微波电路的计算机辅助设计技术及常用的CAD软件

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自20世纪70年代以来，微波电路CAD技术已经取得了很大的进步。一方面是各CAD软件厂商推出了很多通用和专用的微波电路CAD软件产品，包括电原理图输入和微波电路的图形输入、电路的仿真和优化、容差分析、版图生成及输出、与测试仪器接口等功能，并有许许多多的电路模型库、元件库、半导体器件的线性模型库和非线性模型库等可供选择，应该可以说是功能强大、使用方便、应有尽有。而另一方面，微波电路CAD软件也已被广泛应用于各种微波电路的设计，并成为微波工程师必须掌握的设计工具。

4.1 常用的微波电路CAD软件

微波电路的CAD软件大致可以分成下面几类：

① 线性/非线性微波电路仿真软件；

② 2.5D平面电路电磁场仿真软件；

③ 3D电磁场仿真软件；

④ 系统仿真软件；

⑤ 专用电路的设计软件。

⑥ 排版软件

表2 主要的微波电路CAD软件简介

序号	名称	主要性能	厂商
1	ADS	综合软件包	Agilent
2	Serenade	综合软件包	Ansoft
3	MW Office	线性/非线性电路、2.5D电磁场仿真	AWR
4	GENESYS	线性/非线性电路、滤波器设计等	Eagleware
5	MMICAD	线性/非线性电路设计	OPTOTEK
6	Momentum	2.5D平面电路电磁场仿真	Agilent
7	Ensemble	2.5D平面电路电磁场仿真	Ansoft
8	em	2.5D平面电路电磁场仿真	Sonnet
9	HFSS	3D电磁场仿真	Ansoft
10	MW Studio	3D电磁场仿真	CST
11	Symphony	系统仿真	Ansoft
12	Clementine	共形天线设计	Ansoft
13	Protel	电路板布线	PROTEL
14	AutoCAD	电路板布线	Autodesk

 

4.2 微波电路计算计辅助设计-简介

微波电路计算计辅助设计（CAD）技术是电子设计自动化（EDA）技术的一个分支，用于射频及微波电路的计算机仿真和优化设计。

4.2.1 微波电路CAD的特点及主要内容

与其它电子EDA技术相比，微波电路CAD软件具有以下几个特点：

①   必须有精确的传输线模型和各种器件模型；

②   有时必须采用电磁场仿真等数值仿真工具；

③   一般都具有S参数分析的功能。

在微波电路CAD技术中，各种传输线及其不均匀区模型、元件之间的寄生耦合模型以及微波有源器件的非线性模型等，在技术上的难度都非常大。

微波电路CAD包括线性微波电路的S参数计算、直流分析、线性/非线性噪声分析、非线性电路的瞬态分析、非线性电路的谐波分析（功率压缩、交调和谐波特性等）、优化设计、容差分析、2.5D及3D电磁场仿真、布线和版图设计等，甚至还可以包括微波器件的建模和参数提取以及计算机辅助测试。

4.2.2 常用的分析方法

线性电路：采用等效电路模型和S参数矩阵级联计算。

非线性电路：Spice、谐波平衡法、包络仿真法等。

电磁场仿真：常采用矩量法和有限元法等数值计算方法。

4.2.3 优化

给定电路的网络拓扑结构、各个元件的初始值，以及电路的设计指标的目标参数，CAD软件将自动改变各元件值，直到满足要求。

CAD软件通常都具有的，也是最常用的优化方法是随机优化和梯度法。当然，一些软件还提供了其它的优化方法供选择。

4.2.4 设计步骤

微波电路CAD设计的步骤可大致总结如下：

①   根据技术性能指标的要求，选择半导体器件。

②   对于不需要半导体器件的微波无源电路，根据技术性能指标的要求，选择网络拓扑结构。

③   根据所选器件的具体参数，设计匹配电路的拓扑结构。

④   确定（或计算）电路中各个元件的初始值。

⑤   根据技术性能指标的要求，设置优化目标（或参数）。

⑥   根据经验或试验性地选择若干优化变量（或元件）。

⑦   选择优化方法，并进行优化。

⑧   进行容差分析。

⑨   进行版图的设计并输出版图。

⑩   进行性能指标的复核，进行版图的检查，并提出结构设计的要求。

4.2.5 几点经验和建议

①   必须保证器件选择、匹配电路或网络拓扑设计的正确性。

②   电路中各元件初始值的选择应尽量准确。这将有利于优化计算的快速收敛，并保证优化设计能够达到全局最优点，而不是局部的极小（或极大）点。

③   对于存在多个优化目标参数的一般情况，应根据实际的需要，分出主次或考虑折衷，并进行加权。

④   关于优化变量（或元件）的选择，一方面可以根据自己的经验，另一方面也可以先选择其中几个进行试探。特别是当元件（或变量）较多时，一般不主张都选择为优化变量。

⑤   对于优化方法的选择，通常是先随机法，后梯度法，这样将有助于使设计达到全局最优。

⑥   在电路设计的过程中，必须要考虑元件标称值的因素。另外对于分布参数电路，电路参数的取值必须要符合相应的工艺要求。

4.3 设计举例

4.3.1 例1：2GHz低噪声放大器的设计

频率范围:1.95～2.05GHz；

管子型号:AT-41411，为微波双极晶体管

CAD软件：ADS

 

图38 2GHz低噪声放大器电路

图38 2GHz低噪声放大器仿真结果

4.3.2 例2：5GHz发夹式微带线带通滤波器的设计

CAD软件：Momentum

    图39 发夹式带通滤波器电路图

   图40 发夹式带通滤波器仿真结果

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