1、电子科技大学 贾宝富 博士微波无源电路仿真技术平面无源电路仿真前言n平面无源电路仿真软件可以分为两类，一类是专门用于平面无源电路电磁（EM）仿真的软件，例如：Sonnet和IE3D。这类软件通常计算精度比较高，但图形输入界面不太友好；功能单一。因此，这类软件的使用者不是很多。另外一类平面无源电路仿真软件是既可以做电路仿真、又可以做EM仿真的软件，例如：Agilent ADS、AWR Microwave Office、Agilent Genesys 和 Ansoft Designer等。这类软件既可以做无源电路的仿真又可以做有源电路的仿真。因而用户较多。比较这些软件，其中ADS和MWO是两款不错
2、的软件。ADS的培训资料比较多，比较容易找到。MWO的资料比较少。而且根据我的使用经验，MWO在做无源平面电路仿真时在优化手段和计算精度上有其独到之处。因此，我们在这里给大家介绍MWO在平面无源电路中的使用。仿真设计实例-陷波滤波器一、文件库导入设置工作环境n与ADS不同，MWO在做具体仿真计算之前需要设置工作环境。具体地讲就是导入PDK（Process Designe Kit）文件。n需要创建四种文件q LPF 文件 特定工艺配置，包括默认单位、分辨率、线的类型、结构类型、电容类型、PAD 类型、过孔类型、Airbrage等q Common_PCB_Models.dllq Common_PC
3、B_Cells.dll 物理模型q AWR_Module.ini PDK 的初始化文件简单PDK的四个文件FoundryName=AWR_TrainingDescription=Example PDK for AWR Training ClassesVersion=1.0.0FilePathMacrosGDS_LIB=LibraryFile LocationsModelPath=$DEFAULT;ModelsCellPath=$DEFAULT;CellsSymbolPath=$DEFAULT;SymbolsLayerProcessFile=Library/AWR_Training_FR4.lp
4、fAdditionalXML=AWR Training;Library/AWR_Training.xmlDefaultTemplate=Library/AWR_Training.emtEM_Models_Dir=$DEFAULT;NPorts导入库文件n进入AWR 集成环境，菜单栏File New With Library Browsen找到后缀为INI 的文件（在此为教程所给目录下的AWR_Training.ini 文件）导入封装库n先选择左下角的”Layout”标签n右键单击Cell Libraries Import GDSII Libraryn找到后缀为.gds的文件（在此为教程所给目录
5、下的Generic_Board_Lib.gds文件）查看封装图n双击元件名可查看封装的图示保存项目n菜单栏File Save Project As二 、创建、编辑电路图和PCB图新建电路图n先选择左下角的”Project”标签n右键单击”Circuit Schematics”，选择“New Schematic”，n键入电路图名称”Notch Filter”保存电路图名称中不建议使用空格，尤其在封装库名称中建议使用下划线”_”代替电路图编辑环境每个电路图分别有一个电路视图与一个PCB视图与之对应可自定义工具栏：在工具栏内空白区域单击右键可自行选择公式工具栏标准工具栏电路设计工具栏放置元件n先选择
6、左下角的”Elements”标签n所有的元件按不同的类别呈树形排列n左键单击元件（按住左键不放），并拖拽至电路视图中右键单击元件，选择”Show Details”，可切换至显示详细信息旋转元件n在放置元件之前，可以通过单击鼠标右键旋转也可以对元件进行翻转操作： 按水平方向翻转：Shit+鼠标右键 按垂直方向翻转：Ctrl+鼠标右键元件类别n本教程所涉及的元件包含以下类别qInterconnects (互连结构)qLumped Element Capacitor (集总元件 电容)qLumped Element Inductor (集总元件 电感)qMicrostrip Junctions (微
7、带线 连接结构)qMicrostrip Lines (微带线 线)qSimulation Control (仿真控制)qSubstrates (衬底)n 接地、端口以及子电路模块可在菜单栏中找到快捷键：接地（GND） - Ctrl + P端口（PORT） - Ctrl + G子电路（SUB） - Ctrl + K电路图左半部分n连接好的元件如下图所示（整个电路图的左半部分）注意：对于MTRACE2元件，有标记的端口（Port 1）必须按此顺序摆放使用变量nVia 元件有两个参数没有直接赋数字值，而是用变量表示。变量在电路图中赋值n在电路图中，变量可通过工具栏中的”Equation”按钮定义n如
8、果在元件中使用了变量，不要忘记为变量赋值。Euqation的快捷键为Ctrl + E设置封装n鼠标左键双击元件，在弹出的“Element Options”（元件选项）对话框中，选择“Layout”（板图）标签n可浏览并选择需要的封装n在此选择库名为”Generic Board Lib”，为电容指定封装为”Cap AVX AccuP 0603”，为代表SMA接头特性的电感指定封装为”Connector CoTron Top PCB SMA”先选择库名，再选择封装电路图右半部分n连接好的元件如下图所示（整个电路图的右半部分）n不要忘记给电感指定封装确认该元件为MTEE$可通过Ctrl+Z，进行撤销
