《射頻電路》中射頻仿真實驗設計探討

張 蘭，李曉蓉，江愛萍 （武漢大學電子信息學院，湖北武漢430079）

《射頻電路》課程內容涵蓋射頻微波技術所涉及的各方面的基礎知識，已逐步成為很多高等院校電子信息類專業的一門重要的專業課程。通過該課程的學習，學生可以深入理解微波射頻相關的理論知識，重點掌握諧振器、功分器、定向耦合器和濾波器等無源器件，射頻放大器、振蕩器、混頻器等有源電路以及射頻系統的基本原理與分析設計方法［1］。該課程有著較強的系統性、理論性和實踐性，不但要求學生掌握基本原理和計算方法，更重要的是培養學生對射頻電路的分析、設計及實際應用能力，因而《射頻電路》實踐教學是其教學過程中必不可少的一個環節。為此，筆者在教學實踐中對仿真實驗在《射頻電路》實踐教學中的應用進行了探討。

1 射頻仿真實驗的必要性

實驗教學的目的是驗證相關的自然規律或者物理現象，培養學生的實驗操作技能，鍛煉學生實踐能力和自主創新能力［2］。射頻電路的計算一般涉及到大量的函數運用和復雜的計算公式，而且計算過程中有著很多的近似賦值，如何找到一個合理值是設計的關鍵。此外，按照理論將電路模型及各器件的值計算出來后，要讓學生了解各器件值的變化對結果的影響或找到一個更優化的值，就必須使用仿真軟件［3］。在實際應用中，隨著射頻系統設計的復雜程度增大，對電路的指標和功能要求逐步增高，使用EDA軟件工具進行射頻元器件與系統設計已成為必然，學會使用仿真軟件進行射頻電路設計已成為射頻開發人員必須掌握的內容。因此，在射頻電路實踐教學中，除了要開設一些射頻電路的測量實驗項目，還要設置射頻仿真實驗項目。學生可以通過仿真實驗來充分理解實驗的設計思想和設計方法，能夠自行設置實驗參數、觀察實驗現象和分析實驗結果，從而完成射頻基本器件和射頻系統的設計。

2 射頻仿真實驗的相關軟件

微波射頻領域內的EDA軟件有很多，包括基于矩量法求解的ADS、Microwave Office和IE3D、基于時域有限差分法的XFDTD、基于有限元法的HFSS、基于時域積分方程法的CST微波工作室等。這些商用軟件一般具有比較友好的用戶界面，可以通過可視化窗口方便地顯示模型結構、表面電流分布、輻射場特性和相關的S參數等電參數特性，十分有利于仿真應用［4］。由于ADS提供了一系列功能強大的優化器，可根據設置的優化目標自動仿真得到最優值，特別適合學生理解電路中各參數的意義。此外，ADS相關的工具書和設計資料相對比較豐富，可借鑒的設計經驗比較多，有利于學生在完成相關仿真實驗時便捷地解決遇到的實際問題，從而便于自主學習。因此，在射頻仿真實驗中，可以將ADS作為主要仿真工具進行一系列仿真實驗，即從最基本的射頻電路單元的設計入手，利用ADS的S參數仿真等方法，要求學生完成對射頻典型電路進行設計和仿真，然后通過射頻收發系統的綜合仿真來培養學生對射頻系統的總體設計和評估能力，讓學生把所學的眾多知識點融會貫通，從而促進學生綜合素質的提高。

3 仿真實驗設計實例

該實驗要求以ADS為工具，以自主實驗為原則來完成集總參數元件濾波器和耦合微帶線帶通濾波器的設計。具體設計指標如下：帶通濾波器的帶內紋波0．5dB、中心頻率2．4GHz、帶寬300MHz、2．1GHz處衰減20dB；微帶基板介質材料的介電常數為4．25、基板厚度H為1．45mm、覆銅厚度T為0．035mm。

3．1 集總參數元件濾波器設計

集總參數濾波器由電容、電感等組成，是學生學習低頻電路時接觸較多的濾波器。學生利用ADS自帶的濾波器設計工具設計該濾波器時，通過設置濾波器響應類型、紋波系數、通帶截止頻率、阻帶截止頻率、截止頻率處損耗等參數，可以直接生成滿足要求的集總參數濾波器，并可以完成其主要參數和指標的仿真。集總參數濾波器的設計完成后，如果濾波器工作頻率高，不宜采用集總元器件，需要把集總參數元器件轉化為分布參數元器件，可采用Richards變換和Kuroda等效來實現。

3．2 耦合微帶線帶通濾波器設計

進行該濾波器設計的具體步驟如下：①通過理論計算確定濾波器的參數。首先根據設計要求中截止頻率來確定歸一化帶寬，再選擇歸一化低通濾波電路的原型確定濾波器階數，查找相應的濾波器元件參數表來確定相關參數，最后確定帶通濾波器電路中耦合傳輸線的奇模和偶模的特征阻抗。上述計算過程比較復雜，可以運用Matlab等數學工具進行輔助計算。②根據微帶線的偶模和奇模阻抗，按照給定的微帶線路板的參數，使用ADS中的微帶線計算器LineCalc計算得到微帶線的幾何尺寸。③根據計算的參數設計電路原理圖，再連接好電路進行仿真。由于理論值的仿真結果和實際結果有很大出入，可以采用Optim工具進行優化。觀察優化結果后，根據情況對優化目標、優化變量的取值范圍、優化方法及次數進行適當調整，直到達到設計要求。學生通過整個優化過程，可以很清楚地看到各參數的作用以及各參數是如何影響設計結果的。④版圖的優化和仿真。采用矩量法直接對電磁場進行計算，根據原理圖優化的結果生成版圖，添加2個Port，設置版圖中微帶電路的基本參數和仿真窗口，再執行版圖的仿真。如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標要求，那么要重新回到原理圖窗口進行優化仿真。可以改變優化變量的初值，也可根據曲線與指標的差別情況適當調整優化目標的參數，重新進行優化并得到最終版圖［5］。該版圖是實際制作電路板的依據，在后續綜合實驗中可以將其加工成實際電路板，并對其性能參數進行測量。

4 結 語

進行仿真實驗時采用模塊化結構，把實驗按其功能劃分為許多獨立的模塊，便于學生進行選擇和組合，從而為學生獨立進行探究性實驗搭建了平臺，這利于學生創造力的發展。射頻電路仿真實驗作為射頻電路實踐教學的重要組成部分，將理論問題與實踐緊密結合，有利于提高學生的學習主動性，培養其分析問題和解決問題的能力。教學實踐表明，將仿真實驗應用在 《射頻電路》實踐教學中可以改善教學效果并提高教學質量，因而受到學生的好評。

［1］張學毅，羅飛 ．“射頻電路”課程的教學探討 ［J］．電氣電子教學學報，2006，28（3）：21-24．

［2］徐瑋瑋 ．仿真實驗在教學中的應用及其意義 ［J］．科技信息，2009（34）：724-725．

［3］徐升槐，王卓遠 ．微波與射頻電路設計課程實踐教學探討 ［J］．安徽電子信息職業技術學院學報，2009，4（8）：78-80．

［4］魏 兵，郭立新 ．電波傳播專業建設的幾點思考 ［J］．中國電子教育，2007（3）：43-45．

［5］馮新宇，車向前，穆秀春 ．ADS2009射頻電路設計與仿真 ［M］．北京：電子工業出版社，2010．