧姆的微带线，它的宽度W可由微带线计算工具得到。填入50Ohm可以算出微带线的线宽1.1mm。填入70.7Ohm和90deg可以算出微带线的线宽0.6mm和长度19.2mm(四分之一波长)。,.,14,设置微带器件的参数,双击每个微带线设置参数，W、L分别设为相应的变量或常量，单位mm，注意上下两臂的对称性。,.,15,添加变量,单击工具栏上的VAR图标，把变量控件VAR放置在原理图上，双击该图标弹出变量设置窗口，依次添加W，L参数。中间微带线的长度大约为四分之一波长(根据中心频率用微带线计算工具算出)，各个线宽的初始值可以用微带线计算工具算出，微带线的宽度最窄只能取0.2mm(最好取0.5mm以上)。,.,16,S参数仿真电路设置,在原理图设计窗口中选择S参数仿真的工具栏选择Term放置在功分器三个端口上，用来定义端口1、2和3，点击图标，放置三个地，并按照下页图连接好电路。选择S参数扫描控件放置在原理图中，并设置扫描的频率范围和步长，频率范围根据功分器的指标确定。,.,17,功分器完整原理图,图中起限定两端口之间的距离的作用，这里考虑功分器用0805的电阻，所以两端距离选2mm。,.,18,优化目标的设置,在原理图设计窗口中选择优化工具栏选择优化设置控件放置在原理图中，双击该控件设置优化方法及优化次数。常用的优化方法有Random(随机)、Gradient(梯度)等。随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛,.,19,功分器优化目标设置,.,20,进行参数优化,设置完优化目标后最好先把原理图存储一下，然后就可以进行参数优化了。点击工具栏中的Simulate按钮就开始进行优化仿真了。在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果(见下页图)，其中的CurrentEF表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，0表示达到了优化目标，下面还列出了各优化变量的值，当优化结束时还会打开图形显示窗口。在一次优化完成后，要点击原理图窗口菜单中的Simulate-UpdateOptimizationValues保存优化后的变量值(在VAR控件上可以看到变量的当前值)，否则优化后的值将不保存。,.,21,观察仿真曲线,优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。方法是点击原理图工具栏中的按钮，然后点击优化控件OPTIM，则控件上打了红叉表示已经被关掉。要想使控件重新开启，只需点击工具栏中的按钮，然后点击要开启的控件，则控件上的红叉消失，功能也重新恢复了。对于原理图上其他的部件，如果想使其关闭或开启，也可以采取同样的方法。点击工具栏中的Simulate按钮进行仿真，仿真结束后会出现图形显示窗口。,.,22,点击图形显示窗口左侧工具栏中的按钮，放置一个方框到图形窗口中，这时会弹出一个设置窗口(见下页图)，在窗口左侧的列表里选择S(1,1)即S11参数，点击Add按钮会弹出一个窗口设置单位(这里选择dB)，点击两次OK后，图形窗口中显示出S11随频率变化的曲线。用同样的方法依次加入S22，S21，S23的曲线。为了准确读出曲线上的值，可以添加Marker，方法是点击菜单中的Marker-New，出现InstertMarker的窗口，接着点击要添加Marker的曲线，曲线上出现一个倒三角标志，点击拖动此标志，可以看到曲线上各点的数值。,.,23,原理图仿真结果,插入损耗,输入输出端口反射系数,输出端口隔离度,.,24,版图原理图联合仿真,原理图是对理想微带的仿真，ADS提供了版图原理图联合仿真，联合仿真采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间。,.,25,首先要由原理图生成版图，生成版图前先要把原理图中用于S参数仿真的两个Term以及接地去掉，不让他们出现在生成的原理图中。去掉的方法与前面关掉优化控件的相同，都是使用按钮，把这些元件打上红叉(见下页图)。然后点击菜单中的Layout-Generate/UpdateLayout，弹出一个设置窗口，直接点OK，又出现一个窗口，再点OK，完成版图的生成，这时会打开一个显示版图的窗口，里面有刚生成的版图。,原理图生成版图,.,26,用于生成版图的原理图,.,27,ADS生成的版图,.,28,联合仿真设置步骤：,版图生成后先要设置微带电路的基本参数(即原理图中MSUB里的参数)，方法是点击版图窗口菜单中的Momentum-Substrate-UpdateFromSchematic从原理图中获得这些参数，点击Momentum-Substrate-Create/Modify可以修改这些参数。,进行S参数仿真还要给功分器添加端口（输入、输出以及电阻连接点），做法是点击工具栏上的Port按钮。,添加的端口必须设置成“内置（Internal）”型，方法是点击版图窗口菜单中的Momentum-Ports-Editor，把端口形式设成”Internal“。,.,29,执行菜单命令Momentum-Component-Creat/Update,弹出”CreatLayoutComponent“对话框，设置如下图所示。,红圈所示区域为需要注意区域,单击OK按钮，弹出对话框提示生成成功，如下图所示，单击OK，此时就可以使用生成的版图了。,新建原理图在库文件中找到刚才创建的元件，导入原理图。并在原理图上添加所有的分立器件（电阻）、输入输出端口和运行所需的控件（图见下页）。运行仿真。可以看到软件调用Momentum窗口进行网格划分，进行EM仿真。,.,30,图片点击放大,.,31,联合仿真结果,插入损耗及输出端口隔离度,输入输出端口反射系数,联合仿真结果相对于原理图仿真有一定程度恶化，但整体趋势相差不大，各项指标能满足实际需求。,.,32,2020/6/3,32,3HFSS中功分器建模仿真,.,33,功分器建模步骤：,打开AnsoftHFSS，新建一个工程文件。执行菜单DrawBox，在绘图区绘制介质基板，并设置基板材料。如下图所示。,点击”Select“,选择材料（RogersR04003）,.,34,执行菜单DrawRectangle，在基板的一个表面绘制贴片（可以用简单图形拼接，如下图所示)。,选定所有绘制的贴片，执行ModelerBooleanUnite合并图形，合并后图形如下图示。,.,35,为了减小拐角处的不连续性需要给拐角处倒角，执行菜单EditSelectVertices,在模型上选中需要倒角的顶点，执行菜单ModelerChamfer,出现”ChamferProperties”的对话框，在value值里输入需要倒角的边长。,选中需要倒角的顶点,输入倒角边长值,倒角之后的模型,.,36,设置表面贴片为理想导体：执行EditSelectObject,选中需要设置的物体（表面贴片），执行HFSSBoundariesAssignPerfectE。,设置地板为理想导体：执行EditSelectFace,选中绘制基板的地面，执行HFSSBoundariesAssignPerfectE。,.,37,添加电阻：在需要添加电阻的地方绘制一矩形（如下图红色部分），执行菜单HFSSBoundariesAssignLumpedRLC，设置集总元件属性。,选择”CurrentFlowLine”下拉列表中”NewLine”给集总元件画积分线，如下图所示,.,38,添加端口：在输入输出端绘制下图红圈所示矩形，宽度跟微带线宽一致，高度与基板厚度一致。,选中一个端口，执行HFSSExcitationsAssignLumpedPort,设置集总端口。出现下图所示对话框，点”下一步“给端口画积分线，积分线一般从到电平指向低电平。,绘制好的端口,.,39,设置辐射边界：电路外围绘制一个立方体作为求解时的辐射边界，辐射边界距电路四周一般为中心频率的四分之一波长。,选中绘制的辐射边界，执行HFSSBoundariesAssignRadiation。设置完后如下图所示。,.,40,设置求解器：执行菜单HFSSAnalysisSetupAddSoutionSetup。出现”SoutionSetup“对话框，设置中心频率、求解步数及精度，点”确定“。扫频设置：执行菜单HFSSAnalysisSetupAddFrequencySweep，设置扫描方式、扫频范围等。,.,41,检查模型的正确性：点击工具栏上图标，软件会自动检查模型的正确性，出现下图所示对话框后点击图标进行仿真。,查看仿真结果：执行菜单HFSSR