微波电路电子自动化设计讲义Word文件下载.docx
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3.1传递矩阵法……27
3.1.1传递矩阵（A矩阵）与二端口电路……27§
3.1.2基本单元电路对应的矩阵形式……29§
3.1.3简单级联电路的分析……30§
3.1.4分支电路的分析……32
3.2节点导纳矩阵（待定导纳矩阵）法……40
3.2.1不定（待定）导纳矩阵定义……40§
3.2.2不定（待定）导纳矩阵性质……42§
3.2.3微波元器件的不定导纳矩阵……43§
3.2.4电路导纳矩阵的建立方法……45§
3.2.5用节点导纳矩阵分析电路的方法……48
3.3散射矩阵法……50
3.3.1S参数矩阵与电路特性参数关系……50§
3.3.2双口网络级联的S参数……51§
3.3.3多口网络互联的S参数（散射矩阵的连接生长法）……52
I
3.3.4多口S矩阵的端口简化……58
3.4三种分析方法的比较……60习题……61
第四章最优化方法和最优化设计……63
4.1最优化设计的基本原理……63§
4.2目标函数……65
4.2.1误差函数……65§
4.2.2目标函数……66§
4.2.3目标函数极值及全域最小值问题……68
4.3最优化方法概述……71§
4.4一维搜索法……73
4.4.1区间消去法的基本原理……73§
4.4.2菲波那西（Fibonacci）法……74§
4.4.3黄金分割（0.618法）……76
4.5无约束最优化的梯度方法（多维）……77
4.5.1最速下降法……77§
4.5.2牛顿法……83
4.6无约束最优化的直接方法（多维）……85
4.6.1模式法……86§
4.6.2单纯形法……88
4.7约束最优化问题……91
4.7.1参数变换法……92§
4.7.2外罚函数法……94§
4.7.3内罚函数法……99
第五章灵敏度计算与容差分析……102
5.1灵敏度计算……103
5.1.1§
5.1.2§
5.1.3§
5.1.4灵敏度定义……103灵敏度的直接计算法……103伴随网络法……105大变化灵敏度的计算……106
5.2容差分析……107
5.2.1最坏情况分析……107§
5.2.2统计分析……108
附录微波电路设计举例……112
II
第一章绪论
1.1微波电路
微波电路顾名思义，就是传播微波信号的电路，相对于低频电路，它的频率更高，难度更大。
由于频率升高，使它的电路形式和设计方法都与低频电路不同，需要单独研究。
微波电路微波有源电路微波无源电路
从广义角度来讲，微波电路可以分为微波有源电路和微波无源电路。
微波有源电路微波半导体器件微波真空电子器件
所谓有源电路就是需要接入电源的电路。
它又可分为微波半导体器件和微波真空电子器件。
微波半导体器件包括肖特基势垒二极管，开关用的PIN管，用于倍频及参量放大的变容管，负责振荡用的耿氏管、雪崩二极管，还有三极管类，它包含双极型平面三极管和场效应管。
微波真空电子器件包括用于高功率输出的速调管、在微波炉中大量使用的磁控管、用于宽带放大的行波管等。
由于微波真空电子器件体积大、耗能高以及制造困难，目前在很多地方都被微波半导体器件所取代。
可以这么说，凡是微波半导体器件能做到的领域，微波真空电子器件就立即被取代。
但是，由于微波半导体器件受限于功率容量、散热以及工艺，在高频率、大功率和宽频带领域，微波真空器件还有一定的应用前景。
一旦微波半导体器件在这些领域得到突破，微波真空器件必将退出历史舞台。
微波无源电路微波立体传输线微波平面传输线
微波无源电路包括波导、同轴线等微波立体传输线以及各种微波平面传输线，应用最广泛的是微带线，同时配合使用带状线、槽线及共面线等。
微波半导体器件和平面传输线构成的微波集成电路（MIC）以其小型化、重量轻和耗能少而受到重视，获得了迅速发展。
它不同于低频集成电路（IC），低频集成电路是把有源、无源器件和连线都做在半导体芯片上，而微波集成电路是无源
1
电路采用分布参数的平面传输线，微波半导体器件仍是单独封装之后再焊接到电路中。
因此，更确切的名称是微波混合集成电路，通常简称为微波集成电路。
