張 蘭，李曉蓉，江愛萍 （武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢430079）

《射頻電路》課程內(nèi)容涵蓋射頻微波技術(shù)所涉及的各方面的基礎(chǔ)知識(shí)，已逐步成為很多高等院校電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以深入理解微波射頻相關(guān)的理論知識(shí)，重點(diǎn)掌握諧振器、功分器、定向耦合器和濾波器等無源器件，射頻放大器、振蕩器、混頻器等有源電路以及射頻系統(tǒng)的基本原理與分析設(shè)計(jì)方法［1］。該課程有著較強(qiáng)的系統(tǒng)性、理論性和實(shí)踐性，不但要求學(xué)生掌握基本原理和計(jì)算方法，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)射頻電路的分析、設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用能力，因而《射頻電路》實(shí)踐教學(xué)是其教學(xué)過程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。為此，筆者在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)在《射頻電路》實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 射頻仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是驗(yàn)證相關(guān)的自然規(guī)律或者物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力和自主創(chuàng)新能力［2］。射頻電路的計(jì)算一般涉及到大量的函數(shù)運(yùn)用和復(fù)雜的計(jì)算公式，而且計(jì)算過程中有著很多的近似賦值，如何找到一個(gè)合理值是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。此外，按照理論將電路模型及各器件的值計(jì)算出來后，要讓學(xué)生了解各器件值的變化對(duì)結(jié)果的影響或找到一個(gè)更優(yōu)化的值，就必須使用仿真軟件［3］。在實(shí)際應(yīng)用中，隨著射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度增大，對(duì)電路的指標(biāo)和功能要求逐步增高，使用EDA軟件工具進(jìn)行射頻元器件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為必然，學(xué)會(huì)使用仿真軟件進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)已成為射頻開發(fā)人員必須掌握的內(nèi)容。因此，在射頻電路實(shí)踐教學(xué)中，除了要開設(shè)一些射頻電路的測(cè)量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還要設(shè)置射頻仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生可以通過仿真實(shí)驗(yàn)來充分理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，能夠自行設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而完成射頻基本器件和射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 射頻仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)軟件

微波射頻領(lǐng)域內(nèi)的EDA軟件有很多，包括基于矩量法求解的ADS、Microwave Office和IE3D、基于時(shí)域有限差分法的XFDTD、基于有限元法的HFSS、基于時(shí)域積分方程法的CST微波工作室等。這些商用軟件一般具有比較友好的用戶界面，可以通過可視化窗口方便地顯示模型結(jié)構(gòu)、表面電流分布、輻射場(chǎng)特性和相關(guān)的S參數(shù)等電參數(shù)特性，十分有利于仿真應(yīng)用［4］。由于ADS提供了一系列功能強(qiáng)大的優(yōu)化器，可根據(jù)設(shè)置的優(yōu)化目標(biāo)自動(dòng)仿真得到最優(yōu)值，特別適合學(xué)生理解電路中各參數(shù)的意義。此外，ADS相關(guān)的工具書和設(shè)計(jì)資料相對(duì)比較豐富，可借鑒的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)比較多，有利于學(xué)生在完成相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)便捷地解決遇到的實(shí)際問題，從而便于自主學(xué)習(xí)。因此，在射頻仿真實(shí)驗(yàn)中，可以將ADS作為主要仿真工具進(jìn)行一系列仿真實(shí)驗(yàn)，即從最基本的射頻電路單元的設(shè)計(jì)入手，利用ADS的S參數(shù)仿真等方法，要求學(xué)生完成對(duì)射頻典型電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，然后通過射頻收發(fā)系統(tǒng)的綜合仿真來培養(yǎng)學(xué)生對(duì)射頻系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和評(píng)估能力，讓學(xué)生把所學(xué)的眾多知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，從而促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。

3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例

該實(shí)驗(yàn)要求以ADS為工具，以自主實(shí)驗(yàn)為原則來完成集總參數(shù)元件濾波器和耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：帶通濾波器的帶內(nèi)紋波0．5dB、中心頻率2．4GHz、帶寬300MHz、2．1GHz處衰減20dB；微帶基板介質(zhì)材料的介電常數(shù)為4．25、基板厚度H為1．45mm、覆銅厚度T為0．035mm。

3．1 集總參數(shù)元件濾波器設(shè)計(jì)

集總參數(shù)濾波器由電容、電感等組成，是學(xué)生學(xué)習(xí)低頻電路時(shí)接觸較多的濾波器。學(xué)生利用ADS自帶的濾波器設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)該濾波器時(shí)，通過設(shè)置濾波器響應(yīng)類型、紋波系數(shù)、通帶截止頻率、阻帶截止頻率、截止頻率處損耗等參數(shù)，可以直接生成滿足要求的集總參數(shù)濾波器，并可以完成其主要參數(shù)和指標(biāo)的仿真。集總參數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)完成后，如果濾波器工作頻率高，不宜采用集總元器件，需要把集總參數(shù)元器件轉(zhuǎn)化為分布參數(shù)元器件，可采用Richards變換和Kuroda等效來實(shí)現(xiàn)。

3．2 耦合微帶線帶通濾波器設(shè)計(jì)

進(jìn)行該濾波器設(shè)計(jì)的具體步驟如下：①通過理論計(jì)算確定濾波器的參數(shù)。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求中截止頻率來確定歸一化帶寬，再選擇歸一化低通濾波電路的原型確定濾波器階數(shù)，查找相應(yīng)的濾波器元件參數(shù)表來確定相關(guān)參數(shù)，最后確定帶通濾波器電路中耦合傳輸線的奇模和偶模的特征阻抗。上述計(jì)算過程比較復(fù)雜，可以運(yùn)用Matlab等數(shù)學(xué)工具進(jìn)行輔助計(jì)算。②根據(jù)微帶線的偶模和奇模阻抗，按照給定的微帶線路板的參數(shù)，使用ADS中的微帶線計(jì)算器LineCalc計(jì)算得到微帶線的幾何尺寸。③根據(jù)計(jì)算的參數(shù)設(shè)計(jì)電路原理圖，再連接好電路進(jìn)行仿真。由于理論值的仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果有很大出入，可以采用Optim工具進(jìn)行優(yōu)化。觀察優(yōu)化結(jié)果后，根據(jù)情況對(duì)優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。學(xué)生通過整個(gè)優(yōu)化過程，可以很清楚地看到各參數(shù)的作用以及各參數(shù)是如何影響設(shè)計(jì)結(jié)果的。④版圖的優(yōu)化和仿真。采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)原理圖優(yōu)化的結(jié)果生成版圖，添加2個(gè)Port，設(shè)置版圖中微帶電路的基本參數(shù)和仿真窗口，再執(zhí)行版圖的仿真。如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真。可以改變優(yōu)化變量的初值，也可根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化并得到最終版圖［5］。該版圖是實(shí)際制作電路板的依據(jù)，在后續(xù)綜合實(shí)驗(yàn)中可以將其加工成實(shí)際電路板，并對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié) 語

進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)采用模塊化結(jié)構(gòu)，把實(shí)驗(yàn)按其功能劃分為許多獨(dú)立的模塊，便于學(xué)生進(jìn)行選擇和組合，從而為學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)搭建了平臺(tái)，這利于學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)展。射頻電路仿真實(shí)驗(yàn)作為射頻電路實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，將理論問題與實(shí)踐緊密結(jié)合，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力。教學(xué)實(shí)踐表明，將仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在 《射頻電路》實(shí)踐教學(xué)中可以改善教學(xué)效果并提高教學(xué)質(zhì)量，因而受到學(xué)生的好評(píng)。

［1］張學(xué)毅，羅飛 ．“射頻電路”課程的教學(xué)探討 ［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（3）：21-24．

［2］徐瑋瑋 ．仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用及其意義 ［J］．科技信息，2009（34）：724-725．

［3］徐升槐，王卓遠(yuǎn) ．微波與射頻電路設(shè)計(jì)課程實(shí)踐教學(xué)探討 ［J］．安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，4（8）：78-80．

［4］魏 兵，郭立新 ．電波傳播專業(yè)建設(shè)的幾點(diǎn)思考 ［J］．中國(guó)電子教育，2007（3）：43-45．

［5］馮新宇，車向前，穆秀春 ．ADS2009射頻電路設(shè)計(jì)與仿真 ［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010．