微波电路-0讲解学习.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,*,微波电路,主 讲：,王 斌,wangbin1,光电工程学院,自我介绍,上课时间及注意事项,上课时间：周四 5-6节 课间休息10分钟,地点：3308,注意事项：,射频与微波工程实践导论 射频通信电路,教材与参考书,0.引言,射频与微波,在电磁波频率低于100kHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的无线传输。当电磁波频率高于100kHz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层的电离层反射，形成远距离传输能力，把这种具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频。,通常我们把频率为10kHz-30MHz称为,高频段,。,30MHz到3GHz的频率称作,射频频段,。,3GHz以上称为,微波频段,（30GHz以上也称为,毫米波波段,）。,射频/微波电路：,形成有远距离传输能力的高频电磁波的电路。,0.引言,射频与微波频段,无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。,0.引言,无线频段的划分,0.引言,无线频段的划分,0.引言,频段的典型应用,0.引言,传输线,：传输RF/MW信号的装置。,无源器件：,完成微波信号和功率的分配、控制和滤波等功能的装置，没有进行微波能量与其他能量（如直流）的转换,如滤波器，双工器，耦合器等。,有源器件,：产生、放大、变换微波信号和功率的装置，一般要将微波能量与其他能量进行转换。,天线：,辐射或接收电磁波的装置。,射频微波系统组成,0.引言,射频与微波技术,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，现代微波工程中占支配地位的内容是,微波电路分析,。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具是,微波电路CAD（计算机辅助设计）软件,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、平面电路和元器件及有源电路设计方面。,0.引言,微波电路,微波电路,通常是指工作频段的波长在1m-1mm(即300MHz-300GHz)之间的电路。它是现代通信、雷达、导航、遥感等系统的重要组成部分。实际上，对于工作频率较高的电路，人们也经常称为,高频电路,或,射频电路,。由于微波电路的工作频率较高，故在材料、结构、电路的形式、元器件以及设计方法等方面，与一般的低频电路和数字电路相比有很大区别。从上个世纪20、30年代发展至今，微波电路已得到长足的发展。,1、,良好的选择性,2、,低噪声、高动态范围,3、,接收机对杂散频率信号有良好的抑制能力,4、,本振信号应具有低的相位噪声,5、,发射机必须严格限制带外衰减,6、,发射机功率放大器具有高的功率增加效率,7、,低电压、低功耗,0.引言,微波电路的一般要求,课程意义,微波电路学习意义,从,电路分析基础,和,电磁场电磁波基础,出发，理解微波电路的基本理论，学习一些常见微波电路。本课程要求研究生在理解微波电路基本理论的基础，重点学习微波无源电路和微波有源电路的,设计及分析方法,，结合微波电路实例,进行设计及仿真分析,，为未来研究射频/微波器件及相关实际工程中微波电路的应用奠定坚实的理论基础。,课程概况,微波电路分类,1.,按,源,分类,微波无源电路,(无半导体器件或电真空器件)：,微波网络参量，微波网络元件，功率分配器，定向耦合器，滤波器，匹配电路；,微波有源电路,(有半导体器件或电真空器件)：,振荡器，锁相环，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。,课程概况,2.,按,工艺,分类,微波混合集成电路,采用分离元件及分布参数电路混合集成；,微波集成电路(MIC),采用管芯及陶瓷基片；,微波单片集成电路(MMIC),采用半导体工艺的微波集成电路。,微波混合集成电路示例,微波集成电路（MIC）示例,微波单片集成电路（MMIC）示例,课程目标,微波电路,了解并掌握微波无源电路及简单有源电路的常用分析方法,能够针对具体微波电路进行分析。,微波电路CAD,学会几种常用微波设计软件的仿真设计，并运用它们设计具体的微波电路及微波系统。重点掌握运用,ADS,(Agilent公司)和,HFSS,(Ansoft公司)软件进行几个专题的射频微波电路设计与仿真。,课程主要内容,1.微波电路基础,传输线模型基本结构及其等效电路描述，选频回路和阻抗变换，阻抗匹配技术及Smith圆图的应用。,2.微波网络分析,Z矩阵、Y矩阵、ABCD矩阵、h矩阵及其相互变换，S参量及其测量方法。,3.无源微波电路,滤波器、混频器、功分器等无源器件的分析与设计。,4.有源微波电路,功率放大器、低噪声放大器、振荡器、微带天线等有源器件的分析与设计。,射频微波工程类问题分析过程,微波CAD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Maxwell方程组之上的。在,频域,，数值算法有：,有限元法,(Finite Element Method)、,矩量法,(Method of Moments)、差分法(Finite Difference Methods)、边界元法(Boundary Element Method)和传输线法(Transmission Line matrix Method);在,时域,，数值算法有：,时域有限差分法,(Finite Difference Time Domain)和,有限积分法,(Finite Integration Technology)。,微波CAD软件与电磁场数值计算,常见的数值方法,频域：,差分法(FDM),矩量法(MOM),有限元法(FEM),边界元法(BEM),传输线法(TLM),时域：,时域有限差分法(FDTD),有限积分法(FIT),矩量法,矩量法(MOM),是将Maxwell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,对任意结构形状的物体上的电流结构建模，直接求出电流的精确分布,，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体外的任何地点的E和H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(FDTD),是将时域Maxwell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、反射和散射的过程，进而采用FFT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、散射体的雷达散射截面(RCS)等。,时域有限差分法可以,直接求解Maxwell方程,，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较困难。,有限元法,有限元法(FEM),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。,有限元法求解工程电磁场问题，可,将物体的几何尺寸和电尺寸特性分开定义和处理,，可以克服时域有限差分(FDTD)中必需的阶梯建模空间问题，适合于分析较复杂的结构，对内部EM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,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。,典型应用：传输线；平面波和电路等。,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。,典型应用：TE,10,矩形波导；TEM波同轴线等。,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。,典型引用：平面传输线(微带线，共面波导)、平面结构天线和多层结构器件(LTCC)等。,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。,典型应用：可以求解所有的电磁场问题。,常用仿真软件,系统仿真软件,Agilent ADS,(,MOM+,解析法),Microwave Office (MOM+解析法),Ansoft Designer (MOM+解析法),CST Design Studio (MOM+解析法),电磁场仿真软件,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),常用仿真软件,软件,数值算法,简 介,ADS,(Advance Design system),矩量法(MoM),Agilent公司产品：线性/非线性电路仿真；数字电路仿真；信号系统分析,、仿真。,Ansoft HFSS,有限元法(FEM),Ansoft公司产品：三维电磁仿真。电磁场数值解和开边界问题；近远场辐射问题；特征阻抗,、传输常数及S参数计算；结构的本征模或谐振解。,Ansoft Designer,矩量法(MoM),Ansoft公司产品：线性/非线性电路仿真；2.5维平面电路高频仿真；信号系统分析,、仿真。,CST,有限积分法(FIT),CST公司产品：三维电磁仿真；微波电路仿真；温度场仿真等协同仿真。,XFDTD,时域有限差分法(FDTD),REMCOM公司产品：三维电磁仿真；无线,、微波电路仿真；雷达散射、化学、光学和生物组织仿真,。,常用仿真软件,软件,数值算法,微波仿真软件,数值算法,Momentum,(Agilent,公司,),矩量法,(MoM),EMPIRE,(IMST,公司,),时域有限差分法,(FDTD),Ensemble,(Ansoft,公司,),矩量法,(MoM),Fiedelity,(Zeland,公司,),时域有限差分法,(FDTD),Mafia,(CST,公司,),有限积分法,(FIT),FEKO,(ANSYS,公司,),矩量法,(MoM),MW Office,(AWR,公司,),矩量法,(MoM),ANSYS,(ANSYS,公司,),有限元法,(FEM),ADS,Agilent Technoligyies公司推出的一套电路自动设计软件。Agilent Technoligyies公司把已有产品HP MDS(Microwave Design System)和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software)两者的精华有机的结合起来，并增加了许多新的功能，构成了功能强大的ADS软件。,ADS软件范围涵盖了小至元器件,大到系统级的设计和分析，主要包括RFIC设计软件、RF电路板设计软件、DSP专业设计软件、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。不但其仿真性能优越,而且提供了功能强大的数据后处理能力。这对我们进行复杂、特殊电路的仿真、数据后处理及显示提供了可能。该软件切实考虑到工程实际中各种参数对系统的影响，对要求分析手段多样，运算量大的仿真分析，尤其适用。,ADS,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，ADS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RFIC、RF Board）,DSP设计,通信系统的设计,向量仿真,每个设计本身又包括以下几个内容：,绘制原理图,系统仿真,布局图,Pspice原理图,ADS 后处理,Ansoft HFSS软件是适用于射频、无线通信、封装及光电子设计的任意形状三维电磁场仿真的软件。ANSOFT HFSS是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，它必将为射频、无线通信、封装及光电子产品新功能的开发提供崭新高效的研究手段。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间，加快产品进入市场的步伐。HFSS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参数和全波电磁场。,Ansoft HFSS充分利用了如自动匹配网格产生及加密、切线向矢量有限元、ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)和模式-节点转换（Mode-node）等的先进技术，从而使操作人员可利用有限元法(FEM)在自己的电脑少对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。HFSS自动计算多个自适应的解决方案，直到满足用户指定的收敛要求值。其基于Maxwell（麦克斯韦）方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。,Ansoft HFSS,Ansoft HFSS,HFSS用高效率的计算机虚拟模型的方法来取代费时费力的“cut-and-try”试验方法，可大大缩短设计周期。仿真分析诸如天线、微波转换器、发射设备、波导器件、射频滤波器和任意三维非连续性等复杂问题，已简单化成只需画结构图、定义材料性能、设置端口和边界条件。HFSS自动产生场求解方案、端口特性和S参数。其S参数结果可输出到通用的线性和非线性电路仿真器中来使用。,Ansoft HFSS的自适应网格加密技术使FEM方法得以实用化。初始网格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格可以快速解算并提供场解信息，以区分出高场强或大梯度的场分布区域。然后只在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时还可方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。,Ansoft HFSS,HFSS功能非常强大,主要应用有以下几个主要方面：,1.射频和微波器件设计,HFSS能够快速精确地计算各种射频/微波部件的电磁特性，得到S参数、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。,2.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，HFSS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，得到归一化相速与频率关系，以及结构中的电磁场分布，包括H场和E场，为这类器件的设计提供了强有力的设计手段。,HFSS,3.天线及天线阵设计仿真,HFSS可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确方针计算天线的各种性能，包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等。,4.光电器件仿真设计,HFSS的应用频率能够达到光波波段、精确仿真光电器件的特性。,5.高速互连结构设计,随着频率的不断提高和信息传输速度的不断提高，互连结构的寄生效应对整个系统的性能影响已经成为制约设计成功的关键因素。MMIC、RFIC、或高速数字系统需要精确的互联结构特性分析参数抽取、HFSS能够自动和精确地提取高速互联结构、片上无源不见及版图寄生效应。,HFSS 11,HFSS 11 后处理,相关参考书目,微波电路引论 R.J.Weber著，朱建清等译 电子工业出版社,射频/微波电路导论 雷振亚 编著 西安电子科技大学出版社,射频电路设计理论与应用 王子宇等译 电子工业出版社,微波工程 D.M.Pozar著，张肇仪等译 电子工业出版社,计算电磁学要论 盛新庆 中国科学技术大学出版社,ADS应用详解：射频电路设计与仿真 陈艳华等编著 人民邮电出版社,HFSS原理与工程应用 谢拥军等编著 科学出版社,