微波无源电路仿真技术(01平面电路)

电子科技大学贾宝富博士微波无源电路仿真技术平面无源电路仿真前言平面无源电路仿真软件可以分为两类，一类是专门用于平面无源电路电磁（EM）仿真的软件，例如：Sonnet和IE3D。这类软件通常计算精度比较高，但图形输入界面不太友好；功能单一。因此，这类软件的使用者不是很多。另外一类平面无源电路仿真软件是既可以做电路仿真、又可以做EM仿真的软件，例如：AgilentADS、AWRMicrowaveOffice、AgilentGenesys和AnsoftDesigner等。这类软件既可以做无源电路的仿真又可以做有源电路的仿真。因而用户较多。比较这些软件，其中ADS和MWO是两款不错的软件。ADS的培训资料比较多，比较容易找到。MWO的资料比较少。而且根据我的使用经验，MWO在做无源平面电路仿真时在优化手段和计算精度上有其独到之处。因此，我们在这里给大家介绍MWO在平面无源电路中的使用。仿真设计实例-陷波滤波器一、文件库导入设置工作环境与ADS不同，MWO在做具体仿真计算之前需要设置工作环境。具体地讲就是导入PDK（ProcessDesigneKit）文件。需要创建四种文件LPF文件–特定工艺配置，包括默认单位、分辨率、线的类型、结构类型、电容类型、PAD类型、过孔类型、Airbrage等Common_PCB_Models.dllCommon_PCB_Cells.dll–物理模型AWR_Module.ini–PDK的初始化文件简单PDK的四个文件[Foundry]Name=AWR_TrainingDescription=ExamplePDKforAWRTrainingClassesVersion=1.0.0[FilePathMacros]GDS_LIB=Library[FileLocations]ModelPath=$DEFAULT;ModelsCellPath=$DEFAULT;CellsSymbolPath=$DEFAULT;SymbolsLayerProcessFile=Library/AWR_Training_FR4.lpfAdditionalXML=AWRTraining;Library/AWR_Training.xmlDefaultTemplate=Library/AWR_Training.emtEM_Models_Dir=$DEFAULT;NPorts导入库文件进入AWR集成环境，菜单栏FileNewWithLibraryBrowse找到后缀为INI的文件（在此为教程所给目录下的AWR_Training.ini文件）导入封装库先选择左下角的”Layout”标签右键单击CellLibrariesImportGDSIILibrary找到后缀为.gds的文件（在此为教程所给目录下的Generic_Board_Lib.gds文件）查看封装图双击元件名可查看封装的图示保存项目菜单栏FileSaveProjectAs二、创建、编辑电路图和PCB图新建电路图先选择左下角的”Project”标签右键单击”CircuitSchematics”，选择“NewSchematic”，键入电路图名称”NotchFilter”保存电路图名称中不建议使用空格，尤其在封装库名称中建议使用下划线”_”代替电路图编辑环境每个电路图分别有一个电路视图与一个PCB视图与之对应可自定义工具栏：在工具栏内空白区域单击右键可自行选择公式工具栏标准工具栏电路设计工具栏放置元件先选择左下角的”Elements”标签所有的元件按不同的类别呈树形排列左键单击元件（按住左键不放），并拖拽至电路视图中右键单击元件，选择”ShowDetails”，可切换至显示详细信息旋转元件在放置元件之前，可以通过单击鼠标右键旋转也可以对元件进行翻转操作：•按水平方向翻转：Shit+鼠标右键•按垂直方向翻转：Ctrl+鼠标右键元件类别本教程所涉及的元件包含以下类别Interconnects(互连结构)LumpedElementCapacitor(集总元件电容)LumpedElementInductor(集总元件电感)MicrostripJunctions(微带线连接结构)MicrostripLines(微带线线)SimulationControl(仿真控制)Substrates(衬底)■接地、端口以及子电路模块可在菜单栏中找到快捷键：接地（GND）-Ctrl+P端口（PORT）-Ctrl+G子电路（SUB）-Ctrl+K电路图——左半部分连接好的元件如下图所示（整个电路图的左半部分）注意：对于MTRACE2元件，有标记的端口（Port1）必须按此顺序摆放使用变量Via元件有两个参数没有直接赋数字值，而是用变量表示。变量在电路图中赋值在电路图中，变量可通过工具栏中的”Equation”按钮定义如果在元件中使用了变量，不要忘记为变量赋值。Euqation的快捷键为Ctrl+E设置封装鼠标左键双击元件，在弹出的“ElementOptions”（元件选项）对话框中，选择“Layout”（板图）标签可浏览并选择需要的封装在此选择库名为”GenericBoardLib”，为电容指定封装为”CapAVXAccuP0603”，为代表SMA接头特性的电感指定封装为”ConnectorCoTronTopPCBSMA”先选择库名，再选择封装电路图——右半部分连接好的元件如下图所示（整个电路图的右半部分）不要忘记给电感指定封装确认该元件为MTEE$可通过Ctrl+Z，进行撤销操作注意：确认元件MTRACE2的端口1的方向在左侧。