微波电路EDA第二章0428

第二章微波电路建模建库方法第二章微波电路建模建库方法第一节：建模方法概述第二节：微波无源器件模型第三节：微波半导体器件模型1、元器件的建模方法有哪些？各自特点如何？2、怎样进行微带传输线的分析与综合？3、常见的微带不连续结构有哪些？它们的模型如何表示？4、什么是半导体器件的小信号模型和大信号模型？5、如何建立单向化等效模型和数据拟合模型？什么是微波模型？为什么要建模？计算机可以直接处理的数学关系经验、工艺等的内在规律的数学提炼大大提高设计效率如何应用模型？1.网络分析2.优化计算2.1建模方法概述2.1.1建模的基本要求（1）能够真实反映器件工作时的物理特性；（2）在很宽的频带内仍能保证足够的精度；（3）在保证精度的前提下，模型简单；（4）容易确定模型有关参量。确定元器件模型的一般思路场效应管模型的基本结构映射关系输入输出变量图标适用范围2.1.2建立元器件模型的方法1.理论分析方法2.1.2建立元器件模型的方法无法求解不规则结构和复杂结构。2.1.2建立元器件模型的方法2.3.电磁场全波仿真方法2.1.2建立元器件模型的方法3.电磁场全波仿真方法2.1.2建立元器件模型的方法3.电磁场全波仿真方法2.1.2建立元器件模型的方法3.电磁场全波仿真方法优点：精度高，特别适合高频（毫米波）电路。有大量商业软件可以使用。缺点：不利于理解器件的物理机理。计算速度慢，不便于优化。不能用于有源电路分析。2.1.2建立元器件模型的方法4.实验方法NetworkAnalyzerDC/RFProbesMicromanipulators/TunersWafer/Device2.1.2建立元器件模型的方法4.实验方法优点：能考虑封装带来的影响。精度高，适用范围广（有源、无源）。不用关心内部结构。缺点：不利于理解器件的物理机理。依赖测试条件和测试水平。2.1.2建立元器件模型的方法4.实验方法AMMC5040测试数据列表2.1.2建立元器件模型的方法4.实验方法2.1.2建立元器件模型的方法5.非线性方法优点：能对有源电路进行精确分析。缺点：方法较为繁琐。时域法强非线性，无法处理线性分布电路频域法（Volterra级数法）弱非线性，无法处理复杂非线性电路混合域法（谐波平衡法）强非线性，适应范围广2.1.2建立元器件模型的方法2.2微波无源器件模型无源电路模型集总参数模型l/λ≤

0.05分布参数模型l/λ≥

0.05集总参数元件：移相可忽略不计。尺寸小、价格低、带宽大。适合于频率较低的微波集成电路设计分布参数元件电参数随物理长度的变化呈现分布性。分布参数电路可以用传输线来建模。2.2.1集总参数模型集总参数模型–传输线等效电路2.2.2分布参数模型分布电感：L–H/m分布电容：C–F/m分布电阻：R-Ω/m分布电导：G–S/m微带传输线基板材料微带传输线微带传输线微带传输线微带传输线微带传输线微带传输线微带线的综合微带传输线微带线的综合微带传输线微带传输线的工程计算（分析与综合）微带线的分析微带线的综合电磁场理论精密的实验半经验解析式微带传输线的工程计算（分析与综合）2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模2.2.4微带线不均匀结构建模金丝键合连接结构三种丝线连接结构的简化模型金丝键合结构建模2.2.4MMIC不均匀结构建模2.2.4MMIC不均匀结构建模2.2.4MMIC不均匀结构建模作业-1用Matlab编写微带线分析和综合程序，并计算：

1）基片厚度1.27mm，相对介电常数2.2的50欧姆微带线的宽度；

2）基片相对介电常数2.55的微带线，W/h在0.5-10.0之间变化时，特性阻抗Z0的曲线。要求：

1）程序流程图；

2）程序代码及注释；

3）运行结果。2.3微波半导体器件模型微波半导体器件模型分类（建模方法）方法种类优点缺点基于物理数值模型理论上准确;适用于各种物理结构和工艺参数；可以预研究器件。过分耗机时，在CAD应用中正在完善；准确度依赖模型，精度有所局限。解析模型非常适合器件设计，尤其是MMIC设计和特性模拟。适用CAD技术由于加工过程中不可预知因素（缺陷等），因此必须以测量的方法确定其元件值及特性；精度较差。基于测量经验模型简单，比较准确，适用于CAD技术。应用最为广泛。

必须制造出用于测试的器件为前提，不适合超前器件的研究。表格模型模型精确，易于建模，通用性好。测试数据多；会出现收敛、可微等问题；模型精度依赖测试数据的精度；不能对器件预研。微波半导体器件模型分类（功能）BJT,HBTMESFET,MOSFETHEMT(pHEMT,mHEMT)PNDiodePINDiodeVaractorDiodeSchottkeyDiode小信号分析：有源电路小信号分析是假设输入交流信号的幅度起伏偏离恒定偏压值（或在附近波动）一个小量级，其偏离量对器件的工作特性影响非常小，认为其工作状态是线性的。大信号分析：有源电路大信号分析方法是在输入大幅值交流信号时器件的工作区域覆盖了大部分非线性区，甚至部分进入了非线性区，从而引起了器件的非线性工作状态。一个大信号放大器可设计为A类工作方式（相对表现为线性），此时可利用小信号S参量的修正公式进行分析；也可设计为AB类、B类或C类工作凡是，但此时器件已表现为非线性特性，故在进行这类放大器设计之前，必须先要获得晶体管的高功率特性。微波半导体器件大信号模型和小信号模型2.3.1微波半导体二极管模型PN结：结电容高，不适合高频应用。肖特基（金属-半导体）结：结电容低，适合高频应用。管壳等效电路元件Cp和Lr可用测量开路和短路管壳的阻抗求出。2.3.2微波半导体晶体管模型网络分析仪(S参数)非线性模型小信号等效电路模型非线性栅源、栅漏电容模型近似线性元件值非线性漏源电流模型击穿特性模型色散模型温度相关模型I-V测试仪(I-V特性)参考文献实测数据小信号等效电路模型MESFET器件经验模型MESFET小信号等效电路模型小信号模型参数提取步骤外部寄生参数提取通过特定的测试方法确定本征参数提取通过网络矩阵理论剥离外部寄生参数后获得参数优化与实测的器件S参数拟合小信号模型ADS中的优化模型和与实测结果的对比小信号模型的局限小信号模型只能用于器件的S参数仿真，用来计算器件的小信号增益、噪声等特性，而不能用于计算器件的谐波特性、1dB功率压缩点（P1dB）、三阶交调遮断点（IP3）等非线性重要参数，因此需建立器件的非线性模型。但是，另一方面小信号模型可以利用倒推（bottom-up）技术推导出大信号等效电路模型。因此，准确建立小信号等效电路模型是微波功率MESFET大信号建模，以及MESFET器件应用的首要工作。MESFET非线性等效电路模型击穿特性模型非线性栅源、栅漏电容非线性漏源电流MESFET非线性等效电路模型色散模型自热效应模型HEMT非线性等效电路模型常见的FET非线性模型模型/时间I-V模型优点不足参数精度导数连续色散Curtice-Cubic（1985）6比较高否级联RC简单，使用于工程CAD应用。没有考虑自热效应，Ids立方多项式外推精度差；色散模型不够；是有条件夹断Marterka（1983）5比较高否级联RC简单，软夹断。没有考虑自热效应，色散和QV模型过于简单Statz(1987)5比较差否级联RC电容的模拟非常准确。阀值电压与Vds无关。色散模型不够。TriQuint（1990）改进TOM模型（1997）TOM3模型（1999）6高否Ibd简单。色散模型较好不适合脉冲数据，所以RFI-V的模拟不够精确。Angelov/Chalmers(1992)Chalmers(1996)>8高是级联RC简单QV方程与路径无关。色散模型不够。Parker（1997）7高是级联RC简单，精度高色散模型不够。模型在商用软件中的嵌入SDD模型编程模型在ADS中仿真原理图SDD模型编程ADS中用户可以利用符号定义器件（symbolicdefineddevices)建立非线性器件模型。该器件可以在原理图中输入，通过定义端口数，端口电压，端口电流，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。模型在商用软件中的嵌入商用模型库（FoundryDesignKit）商用模型库的结构DevicedatabookDevices:NPN,MOSFET,Varactordiode,MIM,Inductors,Resistors….Devicemodeltohardwarecorrelationdata:DC,AC,Noise,Ft….DesignmanualLayoutrulesElectricaldesignrulesReliabilityrulesUser’sGuidetoDesignSystemsSupporteddesignsystemsFoundrydesignkits模型库的安装模型的适用范围模型的适用范围模型的适用范围模型的适用范围版图模型与器件工艺2.3.3单向化等效模型2.3.3单向化等效模型2.3.3单向化等效模型通过S参数，可以表示出管子的输入和输出反射系数2.3.3单向化等效模型2.3.3单向化等效模型2.3.3单向化等效模型例2-12.3.3单向化等效模型2.3.3单向化等效模型2.3.3单向化等效模型元器件值确定后可确定单向化等效电路模型：例2-12.3.4数据拟合法数据拟合法通常采用最小二乘法将离散频率上每个S参数元素的测试值用两个实数多项式拟合，从而得到S参数以频率为变量的连续函数，并将它作为管子的数学模型。单向化模型数据拟合模型等效电路模型数学表达式模型直接建立数据拟合法基本原理数据拟合法基本原理数据拟合法基本原理数据拟合法基本原理数据拟合法基本原理数据拟合法基本原理对晶体管S矩阵中的每个元素都进行数据拟合，即可得到晶体管S参数的数学表达式模型：其它拟合方式：样条函数柯西函数插值模型映射关系建立模型的一些方式神经网络方法（NN)包含两层人工神经元神经网络模型结构