相对于微波混合集成电路，目前广泛使用的是微波单片集成电路（MMIC），MMIC将所有的有源和无源电路元件以及互连都做成一整体或在一块半绝缘衬底的表面。
1.1.2微波电路的发展
1、二战时期随着雷达的出现，微波器件开始崭露头角典型标志：
（1）
（2）有源部分：
电真空器件无源传输线：
波导同轴结构2、50-60年代典型标志：
出现多种微波固态器件无源传输线：
对微波平面传输线深入研究、实用化，微带线、带状线出现。
体积、重量大大降低↓↓，方便性增加↑。
3、70年代随着半导体技术的发展↑↑，微波电路也得到快速发展。
典型标志：
（1）成熟
（2）abcdef（3）无源传输线：
多种平面传输线标准微带，1-60GHz悬置微带，1-150GHz带状线，槽线，2-60GHz共面线，2-60GHz鳍线，30-150GHz，主要用于毫米波器件复合介质基片迅速发展有源部分：
GaAs器件出现，场效应晶体管（MESFET）得到发展，MIC趋于例：
肖特基二极管、PIN管、耿氏管、雪崩二极管特点：
出现早期的微波混合集成电路→MIC（Microwaveintegratedcircuit）
特点：
体积大、重量大，使用不方便。
′′′参数：
相对介电常数εr，基片厚度h，损耗角正切tgδ，δ＝ε′′′，tgε其中ε=ε+jε
2
Rogers5880εr=2.2（4）abc固态器件大量涌现低噪声放大器：
BJT（双极性晶体管），HEMT（高电子迁移率晶体管）功率放大器：
MESFET（金属半导体场效应晶体管）其他：
混频、检波、振荡、倍频、限幅等
易加工，成本低（光刻）、电路调试方便，提高工作效率
4、70年代末-90年代半导体器件↑↑，通信、雷达↑↑，使得微波电路也得到极大发展典型标志：
MMIC（微波单片集成电路）出现，器件尺寸大大降低MMIC优越性：
（1）
（2）（3）（4）减少有源器件封装（很多采用裸芯片），减小管壳引脚分布参数的影响，工消除很多人工焊点，电路更为可靠体积重量进一步减小，成本降低开发周期大大降低5、发展趋势
（1）
（2）（3）（4）（5）（6）单一功能→多功能发展频段向毫米波、亚毫米波延伸。
（目前8mm技术已经较成熟）带宽进一步拓展大力发展MCM（多芯片组件技术），目前使用较多的是LTCC（低温共烧精确电磁仿真和电路仿真相结合系统设计和元部件设计相结合作频带大大加宽
做MMIC的公司：
M/A-com，Agilent，Hittite等
陶瓷）
1.2什么是微波电路EDA？
EDA：
ElectronicDesignAutomatic，电子设计自动化CAD：
Computer-AidedDesign，计算机辅助设计EDA是ElectronicDesignAutomatic的简称，即电子设计自动化。
简而言之，微波电路EDA就是微波电路的设计过程以EDA的这种形式实现。
我们可能听说过了CAD（Computer-aideddesign，计算机辅助设计），那什么是EDA？
它和CAD有什么区别？
请看下面这个图：
3
1.电路设计指标
2.初始电路设计
3.进行电路分析
5.修改电路
否
4指标已满足？
是6.设计结束
图1-1电路设计流程图在图中，首先，设计者根据任务要求考虑电路的设计方案，规定电路的设计指标；
根据设计指标进行初步设计，确定初始电路（也就是初步确定电路的结构形式及元件的大概数值）；
然后将这个初始电路由计算机进行分析，计算出电路的各种特性指标，并将结果与规定的电路指标（即设计指标）进行比较，判断其是否满足要求（也就是误差是否小于允许值）。
若指标没有满足，则进行电路修改（改变电路结构或电路中有关元件的数值），然后再由计算机对修改后的电路进行分析，并对结果重新进行比较。
上述过程反复进行，直至计算的电路特性完全满足规定的指标或不能再改进为止。
从这个图中还可以看出，整个设计过程是由人和计算机合作完成。
更确切的说，是计算机辅助人完成了设计工作。
根据计算机在设计中的不同辅助程度，可以把这种设计分为几种不同的等级。
CAA：
Computer-AidedAnalysis，计算机辅助分析如果在图中，除3框由计算机完成外，其余各框都由人完成，即计算机仅辅助人进行了电路的分析工作，我们称之为计算机辅助分析（Computer-AidedAnalysis,简称CAA），这时的程序实质是个电路分析程序。
如果除1,2两框由人完成外，其余各框均有计算机完成，则称之为计算机辅助设计，即CAD，这时的CAD程序通常主要由分析程序和最优化程序组成。
如果在图中，除1框，其余所有各框全部由计算机完成，则称为电子设计自动化，即EDA，电子设计自动化是一种更高级的优化设计。
可以看出EDA和CAD的区别主要是，CAD还需要人为的去设计初始电路，而EDA把这一步都交给计算机去完成。
在EDA
4
中，虽然全部设计工作都有计算机完成，但是计算机是按照人编写的程序进行工作的，或者说是在人指导下完成设计任务的，因此从这个意义上来讲，计算机还是辅助人进行设计工作，而不是计算机超越了人。
相对于传统设计，EDA具有以下主要优点：
（1）设计质量高在大多数情况下能使设计的电路同时满足所要求的各项性能指标。
对于一般电路，通常有多钟指标要求，而在某些指标之间可能是相互矛盾或相互制约的。
在这种情况下，EDA能设法在各项指标间找出折衷方案，从而使各项指标都得到较好的满足。
（2）设计速度快由于计算机的运算速度快，从修改电路元件到给出分析结果，一般只需要零点几秒钟到几秒钟时间。
若一个电路的设计要反复修改几百次，其设计周期也不过几十分钟。
（3）能完成传统设计难以完成或无法完成的任务由于人工计算难以对电路进行灵敏度和容差分析，设计者不可能规定元件容差和加工公差的合理数值，结果往往不是因规定公差过小而造成加工困难，就是因容差太大致使有源器件互换性差，电路性能不稳定，产品合格率低。
利用计算机辅助设计，便于对电路进行灵敏度计算、容差分析和模拟故障分析，从而大大提高电路的合格率和可靠性。
（4）节省电路研制过程中的实验器材和加工量，提高了经济效益。
以上是EDA的主要优点。
当然，它也有缺点：
（1）准备工作周折费神（需要编写程序与调试程序），商用软件也需要熟悉建模过程，建模的优劣直接影响设计的准确性。
（2）EDA不能保证迭代过程收敛于最佳电路，得到的往往是局部最佳，而不是全局最佳。
1.3微波电路设计软件概述
1.3.1AgilentADS（基于路仿真，但提供矩量法进行场分析）
ADS软件全称AdvancedDesignSystem，是由Agilent公司出的一款电路设计CAD软件，功能极为强大。
它可以进行：
5
直流仿真、交流仿真、S参数仿真和优化、瞬态分析、小信号分析、非线性电路分析（比如谐波平衡法）、提供矩量法进行场仿真、系统仿真等ADS提供了designguide，可以方便的设计功分器、滤波器、功放及振荡器等器件。
ADS的界面清晰、整洁，易于操作。
1.3.2AnsoftHFSS（基于场仿真，主要针对无源电路）
HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）是美国ANSOFT公司开发的一种三维电磁仿真软件,它提供了一个交互式的界面以简化设计输入。
（1）HFSS是能够计算任意形状无源结构的电磁场问题，它采用自适应网络剖分和自适应网格加密技术、切向矢量有限元算法和自适应LanczosPade扫频（LAPS）等先进技术不断提高FEM方法的计算速度和计算精度，完善使用功能。
（2）它不仅可以求解内部场问题，还可以求解场的散射问题，具有宽频带快速扫描的能力，它的自适应网格剖分可以根据计算的结果在网格需要加密的地方自动加密。
（3）同时，HFSS软件还允许自己剖分网格，用户可以根据电磁场理论，在场比较密的地方手动加密，在保证了计算精度的情况下节省了计算机资源。
（4）采用HFSS仿真可以直接得到输入阻抗、端口的S参数、方向图等参数。
对于任意三维高频微波器件，如波导、滤波器、耦合器、连接器、铁氧体器件和谐振腔等，HFSS都能提供工具实现S参数提取、产品调试及优化，最终达到制造要求。
1.3.3其他软件
Microwaveoffice：
基于路仿真软件，但采用叫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。
CST：
三维电磁场仿真Ansoftesemble:
