EDA軟件在射頻電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張明強(qiáng)，廖劍雄，仇紅燕，吳金峰

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，庫(kù)爾勒 841000）

1 引言

傳統(tǒng)的射頻電路設(shè)計(jì)需要查工程圖表以及大量的手工計(jì)算，過(guò)程繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算精度也不高，需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反復(fù)調(diào)整。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種EDA軟件。利用軟件仿真，從電路設(shè)計(jì)、性能分析、參數(shù)優(yōu)化到印制電路板的整個(gè)過(guò)程都可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，極大地提高了效率，縮短了電路設(shè)計(jì)周期。

2 Microwave Office軟件的功能

Microwave Office軟件利用矩量法進(jìn)行仿真，可以進(jìn)行射頻電路的線性、非線性仿真及電磁仿真，對(duì)電路進(jìn)行分析、優(yōu)化，還可將原理圖轉(zhuǎn)換為布線圖，最后生成印制線路板圖。其功能主要包括：

（1）線性仿真器。采用節(jié)點(diǎn)分析來(lái)仿真一個(gè)電路的特性，適用于元件可由導(dǎo)納矩陣描述的電路，如低噪聲放大器、濾波器、耦合器等。生成的典型測(cè)量項(xiàng)為增益、穩(wěn)定性、噪聲指數(shù)、反射系數(shù)、噪聲圓、增益圓等。（2）非線性仿真器。采用諧波平衡法或Volterra級(jí)數(shù)源來(lái)激勵(lì)電路。對(duì)一個(gè)非線性電路，諧波平衡分析與Volterra級(jí)數(shù)分析是無(wú)法互換的求解方法。諧波平衡法常用于功率放大器、混頻器、倍頻器等非線性電路，而Volterra級(jí)數(shù)法是一種線性算法，最適于弱非線性電路，如工作在低于1dB壓縮點(diǎn)的放大器。（3）電磁仿真器。磁仿真利用麥克斯韋方程來(lái)計(jì)算物理幾何結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。由于可以仿真任意三維結(jié)構(gòu)并提供很精確的結(jié)果，這種電磁仿真是比較理想的。另外，由于使用基本方程來(lái)計(jì)算響應(yīng)，電磁仿真不受電路模型中的許多約束條件的限制。電磁仿真器的一個(gè)局限性是計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，仿真耗時(shí)按問(wèn)題大小的指數(shù)倍增長(zhǎng)，因此減少問(wèn)題的復(fù)雜性就很重要，以便及時(shí)得到結(jié)果。（4）布線工具。它采用先進(jìn)的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，使得原理圖與布線圖的創(chuàng)建緊密結(jié)合，在電路圖中的每一個(gè)元件都指定一個(gè)制版單元，該制版單元可以為該元件建立實(shí)際的布線對(duì)象。布線圖實(shí)際上就是原理圖的另一種視圖，在原理圖中的任何改動(dòng)，都將同步在布線圖中更新。這樣，在執(zhí)行仿真前就省去了復(fù)雜的設(shè)計(jì)同步及返回注解。（5）濾波器設(shè)計(jì)向?qū)?。Filter Synthesis Wizard（濾波器設(shè)計(jì)向?qū)В┦荕icrowave Office軟件自帶的軟件包，輸入各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)即可生成各種濾波器的電路原理圖，非常便捷、高效。（6）傳輸線計(jì)算器。TXLine（傳輸線計(jì)算器）也是Microwave Office軟件自帶的軟件包，可以對(duì)各種傳輸線的電特性和物理特性進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換運(yùn)算，從而免去大量繁瑣的手工計(jì)算，既提高了計(jì)算精度，也解放了人力。TXLine可以計(jì)算微帶線、帶狀線、同軸線等多種結(jié)構(gòu)，非常實(shí)用。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)一個(gè)切比雪夫射頻低通濾波器，技術(shù)指標(biāo)為：截止頻率2.2GHz，帶內(nèi)波紋為0.2dB，在阻帶頻率4.2GHz處，阻帶衰減最小為30dB，輸入、輸出端特性阻抗50Ω。用微帶實(shí)現(xiàn)，基片參數(shù)為εr=9.6，H=1mm。

射頻濾波器的設(shè)計(jì)方法一般來(lái)說(shuō)有分布參數(shù)法、影象參數(shù)法和綜合設(shè)計(jì)法。前兩種方法計(jì)算煩雜，近似程度低，且不能得到最佳設(shè)計(jì)，一般已不使用。綜合設(shè)計(jì)法又稱為原型設(shè)計(jì)法，是以衰減和相移函數(shù)為基礎(chǔ)，利用網(wǎng)絡(luò)綜合理論，先求出集總元件低通原型電路（原型濾波器），再將集總元件原型電路中的各元件用射頻結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。低通原型的設(shè)計(jì)步驟為：計(jì)算歸一化頻率，根據(jù)給定的通帶、阻帶衰減值，查工程圖表確定元件數(shù)目N、確定濾波器的元件歸一化值，確定串、并聯(lián)方式，最后計(jì)算出各元件的真實(shí)值。計(jì)算過(guò)程非常繁瑣，查圖不方便，而且誤差較大。利用軟件仿真，就可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟。

3.1 確定原型濾波器

啟動(dòng)Microwave Office軟件的Filter Synthesis Wizard功能，依次選擇低通、切比雪夫式，在參數(shù)定義頁(yè)輸入各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，設(shè)元件數(shù)目為5，截止頻率為2.2GHz，帶內(nèi)參數(shù)為波紋衰減，波紋衰減值為0.2dB，輸入、輸出端特性阻抗均為50Ω。再將原型濾波器設(shè)為理想電路模型、集總元件、電容輸入式。全部完成后，即可生成原型濾波器的原理圖。如圖1所示。

3.2 計(jì)算微帶線的結(jié)構(gòu)尺寸

選用高、低阻抗線實(shí)現(xiàn)。微帶線的寬度可利用Microwave Office軟件中的Txline（傳輸線計(jì)算器）直接計(jì)算得到：輸入工作頻率及基片參數(shù)，低阻抗線取10Ω，算得低阻抗線的寬度W=10.4mm，εre=8.66；高阻抗線取80Ω，算得高阻抗線的寬度W=0.29mm，εre=6.06。

微帶線的長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

低阻抗線由式（1）計(jì)算得l1=l5=1.98mm，l3=3.2mm；高阻抗線由式（2）計(jì)算得l2=l4=6.6mm。

3.3 仿真及優(yōu)化

按照計(jì)算的尺寸完成射頻低通濾波器電路圖，如圖2所示。經(jīng)仿真分析得到濾波器頻率響應(yīng)，圖略。由于性能尚未符合指標(biāo)要求，還要對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化處理。設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為f<2.2GHz時(shí)，S11<-13dB，S21＞-0.2dB；f＞4.2GHz時(shí)，S21<-30dB。 首 先 選 擇 Random Local法進(jìn)行優(yōu)化，再選擇Pointer-Gradient Optimization法進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化后各項(xiàng)參數(shù)已基本符合指標(biāo)要求，結(jié)果如圖3所示。優(yōu)化后的射頻低通濾波器尺寸為：低阻抗線W=10.4mm，l1=l5=2.03mm，l3=3.17mm；高阻抗線W=0.29mm，l2=l4=6.89mm。

利用Microwave Office軟件還可以由電路圖得到布線視圖，已優(yōu)化的射頻低通濾波器的布線圖如圖4所示。由圖中可以非常直觀的得到射頻濾波器的實(shí)際形狀。

圖2 射頻低通濾波器電路

圖3 優(yōu)化后的濾波器頻率響應(yīng)

圖4 濾波器布線視圖

4 結(jié)束語(yǔ)

由上述實(shí)例可知，軟件仿真能夠極大地縮短電路設(shè)計(jì)周期，減少手工計(jì)算，有著傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性。利用Microwave Office軟件，還可以進(jìn)行電磁視圖仿真，以及進(jìn)行工藝容差分析以提高設(shè)計(jì)成品率。EDA軟件今后必將越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于射頻電路設(shè)計(jì)中。