三层感知器神经网络结构神经网络模型建立微波器件神经网络建模一般流程图建立神经网络的一个重要步骤就是训练神经网络，使之可以很好的表达实际器件模型的输入输出映射关系。训练神经网络的目的是调整权值w，使得误差函数最小化。更新权值的方式主要有back-propagation算法、Levenberg-Marquardt算法和quasi-Newton算法等。模型映射关系建立模型的一些方法建模实例LTCCfilter建模第一步:将LTCC滤波器结构划分为三种子结构：单个谐振器谐振频率结构、级间耦合结构和输入输出耦合结构。这样是为了避免对滤波器建立整体的神经网络模型，能够减小神经网络的大小，降低模型所需要的训练数据量，提高模型的精度。第二步：用电磁仿真软件HFSS对每种子结构提取所需要的训练数据。根据结构的耦合机制合理的选择输入输出变量，避免模型产生多值问题。第三步：把电磁仿真训练出的正模型的相应数据做输入和输出对换，构成训练反向模型所需要的数据形式。第四步：利用神经网络训练环境，为三种子结构分别训练三个反向神经网络子模型。模型映射关系建立模型的一些方式模型映射关系建立模型的一些方式模型适用范围为，中心频率3至8GHz，相对带宽5%至20%。模型映射关系建立模型的一些方式支持向量机回归(SVR)特点：统计学习理论(SLT，Statisticallearningtheory)SVR是建立在统计学习理论的基础上，根据有限样本在学习精度和学习能力之间寻求最佳期望，获得最好的推广能力。特征空间映射结构风险最小化模型映射关系建立模型的一些方式建模实例带状线-带状线层间互连模型为了建模方便，引入两个变量a/b模型输入模型输出模型映射关系建立模型的一些方式模型映射关系建立模型的一些方式3.空间映射