二维半电磁场仿真工具AnsoftdesignerAnsoftserenda：
线性非线性电路与系统设计Eagleware：
路仿真工具SPICE：
具有一般微波电路CAD软件所不具备的直流直流分析和时域分析功能，在分析强非线性微波电路和分析超高速脉冲数字电路是具有很大的优势。
AgilentEMDS：
类似HFSS的三维电磁场仿真工具（2006）
6
第二章建模方法
我们要用计算机对微波电路进行设计，首先必须对微波电路进行建模。
通过模型，把现实的物理问题转化为数学问题，才能通过计算机作相应的处理。
这一部分内容，在你们其他课程（比如微波固态电路等）的学习中将会作详细介绍。
在这里，我们将对微波电路的建模作一个简单介绍。
2.1建模方法概述
2.1.1模型的基本要求
任何一个微波电路都是由一些微波元件和器件组成，要建立电路的数学模型，首先要建立元器件的数学模型。
（注意：
电路和元器件是一个不同的概念，电路较大，器件较小，一个电路由若干器件组成。
比如一个放大电路可以是由输入匹配电路、输出匹配电路、偏置电路和三极管（MESFET）等器件组成）。
对模型的基本要求为：
1、准确。
首先是准确，如果元器件的数学模型不能准确的反映实际器件的特性，那么基于这个模型的分析与设计必然是不准确的。
2、简单。
其次是简单，因为复杂的数学模型不仅会使问题复杂化，而且会导致计算时间增加和占用更多的计算机资源。
但是，简单的前提是准确，要求在保证必要精度的前提下简化模型。
一般采用下述方法确定元器件的电路模型：
先从一个比实际需要更精确的电路模型出发，在计算机上分析其特性，然后忽略那些对特性影响较小的等效元件，从而得到一定精度又较简单的模型。
2.1.2建立元器件模型的方法
理论分析方法电磁场全波分析方法实验方法非线性分析方法
7
1、理论分析方法：
对一些结构简单、规则、均匀的微波元件，可采用理论分析方法。
它一般是从基本电磁理论出发，根据元器件的具体边界条件，联立方程求出具体的表达式。
当然也可以用理论分析的方法建立元器件的等效电路模型，然后利用网络理论求解。
例如在《微波技术基础》中所学的矩形波导、圆波导和同轴线的分析方法就是理论分析方法。
它的优点是：
有利于理解器件的物理机理，精度较高，计算速度快。
缺点是：
对结构复杂、不规则的无源器件和大部分有源器件无法求解。
2、电磁场全波分析方法这是随着计算机技术的发展而发展起来的方法，它能计算任意形状无源结构的电磁场问题。
在计算边界结构复杂、形状不规则的无源器件时更能体现它的优势。
它是从麦克斯韦方程出发，直接利用边界条件，划分网格求解，中间一般不采用近似。
常用的算法有：
有限元法（HFSS所用算法）、有限积分法（CST所用算法）、时域有限差分法（FDTD）、矩量法（ADS所采用算法）等优点是：
计算精度高、特别适合于毫米波电路，有大量商用软件可以运用。
缺乏对器件物理本质的认识，计算速度慢，不便于优化，不能用于有源电路分析。
3、实验方法用实验的方法建立元器件的等效电路模型，适用于大部分的无源和有源电路。
它把元器件作为一个网络，用测量方法确定它的网络参数并用它作为器件模型。
由于在微波频段S参数比其他网络参数易于测试，所以一般都用S参数表征元器件的特性。
S参数的测量通常在有计算机控制的网络分析仪（标量网络分析仪，矢量网络分析仪）上进行，由于它能消除测试系统硬件造成的误差，其结果相当精确。
一般而言，市面上出售的元器件，厂家都会提供它的S参数，我们在仿真的时候直接利用这些S参数，把它作为已知量，代入我们的电路进行分析，设计。
比如说，hp（Agilent）的5040，这是一种20-40GHz的宽带功率放大单片，在它的宣传资料上我们就能看到S21（小信号增益）的典型值为22dB（放大160倍），（S11（输入反射）的典型值为-12dB，S12（输出反射）的典型值为-15dB）。
当然，一般是提供表格，给出频带范围之内的值。
方法优点：
能考虑元件封装带来的影响，精确度高，适用范围广，不用关心内部结构。
缺点：
对物理机理缺乏理解，依赖于测试的水平，在没有实物或者测试数据的情况下无法进行设计，不适合于有源电路的大信号分析。
4、非线性分析方法
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刚才介绍的理论分析方法，S参数的网络理论都是线性分析方法，不能对大信号、非线性的情况进行建模分析。
线性元件模型是近似模型，非线性元件模型才是精确模型，非线性电路元件的分析方法主要有用于弱非线性的Voterra级数法，用于强非线性的谐波平衡法、时域法等。
如果今后将从事这一行，这些将在研究生的课程或工作中继续学习。
能对有源电路进行精确分析，缺点：
分析方法较为烦琐。
在ADS里提供了谐波平衡法的分析。
非线性电路分析Voltera级数法谐波平衡法时域法（弱非线性）（强非线性）
这些具体的建模方法我们已经或者是即将在其他课程中学到。
比如《微波技术基础》介绍了很多理论分析方法，在《微波固态电路》《微波网络》《微波集、、成电路》等课程中会对上述各种建模方法作详尽的叙述，本章只是摘要给大家介绍一些元器件的建模方法
2.2微波传输线模型
集总参数电路理论和传输线之间的关键不同之处在于电尺寸。
集总参数电路分析假设一个网格的实际尺寸远小于工作波长，而传输线的长度则可与工作波长相比拟或为数个波长。
因此，一段传输线是一个分布参数网络，电压和电流在其上的振幅和相位都可能变化。
集总参数电路：
l/λ≤0.05分布参数电路：
l/λ≥0.05以微波工作的传输线，其长度可与工作波长相比拟或更长，根据电磁场理论可知，此时传输线的导体上存在有损耗电阻R1、电感L1，导体间存在着电容C1和漏电导G1。
这些参数在频率高时便会呈现出对能量或信号传输的影响。
它们是沿线分布的，其影响分布在传输线的每一点，故称之为分布参数（distributedparameter）1、L1，C1和G1分别称为传输线单位长度的分布电阻、分布电感，；
R分布电容和分布电导。
因此，对微波传输线应该用分布参数电路来分析。
在《微波技术基础》中我们学习了传输线理论，即一维分布参数电路理论，这里不再重复，我们通过具体的例子来看看传输线模型。
9
2.2.1微带传输线
目前，微带传输线是在微波毫米波固态电路用的最多，使用范围最广的传输线。
一、结构下图是微带传输线的结构示意图：
图2-1微带线结构
单晶材料，蓝宝石（laAlV3）中间为介质层，可以采用多晶材料，陶瓷片（99瓷，95瓷）复合介质，Rogers等
二、工作模式这是微带线场分布的图
图2-2微带线横截面的场分布图
为了满足介质分界面的边界条件，电场和磁场必须存在纵向分量，而存在纵向分量的场就不可能是纯横电磁波。
事实上，微带线的主模是由TE模和TM模组合的混合模，当频率低至几GHz时，电场和磁场的纵向分量很小，混合模的场分布十分接近于TEM波，因此称之为准TEM波。
随着频率的升高，色散情况愈来愈严重，主模的纵向分量增大，场分布也愈来愈偏离TEM波的波形。
10
三、无色散微带的分析与综合首先看看什么是分析，什么是综合。
微带线的分析是指：
给定微带宽高比W/H和基片的相对介电常数εr，计算特性阻抗Z0。
微带线的综合是指：
给定所需的特性阻抗Z0，和基片的相对介电常数，计算微带的宽高比W/H。
对微带线的分析工程上大多采用便于计算机计算的解析式，这些解析式从电磁场理论出发，通过精密的实验修正得出半经验公式，其精度往往较高，能满足工程设计的要求。
（一）微带线的分析对于导带厚度为零的标准微带，应用保角变换和等效介电常数的概念导出阻抗近似公式，然后再用实验进行修正得出半经验公式。
首先求出均匀媒质微带线阻抗（即抽去微带线的基片介质，全部空气填充）：
Z376.73?
f（W/H）?
W?
ln?
+?
?
=2π?
W/H?
H?
1+（2H/W）2?
01
（2-1）
式中?
30.666?
0.7528?
f?
=6+（2π?
6）exp?
?
H?
全部等效为均匀介质，而使得微带线的电容保持不变。
它的范围为：
1（εr+1）≤εe≤εr2
（2-2）
再计算有效介电常数，所谓有效介电常数，实际上是把中心导带上下的介质
（2-3）
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