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-微波電路期中報告題目:電腦輔助設計的射頻和微波 電路與系統 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. Snowden, Fellow, IEEE 授課老師:陳文山 學生:陳瑞傑 1 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,996-1005 目錄 • • • • • • • 摘要 非線性與線性微波模擬 微波電路模擬 主動元件模型 計算機輔助設計微波電路 未來射頻與微波 結論 2 摘要 • 歷史的射頻和微波計算機輔助工程是記錄在的IEEE微波理 論與技術協會。 • 準確的解析模型中的微波元件和簡單的電腦輔助技術可以 得到線性組件模型線性的響應微波電路。快速發展，成為 今天的電腦型微波爐的做法處理複雜幾何與整體的能力模 型及優化電路。追求準確模型的主動元件以及被動元件仍 是一個重要的課題。 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems . Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. 3 Snowden, Fellow, IEEE. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,996 非線性微波模擬 • 模擬射頻和微波電路與系統：了解物理的一複雜系統相互 作用的要素;在測試新的概念並優化設計。 • 此外，隨著頻率的射頻電路超出一千兆赫茲到幾十，幾百 的千兆赫茲，波長成為大型設備和電路方面的尺寸和三維 電磁環境變得更為顯著。 • 高收益的優化設計微波和毫米波電路要實現，相互影響的 電磁場和線性和非線性電路元件必須是自製的模型。 • 非線性模擬微波電路，相當於在過去十年的發展。只有穩 態響應，於由振幅和相位的正弦波，是必需的。 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems . Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. 4 Snowden, Fellow, IEEE. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,997 非線性微波模擬：頻域 • 以前只限於弱非線性系統，但今天，可用於強非線性系統 與大信號激發。跟頻域非線性分析技術在Volterra載的理論 函。共同基礎原則是，在輸出頻譜具有廣泛的非線性電路 和系統可以直接給予計算頻譜輸入到非線性系統有些技術 來確定一個輸出頻率成分通過總結計算個別互調。 • 這些算法通過頻率產生的輸出頻譜，有些頻域非線性分析 技術noniterative，雖然這些只限於單方面系統，稱頻域頻 譜平衡技術，通過轉換一非線性元件並聯成直線元素的一 個數字控制的電流源。這個過程是疊代的，並於每疊代， 剩餘非線性元件是左，從而降低從一個疊代到另一個。 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems . Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. 5 Snowden, Fellow, IEEE. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,997 非線性微波模擬：穩態 • HB的過程，用於非線性 穩態模擬，在伽遼金方法，猜測 這些係數進行調整，以盡量減少 誤差在控制方程，通常 是基爾霍夫電流定律對非線性電路。該方法應用於非線性 電路貝利在1960年。 • 變數，往往電流相量，描述了對非線性子電路是傅立葉變 換時域響應的非線性子電路。這些都是相對於頻域響應的 線性電路。這種混合時域/頻域的分析，確定由傅立葉變 換的使用方法。第一個大量使用HB在分析微波電路是由 Egami，這個所描述的，使用的電腦型微波爐實踐以盡量 減 少 HB 錯 誤 ， 決 定的 本 地 振盪 器 波形二 極 管混頻 器 。 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems . Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. 6 Snowden, Fellow, IEEE. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,997-998 1975年，Nakhla和弗拉克 提出一個劃分為線性和非線性 電路（見圖 1。）線性電路，以便減少可能大大簡化了用 於處理線性電路。 LINEAR CIRCUIT SPATIALLY DISTRIBTED NETWORK LINEAR CIRCUIT LINEAR CIRCUIT LINEAR CIRCUIT ACTIVE DEVICE ACTIVE DEVICE ACTIVE DEVICE 圖1.HB分為線性和非線性電路與主動元 分佈式網路空間模式使用EM技術。 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems . Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. 7 Snowden, Fellow, IEEE. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,997-998 等效電路模型 • 等效電路建模MESFET的和高電子遷移率晶體管（HEMT器件） 在於1975年至1990年發現，當時奠定了基礎模型所使用的 所有在今天的CAD。其中第一大信號等效電路場效應管的 模型，由Van Tuyl和Liechti提出在於1974年，後來 Curtice簡化了於1980年，1個二次模型，使用1平方律的依 賴關係歐姆區域和VDS 函數來模擬飽和漏電流源。它非常 適合直流和小信號特徵，儘管它的缺點在VDS低值和VDS負 值。 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems . Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. 8 Snowden, Fellow, IEEE. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,997-998 主動元件模型 • 主動元件，它有必要將代表直流和交流特性，這些電路元 件機種適合使用電路設計方法。在過去的50年中，有已逐 步改善，同時在主動元件和其相關的模型。大多數是傳統 的微波和射頻設計主動電路技術是基於等效電路型號或參 數表面（黑盒模型），需要廣泛的DC和RF特性，雖然有上 升的趨勢傾向於使用物理模型作為一部分。早期的二極管 和晶體管組成少數理想電路元件的代表直流是暫時的，高 頻這些主動元件的性能。隨著頻率增加的操作，所以沒有 複雜的模型和寄生（外在）元素被添加到提高準確性。相 當大的努力一直致力於模型微波晶體管。 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems . Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. 9 Snowden, Fellow, IEEE. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,997-999 計算機輔助設計微波電路 • 在我們的方法對微波CAD和建模的分析與綜合，應注意模 擬和優化。數值分析是十分成熟在這兩個領域的理論和電 路理論。即優化，理論研究，是當代表現分析固定。對於 一個微波電路設計的優化器的開發。多年來與正統的設計 方法由電路理論解析為導向，面臨的現實競爭的優化設計 技術。 10 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems . Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. Snowden, Fellow, IEEE. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,997-1001 未來射頻與微波 • 射頻和微波CAE公司將受益於在計算進展斷電記憶，遷移 到新的計算機體結構如功率並與計算機和算法進展。目前 的分析只限於部分計劃電路，無法處理真實世界的激發， 如數字調製信號無明顯簡化。在未來，我們必須能夠準確 的模擬真實世界整個射頻信號，大大超過了預期的性能實 際電路。非CAE的具體數值算法已經制定並正在不斷發展 納入CAE的環境。 11 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems . Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. Snowden, Fellow, IEEE. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,997-1002 結論 • 微波和毫米波已經簡要探討，等效電路和物理為基礎的主 動元件模型。改進包括電熱耦合，全球模型，並提高產量 預測和優化。 • 未來需求高準確度，機動的模式將繼續推動研究這方面的 未來將看到分層結構的模擬，優化，和調整非線性RF和微 波系統的準確表達與混合信號集成非線性電路分析與電熱 裝置的物理基礎模型。在一個全球化想法下，我們將看到 分析複雜的幾何形狀與優化利用來使用的2D和三維EM模 擬。 12 Computer-Aided Design of RF and Microwave Circuits and Systems . Michael B. Steer, Fellow, IEEE, John W. Bandler, Fellow, IEEE, and Christopher M. Snowden, Fellow, IEEE. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,997-1003 感想 • 早期所開發的電腦輔助設計(CAE)與射頻微波電路，在當 時的設計包括計算機硬體、軟體與訊息處理，透過濾波器 的優化非線性電子網路分析與電腦網路分析，來解釋矩陣 的發展與基礎理論應用。計算機輔助設計技術，複雜的微 波電路及一些特殊的問題，是今後要來探討的。 • 對於這篇paper還是有很多不了解的地方，對於射頻、微 波這方面還是感覺很陌生，且閱讀英文的能力也有待加強 。希望日後課餘時間可以多了解射頻與微波系統原理及應 用。 13