现代微波电路与器件设计-1、概述-西安电子科技大学苏涛老师.优秀PPT.ppt

现代微波电路和器件设计现代微波电路和器件设计1、概述概述苏苏 涛涛2008年春年春现代微波电路和器件设计现代微波电路和器件设计一、课程设置目的一、课程设置目的二、课程内容二、课程内容三、考核方法三、考核方法四、探讨四、探讨一、课程设置目的一、课程设置目的“英雄无用武之地英雄无用武之地”理论与实践脱节理论与实践脱节“书到用时方恨少书到用时方恨少”理论学问没有理论学问没有“驾驭驾驭”电磁场理论电磁场理论微波网络微波网络天线原理天线原理射频电子电路射频电子电路电子线路、高频、物理电子线路、高频、物理高数、矩阵论、线性代数、矢量分析、复变函数高数、矩阵论、线性代数、矢量分析、复变函数“学以致用学以致用”理论和工程的理论和工程的“桥梁桥梁”没有建立，没有建立，缺乏动手的实力和仿照的机会；缺乏动手的实力和仿照的机会；学校只讲理论，公司只讲产品；学校只讲理论，公司只讲产品；理论学问的应用产生产品的过程往往被忽视；理论学问的应用产生产品的过程往往被忽视；学习、仿照、思索、实践学习、仿照、思索、实践相对的，理论探讨发展、数值算法分析中的创相对的，理论探讨发展、数值算法分析中的创新过程比较引起留意；大家也比较新过程比较引起留意；大家也比较“会会”文章的发文章的发展创新；展创新；缺乏创新缺乏创新基础扎实，合理猜想，大胆实践，谨慎操作！基础扎实，合理猜想，大胆实践，谨慎操作！早期的波导、场论早期的波导、场论 现代微波工程的分布电路分析现代微波工程的分布电路分析 当今大多数微波工程师从事平面结构元件和集成当今大多数微波工程师从事平面结构元件和集成电路设计，无需干脆求助于电磁场分析；电路设计，无需干脆求助于电磁场分析；当今微波工程师的基本工具是微波当今微波工程师的基本工具是微波CAD软件和网软件和网络分析仪；络分析仪；微波工程仍旧离不开电磁学，学生仍将从揭示事微波工程仍旧离不开电磁学，学生仍将从揭示事务的本质中受益，但是把重点变更到微波电路分务的本质中受益，但是把重点变更到微波电路分析和设计上来这一点是不容置疑的。析和设计上来这一点是不容置疑的。David M.Pozar微波工程微波工程 在一门有成效的微波工程课程中，应有两项重在一门有成效的微波工程课程中，应有两项重要内容：运用计算机协助设计（要内容：运用计算机协助设计（CAD）模拟软件和）模拟软件和微波试验训练。微波试验训练。David M.Pozar微波工程微波工程 Ansoft：HFSS,Designer,ePhysics,-CST Microwave Office IE3D ADS(Advanced Design System)FEKO QFDTD -二、课程内容二、课程内容微波器件和电路微波器件和电路微波微波CAD软件软件典型器件设计的典型器件设计的CAD范例范例设计理论设计理论+CAD即不空谈理论，也不是即不空谈理论，也不是CAD软件教学软件教学微波器件和电路多种多样，丰富多彩微波器件和电路多种多样，丰富多彩术业有专精，现代分工越来越细术业有专精，现代分工越来越细典型器件：常用、有代表性、由简到繁典型器件：常用、有代表性、由简到繁留意理论应用，设计思想等留意理论应用，设计思想等滤波器制造滤波器制造有限元分析波导结构软件有限元分析波导结构软件大功率功放功率测试大功率功放功率测试集总元件器件集总元件器件 :/hbmmc /Product%20Contents/products.htm :/ansoft /微波微波CAD软件，多种；软件，多种；应用领域、算法更有不同，各具特色；应用领域、算法更有不同，各具特色；应用应用CAD的基础是的基础是“电磁场微波理论电磁场微波理论”；Ansoft HFSS，Ansoft Designer，Microwave OfficeCSTADS Ansoft公司的软件产品，是通过高性能的设计和仿真评公司的软件产品，是通过高性能的设计和仿真评估电子产品及系统来帮助我们的客户提升竞争优势。估电子产品及系统来帮助我们的客户提升竞争优势。高频产品：高频产品：Ansoft Designer：全新的射频、微波及无线通信领域，电：全新的射频、微波及无线通信领域，电磁场、电路及系统仿真的综合解决方案。磁场、电路及系统仿真的综合解决方案。HFSS：三维高频电磁场分析软件。：三维高频电磁场分析软件。Nexxim：下一代频域和时域仿真器。：下一代频域和时域仿真器。信号完整性产品：信号完整性产品：Q3D Extractor：电磁参数自动提取工具。：电磁参数自动提取工具。DesignSI：扩展：扩展Ansoft Designer设计平台在高性能信号完设计平台在高性能信号完整性的应用软件。整性的应用软件。SIwave：高速：高速PCB和高密度和高密度IC封装信号完整性和功率传输封装信号完整性和功率传输全波高密度分析工具。全波高密度分析工具。TPA：全自动三维封装信号完整性分析软件。：全自动三维封装信号完整性分析软件。机电产品：机电产品：Maxwell2D：精确的二维电磁场分析，温度场，有限元分析：精确的二维电磁场分析，温度场，有限元分析软件。软件。Maxwell3D：高精度电磁场，温度场，有限元分析软件。：高精度电磁场，温度场，有限元分析软件。SIMPLORER：包含电路，机电系统，限制算法在内的多工：包含电路，机电系统，限制算法在内的多工程领域系统仿真软件。程领域系统仿真软件。RMxprt：旋转电机设计专家。：旋转电机设计专家。