[摘要]本文介紹了美國(guó)AWR公司近年推出的用于計(jì)算微波平面電路的通用軟件”Microwave Office”(微波辦公室)及其兩個(gè)模擬器的概況和基本功能。 并從用戶的角度出發(fā),對(duì)該軟件的優(yōu)缺點(diǎn),進(jìn)行了分析。舉出了兩個(gè)計(jì)算實(shí)例。
[關(guān)鍵詞]微波平面電路, 計(jì)算機(jī)軟件, 矩量法

1. 引言
從八十年代開始,國(guó)際上微波電路技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的波導(dǎo)及同軸線元器件和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到采用微波平面電路(又稱微波集成電路或微波印刷電路), 其特點(diǎn)是把電路印制在介質(zhì)基片平面上。 體積,重量和成本都大大減小。 除了微帶,共面波導(dǎo),槽線,懸置線等無源電路以外, 微波半導(dǎo)體器件也可以集成在平面電路上, 構(gòu)成混合微波集成電路。 目前除了某些大功率和高極化純度的場(chǎng)合,微波平面電路已經(jīng)幾乎取代了在通信,電子戰(zhàn),雷達(dá)和武器系統(tǒng)中的各種常規(guī)形式的微波電路。
然而設(shè)計(jì)微波平面電路一直是一項(xiàng)困難的工作。 近年來設(shè)計(jì)工作變得更為復(fù)雜: 對(duì)電路的指標(biāo)要求越來越高, 電路的功能越來越多, 電路的尺寸要求越做越小, 而設(shè)計(jì)周期卻越來越短。 為了應(yīng)付這一挑戰(zhàn), 美國(guó)加州的Applied Wave Research公司花費(fèi)了十年時(shí)間研究出一種叫做“Microwave Office”(微波辦公室)的軟件, 據(jù)稱這種軟件為微波平面電路設(shè)計(jì)提供了最完整, 最快速和最精確的解答。 這種軟件可以在Windows 95/98/NT操作系統(tǒng)下工作, 采用了面向?qū)ο蟮某绦蚣夹g(shù), 使用方便。 一個(gè)具有普通電腦操作水平和大學(xué)英語程度的微波工程師, 通常可以在三至四周時(shí)間內(nèi), 通過學(xué)習(xí)該軟件提供的有關(guān)幫助文件, 掌握該軟件最基本的使用技術(shù)。 然而, 要全面地掌握該軟件的使用技術(shù)并不容易, 需要3~6個(gè)月或更多的時(shí)間。 該公司聲稱, 該軟件價(jià)格不貴, 其目的是使各微波公司可以把它象工具一樣安裝在每個(gè)工程師的計(jì)算機(jī)桌面上。 據(jù)筆者所知, 該公司索要的$30,000的價(jià)位對(duì)國(guó)內(nèi)大多數(shù)用戶來說并不輕松, 但因?yàn)樵试S在網(wǎng)絡(luò)上復(fù)制和共享, 所以對(duì)計(jì)算機(jī)很多, 并且內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)的大公司還是可以接受。 為了推廣, AWR公司在它的因特網(wǎng)網(wǎng)址上提供了“ Microwave Office (2.5版本)” 軟件的試用本, 通過下載和索取密碼, 可以得到一個(gè)月的免費(fèi)試用權(quán)。 也可以向該公司在中國(guó)的代理商史泰普電子公司申請(qǐng)?jiān)囉没蛸徺I。
該軟件目前在國(guó)際上已有一定的著名度, 例如英國(guó)有名的Queen's大學(xué)高頻研究組, 在它的因特網(wǎng)網(wǎng)頁上介紹該校的高頻電子學(xué)CAD設(shè)備時(shí), 把Microwave Office和HP-ADS,HP-MDS,HP-HFSS, Sonnet, Mathcad, Matlab 等軟件并列為最有用的CAD計(jì)算軟件。

2. 軟件的功能和兩個(gè)模擬器
眾所周知,微波工程問題通常可以通過電路的方法或者場(chǎng)的方法來加以研究。 “Microwave Office”軟件是通過兩個(gè)模擬器來對(duì)微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。 對(duì)于由集總元件構(gòu)成的電路, 用電路的方法來處理較為簡(jiǎn)便。 該軟件設(shè)有一個(gè)叫”VoltaireXL”的模擬器來處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問題。 而對(duì)于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分布參數(shù)微波平面電路則采用場(chǎng)的方法較為有效, 該軟件采用的是一個(gè)叫”EMSight”的模擬器來處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)的問題。
”VoltaireXL”模擬器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)威力強(qiáng)大的諧波平衡和Volterra模擬引擎,它采用單 頻和多頻諧波平衡Volterra級(jí)數(shù)來進(jìn)行非線性電路的模擬, 混頻器分析, 高速線性電路分析,高速噪聲分析。 它處理難度較大的微波電路問題的速度和精度優(yōu)于其它品種的模擬器。 實(shí)際上Volterra級(jí)數(shù)分析法要比普通的多頻諧波平衡法快10~100倍, 是分析近線性電路的交調(diào)的最快方法。 據(jù)稱它是近十年來出現(xiàn)的最激動(dòng)人心的電路模擬器。 模擬器內(nèi)設(shè)一個(gè)元件庫, 在建立電路模型時(shí), 可以很方便地調(diào)出微波電路所用的一切 元件,其中無源器件有電感,電阻,電容, 諧振電路, 微帶線, 帶狀線, 同軸線等等, 非線性器件有雙極晶體管, 場(chǎng)效應(yīng)晶體管,二極管等等。 特別是該元件庫收集了國(guó)際上三十余家家著名公司的微波有源器件和參數(shù), 對(duì)于電路設(shè)計(jì)和計(jì)算非常有用。
值得提出的是”VoltaireXL”模擬器具有實(shí)時(shí)調(diào)諧功能。 在設(shè)計(jì)計(jì)算中, 經(jīng)常需要調(diào)整電路的某些元件的參數(shù), 以求獲得最佳性能。 這個(gè)模擬器與其它軟件不同之處在于它調(diào)整電路元件的參數(shù)并不需要重新從頭開始計(jì)算, 而是打開一個(gè)叫做“可變調(diào)諧器” 的視窗, 選擇需調(diào)諧的元件的名稱, 參數(shù)調(diào)諧的范圍。 通過移動(dòng)視窗上的滑桿, 就可以使參數(shù)值從最小變化到最大。 模擬器的圖表視窗就馬上把參數(shù)的變化對(duì)于整個(gè)電路性能的影響表現(xiàn)出來。 這一優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)槟M器采用了一種叫做“增量計(jì)算”的先進(jìn)分析技術(shù), 避免了軟件的許多重復(fù)計(jì)算。
”EMSight”模擬器是一個(gè)完整的三維電磁場(chǎng)模擬程序包, 它可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。 方法的特點(diǎn)是把一種威力強(qiáng)大的修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面(GUI)技術(shù)結(jié)合起來。 該模擬器可以精確地確定平面結(jié)構(gòu)的等效多端口網(wǎng)絡(luò)散射參量。 ”EMSight”模擬器除了能進(jìn)行常用的點(diǎn)頻逐點(diǎn)計(jì)算之外, 還安裝了快速掃頻(FFS)算法。 所以這種模擬器計(jì)算三維電磁場(chǎng)的精度與其它在工業(yè)上常用的方法相同, 而計(jì)算速度卻快得多。 它可以分析下列電路的電氣特性: 射頻集成電路 (RFIC), 微波單片集成電路(MMIC), 微帶貼片天線和高速印制電路(PCB)。
”EMSight”模擬器分析的電路都安裝在一個(gè)矩形的金屬包裝盒內(nèi), 對(duì)于電路的層數(shù)和端口數(shù)并沒有限制。 分析時(shí)模擬器自動(dòng)地對(duì)所計(jì)算的對(duì)象進(jìn)行分割, 在電流密度變化大的地方, 網(wǎng)格分得細(xì), 即單元尺寸取得小。 而在電流密度變化小的地方, 單元尺寸取得大。 用戶也可以根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)網(wǎng)格密度。
”EMSight”模擬器還具有顯示微波平面電路內(nèi)金屬上電流和空間電場(chǎng)力線的能力。 電流或電場(chǎng)均可以以三維或二維的形式來顯示, 箭頭表示電流的流向或電場(chǎng)的指向, 而力線顏色的深淺表示電流或電場(chǎng)的強(qiáng)弱。
”EMSight”模擬器可以對(duì)微波平面電路進(jìn)行許多種類的計(jì)算, (在該軟件中稱計(jì)算為測(cè)量)。 除了可以計(jì)算電路的阻抗參量,導(dǎo)納參量,散射參量,傳輸參量, 混合參量之外, 對(duì)于線性電路,它能計(jì)算輔助穩(wěn)定因子,輸入電容,群延遲, 偶/奇模傳輸常數(shù)/阻抗/導(dǎo)納, 電壓駐波比, 端口輸入阻抗/導(dǎo)納, 增益等。
”EMSight”模擬器具有計(jì)算各種線/圓極化微帶天線的電場(chǎng)方向圖和功率方向圖的能力, 在計(jì)算天線時(shí)矩形的金屬包裝盒邊界可以改變, 頂部和底部可以改為自由空間阻抗,而側(cè)壁可以拉遠(yuǎn)。 方向圖可以用直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)顯示, 用線性顯示或?qū)?shù)顯示。
在”EMSight”模擬器內(nèi)也設(shè)有一個(gè)元件庫, 其特點(diǎn)是列入了大量的微帶元件的資料如各種彎頭, 開路線, 短截線, 耦合器, 階梯, T形接頭等。 還包括了許多傳輸線的資料。
安裝“Microwave Office”軟件對(duì)于計(jì)算機(jī)的硬件的基本要求是: 主頻200+MHz奔騰II中央處理器(或等效的微處理機(jī)系統(tǒng)), 128 MB RAM內(nèi)存, Windows 95,Windows 98 或Windows NT操作系統(tǒng)。 對(duì)于復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)和電路則推薦使用256 MB 以上內(nèi)存的工作站。

3. 使用情況介紹:
筆者在HP公司Kayak XA小型工作站上對(duì)該軟件從主要功能, 解決平面電路問題的能力, 計(jì)算的精度, 使用的方便與否等幾個(gè)方面進(jìn)行了考察。 筆者計(jì)算了兩個(gè)典型的平面電路問題: (1)矩形微帶貼片天線; (2)微帶耦合器。 工作站采用奔騰II中央處理器,主頻為300MHz, 內(nèi)存RAM為64MB, 硬盤容量為4000MB。
在工程設(shè)計(jì)的起始階段, 往往需要確定微帶線的基本尺寸。 軟件給微帶線的設(shè)計(jì)提供了方便的使用環(huán)境。 軟件中設(shè)有一個(gè)傳輸線計(jì)算器, 對(duì)于五種常用的傳輸線, 即: 微帶線, 帶狀線, 共面波導(dǎo), 接地共面波導(dǎo)和槽線, 進(jìn)行極其方便的分析和綜合。 該計(jì)算器實(shí)際上是一個(gè)表格。例如對(duì)于微帶線的分析。只要在表格內(nèi)填上微帶線和基片的幾何尺寸,基片的介電常數(shù)和損耗角, 工作頻率, 然后按一下視窗內(nèi)的分析按鈕, 馬上可以得到該微帶線的電氣參數(shù)包括阻抗, 有效介電常數(shù), 傳播常數(shù), 衰減和電長(zhǎng)度。 而對(duì)于微帶線的綜合, 只要在表格內(nèi)填上所設(shè)計(jì)的微帶線的工作頻率, 阻抗和電長(zhǎng)度, (基片的尺寸和介電常數(shù)已選定), 則按一下視窗內(nèi)的綜合按鈕, 馬上可以得到該微帶線的導(dǎo)體寬度和長(zhǎng)度。
兩個(gè)實(shí)例的計(jì)算情況如下:

(1)矩形微帶貼片天線
貼片的尺寸為a=11.43 cm,b=7.62 cm, 基片h=1.60 mm, εr=2.62, 工作頻率F=1187MHz,饋電方式采用邊饋。 貼片所在的XY平面剖分的基本單元尺寸選為dx=dy=2 mm, 基片的X方向尺寸為150mm, Y方向尺寸為100mm。 這是一個(gè)由具體的微帶尺寸構(gòu)成的場(chǎng)問題, 用這些幾何尺寸可以建立一個(gè)EMSight電磁結(jié)構(gòu), 如圖1(d)所示。 結(jié)構(gòu)分成兩層,上層是空氣層,其頂板是開放的自由空間,取阻抗為377歐姆; 下層是介質(zhì)基片層, 底板是金屬接地平面。在空氣與介質(zhì)交界面上建立微帶天線的幾何圖形。 使用軟件中的EMSight模擬器, 可以很方便地算得天線的E面和H面功率方向圖, 圓錐切割方向圖以及天線的散射參數(shù)S11如圖1所示。 在文獻(xiàn)[2]的圖1-12有用腔體理論計(jì)算的這個(gè)例子的E面和H面的電場(chǎng)方向圖。 比較可見二者基本上是一致的。 但是本軟件較腔體理論計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)在于用矩量法計(jì)算方向圖時(shí), 能把饋線對(duì)方向圖的影響考慮在內(nèi)。 因?yàn)檫咅伿且环N不對(duì)稱, 所以圖1(b)的圓錐切割方向圖也出現(xiàn)不對(duì)稱情況, 這符合物理概念和實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

(2)微帶線定向耦合器:
在文獻(xiàn)[3]的第九章舉出了微帶線定向耦合器的一些設(shè)計(jì)實(shí)例。 該書第355頁的一個(gè)實(shí)例中, 基片的參數(shù)是h=1.58 mm, εr=4.8, 微帶線的寬度w=2.7 mm, 耦合部分的長(zhǎng)度 L=7.5 mm, 耦合部分主副線的距離為 S=0.3 mm。 主副線的四個(gè)端口都連有90°切角彎頭。 這個(gè)問題用本軟件的兩個(gè)模擬器都可以求解。但使用”VoltaireXL”模擬器更為方便, 因?yàn)樵谲浖脑熘杏鞋F(xiàn)成的各種耦合器和彎頭的數(shù)據(jù)可以調(diào)用, 只要輸入尺寸, 其電氣性能即已知。 然后建立一個(gè)由集總元件構(gòu)成的電路圖(Schematic), 如圖2(b)所示。 注意電路的四個(gè)端口也作為四個(gè)元件,根據(jù)實(shí)際使用情況,又分為源端口和負(fù)載端口。 另外, 整個(gè)基片也作為一個(gè)元件,要輸入其電參數(shù)和幾何參數(shù)。在建立電路后, 選擇要計(jì)算的參數(shù), ”VoltaireXL”模擬器在幾秒鐘內(nèi)即可求出該微帶線定向耦合器在1到9GHz的性能(見圖2(a))。 把圖2(a)與L.A.Trinogga書中的圖9.5(C)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相比較,二者符合得很好。

4. 結(jié)論
(1) 從上述分析和使用情況介紹可知, 微波辦公室軟件是計(jì)算微波平面電路的強(qiáng)有力工具。其計(jì)算精度完全能滿足工程設(shè)計(jì)的要求。 HP公司的HFSS軟件在計(jì)算封閉的波導(dǎo)元件方面是強(qiáng)有力的工具, 但是計(jì)算微帶電路, 微帶天線, 半導(dǎo)體微波器件方面則力不從心。 因此微波辦公室軟件可以補(bǔ)充HFSS軟件之不足。
(2) 在用”EMSight”模擬器分析復(fù)雜微波平面電路問題時(shí), 對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存往往要求很高。 導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間非常長(zhǎng)。 甚至無法得出正確結(jié)果。 如果選擇尺寸較大的計(jì)算單元, 可以減少單元總數(shù),縮短計(jì)算時(shí)間。 但是計(jì)算精度往往太差, 在工程上無法接受。 因此對(duì)于復(fù)雜的微波平面電路問題, 應(yīng)該采用大型工作站或超級(jí)工作站。 目前計(jì)算機(jī)技術(shù)所能提供的資源, 并不足以解決一切復(fù)雜的電磁場(chǎng)問題。 矩量法和有限單元法所需的計(jì)算機(jī)內(nèi)存與被研究對(duì)象的單元總數(shù)的平方成正比。 近年來, 國(guó)際上趨向于采用時(shí)域有限差分法(FDTD)來研究電磁場(chǎng)問題, 因?yàn)?FDTD所需的計(jì)算機(jī)內(nèi)存僅與被研究對(duì)象的單元總數(shù)的一次方成正比。 也就是說, 在同樣的內(nèi)存等計(jì)算資源條件下, FDTD軟件能解決更為復(fù)雜的電磁場(chǎng)問題。
(3) 本軟件的繪圖工具功能過于簡(jiǎn)單。 因此對(duì)一些復(fù)雜的圖形, 要建立提供計(jì)算用的EM結(jié)構(gòu)有一定困難。 這時(shí)可以在其它的軟件上建立圖形, 然后輸入到EMSight模擬器中。 EMSight模擬器對(duì)于AutoCAD的DXF格式, Sonnet 的GEO格式和GDSII格式都是兼容的。
(4) 盡管本軟件提供了豐富的元件庫, 但是還是有不少器件是元件庫中所沒有的。 這時(shí)可以人工建立一個(gè)元件或一個(gè)子電路, 其數(shù)據(jù)可以是由實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的散射參數(shù)或其它參數(shù)。 這就使計(jì)算的結(jié)果更加符合實(shí)際情況。
(5) 所有的電磁場(chǎng)計(jì)算軟件均有其局限性, 本軟件的一個(gè)明顯的局限性就是只能計(jì)算制 作在多層介質(zhì)上的平面電路(多層介質(zhì)板構(gòu)成一個(gè)矩形立方體, 立方體的外面是金屬外殼板)。 無法計(jì)算空間平面立體電路(例如矩形波導(dǎo)內(nèi)的鰭線電路)。 另外, 雖然層與層之間的金屬貼片可以互連或接地, 但是在立方體內(nèi)垂直于層平面的方向不能建立接地平面。 這也限制了某些平面電路,例如由多個(gè)單偶極子構(gòu)成的對(duì)數(shù)周期天線的計(jì)算。盡管如此,本軟件仍然不失為計(jì)算微波平面電路的一個(gè)強(qiáng)有力的工具。


5. 參考文獻(xiàn)
[1] AWR公司: Microwave Office軟件內(nèi)的Help 文件。;
[2] 鐘順時(shí):微帶天線理論與應(yīng)用, 西安電子科技大學(xué)出版社,1991年;
[3] L。A。Trinogga, Guo Kaizhou I.C.Hunter: Practical Microstrip Circuit Design, Ellis Horwood limited, 1991

附錄: “Microwave Office”軟件的功能一覽表
“VoltaireXL”模擬器 “EMSight”模擬器
集成的設(shè)計(jì)環(huán)境:

• 直觀分層次的圖形界面
• 對(duì)流行的圖表格式和數(shù)據(jù)格式的支持
• 多級(jí)的撤銷鍵入和重復(fù)鍵入的編輯功能
• 先進(jìn)的圖形/數(shù)據(jù)顯示能力

剪切和粘貼功能 集成的項(xiàng)目環(huán)境:

• 先進(jìn)的圖形/數(shù)據(jù)顯示能力
• 多級(jí)的撤銷鍵入和重復(fù)鍵入的編輯功能
• 同時(shí)觀看多個(gè)二維或三維的結(jié)構(gòu)
• 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖動(dòng)的方法搬移結(jié)構(gòu)
• 剪切和粘貼功能
• 輸入或輸出GDSII, AutoCAD DXF和Sonnet GEO 設(shè)計(jì)文件
• 先進(jìn)的模擬環(huán)境模擬器即將具有的功能:
• 交互實(shí)時(shí)調(diào)整
• 多次優(yōu)化法
• 對(duì)于統(tǒng)計(jì)法的全面支持
• 離散值的優(yōu)化 先進(jìn)的EM模擬器即將具有的功能:
• 快速頻率掃描(FFS)算法
• 自動(dòng)可變網(wǎng)格
• 精確的全波譜域法(矩量法)
• 最快速的電磁場(chǎng)求解器之一

多重模擬法:

• 單頻諧波平衡引擎
• 多頻諧波平衡
• 靜態(tài)和時(shí)變Volterra級(jí)數(shù)引擎
• 混頻器分析(變換矩陣分析)
• 先進(jìn)的高速線性分析
• 高速噪聲分析
• 采用EMSight的無縫積分(可選) 先進(jìn)的電流模擬和可視化能力:
• 電流在結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的真正的時(shí)域和頻域模擬
• 觀看任意端口的激勵(lì)和終端阻抗的效應(yīng)
• 顯示掃頻的駐波比和相位
• 在結(jié)構(gòu)的任意一層顯示電場(chǎng)

廣泛的線性和非線性器件模型:

• 集總元件,微帶線,帶狀線,懸置基片和共面不連續(xù)模型
• 支持MESFET,HBT,PHEMT,BJT和二極管模型
• 模型的樣板允許用戶把模型的參數(shù)設(shè)置到正確的偏壓條件下
• 用戶定義線性和非線性模型 廣泛的輸出和測(cè)量能力:
• 顯示S, y, h, z, g 和ABCD參數(shù)
• 觀看增益,穩(wěn)定性,VSWR測(cè)量
• 新天線方向性測(cè)量和圖形
• 對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)提取SPICE等效參數(shù)
• 具有實(shí)時(shí)可變調(diào)諧特性的集成線性模擬器
• 采用工業(yè)上的標(biāo)準(zhǔn)格式如Touchstone進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀和寫

開放的模型結(jié)構(gòu):

• 很容易在幾分鐘內(nèi)創(chuàng)建出用戶定義的模型
• 編輯器獨(dú)立范例
• 添加新模型不需要重新編輯與重新連接模擬器
• 通過電子郵件或因特網(wǎng)發(fā)送模型 模擬器即將具有的功能:
• 電磁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
• 分析芯片的電容器結(jié)構(gòu)

模擬器即將具有的功能:

• 非線性振蕩器分析
• 非線性噪聲分析
• 相位噪聲和混頻器噪聲
• 非線性振蕩器分析
• 非線性穩(wěn)定性分析