9、操作注意：确认元件MTRACE2的端口1的方向在左侧。完整的电路图完整的板图此接头状态设置为参考点：在PCB图中，左键选择“Shapeproperties”，弹出的对话框中“Layout”标签的右侧，选择“Use for anchor”设置为参考点的作用：“Snap Together”操作时，该元件将不移动，其它元件以此元件为参考点对齐智能元件n尾缀为”$”的元件为智能元件，如MTEE$（智能三端接头）n在PCB图中，双击需要改变的微带线，其四周会出现拖拽点，选取一点拖拽改变线宽，此时观察MTEE$的宽度也自动改变MTEE$对齐元件n工具栏上有各种控制元件对齐的按钮n先选择下方的SMA接头，按
10、住Shit键再选择上方的SMA接头（即达到多选的功能），工具栏中选择“CenterHorizontal”（水平居中对齐）按钮，对齐两个接头当多个元件进行对齐时，最先选择的元件将保持不动。固定元件n左键单击选择元件后，通过右键”Shape Properties”中的“freeze”选项，可固定元件当元件选择了“freeze”之后，将在任何情况下都不会移动元件MTRACE2n可对MTRACE2的走线进行控制n在PCB图中，左键双击MTRACE2元件可出现拖拽点，移动鼠标至走线与过孔相连的一端（即1端口）（将出现双向箭头），此时左键双击可对走线进行控制（直角或45）注意：必须从MTRACE2元件的1
11、端口进行布线1. 双击MTRACE2元件2.移动至1端口，再双击3.布线，双击完成自动衔接n选择工具栏中的“Snap to fit”可自动衔接元件先选择线，再进行“Snap to fit”操作，就可以自动衔接至SMA接头3D 视图n通过工具栏上的按钮可方便查看3D视图旋转3D视图n在3D视图中，按住鼠标左键不放并移动可进行旋转观察n注意到SMA接头和与之连接的MTRACE2一端发生了短接，这是因为它们目前都设置在PCB的顶层，而实际上此条线应位于PCB的底层。改变层n右键”Shape Properties”中Line Type 改变走线所在的层n将原来的“Top Metal”改成“Bottom
12、 Metal”布线检查n在3D视图中可方便对所有的连接进行检查三 、仿真设置添加输出图表nGraphs右键“Add Graph”可添加图表添加测试项n图表右键“Add Measurement”可添加测试项n此处添加S21以“dB”值显示确认“Data Source Name”（数据源）中为”Notch Filter”复制测试项n复制、粘贴测试项非常简单，只需Ctrl+C、Ctrl+V即可也可以直接拖拽测试项，进行复制编辑测试项n复制后，可对测试项进行编辑n此处将S21改成S11设置频率范围n在“Project Options”右键可设置仿真频率不要忘记点Apply按钮在左侧“Current R
13、ange”中显示的是仿真的频率点及范围仿真n单击工具栏的“Analyze”按钮可进行仿真如果改变了基板STUB的参数显示的仿真图将产生变化四 、调谐调谐设置n单击工具栏上的“Tune Tool”可选择需要调谐的参数或变量使用Tune tool选择需要调谐的参数调谐n单击工具栏上的”Tune”按钮可进行调谐五 、导入S 参数模型 导入S参数模型n右键”Data Files”选择“Import Data File”，可导入S参数n在此选择”Touchstone Files”类型，导入“Models/CoTron_SMA.s2p”文件删除原有的以电感表示的SMA接头导入S参数模型n单击工具栏上的“S
14、UB”按钮，映射为刚才导入的S参数文件n通过SUB可导入电路图、EM结构、S参数、SPICE等快捷键为Ctrl+K导入S参数模型n在电路图中放置SUBCKT元件，即完成S参数模型的导入自定义示意图n在电路图中元件右键”Properties”的”Symbol”标签，可自定义其示意图选择封装n在“Layout”标签中选择相应的封装n在此选择”CoTron Top PCB SMA”S 参数模型的选项n在“Model Options”的标签中对模型进行设置n在此勾选“Enforce Passivity Everywhere”，S参数模型通常用此设置检查板图n最后，确定所有元件和走线都位于正确的层，并衔
15、接无误添加测试图表n命名为“Passivity”添加测试项n添加“Passivity”测试项n在此选择“Linear”类中的“PASSIVE”项，在data source（数据源）中选择”CoTron_SMA”仿真n仿真并查看结果仿真并查看结果该测试项的目的是检验S 参数模型是否为无源类型如果passivity0 即满足要求六 、参数优化待优化的参数n选择MLEF的W、L参数为优化对象优化目标n设置为4GHz5GHz时，S21-40dB复制优化目标nCtrl+C、Ctrl+V进行复制n修改为5GHz6GHz 时，S21 Optimize，用合适的方法开始优化n优化过程中可以观察接近目标的程度，
