微波电路CAD-重庆邮电大学-0

1、微波电路微波电路CAD 主 讲 ：王王 斌斌 光电工程学院光电工程学院自我介绍自我介绍个人经历个人经历所教授课程所教授课程研究方向研究方向联系方式联系方式上课时间及注意事项上课时间及注意事项上课时间：周四上课时间：周四 5-75-7节节 课间休息课间休息1010分钟分钟 地点：地点：23022302注意事项：注意事项：1.1.教材：教材：射频与微波工程实践导论射频与微波工程实践导论 射频通信电路射频通信电路课程的基本要求课程的基本要求2.2.日常要求：日常要求： 按时上课，不得迟到、早退、无故旷课、按时上课，不得迟到、早退、无故旷课、说话说话 保质保量的完成作业，按时交作业。保质保量的完成作业

2、，按时交作业。 * *按学校规定作业或到课率少于按学校规定作业或到课率少于1/31/3者，取消考试资格。者，取消考试资格。3.3.考核：考核：平时成绩平时成绩3030期末考试成绩期末考试成绩70%70% 闭卷，闭卷，2 2小时小时课程的基本要求课程的基本要求0.引言引言l微波与射频技术 微波与射频技术在国民经济各个方面广泛应用，如：网络微波与射频技术在国民经济各个方面广泛应用，如：网络设备、通信、雷达、集成电路、印刷电路板设计、医疗电子设备、通信、雷达、集成电路、印刷电路板设计、医疗电子系统、电磁兼容等领域。与早期定位于波导和场论相比，现系统、电磁兼容等领域。与早期定位于波导和场论相比，现代微

3、波工程中占支配地位的内容是代微波工程中占支配地位的内容是微波电路分析微波电路分析。大多数微。大多数微波工程师从事平面结构元件和集成电路设计所使用的基本工波工程师从事平面结构元件和集成电路设计所使用的基本工具是具是微波微波CAD（计算机辅助设计）软件（计算机辅助设计）软件和网络分析仪，因此和网络分析仪，因此微波工程的学习重点逐渐转移到网络分析、平面电路和元器微波工程的学习重点逐渐转移到网络分析、平面电路和元器件及有源电路设计方面。件及有源电路设计方面。课程框架课程框架l微波电路分析基础微波无源电路微波无源电路(无半导体器件或电真空器件无半导体器件或电真空器件)： 微波网络参量，微波网络元件，功率

4、分配器，定向耦合器，微波网络参量，微波网络元件，功率分配器，定向耦合器，滤波器，匹配电路；滤波器，匹配电路；微波有源电路微波有源电路(有半导体器件或电真空器件有半导体器件或电真空器件)： 微波晶体管器件，微波场效应器件，微波电真空器件，微波微波晶体管器件，微波场效应器件，微波电真空器件，微波系统。系统。l微波电路CAD 运用微波设计软件设计具体的微波电路及微波系统。运用微波设计软件设计具体的微波电路及微波系统。课程目标课程目标 l微波电路分析 了解并掌握微波无源电路及有源电路的常用分析方法了解并掌握微波无源电路及有源电路的常用分析方法,针针对具体微波电路进行分析。对具体微波电路进行分析。l微波

5、电路CAD 学会几种常用微波设计软件的仿真设计。重点掌握运用学会几种常用微波设计软件的仿真设计。重点掌握运用ADS (Agilent公司公司)和和HFSS (Ansoft公司公司)软件进行几个专题软件进行几个专题的射频微波电路设计。的射频微波电路设计。 微波微波CAD软件与电磁场的数值算法密切相关，所有的数软件与电磁场的数值算法密切相关，所有的数值算法都是建立在值算法都是建立在Maxwell方程组之上的。在方程组之上的。在频域频域，数值算法，数值算法有：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) 、边界元法、边界元法(Boundary Element Method) 和传输线法和传输线法(Transmission Line matrix Method);在在时域时域，数值算法有：，数值算法有：时域有限差分法时域有限差分法(Finite Difference Time Domain)和和有限积分法有限积分法(Finite Integration Technology)。微波微波CAD软件与电磁场数值计算软件与电磁场数值计算常见的数值方法常见的数值方法l频域：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)边界元法边界元法(BEM)(BEM)传输线法传输线法(TLM)(TLM)l时域：时域有限差分法时域有限差分法(FDTD)(FDTD)有限积分法有限积分法(FIT)(FIT)矩量法矩量法 矩量法矩量法(MOM)(MOM)是将是将MaxwellMaxwell积分方程化为差分方程，或将积积分方程化为差分方程，或将积分方程中积分化为有限求和，从而建立代数方程组，并用计分方程中积分化为有限求和，从而建立代数方程组，并用计算机求解代数方程组。它是一种函数空间中的近似方法。算机求解代数方程组。它是一种函数空间中的近似方法。 矩量法可以矩量法可以对任意结构形状的物体上的电流结构建模，直对任意

8、结构形状的物体上的电流结构建模，直接求出接求出电流电流的精确分布的精确分布，故特别适合于电磁兼容、天线辐射、，故特别适合于电磁兼容、天线辐射、雷达工作等问题的研究。一般其辐射条件允许求解在辐射物雷达工作等问题的研究。一般其辐射条件允许求解在辐射物体外的任何地点的体外的任何地点的E E和和H H场。场。 矩量法对内部区域建模问题困难较大，在非均匀媒质中会矩量法对内部区域建模问题困难较大，在非均匀媒质中会遇到困难，要用大量的内部资源。遇到困难，要用大量的内部资源。时域有限差分法时域有限差分法 时域有限差分法时域有限差分法(FDTD)(FDTD)是将时域是将时域MaxwellMaxwell方程组的两

9、个旋度方程方程组的两个旋度方程中关于空间变量和时间变量的偏导数用差商近似，从而将其转换为中关于空间变量和时间变量的偏导数用差商近似，从而将其转换为离散网格节点上的时域有限差分方程。加入时域脉冲激励后，在时离散网格节点上的时域有限差分方程。加入时域脉冲激励后，在时间迭代就可直观地模拟出脉冲在求解区域上传播、反射和散射的过间迭代就可直观地模拟出脉冲在求解区域上传播、反射和散射的过程，进而采用程，进而采用FFTFFT将时域响应变换到频域就可获得所希望的各种电将时域响应变换到频域就可获得所希望的各种电参数，如无源电路的散射参数、天线的辐射特性、散射体的雷达散参数，如无源电路的散射参数、天线的辐射特性、

10、散射体的雷达散射截面射截面(RCS)(RCS)等。等。 时域有限差分法可以时域有限差分法可以直接求解直接求解MaxwellMaxwell方程方程，不需要存储空间形，不需要存储空间形状参数，很容易对非均匀媒质的场问题建模，对内部复杂介质问题状参数，很容易对非均匀媒质的场问题建模，对内部复杂介质问题也可以有效地进行建模。也可以有效地进行建模。 时域有限差分法对无边界问题需要吸收边界条件处理，计算密集时域有限差分法对无边界问题需要吸收边界条件处理，计算密集型问题有数值色散误差，内存量消耗大。而时域有限差分法在计算型问题有数值色散误差，内存量消耗大。而时域有限差分法在计算场传播和电磁分布等参数方面也比

11、较困难。场传播和电磁分布等参数方面也比较困难。有限元法有限元法 有限元法有限元法(FEM)(FEM)是以变分原理为基础发展起来的一种高效是以变分原理为基础发展起来的一种高效能计算方法。它将大结构划分为有限个小单元，再用比较简能计算方法。它将大结构划分为有限个小单元，再用比较简单的函数表示每个单元的解，边界条件只在集合体中的方程单的函数表示每个单元的解，边界条件只在集合体中的方程中引入，只需要考虑强迫边界条件。中引入，只需要考虑强迫边界条件。 有限元法求解工程电磁场问题，可有限元法求解工程电磁场问题，可将物体的几何尺寸和电将物体的几何尺寸和电尺寸特性分开定义和处理尺寸特性分开定义和处理，可以克服