PExprt：开关电源设计软件。：开关电源设计软件。选项：选项：AnsoftLinks：接口软件，可干脆导入：接口软件，可干脆导入/出设计数据。出设计数据。Full-wave Spice：超宽带：超宽带SPICE模型发生器。模型发生器。ePhysics：电磁应用中热和应力作用分析（中文网站错误）：电磁应用中热和应力作用分析（中文网站错误）Optimetrics：参数化，敏感性及优化智能引擎。：参数化，敏感性及优化智能引擎。CSTMicrowave StudioWelcometoCSTMICROWAVESTUDIOthespecialisttoolforthefastaccuratesimulationofhighfrequencyproblems.MainFeatures1.BroadbandcalculationofS-parameterandantennaproblems.2.Calculationof3Deigenmodes.3.ModalAnalysis:ImprovedS-parametersolverforextremelyhighresonantstructures,basedon3Deigenmodecalculation.4.Frequencydomainsolverwithadaptivesampling.5.Powerfulmacrolanguage(VBA),OLEautomationserver.6.Fast,accurateandmemoryefficientFiniteIntegrationMethod(FI-Method)withPerfectBoundaryApproximation(PBA).7.Expertsystembasedautomaticmeshgenerationwith3Dadaptivemeshrefinement.8.Fullyparametric3DACISbasedsolidandcurvemodeling.9.ImportandExportofSAT,Step,CATIA,Pro/E,IGESorSTL3DCADdata.10.ImportandExportofDXF2DCADdata.11.ImportGDSIIandGerber2DCADdata.12.Importofvoxeldatamodels(HumanModelData).13.AR-Filteranalysisforresonantstructures.14.Farfield(2D,3D,gain,angularbeamwidthandmore)andradarcrosssection(RCS)calculation.15.Efficientbuild-inoptimizer.(PowellandQuasi-Newtontype,advancedmultilevelinterpolationschemes)16.ParameterSweeps.17.NetworkParameterExtraction.18.SpiceModelExtraction Welcome to Microwave Office,a powerful design and analysis tool for automating the high frequency design process.Unique to Microwave Office is its fully integrated solution,which allows you to take designs from concept to production without ever leaving the Microwave Office design environment.You use Microwave Offices intuitive graphical interface to design circuits composed of schematics and electromagnetic(EM)structures from an extensive electrical model database,and then generate layout representations of these designs.You can perform simulations using one of Microwave Offices simulation engines-a linear simulator,an advanced harmonic balance or Volterra-series nonlinear simulator,or a 3D-planar EM simulator(EMSight)-and display the output in a wide variety of graphical forms based on your analysis needs.You can then tune or optimize the designs and your changes are automatically and immediately reflected in the layout.At the core of Microwave Offices technology is its advanced object-oriented approach.The Microwave Office software is compact,fast,reliable,and easily enhanced with new technology as it becomes available.