射频电路CAD-10资料

1、射频电路(dinl)CAD-10 Microwave-office 软件介绍 褚庆昕 华南理工大学电子与信息(xnx)学院 共五十七页10.1 引言(ynyn) Microwave Office（微波办公室）软件由美国AWR公司开发，是进行射频、微波电路设计及仿真的专业软件。它可以进行微波电路的线性、非线性仿真及电磁仿真，对电路进行分析、优化，还可将原理图转换为布线图，最后生成印制线路板图。Microwave Office软件有很直观的用户界面，是进行微波电路的理论研究和实际应用的强有力工具，在通信、电子等行业(hngy)的各大研究所、公司有广泛的应用。 共五十七页10.2 软件设计环境(hu

2、njng) 主菜单与工具条主菜单在软件主窗口(chungku)的顶部，包括File，Edit、Project等下拉菜单。工具条在主菜单的下一行，是一些常用选项，将鼠标放在任意图标上，会显示该按钮的说明。主窗口的左侧为浏览页，左侧底部是各浏览页的标签，共三种，点击标签即打开相应浏览页。右侧空白窗口为绘图工作区。共五十七页共五十七页Proj（工程浏览页） 点击主窗口左下部的“Proj”标签即可激活(j hu)工程浏览页，包括工程的全部选项，为分层结构，如图1所示。图1 proj浏览(li ln)页共五十七页 Proj浏览页包括：Design Notes(设计记事本) 可激活一个简单(jindn)的

3、文本编辑器，用来说明工程。Project Frequency（工程频率） 设定默认的频率范围，适用于工程中的任何线性、非线性或电磁仿真。Global Definitions（全局参数定义） 包括用来定义参数值的所有公式或方程。Data Files（数据文件) 包括已经添加到工程的所有数据文件的列表。数据文件是典型的S参数文件或其它类型的包含频域N端口参数的文件。共五十七页System Diagrams（系统列表） 用于定义系统仿真中的一些参数。Circuit Schematics（电路原理图） 包括所有添加到工程的电路原理图。每个工程可以包含多个原理图，均作为副项列在Circuit Schem

4、atics组下。EM Structures（电磁结构） 包括所有添加到工程的电磁结构。每个工程可以包含多个电磁结构。Conductor Materials项决定平面导体的材料性质，即损耗特性。可添加新的材料。Output Equations（测量输出公式） 用于在列表或图示之前(zhqin)，加快处理所有测量数据。共五十七页 Graphs（测量图） 共有六种图表类型：Rectangular（矩形图）：将测量项显示在XY轴，通常为频率。Smith Chart（史密斯圆图）：将无源阻抗或导纳显示在弧度单位的反射系数圆内。Polar（极化图）：显示测量项的幅度与角度。Histogram（柱状图）：将

5、测量项显示为柱状。Anternna Plot（天线方向图）：将扫描(方向)范围显示为角度，数据(shj)大小显示为幅度。Tabular（表格图）：将测量项列表显示，通常相对于频率。共五十七页 Optimizer goals（优化目标） 用于输入工程的期望规范值。目标可为工程中的任何测量项或输出公式。Yield Goals（成品率目标） 用于确定成品率目标的期望规范值。目标可以是工程中的任意测量项或输出公式。Output files（输出文件） 可将电路或电磁仿真结果写成标准的S参数格式。电磁结构还可生成SPICE等效电路。Wizard（设计向导(xingdo)） 用于自动设计电路、测量等，包括

6、滤波器综合向导、负载牵引向导和扫描变量向导。共五十七页Elem（元件浏览页） 单击主窗口左下部的“Elem”标签即可激活元件浏览页，如图2所示。元件浏览页分上、下两部分。上半部分是垂直排列、可展开的元器件总表，类似于窗口浏览器；各种元件分类排列，包括线性元件、非线性元件、集总元件、微带线、带状线、传输线、信号源、元件数据库以及测量仪器等； 下半部分是具体的元件模型；绘制原理图时，首先在元件浏览页上半部分选择元件类别，然后(rnhu)在下半部分选择具体的元件模型，向右侧绘图区拖放，就可以给原理图添加元件。共五十七页图2 Elem浏览(li ln)页共五十七页Layout（布线(b xin)浏览页

7、） 单击主窗口左下方的“Layout”标签即可激活布线浏览页，如图3所示。布线浏览页分上、下两部分。图3 layout浏览(li ln)页共五十七页 布线浏览页的上半部分包括： Layer Setup 双击Layer Setup项可打开一个对话窗（Layer Setup对话窗），进行绘图层的编辑，包括布线窗中所有(suyu)与绘图相关的功能。此外，右键点击该项可选择导入处理定义文件（*.lpf）。 Layout Options 双击该项可打开一个对话窗，对布线的相关选项进行编辑。 Cell Libraries 可生成、导入布线元件。元件库可按GDS或DXF格式输入。新元件可在绘图编辑器中生成，

8、并在此激活。 布线浏览页的下半部分是Draw Layers页，包括能在布线窗中激活并浏览各层的各种控制选项。 共五十七页 Layer Setup 对话窗 在Layout浏览(li ln)页双击Layer Setup项，可打开Layer Setup对话窗，如图4所示。 图4 layer setup 对话(duhu)窗共五十七页 Layer Setup对话窗包括6个标签页： Drawing Layers 包括Drawing Layers（绘图层名称）、Line Clr（线条颜色）、Fill Clr（填充颜色）、Line（线型）、Pattern（层的模式），以及Show（显示）、Fill（填充）、F

9、reeze（层锁定）等选项，可显示及隐藏各层，也可激活某层以便绘图或编辑。 Layer Mapping 包括在*.lpf文件定义的元件的模型层，在布线窗口以二维和三维显示的绘图层。控制二者之间的变换。 3D Properties 用来设置布线的三维视图(sht)。Thickness定义层的厚度，Z-position定义各层在Z轴的位置，Texture暂时不用，Opaque显示为不透明的三维视图(sht)，Blend为01之间的数，视图(sht)为透明和不透明的混合，0是完全透明，1是完全不透明。 共五十七页 EMsight Mapping 规定如何将EMsight结构层及vias变换为布线浏览

10、。EM layer用于将电磁(dinc)结构层变换为绘图层。Is Via为通过绘图层绘制EM结构。 File Layer 用于将绘图层变换为输出格式文件（GDS，DXF）。 共五十七页10.3 基本操作 工程部分 本软件的工程用来形成原理图和电磁结构图，以便(ybin)进行仿真及分析。创建及保存新工程 从主菜单中选择FileNew Project，创建一个新工程；再选FileSave Project As，则以新名称保存该工程。本软件工程是以 *.emp文件保存。软件一次只能载入一个工程。设置工程单位 从主菜单中选择OptionsProject Options，选择Global Units页，

11、通过增加或减小默认设计单位来编辑工程的全局默认单位。 共五十七页 设置工程单位(dnwi) 从主菜单中选择OptionsProject Options，选择Global Units页，通过增加或减小默认设计单位来编辑工程的全局默认单位。共五十七页原理图部分 工程浏览页中的Circuit Schematics组包括两种文件：Schematic和Netlist。Schematic：电路(dinl)原理图。工程的每个原理图在Circuit Schematics组里都有相应的原理图项。Netlist：网表图，将电路图以网表形式用文字描述。工程的每个网表在Circuit Schematics组里都有相应

12、的网表项。 共五十七页 添加(tin ji)原理图 在工程浏览页右键单击Circuit Schematics组，共五十七页 有以下选项： New：创建空白原理图 Import：导入文件，即将某文件复制并作为本工程(gngchng)的永久文件。原理图文件的扩展名为（*.SCH）,网表文件为（*.NET）。 Link：链接文件，能处理文件但不复制到工程中。该文件必须始终适于工程读取。当其他用户更新该文件时，允许当前工程保留数据不变。 共五十七页 编辑原理图 在工程浏览页的Circuit Schematics组，点右键选Options项，则显示一个(y )Circuit Options对话窗，包括:

13、 Harmonic Balance页：设置谐波平衡模拟器，包括Number of harmonics（谐波数目），iteration settings（迭代设置），Convergence（收敛标准），采样数目等选项。 Circuit Solvers页：设置电路求解器。Modeling Option页：SPICE模型提取选择。 共五十七页图5 电路(dinl)选择共五十七页添加元件 已创建(chungjin)空白原理图后，单击主窗口左下部的“Elem”标签。浏览页上部是所有的元器件总表，选中任意元件组，在浏览页下半部分则列出具体元件，选中所需项并拖放至原理图即可。 添加端口 方法1：通过主菜单。

14、选中原理图，从主菜单选SchematicAdd Port，或在工具条单击Port按钮，将所选项放入原理图。 方法2：通过元件浏览器。在Elem浏览页上部选择Ports组，下部则显示不同应用的端口列表，选中所需项并拖放至原理图。 共五十七页添加子电路元件 方法1：通过主菜单。选中原理图，从主菜单选SchematicAdd Subcircuit，或在工具条单击Sub按钮，从对话窗列表中选择数据源的名称。 注意Grouding Type选项，可控制支路接地方式。Normal为端口内部定义(dngy)接地；Explicit groud node添加一个为所有端口定义(dngy)的公共接地点；Balan

15、ced ports为每个端口有各自的接地点。点OK退出对话窗，将所选项放入原理图。 方法2：通过元件浏览页。在Elem浏览页上部选择Subcircuits组，下部则显示所有可用于支路的项目列表，选中所需项并拖放至原理图即可。 共五十七页添加(tin ji)连线 用来连接两元件的节点。将光标放在一个节点上，光标变成线圈时，左键单击此处以确定连线的起点。将光标移动到需转弯的地方，再次点左键，标出转折点。当光标移动到另一元件节点上或另一连线顶端时，点击左键，结束连线。中途放弃按Esc键。 复制与粘贴 选中任意元件、端口以及连线等，依次按Ctrl+C、Ctrl+V，可以将其复制并粘贴到原理图中，或者作

16、为元文件粘贴到Word等其它基于Windows的程序中。 添加数据文件 在Proj浏览页，右键点击Data Files项，可选择导入数据文件。可以将S参数作为数据文件添加。 共五十七页编辑元件 在原理图中双击元件数值，可以直接更改元件值。如果双击元件符号(fho)，则打开Element Options对话窗，可编辑与元件属性相关的全部参数。 Element Options对话窗 包括Parameters页、Statistics页、Display页、 Symbol页及Layout页。 Parameter页用于设置元件参数，如图6所示。 共五十七页图6 parameters 页共五十七页 Para

17、meter页包括：Name（名称(mngchng)）、Value（数值）、Units（单位）、Tune（可调谐变量）、Opt（可 优化变量）、Limit（受限变量）、Lower（下限）、Upper（上限）、Description（文字描述）等选项。 Statistics页显示元件状态，如图7所示。 图7 statistics 页共五十七页 Statistics页包括：Use（激活变量）、Opt（激活优化变量）、ln（变量误差）、Distribution（误差分布形式）等项。误差分布形式中Uniform为平均分布，Normal为高斯分布。 Display页设置元件显示状态，包括Hide（隐藏）、

18、Hide empty（隐藏未标值的参数）、Hide 2nd（隐藏第二参数）、Hide units（隐藏单位）、Hide label（隐藏标签(bioqin)）、Left justify（左对齐）、Boldface（加粗）、Description（文字描述）等选项。一般采用默认值。 Symbol页设置原理图中的元件符号。一般采用默认值。Layout页设置原理图元件在布线图中所对应的布线模型。 共五十七页端口编辑 Port（端口）编辑和普通元件编辑是一样的，双击则弹出Element Options对话窗。 选择(xunz)Element Options对话窗的Port页，可以改变端口类型，设置端口

19、类型为Source（源）或Termination（终端），并指定其它的相关属性。 共五十七页子电路编辑 子电路路也是作为普通元件进行编辑的，双击则弹Element Options对话窗。 选择Element Options对话窗的Groud页，可以设置(shzh)子电路的接地类型。 共五十七页线性仿真 线性模拟器采用节点分析来仿真一个电路的特性，适用于元件可由导纳矩阵描述的电路，如低噪声放大器、滤波器、耦合器等。生成的典型测量项为gain（增益），stability（稳定性），noise figure（噪声指数(zhsh)），reflection coefficient（反射系数），noise

20、 circles（噪声周期），gain circles（增益周期）。 线性模拟器可以快速、有效地仿真线性电路，其中一个特征就是进行实时调节，调节的同时就可以看到仿真的结果，还能进行优化（opitimize）及成品率（yield）分析。 共五十七页非线性仿真 非线性仿真采用谐波平衡法或Volterra级数源来激励电路。谐波平衡法常用于功率放大器、混频器、倍频器等非线性电路，而Volterra级数法是一种线性算法，最适于弱非线性电路，如工作在低于1dB压缩点的放大器。谐波平衡 谐波平衡仿真是测量电路的端口激励，这是与线性分析的主要区别。这就要求添加一个端口，并规定功率、频率等参数。可以定义单个及多

21、个激励端口，以产生单频及多频分析。原理图中的谐波平衡源一经确定，执行仿真时将自动(zdng)调用谐波平衡模拟器。 共五十七页单频分析 单频谐波平衡分析包括在基本频率点、基本频率的整数倍以及在直流点进行电路的仿真。要求确定基本频率及谐波的总数。 多频分析 双频及三频谐波平衡仿真用于确定在不同基本频率激励时电路的输出。双频谐波平衡分析适于混频器等电路，一个频率用于仿真本地(bnd)振荡，第二个频率用于射频输入。非线性测量 在时域、频域均可创建非线性测量，有完整的设置，包括大信号s参数、功率、电压及电流。因为谐波平衡仿真在每一个谐波上的扫频功率及频率上都能进行，这就需要确定级数来固定扫频参数。共五十

22、七页电磁仿真 电磁仿真利用麦克斯韦方程来计算物理(wl)几何结构的响应。由于可以仿真各种任意结构并提供很精确的结果，这种电磁仿真是理想的。另外，由于使用基本方程来计算响应，电磁仿真不受电路模型中的许多约束条件的限制。电磁模拟器的一个局限性是计算时间较长，仿真耗时按问题大小的指数倍增长，因此减少问题的复杂性就很重要，以及时得到结果。 共五十七页电磁仿真与电路仿真对于电路设计是互补的技术，二者可以结合起来使用，解决很多设计问题。本软件的电磁模拟器，即电磁视图（EMSight），可以仿真平面三维结构，包括多种金属及电介质层，以及各层及地之间的连接通道。电磁视图在频域采用Galerkin矩量法（MoM

23、），是分析微带线、带状线、共面结构以及各种更任意介质的极其精确的方法。适当使用可提供一直到100 MHz甚至更高频段(pn dun)的精确仿真结果，其界面如下图所示 。共五十七页共五十七页布线图 布线图是原理图的物理示意图。在设计了电路之后，重要的是如何显示布线图，以便进行加工生产。本软件布线图采用先进的面向对象的设计数据库，其原理图与布线图的创建是紧密结合的。在电路图中的每一个(y )电器元件都可以指定一个(y )布线表示式，即制版单元（artwork cell），该制版单元可以为该元件建立实际的布线对象。布线图实际上就是原理图的另一种视图，在原理图中的任何改动，都将自动且立即在布线图中更新