12、时域有限差分，可以克服时域有限差分(FDTD)(FDTD)中中必需的阶梯建模空间问题，适合于分析较复杂的结构，对内必需的阶梯建模空间问题，适合于分析较复杂的结构，对内部部EMEM问题和非均匀媒质问题建模也很有效。问题和非均匀媒质问题建模也很有效。 有限元法对无边界问题需要对边界进行建模，计算密集型有限元法对无边界问题需要对边界进行建模，计算密集型和处理开放区域上未知场点时很难处理，内存量消耗也很大。和处理开放区域上未知场点时很难处理，内存量消耗也很大。数值解法根据空间变量分类数值解法根据空间变量分类l一维(1D)解法 (传输线解，SPICE程序) 适用范围：场和源都是一维空间变量的函数。适用范

13、围：场和源都是一维空间变量的函数。 典型应用：传输线；平面波和电路等。典型应用：传输线；平面波和电路等。l二维(2D)解法 (MOM,TLM,FEM,FDTD) 适用范围：场和源都是二维空间变量的函数。适用范围：场和源都是二维空间变量的函数。 典型应用：典型应用：TETE1010矩形波导；矩形波导；TEMTEM波同轴线等。波同轴线等。l二维半(2.5D)解法 (MOM,TLM,FEM,FDTD) 适用范围：场是三维空间变量的函数，源是二维空间变量的函数。适用范围：场是三维空间变量的函数，源是二维空间变量的函数。 典型引用：平面传输线典型引用：平面传输线( (微带线，共面波导微带线，共面波导)

14、)、平面结构天线和多层结构器、平面结构天线和多层结构器件件(LTCC)(LTCC)等。等。l三维 (3D)解法 (FDM,MOM,TLM,FEM,FDTD,FIT) 适用范围：场和源都是三维空间变量的函数。适用范围：场和源都是三维空间变量的函数。 典型应用：可以求解所有的电磁场问题。典型应用：可以求解所有的电磁场问题。常用仿真软件常用仿真软件l系统仿真软件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电磁场仿真

15、软件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)微波工程类问题分析的一般过程微波工程类问题分析的一般过程 微波微波CAD常用软件介绍常用软件介绍 微波仿真软件微波仿真软件数值算法数值算法简简 介介ADS(Advance Design system)矩量法矩量法(MoM)Agilent公司产品：线性公司产品：线性/非线非线性电路仿真；数字电路仿真；性电路仿真；数字电

16、路仿真；信号系统分析信号系统分析、仿真。、仿真。Ansoft HFSS有限元法有限元法(FEM)Ansoft公司产品：三维电磁仿公司产品：三维电磁仿真。电磁场数值解和开边界问真。电磁场数值解和开边界问题；近远场辐射问题；特征阻题；近远场辐射问题；特征阻抗抗、传输常数及、传输常数及S参数计算；参数计算；结构的本征模或谐振解。结构的本征模或谐振解。Ansoft Designer矩量法矩量法(MoM)Ansoft公司产品：线性公司产品：线性/非线性非线性电路仿真；电路仿真；2.5维平面电路高维平面电路高频仿真；信号系统分析频仿真；信号系统分析、仿真。、仿真。CST有限积分法有限积分法(FIT)CST

17、公司产品：三维电磁仿真；公司产品：三维电磁仿真；微波电路仿真；温度场仿真等微波电路仿真；温度场仿真等协同仿真。协同仿真。XFDTD时域有限差分法时域有限差分法(FDTD)REMCOM公司产品：三维电公司产品：三维电磁仿真；无线磁仿真；无线、微波电路仿真；、微波电路仿真；雷达散射、化学、光学和生物雷达散射、化学、光学和生物组织仿真组织仿真 。微波微波CAD其它软件介绍其它软件介绍 微波仿真软件微波仿真软件数值算法数值算法微波仿真软件微波仿真软件数值算法数值算法Momentum(Agilent公司公司)矩量法矩量法(MoM)EMPIRE(IMST公司公司)时域有限差分法时域有限差分法(FDTD)E

18、nsemble(Ansoft公司公司)矩量法矩量法(MoM)Fiedelity(Zeland公司公司)时域有限差分法时域有限差分法(FDTD)Mafia(CST公司公司)有限积分法有限积分法(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)是美国是美国Agilent 公司推出的公司推出的微波电路和通信系统的仿真设计软件。它是当今业界最流行微波电路和通信系

19、统的仿真设计软件。它是当今业界最流行的的微波射频电路微波射频电路、通信系统通信系统和和RFIC设计软件，也是国内高设计软件，也是国内高校、科研院所和大型校、科研院所和大型IT公司使用最多的软件之一。公司使用最多的软件之一。 ADS软件范围涵盖了小至元器件软件范围涵盖了小至元器件,大到系统级的设计和分析，大到系统级的设计和分析，主要包括主要包括RFIC设计软件、设计软件、RF电路板设计软件、电路板设计软件、DSP专业设专业设计软件、通讯系统设计软件以及微波电路设计软件。计软件、通讯系统设计软件以及微波电路设计软件。 ADS软件仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数软件仿真手段丰富多样，可实现

20、包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。计工具。 ADS软件可应用于整个现代通信系统及其子系统，能对通信系统进软件可应用于整个现代通信系统及其子系统，能对通信系统进行快速、便捷、有效的设计和仿真。这是以往任何自动设计软件都不能行快速、便捷、有效的设计和仿真。这是以往任何自动设计软件都不能够的。所以，够

21、的。所以，ADS已被广大电子工程技术人员接受，应用也愈加广泛。已被广大电子工程技术人员接受，应用也愈加广泛。 ADS功能非常强大，对整个现代通信系统及其子系统的设计和仿真功能非常强大，对整个现代通信系统及其子系统的设计和仿真提供支持。主要应用有以下几个主要方面：提供支持。主要应用有以下几个主要方面： 射频和微波电路的设计（包括射频和微波电路的设计（包括RFIC、RF Board） DSP设计设计 通信系统的设计通信系统的设计 向量仿真向量仿真每个设计本身又包括以下几个内容：每个设计本身又包括以下几个内容： 绘制原理图绘制原理图 系统仿真系统仿真 布局图布局图 Pspice原理图原理图ADS H

22、FSS软件是美国软件是美国Ansoft公司推出的适用于射频、无线通信、公司推出的适用于射频、无线通信、封装及光电子设计的任意形状封装及光电子设计的任意形状三维电磁场仿真软件三维电磁场仿真软件。Ansoft HFSS是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，它为是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，它为射频射频、无无线通信线通信、封装封装及及光电子产品光电子产品新功能的开发提供高效的研究手段。新功能的开发提供高效的研究手段。本软件彻底摆脱了传统的设计模式，大大减少了研制费用和时本软件彻底摆脱了传统的设计模式，大大减少了研制费用和时间，加快产品进入市场的步伐。间，加快产品进入市场的步伐。HFSS提供了

23、一简洁直观的用户提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器、拥有空前电性能分析能力设计界面、精确自适应的场求解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和参数和全波电磁场。全波电磁场。 HFSSHFSS HFSS功能非常强大功能非常强大,主要应用有以下几个主要方面：主要应用有以下几个主要方面：1.射频和微波器件设计射频和微波器件设计 HFSS能够快速精确地计算各种射频能够快速精确地计算各种射频/微波部件的电磁特性，得到微波部件的电磁特性，得到S参数、参数、传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标

24、，并进行容差分析，帮助传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进行容差分析，帮助工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性，包括：波导器件、滤波工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性，包括：波导器件、滤波器、转换器、耦合器、功率分配器、转换器、耦合器、功率分配/和成器，铁氧体环行器和隔离器、腔体等。和成器，铁氧体环行器和隔离器、腔体等。 2.电真空器件设计电真空器件设计 在电真空器件如行波管、速调管、回旋管设计中，在电真空器件如行波管、速调管、回旋管设计中，HFSS本征模式求解本征模式求解器结合周期性边界条件，能够准确地方针器件的色散特性，得到归一化相速器结合周期性边界条件，能够准确地方针器件的色散特性，得到归一化相速与频率关系，以及结构中的电磁场分布，包括与频率关系，以及结构中的电磁场分布，包括H场和场和E场，为这