EDA软件在射频电路设计中的应用

张明强，廖剑雄，仇红燕，吴金峰

（中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司，库尔勒 841000）

1 引言

传统的射频电路设计需要查工程图表以及大量的手工计算，过程繁琐、耗时长，计算精度也不高，需要根据试验结果反复调整。随着计算机的发展，出现了各种EDA软件。利用软件仿真，从电路设计、性能分析、参数优化到印制电路板的整个过程都可以由计算机自动完成，极大地提高了效率，缩短了电路设计周期。

2 Microwave Office软件的功能

Microwave Office软件利用矩量法进行仿真，可以进行射频电路的线性、非线性仿真及电磁仿真，对电路进行分析、优化，还可将原理图转换为布线图，最后生成印制线路板图。其功能主要包括：

（1）线性仿真器。采用节点分析来仿真一个电路的特性，适用于元件可由导纳矩阵描述的电路，如低噪声放大器、滤波器、耦合器等。生成的典型测量项为增益、稳定性、噪声指数、反射系数、噪声圆、增益圆等。（2）非线性仿真器。采用谐波平衡法或Volterra级数源来激励电路。对一个非线性电路，谐波平衡分析与Volterra级数分析是无法互换的求解方法。谐波平衡法常用于功率放大器、混频器、倍频器等非线性电路，而Volterra级数法是一种线性算法，最适于弱非线性电路，如工作在低于1dB压缩点的放大器。（3）电磁仿真器。磁仿真利用麦克斯韦方程来计算物理几何结构的响应。由于可以仿真任意三维结构并提供很精确的结果，这种电磁仿真是比较理想的。另外，由于使用基本方程来计算响应，电磁仿真不受电路模型中的许多约束条件的限制。电磁仿真器的一个局限性是计算时间较长，仿真耗时按问题大小的指数倍增长，因此减少问题的复杂性就很重要，以便及时得到结果。（4）布线工具。它采用先进的面向对象的设计数据库，使得原理图与布线图的创建紧密结合，在电路图中的每一个元件都指定一个制版单元，该制版单元可以为该元件建立实际的布线对象。布线图实际上就是原理图的另一种视图，在原理图中的任何改动，都将同步在布线图中更新。这样，在执行仿真前就省去了复杂的设计同步及返回注解。（5）滤波器设计向导。Filter Synthesis Wizard（滤波器设计向导）是Microwave Office软件自带的软件包，输入各项参数指标即可生成各种滤波器的电路原理图，非常便捷、高效。（6）传输线计算器。TXLine（传输线计算器）也是Microwave Office软件自带的软件包，可以对各种传输线的电特性和物理特性进行相互转换运算，从而免去大量繁琐的手工计算，既提高了计算精度，也解放了人力。TXLine可以计算微带线、带状线、同轴线等多种结构，非常实用。

3 设计实例

设计一个切比雪夫射频低通滤波器，技术指标为：截止频率2.2GHz，带内波纹为0.2dB，在阻带频率4.2GHz处，阻带衰减最小为30dB，输入、输出端特性阻抗50Ω。用微带实现，基片参数为εr=9.6，H=1mm。

射频滤波器的设计方法一般来说有分布参数法、影象参数法和综合设计法。前两种方法计算烦杂，近似程度低，且不能得到最佳设计，一般已不使用。综合设计法又称为原型设计法，是以衰减和相移函数为基础，利用网络综合理论，先求出集总元件低通原型电路（原型滤波器），再将集总元件原型电路中的各元件用射频结构来实现。低通原型的设计步骤为：计算归一化频率，根据给定的通带、阻带衰减值，查工程图表确定元件数目N、确定滤波器的元件归一化值，确定串、并联方式，最后计算出各元件的真实值。计算过程非常繁琐，查图不方便，而且误差较大。利用软件仿真，就可简化设计步骤。

3.1 确定原型滤波器

启动Microwave Office软件的Filter Synthesis Wizard功能，依次选择低通、切比雪夫式，在参数定义页输入各项参数指标，设元件数目为5，截止频率为2.2GHz，带内参数为波纹衰减，波纹衰减值为0.2dB，输入、输出端特性阻抗均为50Ω。再将原型滤波器设为理想电路模型、集总元件、电容输入式。全部完成后，即可生成原型滤波器的原理图。如图1所示。

3.2 计算微带线的结构尺寸

选用高、低阻抗线实现。微带线的宽度可利用Microwave Office软件中的Txline（传输线计算器）直接计算得到：输入工作频率及基片参数，低阻抗线取10Ω，算得低阻抗线的宽度W=10.4mm，εre=8.66；高阻抗线取80Ω，算得高阻抗线的宽度W=0.29mm，εre=6.06。

微带线的长度按下式计算：

低阻抗线由式（1）计算得l1=l5=1.98mm，l3=3.2mm；高阻抗线由式（2）计算得l2=l4=6.6mm。

3.3 仿真及优化

按照计算的尺寸完成射频低通滤波器电路图，如图2所示。经仿真分析得到滤波器频率响应，图略。由于性能尚未符合指标要求，还要对电路进行优化处理。设置优化目标为f<2.2GHz时，S11<-13dB，S21＞-0.2dB；f＞4.2GHz时，S21<-30dB。 首 先 选 择 Random Local法进行优化，再选择Pointer-Gradient Optimization法进一步优化，优化后各项参数已基本符合指标要求，结果如图3所示。优化后的射频低通滤波器尺寸为：低阻抗线W=10.4mm，l1=l5=2.03mm，l3=3.17mm；高阻抗线W=0.29mm，l2=l4=6.89mm。

利用Microwave Office软件还可以由电路图得到布线视图，已优化的射频低通滤波器的布线图如图4所示。由图中可以非常直观的得到射频滤波器的实际形状。

图2 射频低通滤波器电路

图3 优化后的滤波器频率响应

图4 滤波器布线视图

4 结束语

由上述实例可知，软件仿真能够极大地缩短电路设计周期，减少手工计算，有着传统设计方法无法比拟的优越性。利用Microwave Office软件，还可以进行电磁视图仿真，以及进行工艺容差分析以提高设计成品率。EDA软件今后必将越来越广泛地应用于射频电路设计中。