24、。反之也一样。这样，在执行仿真前省去了复杂的设计同步及返回注解的需要。 共五十七页特别需要注意的是，有的电路(dinl)元件，例如微带线、T接头、十字线、弯头及耦合线等常用传输线元件，在软件中有现成的布线表示式。此类元件参数可直接用于布线，所以采用参量化布线单元来布线。而另一类电路元件，主要是集总元件，例如电容、电感以及电阻等，在软件中没有现成的布线表示式，需要人为地指定。各种半导体管也需要指定布线表示式（制版单元）来布线。 共五十七页传输线计算器TXLine TXLine（传输线计算器）是Microwave Office软件自带的软件包，可以对各种传输线的电特性和物理特性进行(jnxng)相

25、互转换运算，从而免去大量繁琐的手工计算，既提高了计算精度，也解放了人力。TXLine可以计算微带线、带状线、同轴线等多种结构。 由Microwave Office软件的主菜单选择Window TXLine，即可启动TXLine，界面如图8所示。 共五十七页界面的上方为不同结构传输线的标签页，依次(yc)为微带线(Microstrip)、带状线(Stripline)、共面线(CPW)、接地共面线(CPW Ground)、同轴线(Round Coaxial)、隙状线(Slotline)、耦合微带线以及耦合带状线。图8中所示为微带线标签页。 图8 Txline界面(jimin)图共五十七页 在Mic

26、rostrip标签页的左上方是材料(cilio)参数，包括Dielectric（介质）、Dielectric Constant（介电常数r）、Loss Tangent（损耗因子）、Conductor（导体）及Conductivity（导电率），其中Dielectric和Conductor项为下拉菜单选项。 页面右上方是物理结构示意图。 页面左下方是电特性参数，包括Impedence（阻抗）、Frequency（频率）、Electrical Length（电长度）、Propagation Constant（传播常数）、Effective Diel.Const（有效介电常数）以及Loss（损耗）。

27、 共五十七页 Electrical Length的单位分2种，deg（度）和rad（弧度），通常取deg。换算公式为：1(波长)360deg2rad，例如(lr)/490deg。 页面右下方是物理特性参数，包括L（导带长度）、W（导带宽度）、H（基片高度）及T（导带厚度）。页面中间有2个箭头，点“ ”可由物理参数算出电参数，点“ ”可由电参数算出物理参数，计算出的参数以下划线标出。共五十七页电路仿真举例1. 仿真一个电感输入式集总元件滤波器 已知L1L410nH， L2L330nH，C1C38pF，C210pF，输入输出断特性阻抗为50欧，工作频率1001000MHz2. 调整或优化电路(di

28、nl)，使其满足 f500MHz时，S11-1dB f700MHz时，S21-30dB共五十七页其初始(ch sh)原理图为共五十七页初始仿真(fn zhn)结果为下图共五十七页可见，当f354.48MHz时，S1115.28dB大于17dB。调整电路 采用tune tool，调整各参数，直至满足要求。优化电路定义变量：从主菜单选SchematicAdd equation 输入Lin15，Cin8，将原理图中的L1，L4的电感值改为Lin，C1，C3的电容值为Cin。选择优化参数： 选中Var浏览页，将所有的参数激活(j hu)，并为其设置上限（Upper），如下图所示共五十七页共五十七页设定

29、优化目标 从主菜单中选ProjectAdd Opt Goal,分3次逐步添加S11,S21参数的优化目标，步骤如下：在Measurement中选取(xunq)S1,1项，Goal Type栏取MeasGoal,Range栏取start为Min,stop为500MHz，Goal为1；再选S2,1，取MeasGoal，将range栏设为700MHzMax，Goal为30，其他不变；共五十七页共五十七页执行(zhxng)优化： 从主菜单中选SimulateOptimize,优化方法选为Random（Local），最大迭代次数为5000次，点Start开始优化，优化后仿真结果为：共五十七页不难看出，通带内基