完整的电路图完整的板图此接头状态设置为参考点：在PCB图中，左键选择“Shapeproperties”，弹出的对话框中“Layout”标签的右侧，选择“Useforanchor”设置为参考点的作用：“SnapTogether”操作时，该元件将不移动，其它元件以此元件为参考点对齐智能元件尾缀为”$”的元件为智能元件，如MTEE$（智能三端接头）在PCB图中，双击需要改变的微带线，其四周会出现拖拽点，选取一点拖拽改变线宽，此时观察MTEE$的宽度也自动改变MTEE$对齐元件工具栏上有各种控制元件对齐的按钮先选择下方的SMA接头，按住Shit键再选择上方的SMA接头（即达到多选的功能），工具栏中选择“CenterHorizontal”（水平居中对齐）按钮，对齐两个接头当多个元件进行对齐时，最先选择的元件将保持不动。固定元件左键单击选择元件后，通过右键”ShapeProperties”中的“freeze”选项，可固定元件当元件选择了“freeze”之后，将在任何情况下都不会移动元件MTRACE2可对MTRACE2的走线进行控制在PCB图中，左键双击MTRACE2元件可出现拖拽点，移动鼠标至走线与过孔相连的一端（即1端口）（将出现双向箭头），此时左键双击可对走线进行控制（直角或45°）注意：必须从MTRACE2元件的1端口进行布线1.双击MTRACE2元件2.移动至1端口，再双击3.布线，双击完成自动衔接选择工具栏中的“Snaptofit”可自动衔接元件先选择线，再进行“Snaptofit”操作，就可以自动衔接至SMA接头3D视图通过工具栏上的按钮可方便查看3D视图旋转3D视图在3D视图中，按住鼠标左键不放并移动可进行旋转观察注意到SMA接头和与之连接的MTRACE2一端发生了短接，这是因为它们目前都设置在PCB的顶层，而实际上此条线应位于PCB的底层。改变层右键”ShapeProperties”中LineType改变走线所在的层将原来的“TopMetal”改成“BottomMetal”布线检查在3D视图中可方便对所有的连接进行检查三、仿真设置添加输出图表Graphs右键“AddGraph”可添加图表添加测试项图表右键“AddMeasurement”可添加测试项此处添加S21以“dB”值显示确认“DataSourceName”（数据源）中为”NotchFilter”复制测试项复制、粘贴测试项非常简单，只需Ctrl+C、Ctrl+V即可也可以直接拖拽测试项，进行复制编辑测试项复制后，可对测试项进行编辑此处将S21改成S11设置频率范围在“ProjectOptions”右键可设置仿真频率不要忘记点Apply按钮在左侧“CurrentRange”中显示的是仿真的频率点及范围仿真单击工具栏的“Analyze”按钮可进行仿真如果改变了基板STUB的参数显示的仿真图将产生变化四、调谐调谐设置单击工具栏上的“TuneTool”可选择需要调谐的参数或变量使用Tunetool选择需要调谐的参数调谐单击工具栏上的”Tune”按钮可进行调谐五、导入S参数模型导入S参数模型右键”DataFiles”选择“ImportDataFile”，可导入S参数在此选择”TouchstoneFiles”类型，导入“Models/CoTron_SMA.s2p”文件删除原有的以电感表示的SMA接头导入S参数模型单击工具栏上的“SUB”按钮，映射为刚才导入的S参数文件通过SUB可导入电路图、EM结构、S参数、SPICE等快捷键为Ctrl+K导入S参数模型在电路图中放置SUBCKT元件，即完成S参数模型的导入自定义示意图在电路图中元件右键”Properties”的”Symbol”标签，可自定义其示意图选择封装在“Layout”标签中选择相应的封装在此选择”CoTronTopPCBSMA”S参数模型的选项在“ModelOptions”的标签中对模型进行设置在此勾选“EnforcePassivityEverywhere”，S参数模型通常用此设置检查板图最后，确定所有元件和走线都位于正确的层，并衔接无误添加测试图表命名为“Passivity”添加测试项添加“Passivity”测试项在此选择“Linear”类中的“PASSIVE”项，在datasource（数据源）中选择”CoTron_SMA”仿真仿真并查看结果仿真并查看结果该测试项的目的是检验S参数模型是否为无源类型如果passivity0即满足要求六、参数优化待优化的参数选择MLEF的W、L参数为优化对象优化目标设置为4GHz~5GHz时，S21-40dB复制优化目标Ctrl+C、Ctrl+V进行复制修改为5GHz~6GHz时，S21-40dB也可通过鼠标拖拽的方式进行复制（与复制测试项的操作一样）优化目标线在”SParam“图中可看到优化目标线改变目标线可在图表上直接改动目标线先左键单击目标线，再对操作点进行拖拽改变目标线将目标线改成”V“字型注意：不要将目标线设置过宽的频带，否则将可能满足不了目标。（由于这只是单级的滤波器）优化设置在菜单栏上选择SimulateOptimize，用合适的方法开始优化优化过程中可以观察接近目标的程度，也可看到图表的变化优化结果很快将得到结果七、误差分析待分析的参数选择电容值C为待分析的参数，设置误差为10%待分析的参数选择基板的Er，设置误差为±0.1（即范围为3.28~3.48）设置目标设置为5GHz~5.25GHz的S21-30dB~-5.5dB复制目标Ctrl+C、Ctrl+V进行复制修改为4.75GHz~5GHz的S21-5.5dB~-30dB也可以使用鼠标拖拽的方式实现目标的设置目标线此目标线位于之前设置的优化目标线之内（由于参数优化需要更严格的限制条件）仿真设置在菜单栏中选择SimulateYieldAnalysis将”MaximumIterations”（最大迭代次数）设置为500，单击“Start”开始分析仿真结果所有的仿真曲线都将显示在一张图表中整体通过率%改变图表格式在“SParam”图表上右键选择“Properties”改变图表格式（续）可设置需要显示的曲线（显示所有曲线、只显示达标/不达标的曲线