两个问题？两个问题？综合还是优化综合还是优化 有了有了CAD软件，还须要理论综合和软件，还须要理论综合和综合理论了吗？干脆把任务交给计算机不综合理论了吗？干脆把任务交给计算机不是更简洁是更简洁 怎样学习怎样学习CAD软件？遇到问题怎么办？软件？遇到问题怎么办？综合，还是优化综合，还是优化 传统的滤波器设计，接受网络综合的方法。传统的滤波器设计，接受网络综合的方法。所谓网络综合，在微波工程好用上指的是预先所谓网络综合，在微波工程好用上指的是预先规定元器件特性而用网络去实现的一个过程。规定元器件特性而用网络去实现的一个过程。它大致包括三个步骤：它大致包括三个步骤：（1 1）提出目标，即志向响应；）提出目标，即志向响应；（2 2）选用可能的函数去靠近志向响应；）选用可能的函数去靠近志向响应；（3 3）设法实现具有靠近函数特性的网络。）设法实现具有靠近函数特性的网络。由于接受的靠近函数不同，一般有由于接受的靠近函数不同，一般有ButterworthButterworth综合、综合、ChebyshevChebyshev综合、椭圆函数综合综合、椭圆函数综合等滤波器设计方法。等滤波器设计方法。综合综合综合综合优化优化优化优化明确的数学和物理意义明确的数学和物理意义明确的数学和物理意义明确的数学和物理意义可能是最优的可能是最优的可能是最优的可能是最优的有效的有效的有效的有效的需要特定的函数需要特定的函数需要特定的函数需要特定的函数有时是困难和耗时的有时是困难和耗时的有时是困难和耗时的有时是困难和耗时的 理论较少，更易公式化理论较少，更易公式化理论较少，更易公式化理论较少，更易公式化适应市场适时需要适应市场适时需要适应市场适时需要适应市场适时需要非特定规划的非特定规划的非特定规划的非特定规划的可能是低效率、耗时和可能是低效率、耗时和可能是低效率、耗时和可能是低效率、耗时和非唯一的非唯一的非唯一的非唯一的 无论计算实力多么巨大，仿真软件如何优秀，单无论计算实力多么巨大，仿真软件如何优秀，单纯地依靠优化的方法仍旧有其固有的局限性。纯地依靠优化的方法仍旧有其固有的局限性。优化的方法须要确定优化的变量和代价函数，通常优化的方法须要确定优化的变量和代价函数，通常代价函数可以接受实际响应和志向响应的差距，而优代价函数可以接受实际响应和志向响应的差距，而优化变量的确定就困难得多，实际中常常是已确定网络化变量的确定就困难得多，实际中常常是已确定网络的拓扑，优化元件值；或者已确定基本的结构优化物的拓扑，优化元件值；或者已确定基本的结构优化物理尺寸等等。也就是说，无法凭空优化，而如何得到理尺寸等等。也就是说，无法凭空优化，而如何得到优化前预先确定的部分呢？优化前预先确定的部分呢？优化的代价可以分为两个部分：一是优化算法的优化的代价可以分为两个部分：一是优化算法的代价；二是每次叠代计算代价函数的代价。接受全波代价；二是每次叠代计算代价函数的代价。接受全波电磁仿真软件虽然可以得到实际模型的响应，进而得电磁仿真软件虽然可以得到实际模型的响应，进而得到代价函数，但该过程常常是费时费劲的。优化过程到代价函数，但该过程常常是费时费劲的。优化过程中须要做全波仿真的次数越多，全波仿真的困难度越中须要做全波仿真的次数越多，全波仿真的困难度越大，设计工程的时间和困难度就会越大。大，设计工程的时间和困难度就会越大。即使假定可以优化得到最优解（在预先确定部分，即使假定可以优化得到最优解（在预先确定部分，比如拓扑结构的基础上），如何保证其最优解满足设计比如拓扑结构的基础上），如何保证其最优解满足设计指标呢？指标呢？首先，接受综合的方法得到原理电路和网络拓扑，首先，接受综合的方法得到原理电路和网络拓扑，可以保证设计的可成功性；并且，依据原理电路得到的可以保证设计的可成功性；并且，依据原理电路得到的实际滤波器结构可以明确优化的变量和合理的初值（削实际滤波器结构可以明确优化的变量和合理的初值（削减了优化次数）；继而，接受优化的方法可以修正实际减了优化次数）；继而，接受优化的方法可以修正实际结构响应函数与综合函数的差距，完成滤波器设计。结构响应函数与综合函数的差距，完成滤波器设计。在整个设计过程中，全波电磁仿真是结构优化的基在整个设计过程中，全波电磁仿真是结构优化的基础，础，AnsoftAnsoft软件等优秀的电磁全波仿真计算为我们供应软件等优秀的电磁全波仿真计算为我们供应了很好的选择。了很好的选择。CAD软件的软件的Help是学习的第一老师是学习的第一老师随软件的文档和例子随软件的文档和例子网站上的更多的文档和例子网站上的更多的文档和例子第三方的教程、文档和例子第三方的教程、文档和例子技术支持技术支持揣测、试验和验证，揣测、试验和验证，“试着试着”运用软件运用软件如何学习运用软件如何学习运用软件三、考核方法三、考核方法探讨生课程应当如何考核？探讨生课程应当如何考核？和本科，甚至中学等考试有何区分？和本科，甚至中学等考试有何区分？督促、考察、筛选督促、考察、筛选开卷、论文开卷、论文课程中的某点或某节的探讨课程中的某点或某节的探讨自己感爱好的相关课题报告自己感爱好的相关课题报告课题探探讨文课题探探讨文完整、工整完整、工整有内容、有想法有内容、有想法答答 辩辩四、探讨四、探讨