16、也可看到图表的变化优化结果n很快将得到结果七 、误差分析待分析的参数n选择电容值C为待分析的参数，设置误差为10%待分析的参数n选择基板的Er，设置误差为0.1（即范围为3.283.48）设置目标n设置为5GHz5.25GHz的S21 -30dB -5.5dB复制目标nCtrl+C、Ctrl+V进行复制n修改为4.75GHz5GHz的S21 Yield Analysisn将”Maximum Iterations”（最大迭代次数）设置为500，单击“Start”开始分析仿真结果n所有的仿真曲线都将显示在一张图表中整体通过率%改变图表格式n在“SParam”图表上右键选择“Properties”改
17、变图表格式（续）n可设置需要显示的曲线（显示所有曲线、只显示达标/不达标的曲线、显示最优的曲线等）误差灵敏度n选择YieldYsens项n分别添加C、Er为测试对象仿真结果n电容值C不同取值的通过率通过百分比仿真点个数清除结果n选择”Clear“即可清除计算结果关闭测试项n右键选择“Disable All Measurements”八 、参数扫描待扫描的变量n从“Simulation Control”类别中选择“SWPVAR”，置于电路图中注意：不要漏掉“L_SMA”中的引号同样重要的是不要忘记添加“Values”否则将出错此设置表示：L_SMA的值从0.01变到10.01，步长为1参扫结果n
18、单击工具栏上的“Analyze”按钮进行仿真n所有参扫的曲线将显示与一张图表中配置测试项禁用参数扫描变量n右键“Toggle Enable”可禁用参数扫描变量，将变为灰色九 、自动提取用于“EM”仿真的电路替换模型n将MTRACE2 替换为以STACKUP 为衬底的EXTRACT基板设置nSTACKUP 命名为“SUB_ACE”基板设置（续1）n选择“Material Defs”标签可定义材料点击“Add”按钮可定义新的介质、导体或阻抗基板设置（续2）n选择“Dielectric Layers”标签可进行介质层设置注意左边的介质分布示意图基板设置（续3）n选择“Materials”标签可进行导
19、体材料的设置n在此设置了1oz铜和1/2oz铜点击”Insert”按钮可增加新的导体基板设置（续4）n选择“EM Layer Mapping”标签可进行电磁（EM）层映射n由于使用ACE，在此均选择None基板设置（续5）n选择“Line Type”标签可对走线进行设置当前选择的走线和相应的参考地在左边示意图中会显示EXTRACT模块n该模块用于控制EM结构的生成nEXTRACT模块通过其”STACKUP”参数与STACKUP模块建立关联创建的结构名组名每个电路可包含多个供选择的EM组，每个组可包含多个模块名称必须一致禁用元件n禁用VIA、MTRACE2 元件，变为灰色禁用元件（续）n在禁用元
20、件的两端进行连线添加iNet（智能布线）n在PCB图中，MTRACE2及VIA已消失，以飞线标识添加iNetn工具栏中选择“Show Routing Properties”，可改变默认的布线属性，包括线宽、走线所在层等添加iNet（续1）n在PCB图中双击飞线，通过鼠标拖拽即可进行布线niNet会自动将走线衔接至相应的管脚，无需反复地放大/缩小操作即可完成布线n布线的操作与MTRACE2的操作相似nCtrl+Shift+鼠标滚轮，可改变走线的层添加iNet（续2）n完成布线后的板图niNet支持直角、斜角及圆弧形的弯折iNet过孔n通过3D视图，可见过孔已自动添加iNet过孔（续）n右键修改过
21、孔属性，如孔径等参数设置组niNet右键选择“Element Properties”设置组（续1）n开启ACE并键入组名此处则无需引号在EXTRACT模块中需要添加引号设置组（续2）n检查设置n选取EXTRACT模块，相应的元件会突出显示添加ACEn右键“Add Extraction”添加ACE（续）n新的EM结构已自动生成ACE设置n“EM_Trace”右键“Options”的“CircuitExtract”标签中进行设置，包括耦合线间距、跨接电容等仿真n仿真及结果注释n“EM_Trace”右键“Add Annotation”3D 视图n工具栏中选择“New Schematic 3D Vie
22、w”网表n通过状态栏中的链接可查看ACE网表十 、电磁（EM）仿真添加模型n添加STACKUP、EXTRACT基板设置nSTACKUP设置基板设置n材料定义基板设置（续1）n介质层设置注意图示基板设置（续2）n导体材料设置基板设置（续3）n电磁（EM）层映射注意：Top和Via均映射至EM Layer 2导体材料分别为1ozCu和1/2ozCu基板设置（续4）n走线设置EXTRACT模块n配置模块名称必须一致设置组n选择需进行EM仿真的元件设置组（续1）n开启EM 提取并键入名称此处则无需引号在EXTRACT模块中需要添加引号设置组（续2）n检查设置n选取EXTRACT模块，相应的元件会突出显示添加EMn右键“Add Extraction”添加EM（续1）n选择场仿真器n在此选择AWR EMSight添加EM（续2）nEM 结构已自动生成EM仿真设置n设置频率范围1GHz10GHz，步长0.5GHz不要忘记点“Apply”按钮进行应用EM仿真设置（续）n“EMSight”标签EM仿真n开始仿真EM仿真结果锁定仿真结果n菜单栏Graph Freeze Traced禁用EM仿真n右键“Toggle Enable”比较结果n比较EM 仿真结果和电路近似仿真结果清除锁定n菜单栏Graph Clear Frozen
