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Microwave Office 微波平面電路設計工具介紹

2010-08-19 來源：微波射頻社區字號：大中小

本文介紹了美國AWR公司近年推出的用于計算微波平面電路的通用軟件”Microwave Office”(微波辦公室)及其兩個模擬器的概況和基本功能。并從用戶的角度出發,對該軟件的優缺點,進行了分析。舉出了兩個計算實例。
[關鍵詞]微波平面電路, 計算機軟件, 矩量法

        1. 引言
        從八十年代開始,國際上微波電路技術已經從傳統的波導及同軸線元器件和系統轉移到采用微波平面電路(又稱微波集成電路或微波印刷電路), 其特點是把電路印制在介質基片平面上。體積,重量和成本都大大減小。除了微帶,共面波導,槽線,懸置線等無源電路以外, 微波半導體器件也可以集成在平面電路上, 構成混合微波集成電路。目前除了某些大功率和高極化純度的場合,微波平面電路已經幾乎取代了在通信,電子戰,雷達和武器系統中的各種常規形式的微波電路。
然而設計微波平面電路一直是一項困難的工作。近年來設計工作變得更為復雜: 對電路的指標要求越來越高, 電路的功能越來越多, 電路的尺寸要求越做越小, 而設計周期卻越來越短。為了應付這一挑戰, 美國加州的Applied Wave Research公司花費了十年時間研究出一種叫做“Microwave Office”(微波辦公室)的軟件, 據稱這種軟件為微波平面電路設計提供了最完整, 最快速和最精確的解答。這種軟件可以在Windows 95/98/NT操作系統下工作, 采用了面向對象的程序技術, 使用方便。一個具有普通電腦操作水平和大學英語程度的微波工程師, 通常可以在三至四周時間內, 通過學習該軟件提供的有關幫助文件, 掌握該軟件最基本的使用技術。然而, 要全面地掌握該軟件的使用技術并不容易, 需要3~6個月或更多的時間。該公司聲稱, 該軟件價格不貴, 其目的是使各微波公司可以把它象工具一樣安裝在每個工程師的計算機桌面上。據筆者所知, 該公司索要的$30,000的價位對國內大多數用戶來說并不輕松, 但因為允許在網絡上復制和共享, 所以對計算機很多, 并且內部聯網的大公司還是可以接受。為了推廣, AWR公司在它的因特網網址上提供了“ Microwave Office (2.5版本)” 軟件的試用本, 通過下載和索取密碼, 可以得到一個月的免費試用權。也可以向該公司在中國的代理商史泰普電子公司申請試用或購買。
該軟件目前在國際上已有一定的著名度, 例如英國有名的Queen's大學高頻研究組, 在它的因特網網頁上介紹該校的高頻電子學CAD設備時, 把"Microwave Office"和"HP-ADS","HP-MDS","HP-HFSS", "Sonnet", "Mathcad", "Matlab" 等軟件并列為最有用的CAD計算軟件。

        2. 軟件的功能和兩個模擬器
        眾所周知,微波工程問題通常可以通過電路的方法或者場的方法來加以研究。 “Microwave Office”軟件是通過兩個模擬器來對微波平面電路進行模擬和仿真的。對于由集總元件構成的電路, 用電路的方法來處理較為簡便。該軟件設有一個叫”VoltaireXL”的模擬器來處理集總元件構成的微波平面電路問題。而對于由具體的微帶幾何圖形構成的分布參數微波平面電路則采用場的方法較為有效, 該軟件采用的是一個叫”EMSight”的模擬器來處理任何多層平面結構的三維電磁場的問題。
”VoltaireXL”模擬器實質上是一個威力強大的諧波平衡和Volterra模擬引擎,它采用單頻和多頻諧波平衡Volterra級數來進行非線性電路的模擬, 混頻器分析, 高速線性電路分析,高速噪聲分析。它處理難度較大的微波電路問題的速度和精度優于其它品種的模擬器。實際上Volterra級數分析法要比普通的多頻諧波平衡法快10~100倍, 是分析近線性電路的交調的最快方法。據稱它是近十年來出現的最激動人心的電路模擬器。模擬器內設一個元件庫, 在建立電路模型時, 可以很方便地調出微波電路所用的一切元件,其中無源器件有電感,電阻,電容, 諧振電路, 微帶線, 帶狀線, 同軸線等等, 非線性器件有雙極晶體管, 場效應晶體管,二極管等等。特別是該元件庫收集了國際上三十余家家著名公司的微波有源器件和參數, 對于電路設計和計算非常有用。
        值得提出的是”VoltaireXL”模擬器具有實時調諧功能。在設計計算中, 經常需要調整電路的某些元件的參數, 以求獲得最佳性能。這個模擬器與其它軟件不同之處在于它調整電路元件的參數并不需要重新從頭開始計算, 而是打開一個叫做“可變調諧器” 的視窗, 選擇需調諧的元件的名稱, 參數調諧的范圍。通過移動視窗上的滑桿, 就可以使參數值從最小變化到最大。模擬器的圖表視窗就馬上把參數的變化對于整個電路性能的影響表現出來。這一優點是因為模擬器采用了一種叫做“增量計算”的先進分析技術, 避免了軟件的許多重復計算。
”EMSight”模擬器是一個完整的三維電磁場模擬程序包, 它可用于平面高頻電路和天線結構的分析。方法的特點是把一種威力強大的修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面(GUI)技術結合起來。該模擬器可以精確地確定平面結構的等效多端口網絡散射參量。 ”EMSight”模擬器除了能進行常用的點頻逐點計算之外, 還安裝了快速掃頻(FFS)算法。所以這種模擬器計算三維電磁場的精度與其它在工業上常用的方法相同, 而計算速度卻快得多。它可以分析下列電路的電氣特性: 射頻集成電路 (RFIC), 微波單片集成電路(MMIC), 微帶貼片天線和高速印制電路(PCB)。
”EMSight”模擬器分析的電路都安裝在一個矩形的金屬包裝盒內, 對于電路的層數和端口數并沒有限制。分析時模擬器自動地對所計算的對象進行分割, 在電流密度變化大的地方, 網格分得細, 即單元尺寸取得小。而在電流密度變化小的地方, 單元尺寸取得大。用戶也可以根據需要自行調節網格密度。
”EMSight”模擬器還具有顯示微波平面電路內金屬上電流和空間電場力線的能力。電流或電場均可以以三維或二維的形式來顯示, 箭頭表示電流的流向或電場的指向, 而力線顏色的深淺表示電流或電場的強弱。
”EMSight”模擬器可以對微波平面電路進行許多種類的計算, (在該軟件中稱計算為測量)。除了可以計算電路的阻抗參量,導納參量,散射參量,傳輸參量, 混合參量之外, 對于線性電路,它能計算輔助穩定因子,輸入電容,群延遲, 偶/奇模傳輸常數/阻抗/導納, 電壓駐波比, 端口輸入阻抗/導納, 增益等。
”EMSight”模擬器具有計算各種線/圓極化微帶天線的電場方向圖和功率方向圖的能力, 在計算天線時矩形的金屬包裝盒邊界可以改變, 頂部和底部可以改為自由空間阻抗,而側壁可以拉遠。方向圖可以用直角坐標或極坐標顯示, 用線性顯示或對數顯示。
        在”EMSight”模擬器內也設有一個元件庫, 其特點是列入了大量的微帶元件的資料如各種彎頭, 開路線, 短截線, 耦合器, 階梯, T形接頭等。還包括了許多傳輸線的資料。
安裝“Microwave Office”軟件對于計算機的硬件的基本要求是: 主頻200+MHz奔騰II中央處理器(或等效的微處理機系統), 128 MB RAM內存, Windows 95,Windows 98 或Windows NT操作系統。對于復雜的電磁結構和電路則推薦使用256 MB 以上內存的工作站。

        3. 使用情況介紹:
        筆者在HP公司Kayak XA小型工作站上對該軟件從主要功能, 解決平面電路問題的能力, 計算的精度, 使用的方便與否等幾個方面進行了考察。筆者計算了兩個典型的平面電路問題: (1)矩形微帶貼片天線; (2)微帶耦合器。工作站采用奔騰II中央處理器,主頻為300MHz, 內存RAM為64MB, 硬盤容量為4000MB。
在工程設計的起始階段, 往往需要確定微帶線的基本尺寸。軟件給微帶線的設計提供了方便的使用環境。軟件中設有一個"傳輸線計算器", 對于五種常用的傳輸線, 即: 微帶線, 帶狀線, 共面波導, 接地共面波導和槽線, 進行極其方便的分析和綜合。該計算器實際上是一個表格。例如對于微帶線的分析。只要在表格內填上微帶線和基片的幾何尺寸,基片的介電常數和損耗角, 工作頻率, 然后按一下視窗內的"分析"按鈕, 馬上可以得到該微帶線的電氣參數包括阻抗, 有效介電常數, 傳播常數, 衰減和電長度。而對于微帶線的綜合, 只要在表格內填上所設計的微帶線的工作頻率, 阻抗和電長度, (基片的尺寸和介電常數已選定), 則按一下視窗內的"綜合"按鈕, 馬上可以得到該微帶線的導體寬度和長度。
兩個實例的計算情況如下:

        (1)矩形微帶貼片天線
        貼片的尺寸為a=11.43 cm,b=7.62 cm, 基片h=1.60 mm, εr=2.62, 工作頻率F=1187MHz,饋電方式采用邊饋。貼片所在的XY平面剖分的基本單元尺寸選為dx=dy=2 mm, 基片的X方向尺寸為150mm, Y方向尺寸為100mm。這是一個由具體的微帶尺寸構成的"場"問題, 用這些幾何尺寸可以建立一個EMSight電磁結構, 如圖1(d)所示。結構分成兩層,上層是空氣層,其頂板是開放的自由空間,取阻抗為377歐姆; 下層是介質基片層, 底板是金屬接地平面。在空氣與介質交界面上建立微帶天線的幾何圖形。使用軟件中的EMSight模擬器, 可以很方便地算得天線的E面和H面功率方向圖, 圓錐切割方向圖以及天線的散射參數S11如圖1所示。在文獻[2]的圖1-12有用腔體理論計算的這個例子的E面和H面的電場方向圖。比較可見二者基本上是一致的。但是本軟件較腔體理論計算的優點在于用矩量法計算方向圖時, 能把饋線對方向圖的影響考慮在內。因為"邊饋"是一種不對稱, 所以圖1(b)的圓錐切割方向圖也出現不對稱情況, 這符合物理概念和實驗測量。

(2)微帶線定向耦合器:
在文獻[3]的第九章舉出了微帶線定向耦合器的一些設計實例。該書第355頁的一個實例中, 基片的參數是h=1.58 mm, εr=4.8, 微帶線的寬度w=2.7 mm, 耦合部分的長度 L=7.5 mm, 耦合部分主副線的距離為 S=0.3 mm。主副線的四個端口都連有90°切角彎頭。這個問題用本軟件的兩個模擬器都可以求解。但使用”VoltaireXL”模擬器更為方便, 因為在軟件的元件庫中有現成的各種耦合器和彎頭的數據可以調用, 只要輸入尺寸, 其電氣性能即已知。然后建立一個由集總元件構成的電路圖(Schematic), 如圖2(b)所示。注意電路的四個端口也作為四個元件,根據實際使用情況,又分為"源端口"和"負載端口"。另外, 整個基片也作為一個元件,要輸入其電參數和幾何參數。在建立電路后, 選擇要計算的參數, ”VoltaireXL”模擬器在幾秒鐘內即可求出該微帶線定向耦合器在1到9GHz的性能(見圖2(a))。把圖2(a)與L.A.Trinogga書中的圖9.5(C)的實驗測量結果相比較,二者符合得很好。

        4. 結論
        (1) 從上述分析和使用情況介紹可知, "微波辦公室"軟件是計算微波平面電路的強有力工具。其計算精度完全能滿足工程設計的要求。 HP公司的HFSS軟件在計算封閉的波導元件方面是強有力的工具, 但是計算微帶電路, 微帶天線, 半導體微波器件方面則力不從心。因此"微波辦公室"軟件可以補充HFSS軟件之不足。
        (2) 在用”EMSight”模擬器分析復雜微波平面電路問題時, 對計算機的內存往往要求很高。導致計算時間非常長。甚至無法得出正確結果。如果選擇尺寸較大的計算單元, 可以減少單元總數,縮短計算時間。但是計算精度往往太差, 在工程上無法接受。因此對于復雜的微波平面電路問題, 應該采用大型工作站或超級工作站。目前計算機技術所能提供的資源, 并不足以解決一切復雜的電磁場問題。矩量法和有限單元法所需的計算機內存與被研究對象的單元總數的平方成正比。近年來, 國際上趨向于采用時域有限差分法(FDTD)來研究電磁場問題, 因為 FDTD所需的計算機內存僅與被研究對象的單元總數的一次方成正比。也就是說, 在同樣的內存等計算資源條件下, FDTD軟件能解決更為復雜的電磁場問題。
        (3) 本軟件的繪圖工具功能過于簡單。因此對一些復雜的圖形, 要建立提供計算用的EM結構有一定困難。這時可以在其它的軟件上建立圖形, 然后輸入到"EMSight"模擬器中。 "EMSight"模擬器對于AutoCAD的DXF格式, Sonnet 的GEO格式和GDSII格式都是兼容的。
        (4) 盡管本軟件提供了豐富的元件庫, 但是還是有不少器件是元件庫中所沒有的。這時可以人工建立一個元件或一個子電路, 其數據可以是由實驗測量所得的散射參數或其它參數。這就使計算的結果更加符合實際情況。
        (5) 所有的電磁場計算軟件均有其局限性, 本軟件的一個明顯的局限性就是只能計算制作在多層介質上的平面電路(多層介質板構成一個矩形立方體, 立方體的外面是金屬外殼板)。無法計算空間平面立體電路(例如矩形波導內的鰭線電路)。另外, 雖然層與層之間的金屬貼片可以互連或接地, 但是在立方體內垂直于層平面的方向不能建立接地平面。這也限制了某些平面電路,例如由多個單偶極子構成的對數周期天線的計算。盡管如此,本軟件仍然不失為計算微波平面電路的一個強有力的工具。

5. 參考文獻
[1] AWR公司: Microwave Office軟件內的Help 文件。;
[2] 鐘順時:"微帶天線理論與應用", 西安電子科技大學出版社,1991年;
[3] L。A。Trinogga, Guo Kaizhou & I.C.Hunter: "Practical Microstrip Circuit Design", Ellis Horwood limited, 1991

附錄: “Microwave Office”軟件的功能一覽表
“VoltaireXL”模擬器 “EMSight”模擬器
集成的設計環境: