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Microwave Office 微波平面电路设计工具介绍

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[摘要]本文介绍了美国AWR公司近年推出的用于计算微波平面电路的通用软件”Microwave Office”(微波办公室)及其两个模拟器的概况和基本功能。并从用户的角度出发,对该软件的优缺点,进行了分析。举出了两个计算实例。
[关键词]微波平面电路, 计算机软件, 矩量法

        1. 引言
        从八十年代开始,国际上微波电路技术已经从传统的波导及同轴线元器件和系统转移到采用微波平面电路(又称微波集成电路或微波印刷电路), 其特点是把电路印制在介质基片平面上。体积,重量和成本都大大减小。除了微带,共面波导,槽线,悬置线等无源电路以外, 微波半导体器件也可以集成在平面电路上, 构成混合微波集成电路。目前除了某些大功率和高极化纯度的场合,微波平面电路已经几乎取代了在通信,电子战,雷达和武器系统中的各种常规形式的微波电路。
然而设计微波平面电路一直是一项困难的工作。近年来设计工作变得更为复杂: 对电路的指标要求越来越高, 电路的功能越来越多, 电路的尺寸要求越做越小, 而设计周期却越来越短。为了应付这一挑战, 美国加州的Applied Wave Research公司花费了十年时间研究出一种叫做“Microwave Office”(微波办公室)的软件, 据称这种软件为微波平面电路设计提供了最完整, 最快速和最精确的解答。这种软件可以在Windows 95/98/NT操作系统下工作, 采用了面向对象的程序技术, 使用方便。一个具有普通电脑操作水平和大学英语程度的微波工程师, 通常可以在三至四周时间内, 通过学习该软件提供的有关帮助文件, 掌握该软件最基本的使用技术。然而, 要全面地掌握该软件的使用技术并不容易, 需要3~6个月或更多的时间。该公司声称, 该软件价格不贵, 其目的是使各微波公司可以把它象工具一样安装在每个工程师的计算机桌面上。据笔者所知, 该公司索要的$30,000的价位对国内大多数用户来说并不轻松, 但因为允许在网络上复制和共享, 所以对计算机很多, 并且内部联网的大公司还是可以接受。为了推广, AWR公司在它的因特网网址上提供了“ Microwave Office (2.5版本)” 软件的试用本, 通过下载和索取密码, 可以得到一个月的免费试用权。也可以向该公司在中国的代理商史泰普电子公司申请试用或购买。
该软件目前在国际上已有一定的著名度, 例如英国有名的Queen's大学高频研究组, 在它的因特网网页上介绍该校的高频电子学CAD设备时, 把"Microwave Office"和"HP-ADS","HP-MDS","HP-HFSS", "Sonnet", "Mathcad", "Matlab" 等软件并列为最有用的CAD计算软件。

        2. 软件的功能和两个模拟器
        众所周知,微波工程问题通常可以通过电路的方法或者场的方法来加以研究。 “Microwave Office”软件是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。对于由集总元件构成的电路, 用电路的方法来处理较为简便。该软件设有一个叫”VoltaireXL”的模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题。而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效, 该软件采用的是一个叫”EMSight”的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题。
”VoltaireXL”模拟器实质上是一个威力强大的谐波平衡和Volterra模拟引擎,它采用单频和多频谐波平衡Volterra级数来进行非线性电路的模拟, 混频器分析, 高速线性电路分析,高速噪声分析。它处理难度较大的微波电路问题的速度和精度优于其它品种的模拟器。实际上Volterra级数分析法要比普通的多频谐波平衡法快10~100倍, 是分析近线性电路的交调的最快方法。据称它是近十年来出现的最激动人心的电路模拟器。模拟器内设一个元件库, 在建立电路模型时, 可以很方便地调出微波电路所用的一切元件,其中无源器件有电感,电阻,电容, 谐振电路, 微带线, 带状线, 同轴线等等, 非线性器件有双极晶体管, 场效应晶体管,二极管等等。特别是该元件库收集了国际上三十余家家著名公司的微波有源器件和参数, 对于电路设计和计算非常有用。
        值得提出的是”VoltaireXL”模拟器具有实时调谐功能。在设计计算中, 经常需要调整电路的某些元件的参数, 以求获得最佳性能。这个模拟器与其它软件不同之处在于它调整电路元件的参数并不需要重新从头开始计算, 而是打开一个叫做“可变调谐器” 的视窗, 选择需调谐的元件的名称, 参数调谐的范围。通过移动视窗上的滑杆, 就可以使参数值从最小变化到最大。模拟器的图表视窗就马上把参数的变化对于整个电路性能的影响表现出来。这一优点是因为模拟器采用了一种叫做“增量计算”的先进分析技术, 避免了软件的许多重复计算。
”EMSight”模拟器是一个完整的三维电磁场模拟程序包, 它可用于平面高频电路和天线结构的分析。方法的特点是把一种威力强大的修正谱域矩量法与直观的视窗图形用户界面(GUI)技术结合起来。该模拟器可以精确地确定平面结构的等效多端口网络散射参量。 ”EMSight”模拟器除了能进行常用的点频逐点计算之外, 还安装了快速扫频(FFS)算法。所以这种模拟器计算三维电磁场的精度与其它在工业上常用的方法相同, 而计算速度却快得多。它可以分析下列电路的电气特性: 射频集成电路 (RFIC), 微波单片集成电路(MMIC), 微带贴片天线和高速印制电路(PCB)。
”EMSight”模拟器分析的电路都安装在一个矩形的金属包装盒内, 对于电路的层数和端口数并没有限制。分析时模拟器自动地对所计算的对象进行分割, 在电流密度变化大的地方, 网格分得细, 即单元尺寸取得小。而在电流密度变化小的地方, 单元尺寸取得大。用户也可以根据需要自行调节网格密度。
”EMSight”模拟器还具有显示微波平面电路内金属上电流和空间电场力线的能力。电流或电场均可以以三维或二维的形式来显示, 箭头表示电流的流向或电场的指向, 而力线颜色的深浅表示电流或电场的强弱。
”EMSight”模拟器可以对微波平面电路进行许多种类的计算, (在该软件中称计算为测量)。除了可以计算电路的阻抗参量,导纳参量,散射参量,传输参量, 混合参量之外, 对于线性电路,它能计算辅助稳定因子,输入电容,群延迟, 偶/奇模传输常数/阻抗/导纳, 电压驻波比, 端口输入阻抗/导纳, 增益等。
”EMSight”模拟器具有计算各种线/圆极化微带天线的电场方向图和功率方向图的能力, 在计算天线时矩形的金属包装盒边界可以改变, 顶部和底部可以改为自由空间阻抗,而侧壁可以拉远。方向图可以用直角坐标或极坐标显示, 用线性显示或对数显示。
        在”EMSight”模拟器内也设有一个元件库, 其特点是列入了大量的微带元件的资料如各种弯头, 开路线, 短截线, 耦合器, 阶梯, T形接头等。还包括了许多传输线的资料。
安装“Microwave Office”软件对于计算机的硬件的基本要求是: 主频200+MHz奔腾II中央处理器(或等效的微处理机系统), 128 MB RAM内存, Windows 95,Windows 98 或Windows NT操作系统。对于复杂的电磁结构和电路则推荐使用256 MB 以上内存的工作站。

        3. 使用情况介绍:
        笔者在HP公司Kayak XA小型工作站上对该软件从主要功能, 解决平面电路问题的能力, 计算的精度, 使用的方便与否等几个方面进行了考察。笔者计算了两个典型的平面电路问题: (1)矩形微带贴片天线; (2)微带耦合器。工作站采用奔腾II中央处理器,主频为300MHz, 内存RAM为64MB, 硬盘容量为4000MB。
在工程设计的起始阶段, 往往需要确定微带线的基本尺寸。软件给微带线的设计提供了方便的使用环境。软件中设有一个"传输线计算器", 对于五种常用的传输线, 即: 微带线, 带状线, 共面波导, 接地共面波导和槽线, 进行极其方便的分析和综合。该计算器实际上是一个表格。例如对于微带线的分析。只要在表格内填上微带线和基片的几何尺寸,基片的介电常数和损耗角, 工作频率, 然后按一下视窗内的"分析"按钮, 马上可以得到该微带线的电气参数包括阻抗, 有效介电常数, 传播常数, 衰减和电长度。而对于微带线的综合, 只要在表格内填上所设计的微带线的工作频率, 阻抗和电长度, (基片的尺寸和介电常数已选定), 则按一下视窗内的"综合"按钮, 马上可以得到该微带线的导体宽度和长度。
两个实例的计算情况如下:

        (1)矩形微带贴片天线
        贴片的尺寸为a=11.43 cm,b=7.62 cm, 基片h=1.60 mm, εr=2.62, 工作频率F=1187MHz,馈电方式采用边馈。贴片所在的XY平面剖分的基本单元尺寸选为dx=dy=2 mm, 基片的X方向尺寸为150mm, Y方向尺寸为100mm。这是一个由具体的微带尺寸构成的"场"问题, 用这些几何尺寸可以建立一个EMSight电磁结构, 如图1(d)所示。结构分成两层,上层是空气层,其顶板是开放的自由空间,取阻抗为377欧姆; 下层是介质基片层, 底板是金属接地平面。在空气与介质交界面上建立微带天线的几何图形。使用软件中的EMSight模拟器, 可以很方便地算得天线的E面和H面功率方向图, 圆锥切割方向图以及天线的散射参数S11如图1所示。在文献[2]的图1-12有用腔体理论计算的这个例子的E面和H面的电场方向图。比较可见二者基本上是一致的。但是本软件较腔体理论计算的优点在于用矩量法计算方向图时, 能把馈线对方向图的影响考虑在内。因为"边馈"是一种不对称, 所以图1(b)的圆锥切割方向图也出现不对称情况, 这符合物理概念和实验测量。

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(2)微带线定向耦合器:
在文献[3]的第九章举出了微带线定向耦合器的一些设计实例。该书第355页的一个实例中, 基片的参数是h=1.58 mm, εr=4.8, 微带线的宽度w=2.7 mm, 耦合部分的长度 L=7.5 mm, 耦合部分主副线的距离为 S=0.3 mm。主副线的四个端口都连有90°切角弯头。这个问题用本软件的两个模拟器都可以求解。但使用”VoltaireXL”模拟器更为方便, 因为在软件的元件库中有现成的各种耦合器和弯头的数据可以调用, 只要输入尺寸, 其电气性能即已知。然后建立一个由集总元件构成的电路图(Schematic), 如图2(b)所示。注意电路的四个端口也作为四个元件,根据实际使用情况,又分为"源端口"和"负载端口"。另外, 整个基片也作为一个元件,要输入其电参数和几何参数。在建立电路后, 选择要计算的参数, ”VoltaireXL”模拟器在几秒钟内即可求出该微带线定向耦合器在1到9GHz的性能(见图2(a))。把图2(a)与L.A.Trinogga书中的图9.5(C)的实验测量结果相比较,二者符合得很好。

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        4. 结论
        (1) 从上述分析和使用情况介绍可知, "微波办公室"软件是计算微波平面电路的强有力工具。其计算精度完全能满足工程设计的要求。 HP公司的HFSS软件在计算封闭的波导元件方面是强有力的工具, 但是计算微带电路, 微带天线, 半导体微波器件方面则力不从心。因此"微波办公室"软件可以补充HFSS软件之不足。
        (2) 在用”EMSight”模拟器分析复杂微波平面电路问题时, 对计算机的内存往往要求很高。导致计算时间非常长。甚至无法得出正确结果。如果选择尺寸较大的计算单元, 可以减少单元总数,缩短计算时间。但是计算精度往往太差, 在工程上无法接受。因此对于复杂的微波平面电路问题, 应该采用大型工作站或超级工作站。目前计算机技术所能提供的资源, 并不足以解决一切复杂的电磁场问题。矩量法和有限单元法所需的计算机内存与被研究对象的单元总数的平方成正比。近年来, 国际上趋向于采用时域有限差分法(FDTD)来研究电磁场问题, 因为 FDTD所需的计算机内存仅与被研究对象的单元总数的一次方成正比。也就是说, 在同样的内存等计算资源条件下, FDTD软件能解决更为复杂的电磁场问题。
        (3) 本软件的绘图工具功能过于简单。因此对一些复杂的图形, 要建立提供计算用的EM结构有一定困难。这时可以在其它的软件上建立图形, 然后输入到"EMSight"模拟器中。 "EMSight"模拟器对于AutoCAD的DXF格式, Sonnet 的GEO格式和GDSII格式都是兼容的。
        (4) 尽管本软件提供了丰富的元件库, 但是还是有不少器件是元件库中所没有的。这时可以人工建立一个元件或一个子电路, 其数据可以是由实验测量所得的散射参数或其它参数。这就使计算的结果更加符合实际情况。
        (5) 所有的电磁场计算软件均有其局限性, 本软件的一个明显的局限性就是只能计算制作在多层介质上的平面电路(多层介质板构成一个矩形立方体, 立方体的外面是金属外壳板)。无法计算空间平面立体电路(例如矩形波导内的鳍线电路)。另外, 虽然层与层之间的金属贴片可以互连或接地, 但是在立方体内垂直于层平面的方向不能建立接地平面。这也限制了某些平面电路,例如由多个单偶极子构成的对数周期天线的计算。尽管如此,本软件仍然不失为计算微波平面电路的一个强有力的工具。

5. 参考文献
[1] AWR公司: Microwave Office软件内的Help 文件。;
[2] 钟顺时:"微带天线理论与应用", 西安电子科技大学出版社,1991年;
[3] L。A。Trinogga, Guo Kaizhou & I.C.Hunter: "Practical Microstrip Circuit Design", Ellis Horwood limited, 1991

附录: “Microwave Office”软件的功能一览表
“VoltaireXL”模拟器 “EMSight”模拟器
集成的设计环境: