论文部分内容阅读
[摘要]介绍微带功率分配器的基本设计理论和ADS的使用方法，并给出一个810--990MHz二路功分器的计算机仿真验证步骤，仿真结果说明应用ADS进行设计有效性和可行性。
[关键词]微带 功率分配器 ADS软件
中图分类号：TN454 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1020136－01
一、引言
在射频微波电路和测量系统中，如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件的性能将影响整个系统的通讯质量。现在的许多产品设计都可能在设计中期修改指标或增加功能等，这就要求我们的设计更加灵活。
自从20世纪40年代MIT辐射实验室发明和塑造了种类繁多的波导型功分器和耦合器后，在20世纪50年代中期和60年代又发明了多种采用带状线或微带技术的耦合器[1]。其分析设计方法到六十年代中期为止，都主要以手工计算为基础。对特定的微波网络模型，逐步从数学上来阐明其性质，但是由于没有微波网络的分析模型，设计人员一般采用烦琐的试凑法。可以想象，每一次的参数优化都需要在实验室由实际的模型来完成，整个过程漫长复杂。20世纪70年代开始计算机的普及和仿真软件的出现，使得模型的设计可由专门的厂家来和设计公司完成。这样，在预估计电路性能方面，即使只是基本熟悉计算机使用的工厂技术人员也可以准确而迅速地获得微波电路的优化设计参数，这却是那些只熟悉电路理论而不懂得借助于计算机进行试验设计的人员办不到的[2]。
所以当今的微波平面结构元件和集成电路设计已经很少求助于电磁场分析，而使用微波CAD和网络分析仪[1]。在微波设计软件中最为出名的就是ADS，ADS（Advanced Design System）是美国安捷伦公司所拥有的电子设计自动化软件；ADS功能十分强大，包含时域电路仿真（SPICE-like Simulation）、频域电路仿真（Harmonic Balance Simulation）、三维电磁仿真（EM Simulation）、通讯系统仿真（Communication System Simulation)和数字信号处理仿真设计（DSP）；支持射频和系统设计工程师所开发的所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是使用最多的微波/射频仿真软件[5]。
二、功分器的设计与仿真模型
（一）电路设计主要性能参数指标
电路研究的目标为：
工作频率：810--990MHz；
输出电压驻波比（VSWR）：小于1.05；
输入电压驻波比（VSWR）：小于1.2；
插入损耗：小于0.05 dB；
隔离度：大于22 dB；
输入输出端口：匹配50Ω绝缘子。
（二）电路的设计过程与仿真
首先确定需要微带基片，我们拟采用RT5880，再算出中心频率900MHz 的1/4波长微带线宽度和长度，三个端口接50Ω电阻，然后确定优化目标等。微带功分器在进行优化时主要以功分器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21、 S31是传输参数，反映传输损耗；S11、 S22、 S33分别是输入输出端口的反射系数。S23反映了两个输出端口之间的隔离度。在优化时总共设置四个优化目标，由于电路的对称性，S31和S33不用设置优化。S11和S22分别用来设定输入输出端口的反射系数，S21用来设定功分器通带内的衰减情况，S23用来设定两个输出端口的隔离度。如图1所示，建立好原理图便可以开始仿真了。
（三）仿真结果与分析
ADS具有强大的算法及随机梯度等优化方法，能按照参数迅速仿真出需要的电路，从而大大减轻设计者的工作量。本电路是在介电常数εr=2.2，厚度H=0.254mm，金属厚度T=0.04mm的RT5880微带介质基片上进行仿真的。电路在ADS2003设计软件下按中心频率900MHz进行了仿真，其仿真结果如图2所示。从图2可以看出，在f＝800～1000MHz的频率范围内，插入损耗小于0.032dB，隔离度大于24dB，输出驻波小于1.021，输入驻波小于1.14。由于考虑到在实际的工艺中存在偏差，所以仿真的结果留有较大的余地，从结果可以看出电路具有良好的特性。
根据仿真参数，利用ADS提取出版图（图3），之后就可以直接进行加工，依据设计经验，ADS生成的版图无需进行过多的调整。
三、结论
从上述仿真设计的过程可以看出，在充分理解原理的基础上应用ADS软件进行微波混合集成电路的设计、仿真和优化是十分方便的，可以大大节约时间和工作量，缩短产品设计周期。但是同时也应注意到，ADS仅仅是一个工具，唯有全面、仔细地考虑各种情况，才可以设计出稳定、一致性好，调试量小的可靠产品。
参考文献：
[1]Dvid M.Pozar，微波工程[M].张肇仪，周乐柱等译. 北京: 电子工业出版社，2006.
[2]J.F.怀特，微波半导体控制电路[M].王晦光、黎安尧译，北京: 科学出版社.（white J F. microwave semiconductor control circuit. Beijing; science press; 1983.）
[3]顾其诤、项家桢、袁孝康，微波集成电路设计[M].北京:人民邮电出版社，1978.
[4]清华大学《微带电路》编写组，微带电路[M].北京: 人民邮电出版社，1979.
[5]杨丽、柏杨，ADS仿真软件在微波电路设计中的应用[J]. 大众科学(科学研究与实践)， 2007（16），54.
作者简介：
钟福如，男，江西信丰，汉族，讲师，从事微波集成电路和模拟集成电路方向研究。
[关键词]微带 功率分配器 ADS软件
中图分类号：TN454 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1020136－01
一、引言
在射频微波电路和测量系统中，如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件的性能将影响整个系统的通讯质量。现在的许多产品设计都可能在设计中期修改指标或增加功能等，这就要求我们的设计更加灵活。
自从20世纪40年代MIT辐射实验室发明和塑造了种类繁多的波导型功分器和耦合器后，在20世纪50年代中期和60年代又发明了多种采用带状线或微带技术的耦合器[1]。其分析设计方法到六十年代中期为止，都主要以手工计算为基础。对特定的微波网络模型，逐步从数学上来阐明其性质，但是由于没有微波网络的分析模型，设计人员一般采用烦琐的试凑法。可以想象，每一次的参数优化都需要在实验室由实际的模型来完成，整个过程漫长复杂。20世纪70年代开始计算机的普及和仿真软件的出现，使得模型的设计可由专门的厂家来和设计公司完成。这样，在预估计电路性能方面，即使只是基本熟悉计算机使用的工厂技术人员也可以准确而迅速地获得微波电路的优化设计参数，这却是那些只熟悉电路理论而不懂得借助于计算机进行试验设计的人员办不到的[2]。
所以当今的微波平面结构元件和集成电路设计已经很少求助于电磁场分析，而使用微波CAD和网络分析仪[1]。在微波设计软件中最为出名的就是ADS，ADS（Advanced Design System）是美国安捷伦公司所拥有的电子设计自动化软件；ADS功能十分强大，包含时域电路仿真（SPICE-like Simulation）、频域电路仿真（Harmonic Balance Simulation）、三维电磁仿真（EM Simulation）、通讯系统仿真（Communication System Simulation)和数字信号处理仿真设计（DSP）；支持射频和系统设计工程师所开发的所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是使用最多的微波/射频仿真软件[5]。
二、功分器的设计与仿真模型
（一）电路设计主要性能参数指标
电路研究的目标为：
工作频率：810--990MHz；
输出电压驻波比（VSWR）：小于1.05；
输入电压驻波比（VSWR）：小于1.2；
插入损耗：小于0.05 dB；
隔离度：大于22 dB；
输入输出端口：匹配50Ω绝缘子。
（二）电路的设计过程与仿真
首先确定需要微带基片，我们拟采用RT5880，再算出中心频率900MHz 的1/4波长微带线宽度和长度，三个端口接50Ω电阻，然后确定优化目标等。微带功分器在进行优化时主要以功分器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21、 S31是传输参数，反映传输损耗；S11、 S22、 S33分别是输入输出端口的反射系数。S23反映了两个输出端口之间的隔离度。在优化时总共设置四个优化目标，由于电路的对称性，S31和S33不用设置优化。S11和S22分别用来设定输入输出端口的反射系数，S21用来设定功分器通带内的衰减情况，S23用来设定两个输出端口的隔离度。如图1所示，建立好原理图便可以开始仿真了。
（三）仿真结果与分析
ADS具有强大的算法及随机梯度等优化方法，能按照参数迅速仿真出需要的电路，从而大大减轻设计者的工作量。本电路是在介电常数εr=2.2，厚度H=0.254mm，金属厚度T=0.04mm的RT5880微带介质基片上进行仿真的。电路在ADS2003设计软件下按中心频率900MHz进行了仿真，其仿真结果如图2所示。从图2可以看出，在f＝800～1000MHz的频率范围内，插入损耗小于0.032dB，隔离度大于24dB，输出驻波小于1.021，输入驻波小于1.14。由于考虑到在实际的工艺中存在偏差，所以仿真的结果留有较大的余地，从结果可以看出电路具有良好的特性。
根据仿真参数，利用ADS提取出版图（图3），之后就可以直接进行加工，依据设计经验，ADS生成的版图无需进行过多的调整。
三、结论
从上述仿真设计的过程可以看出，在充分理解原理的基础上应用ADS软件进行微波混合集成电路的设计、仿真和优化是十分方便的，可以大大节约时间和工作量，缩短产品设计周期。但是同时也应注意到，ADS仅仅是一个工具，唯有全面、仔细地考虑各种情况，才可以设计出稳定、一致性好，调试量小的可靠产品。
参考文献：
[1]Dvid M.Pozar，微波工程[M].张肇仪，周乐柱等译. 北京: 电子工业出版社，2006.
[2]J.F.怀特，微波半导体控制电路[M].王晦光、黎安尧译，北京: 科学出版社.（white J F. microwave semiconductor control circuit. Beijing; science press; 1983.）
[3]顾其诤、项家桢、袁孝康，微波集成电路设计[M].北京:人民邮电出版社，1978.
[4]清华大学《微带电路》编写组，微带电路[M].北京: 人民邮电出版社，1979.
[5]杨丽、柏杨，ADS仿真软件在微波电路设计中的应用[J]. 大众科学(科学研究与实践)， 2007（16），54.
作者简介：
钟福如，男，江西信丰，汉族，讲师，从事微波集成电路和模拟集成电路方向研究。