作者：吴永乐,刘元安,张伟伟
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
微波射频器件和天线的精细设计与实现试读：
前言
电磁场与微波技术是电子科学与技术一级学科下的一门重要的专业基础学科，覆盖了电子工程、通信工程、电子信息工程、雷达工程和物联网工程等领域。
目前，已经有众多的优秀理论教材能够满足本科生和研究生对电磁场与电磁波基本概念的理解、专业习题的解答和重大考试的复习等。同时，也有不少专业的ADS、HFSS、Altium Designer等专用仿真或制作工具的独立教程供大家参考。但是，作者在协助指导本科生和研究生设计和实现具体电路与系统的过程中发现，不少学生或者工程师都专注于自己在某一个知识面的理解或者某单一专业软件的熟悉使用上，很难做到从理论、设计、仿真、制作、实测到形成报告的完整过程，从而无法独立完成科研项目的立项、执行、验收和文档总结的完整工作。而最致命的是，这些学生或者工程师不敢或不愿意去突破自己的技术能力来完善自己。作者经过多年的学习和工作积累发现，导致这些问题的主要原因之一是缺乏一本完整且通俗易懂的专业书籍来引导。另外，对于初学者，基本工具的使用和基本电路的尝试是必须经历的过程，而大学老师很难有精力一次又一次地重复相同的科研过程来指导学生。本书就是在该客观需求下产生的，期待本书不仅可以积极引导初学者完成完整的设计流程，而且能够解决高等院校指导微波方向研究生的困扰。
本书的特点是避免烦琐的理论推导，注重微波理论与工程实现的无缝连接，确保包含ADS、HFSS和Altium Designer在内的一体化设计流程的流畅性，提供“手把手”模式下设计与实现的细节步骤，力争从微波理论、电路仿真、电磁全波仿真到实物制作形成一个完整的体系，为撰写项目总结和学术论文提供强有力的支撑。本书的案例来自作者在国际SCI检索学术期刊的论文和所申请的发明专利的具体实例，详细的理论设计思路和参数性能分析等细节内容可以参考原始学术论文和发明专利文件。
本书共分5章，全书由吴永乐副教授和刘元安教授提出框架结构、提供新颖的器件案例、负责全书内容的安排调整及主要编写工作，张伟伟负责全书的统稿。参加本书编写的还有廖梦笔、宁子璇、张小亮、周思玥、申晓川、焦凌霄和王卫民等。
本书得到了国家重点基础研究计划（973计划）（No. 2014CB339900）、国家自然科学基金（No. 61201027）和毫米波国家重点实验室开放课题（No. K201316）的部分资助。在完稿的那一刻，全体参与者特别感谢北京邮电大学电子工程学院给我们提供了良好的工作平台。吴永乐副教授还特别感谢香港城市大学电子工程学系的培育和IEEE Fellow薛泉教授对自己多年学术工作细致而富有建设性的指导。毫不夸张地讲，没有之前多年的学术积累，就无法提供原始的想法和素材来完成本书，也没有机会和勇气通过公开技术细节来期待未来射频微波全行业共赢的局面。
在本书的撰写过程中，作者参考或引用了包含ADS、HFSS、Altium Designer和Origin在内的多家商业软件的相关原始技术资料，借此机会向这些技术资料的原著者及相应的软件公司表示由衷的感谢。
由于作者编写水平的限制和完稿时间的紧迫，书中难免有疏漏和不当之处，敬请广大读者批评指正，并殷切希望提出宝贵的意见和建议（读者建议反馈邮箱：wuyongle138@gmail.com）。编著者2014年7月于北京邮电大学电子工程学院
绪论
1．微波射频器件及天线概述微波射频无源和有源器件是微波电路与无线电收发前端系统的关键组件或核心单元，也是电子科学与技术、电子通信工程、电子信息工程、电磁场与微波技术等学科的重要研究方向。其中，微波无源器件作为微波射频器件中主要的分支之一，在整个微波工程技术中占据了非常核心的地位，在微波电路与射频前端中得到了广泛应用。在众多的微波电路与系统设计中可以发现，改善无源器件的性能指标是提高收发前端系统整机性能的重要策略；另外，最近的研究表明，在有源电路中有效融合或集成无源电路或器件的内在功能不但可以减少器件的数量和能量传输路径，而且能提高有源器件的整体电气性能。因此，深刻理解关键无源器件的工作原理，熟悉掌握其工程设计方法尤为重要。简单而言，常用的微波无源器件按照功能可分为阻抗匹配器、滤波器、功分器、耦合器、双（多）工器、移相器、巴伦、过桥等。
通俗地讲，微波无源器件的本质可简单认为是将一路或多路输入射频微波信号转化为所需要的一路或多路输出射频微波信号的电路网络，其所需信号的频率、幅度和相位同时得到单一指标或多指标需求的有效转化[1-3]。例如，两端口（输入端和输出端）滤波器的转化功能是将输入射频微波信号中不需要的特定频率信号阻挡掉（最大端口反射或额外完整吸收），而将所需要的频率信号无损耗地传输到输出端，即完成频率筛选的转换功能；三端口功分器的转化功能是将一路输入射频微波信号分成两路输出射频微波信号（幅度变而频率不变），也可将功分器反过来当合路器使用，即将两路频率相同的射频微波信号合成一路输出射频微波信号（相位差和幅度比影响两路信号合成的效率），即完成幅度调整的转化功能；四端口耦合器的转化功能是将一路输入射频微波信号的一部分能量传输到输出端口，将另一部分能量在某种相位差和幅度比的约束下耦合到耦合端口，而隔离端口确保没有能量输出，即同时完成幅度和相位调整的转化功能。
与微波无源器件具有同等重要地位的天线既可认为是无源器件中的一类（除了有源一体化天线，其为有源电路和无源天线结合的统一体），也可认为是独立的一个部件。通俗地讲，天线可看作是一种能量变换器，它将有限空间传输线中传输的导行波能量变换成在无界媒质（如空气）中辐射的电磁波能量或者相反对调的能量变换。可以毫不夸张地讲，任何无线电通信或雷达导航系统都离不开天线。有趣的是，天线自身的辐射单元与馈电网络设计和微波无源器件理论与实现之间的关系十分紧密，例如，众多天线与天线阵中馈电网络的实现都离不开功分器、耦合器等无源器件的强力支撑。从一定角度讲，不懂无源器件设计和优化方法的工程师或研究人员也就很难设计出性能优良的天线，更无法轻易触及创新的根源。
本书重点以滤波器、功分器、耦合器和天线为例，阐述这些器件从理论、设计、仿真、制作到实测的全过程。本书用到的仿真软件有ADS（Advanced Design System）和HFSS（High Frequency Structure Simulator），详细介绍了如何使用仿真软件ADS、HFSS来设计、仿真和优化代表性的微波无源器件和天线，并达到预定的功能目标，并且演示了如何使用Altium Designer将HFSS建立的器件模型转化为可直接加工的电路板板图，最后给出了相应的实测结果，从而达到验证仿真结果的目的。本书的最后一部分展示了Origin的使用方法，有利于读者方便、美观、高效地做出仿真或测试参数曲线图，既可解决撰写优秀期刊SCI论文的困扰，又能有效提高科研项目文档或专家汇报材料的技术水平，从而为提高工程师的职业水平和科学家的专业水准起到一定的支撑作用。2．常用仿真软件简介【ADS简介】ADS（Advanced Design System）软件由美国安捷伦公司（于2014年拆分为安捷伦科技Agilent Technologies和是德科技Keysight Technologies两个公司，其中是德科技有限公司主要负责电子测量行业的业务）研究开发，其基于矩量法原理设计，包含模拟/射频、数字信号处理、Momentum电磁和EMDS电磁四大仿真平台[4-8]。该软件的八大仿真控制器为直流仿真、交流仿真、S参数仿真、谐波平衡仿真、大信号S参数仿真、增益压缩仿真、包络仿真和瞬态仿真[4-8]。利用该八大仿真控制器，微波射频工程师和科研人员可在ADS软件环境下进行时域和频域仿真、模拟和数字单独及混合仿真、线性和非线性仿真等。本书详细介绍了如何使用ADS软件仿真代表性的微波无源器件，包括滤波器、功分器和耦合器等，展示如何查看这些器件的S参数幅度和相位等信息，并介绍了如何使用ADS的LineCalc工具计算微波无源器件中分布电路的实际尺寸。本书使用的ADS软件版本为ADS 2011.01。若需了解更多关于ADS软件的详细信息，请参考网站http://www.keysight. com/zh-CN/pc-1297113/advanced-design-system-ads?nid=-34346.0.00&cc=CN&lc=chi和参考文献[4-8]。【HFSS简介】HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件由美国Ansoft公司研究开发，其基于有限元法原理设计，是一款三维电磁仿真软件。该软件能提供有效快捷的三维电磁场仿真求解方案，从而被广大的电子工程师和科研人员采用，特别是用来设计微波无源器件和各种三维结构的天线。需要特别指出的是，HFSS能对微波无源器件及天线的物理结构参数进行全参数化建模和参数自动化扫描下的全波三维电磁场仿真，并能利用参数自动化扫描达到所需结构设计的性能最优化，精确给出所设计器件和天线的S参数、相位参数及辐射特性等量化值。例如，在天线仿真方面，HFSS能精确计算出天线的各种指标性能，如S参数、天线增益、轴比、天线输入阻抗、半功率波瓣宽度等[9,10]。HFSS是对实际物理尺寸结构进行基于麦克斯韦方程组的三维全波电磁仿真，因此，相对于ADS理想电路仿真结果，由HFSS得到的全波电磁仿真结果更接近于微波无源器件与天线加工实物的测试结果。本书主要介绍如何利用HFSS软件建立微波无源器件与天线模型、指定材料属性、分配边界条件和激励、设置求解方案、查看仿真结果和优化尺寸等。本书使用的HFSS软件的版本为HFSS 13.0。若需了解更多关于HFSS的详细信息，请参考网站http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Electronics/Signal+Integrity/ANSYS+HFSS，国内也有众多介绍HFSS软件的中文版书籍，如参考文献[9-11]。【Altium Designer简介】Altium Designer软件由澳大利亚Altium公司研究开发，它能用来实现设计原理图、绘制原理图、设计器件封装、设计PCB、拓扑逻辑自动布线、进行信号完整性分析、整理设计输出文档等功能[12-16]，电子工程师与科研人员常用该软件来进行低频的硬件电路与系统设计。同时，该软件也可用来进行高频甚至毫米波电路板的板图绘制。本书简单介绍了从HFSS导出DXF文件到Auto CAD的DXF文件转换，再到导入Altium Designer的过程，解释了如何进行简单的PCB原理图绘制和后处理过程，省略了原理图的绘制与PCB的生成。本书使用的Altium Designer软件的版本为Altium Designer Summer 09。若需了解更多关于Altium Designer的详细信息，请参考网站http://www.altium. com/en/products/altium-designer。国内也有不少介绍Altium Designer的工具书籍，读者若想学习更多关于原理图、双层或多层PCB图的绘制和FPGA的设计知识，请参阅参考文献[12-16]。【Origin简介】Origin软件由美国OriginLab公司研究开发，是目前在工业界和学术界用得较多的专业函数绘图软件，它能方便地导入其他应用程序和科学仪器自动记录生成的不同类型或格式的数据，其支持的数据类型有ASCII、Excel、pClamp等。基于这些原始数据，工程师与科研人员可利用其内置的二维和三维图形模板进行可视化操作和界面美化，生成的图形或图片可输出为JPEG、GIF、EPS、TIFF等不同格式的文件，以此可以满足各种不同的个性化需求[17]。本书在第5章以微波无源器件与天线的测试结果为例，介绍了Origin软件从数据导入到数据处理、绘图及图形美化的过程，所使用的Origin软件版本为Origin 8.5。关于Origin更多详细的信息请参考网站http://www.originlab.com/，也可参阅中文参考文献[17]。3．本书安排
本书的特色是实现了微波无源器件从理论分析到采用软件ADS、HFSS对器件进行设计、仿真直至使用Altium Designer制作PCB的全过程，并以第1章耦合线带通滤波器、第2章双频带耦合线功率分配器、第3章强耦合度高定向性耦合器为例，重点介绍了仿真软件的联合一体化使用，这些都是射频领域中无源器件设计的基础和重点；在第4章中以宽带圆极化天线为例，重点介绍了如何使用HFSS设计天线，并在本书的最后一章即第5章中，详细介绍了如何使用Origin软件将测试得到的数据以更加清晰、规范、漂亮的界面显示出来。本书介绍的案例均来源于作者的论文和发明专利，所有案例的其他细节可参考相应的论文与发明专利全文。
本书作为一本具有理论紧密联系实际特点的参考书，不仅有其他众多优秀工具书具备的实践指导意义，而且具备学术专著具有的高水平创新理论价值的特点。作者希望读者通过对本书的细心学习和模仿，有效掌握射频微波无源器件和天线从设计到仿真，最后做出实物测试的整套流程；也十分期待读者通过学习本书可以加深对滤波器、功分器、耦合器和天线等微波器件与部件的基本原理概念、性能指标和工程实现方法的理解，为以后科研或工程项目的完成奠定扎实的基础；最终也盼望读者能够通过本书不再对射频与微波领域产生畏惧，不再对电磁场与电磁波、天线辐射等理论感到害怕，从而通过实践对该领域产生兴趣，让更多有志青年在本书的引导下成为射频与微波领域在工业界或学术界的佼佼者。
第1章 耦合线带通滤波器设计与实现
随着现代无线系统的快速发展，滤波器在微波及毫米波无线通信系统中的应用越来越广泛[1-4]。在本章，我们展示了一种微带耦合线结构的无源带通滤波器，此滤波器电路结构简单，只包含两对耦合线和一个公共连接点。同时，本章将介绍如何在ADS平台下建立该带通滤波器的理想参数仿真模型，以及如何在HFSS平台下建立相应的全波电磁仿真模型，最后讲解如何使用Altium Designer进行PCB制板。实验结果表明，该带通滤波器具有尖锐的边缘选择特性。
1.1 耦合线带通滤波器介绍
1．滤波器概述
微波滤波器属于二端口器件，其主要功能是使所需信号通过电路而衰减至最低，同时使无用信号的能量尽可能反射回输入端（或吸收消耗），即实现通带范围内信号的无损耗传输和阻带范围内信号的最大衰减（反射抑制或吸收损耗），其本质依然是一个选频器件。微波滤波器已经广泛应用在微波通信、雷达或射频参数测量系统中，其中带通滤波器的应用更为广泛[1-4]。
目前，带通滤波器的评价指标包括通带工作频带（含双频带等）、插入损耗、回波损耗和群时延等。假定端口1为带通滤波器的输入端口，端口2为带通滤波器的输出端口，则其指标参数表达如下[1-4]：
本章从耦合线带通滤波器出发，分别介绍其理论分析、电路仿真、实物制作及测试结果。其中，使用的射频板材信息为F4B板，介电常数为2.65，板厚为1mm，其他参数可以忽略。
2．滤波器原理简介图1.1为基于耦合线结构的带通滤波器理想电路图，具体信息见参考文献[18]。该滤波器电路结构包含两对耦合线，中间为公共连接点。其中两对耦合线的偶图1.1 耦合线带通滤波器理想电奇模特性阻抗分别为Z和Z（i=1，2），ieio路图其电长度分别为θ和θ，端口阻抗设为Z。120
一般情况下，如果要构建一个工作频率点为f的理想耦合线带通0滤波器，达到理想性能，则其S参数应该满足以下条件：S=0（通11带内），S=0（通带外）。设计参数满足的公式如下[18]：21
这里假定耦合线带通滤波器的工作中心频率点为2GHz，该频率点对应的电长度分别为θ和θ，此处设θ=θ=π。第一个反射零点f1212p和第三个传输零点f可以这样表达[18]：z
显然，指定Z和Z（i=1，2）的值就可以确定对应的f和f。ieiopz
1.2 耦合线带通滤波器的ADS仿真
ADS平台可以实现参数化的模型仿真，假设该带通滤波器的工作频点f为2GHz，耦合线偶奇模特性阻抗为Z和Z（i=1，2），电长度0ieio为θ和θ，端口阻抗为Z，这些参数都可以在ADS电路中给出参数化120定义，然后代入具体的值进行仿真，以便于观察带通滤波器的各种性能。
1.2.1 新建ADS设计工程
1．运行ADS并新建工程
双击桌面上的ADS快捷方式图标，启动ADS软件。ADS运行后会自动弹出窗口【Getting Started with ADS】，简单介绍一些ADS的基本功能。单击【Close】按钮，进入主界面【Advanced Design System 2011.01(Main)】，如图1.2所示（注：此处的工作路径为安装软件时提前设置的路径，也可以更改）。图1.2 ADS主界面窗口
执行菜单命令【File】→【New】→【Workspace】，打开如图1.3所示对话框，单击【Next】按钮。图1.3 Workspace向导对话框
如图1.4所示，对【Workspace name】和【Create in】对应的文本框进行设置，前者为工作空间（Workspace）的名字，后者为创建的工作空间所保存的路径，这里保留默认设置，单击【Next】按钮，保留图1.5中的默认设置，单击【Next】按钮。图1.4 Workspace设置对话框图1.5 Libraries设置对话框
一直单击【Next】按钮，直到界面如图1.6所示，单击【Finish】按钮。此时，ADS主界面中的【Folder View】会显示所建立的工作组名称和相应路径（见图1.7），工作空间的名称为“MyWorkspace_wrk”，路径为“D:\Users\ads\MyWorkspace_wrk”。图1.6 Workspace属性显示框图1.7 新建Workspace目录
执行菜单命令【File】→【New】→【Schematic…】，打开如图1.8所示对话框，修改单元（Cell）的名称为“Bandpass_filter”，单击【OK】按钮保存设置（注：【Options】中的【Enable the Schematic Wizard】即原理图向导为可选项）。图1.8 电路原理图设置对话框
完成后ADS的电路设计界面会被建立（见图1.9），在对话框【Schematic Wizard:1】中单击【Cancel】按钮关闭该对话框（注：若不选中图1.8【Options】中的【Enable the Schematic Wizard】即原理图向导，则对话框【Schematic Wizard:1】不会出现）。至此，一个文件名为Bandpass_filter的单元创建完成，可以在自己创建的工作组路径下找到它。
2．建立滤波器仿真模型
在元件面板列表中选择【TLines-Ideal】（见图1.10），然后单击
按钮。图1.9 电路原理图向导图1.10 【Tlines-Ideal】元件列表
在右侧的画图区单击鼠标左键，可以添加一对耦合线模型（见图1.11），按“Esc”键可以退出绘制模式；鼠标右键单击新建的耦合线模型，选择【Rotate】可以将该耦合线沿顺时针旋转90°（或者直接选中耦合线，按快捷键“Ctrl+R”旋转），如图1.12所示。图1.11 添加耦合线
这样添加的耦合线就会变为图1.13的形式，仿照上述添加耦合线模型的步骤，再添加一对耦合线（见图1.14）。图1.12 耦合线的右键菜单图1.13 旋转耦合线图1.14 另一对耦合线
在元件面板列表中选择【Simulation-S_Param】（见图1.15），然后在元件面板中单击【Term】按钮（见图1.16），添加两个仿真端口（见图1.17）。图1.15 模型类型选择下拉列表图1.16 【Term】按钮图1.17 添加两个端口
在工具栏中单击接地按钮，添加两个接地线，得到如图1.18所示电路。单击工具栏上的连线按钮，依照电路图连接各个元件；单击【Simulation-S_Param】中的仿真按钮，在画图区添加S参数仿真器，得到如图1.19所示界面。
由图1.19可以看出，创建的模型默认的工作频率点为1GHz，仿真频率范围为1.0～10.0GHz，间隔取1.0GHz，也就是说每间隔1.0GHz取一点。所以，需要修改该模型的工作频率点、仿真频率范围，以及元件模型的电路参数。双击耦合线TL1，在弹出的对话框中，设置TL1的参数值分别为Z1e（Ohm）、Z1o（Ohm）、SitaT（deg），工作频率点设为2GHz （注意：检查单位设置是否一致，否则仿真会出错；单位需要在输入文本框的后侧下拉菜单中选择，而不用手动输入；本节参数值的设定均为变量，在接下来的部分会对变量进行定义），如图1.20所示，单击【OK】按钮保存设置。
类似的，分别设置TL2和端口（Term）相应的电路参数，其中Term1和Term2的阻抗值均设置为Z0（Ohm），具体参照图1.21、图1.22和图1.23。图1.18 添加接地模型图1.19 布置走线并添加S参数仿真器图1.20 TL1参数设置图1.21 TL2参数设置图1.22 Term1参数设置图1.23 Term2参数设置
双击画图区的S参数仿真器，完成如图1.24所示的设置，其仿真频率范围为0.01～4GHz，间隔取0.01GHz。单击【OK】按钮，得到带有自由参数的带通滤波器仿真模型，如图1.25所示。图1.24 仿真频率范围参数设置
在工具栏中单击按钮，添加变量控件，双击该控件打开如图1.26所示对话框，单击【Add】按钮，设置参数变量的值，这里不需要添加单位（Z1e=123，Z1o=67， Z2e=69，Z2o=40，Z0=50，SitaT=180）；单击【OK】按钮，最终的电路模型如图1.27所示。读者可以对比电路图的参数，详细检查所有参数是否设置正确。图1.25 带有自由参数的ADS仿真电路图图1.26 变量的参数值设置图1.27 耦合线带通滤波器S参数仿真的整体原理图
1.2.2 查看并处理仿真结果
1．查看仿真结果
在工具栏中单击按钮或者执行菜单命令【Simulate】→【Simulate】，进行仿真，结束后数据显示窗口会被打开（见图1.28）。单击左侧【Palette】控制板的按钮，在空白的图形显示区单击，打开如图1.29所示对话框，设置需绘制的参数曲线。图1.28 数据显示窗口图1.29 添加仿真结果曲线图
按住“Ctrl”键，选中S(1,1)和S(2,1)，单击【>>Add>>】按钮，在弹出的对话框中选择dB选项（见图1.30）。单击【OK】按钮，可以观察到Traces的列表框中增加了dB(S(1,1))和dB(S(2,1))（见图1.31所示）。图1.30 数据显示方式图1.31 添加S(1,1)和S(2,1)曲线图
单击【OK】按钮，图形显示区就会出现dB (S(1,1))和dB (S(2,1))的曲线图（纵坐标为dB值），如图1.32所示。图1.32 S参数曲线图
2．曲线参数的处理
Marker是曲线的标记，通过改变Marker的位置，可以读取曲线任意一点的坐标值。执行菜单命令【Marker】→【New…】（快捷键为“Ctrl+M”），打开如图1.33所示对话框，移动光标至需要添加Marker的曲线[曲线dB（S(1,1)）]上，放置一个Marker（见图1.34）。图1.33 Marker添加向导图1.34 选取Marker添加位置
类似的，为另一条曲线[曲线dB（S(2,1)）]添加Marker，可以使用键盘上的左、右方向键来调整横坐标（freq）的位置（或者用鼠标左键单击图1.35所示位置，直接修改频率取值），最终的结果如图1.36所示。
ADS为我们提供了数据显示的编辑功能，下面以修改Y轴范围及美化曲线为例来说明。双击曲线图的内部，弹出【Plot Trace&Attributes】对话框，单击【Plot Options】选项卡，去掉复选框【Auto Scale】的选择（不采用软件的自动调节范围），按照图1.37所示调整Y轴参数，得到编辑后的S参数曲线图（见图1.38）。
还可以修改曲线的颜色和类型。直接双击S(1,1)曲线，打开曲线选项对话框进行修改（见图1.39）。类似的S(2,1)曲线修改参见图1.40。
最终得到的曲线图如图1.41所示。图1.35 修改横坐标取值图1.36 添加Marker结果图图1.37 曲线编辑选项图1.38 调整Y轴结果图图1.39 S(1,1)曲线选项设置图1.40 S(2,1)曲线选项设置图1.41 最终S参数曲线图
1.2.3 微带线电路模型仿真
给定的带通滤波器参数有：Z=123Ω，Z=67Ω，Z=69Ω，1e1o2eZ=40Ω，SitaT=180°，板材为F4B板。2o
1．计算物理尺寸
关闭结果显示窗口，返回原理图设计窗口，执行菜单命令【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】，打开对话框（见图1.42）。修改相关参数（注意单位），元件类型（传输线）修改为（耦合线）；带通滤波器的工作频率f=2GHz（对话框中的“Freq”）；使用F4B板，介电常数ε=2.65，板0r厚h=1mm（对话框中的“Er”和“H”），其余参数不用修改，结果如图1.43所示。图1.42 微带线计算工具窗口图1.43 设置板材参数
LineCalc的功能是求解电路中的元件在某板材（如F4B）对应的微带线的物理尺寸。例如，特性阻抗为Z=123Ω，Z=67Ω，电长度1e1o为SitaT=180°的耦合线，先修改对话框中相应的参数（见图1.44），注意一定要先修改【Physical】中的单位，然后单击按钮，就可以求出对应的物理尺寸（图1.45和图1.46分别对应单击按钮前后的尺寸变化）。这里放在一起方便对比，得到的结果是：F4B板上该微带线的尺寸约为宽0.80mm，间隙为0.41mm，长53.01mm（注：本书中所有的尺寸全部使用mm作为单位，且精确到0.01mm）。图1.44 输入TL1电路参数图1.45 求解TL1尺寸前
类似的，求解另一组微带线TL2（见图1.47）和两个端口的物理尺寸。需要注意，求解端口的物理尺寸（见图1.48）须先将修改为，设置工作频率（Freq）为2GHz，特性阻抗（Z0）为50Ohm，电长度（E_Eff）为90°。最后求解出F4B板上端口对应的微带线宽为2.72mm，长为25.29mm（注：端口的物理长度对电路的性能影响不大，一般取大于10mm的物理长度，从而方便焊接SMA头）。图1.46 求解TL1尺寸后图1.47 求解TL2尺寸图1.48 求解端口尺寸
2．电路模型仿真
回到电路设计界面，执行菜单命令【File】→【Save As…】，将Bandpass_filter另存为Bandpass_filter2，删除理想的耦合线模型及变量控件（），同时修改端口的特性阻抗为50Ohm，如图1.49所示。在元件面板列表中选择【TLines-Microstrip】（见图1.50），单击按钮添加两对微带耦合线（带有物理尺寸参数），再单击按钮，添加板材参数，得到的电路如图1.51所示。图1.49 删除理想的耦合线模型图1.50 选择【TLines-Microstrip】元件类型图1.51 添加MSUB控件
双击工作区内的，设置板材参数，如图1.52所示，设置厚度H和相对介电常数Er，单击【OK】按钮保存。然后对应图1.46和图1.47修改两对微带线的物理尺寸（精确到0.01mm即可），得到的电路图如图1.53所示。图1.52 MSUB板材参数设置图1.53 完成参数设置的电路原理图
单击按钮执行仿真，按照1.2.2节的曲线图绘制和修改得到如图1.54所示的S参数曲线图。
至此，ADS的电路仿真已经完成。图1.54 S参数曲线图
1.3 耦合线带通滤波器的HFSS仿真
首先需要在HFSS中建立如图1.55所示的微带线带通滤波器模型，由1.2节求解了微带线的物理尺寸，分别为L=53.01mm， 1W=0.80mm， S=0.41mm， L=51.63mm， W=2.21mm，1122S=0.25mm，W=2.72mm，L=10mm。2RR图1.55 耦合线带通滤波器板图
1.3.1 新建设计工程
1．运行并新建工程
双击HFSS的快捷方式图标，启动软件。HFSS会自动新建一个工程文件，在【Project Manager】视窗中选中“Project 1”，单击鼠标右键，选择【Save As…】（见图1.56）。打开如图1.57所示对话框（这里可以自己选择路径，必须是英文路径），将工程文件另存为“BPF. hfss”，可以观察到【Project Manager】视窗中“Project 1”的名字变更为“BPF”。图1.56 “Project 1”右键菜单图1.57 另存为“BPF”工程文件
右键单击BPF，选择【Insert】→【Insert HFSS Design】（见图1.58），插入模型文件“HFSS Design1”，创建后HFSS的工程界面如图1.59所示。图1.58 新建HFSS文件图1.59 HFSS工程界面
右键单击“HFSS Design1”，选择【Rename】（见图1.60），输入“BPF1”。以上完成了一个新建的HFSS工程文件，工程界面如图1.61所示。图1.60 HFSS文件重命名图1.61 “BPF1”文件的工程界面
2．设置求解方式
新建工程BPF1的默认求解类型为模式驱动（Driven Modal），我们需要设置的求解类型为终端驱动（Driven Terminal），执行菜单命令【HFSS】→【Solution Type】，打开如图1.62所示对话框，选择【Driven Terminal】，单击【OK】按钮保存设置。
3．设置长度单位
HFSS将默认的滤波器模型长度单位设置为mm，执行菜单命令【Modeler】→【Units…】，打开对话框（见图1.63），在【Select units】的下拉列表中选择【mm】，单击【OK】按钮保存设置，也可以设置为其他的长度单位。图1.62 设置求解方式图1.63 设置长度单位
1.3.2 添加参数变量
建立参数化的模型后可以方便地修改物理尺寸（主要针对模型的后期优化）。下面介绍如何在HFSS中进行参数化建模，定义并添加参数变量：执行菜单命令【HFSS】→【Design Properties…】，打开参数变量的属性对话框（见图1.64）。图1.64 参数变量的属性对话框
单击【Add…】按钮，打开【Add Property】对话框，在【Name】文本框中输入第一个变量名称WR，在【Value】中输入WR的初始值2.72mm（注意一定要确认单位输入正确，“mm”将自动显示在【Units】文本框中），如图1.65所示，单击【OK】按钮保存设置。图1.65 添加和定义WR参数变量
至此，第一个变量添加完毕，结果如图1.66所示。图1.66 添加WR变量后的属性对话框
按照上述方法添加剩余变量：LR=10mm，L1=53.01mm，L2=51.63mm，W1=0.8mm， W2=2.21mm，S1=0.41mm，S2=0.25mm，LCP=1mm，WCP=0.41mm，GNDW=(LR*2+S1)， GNDL=(WR+L1+L2+20mm)，实际使用中LR不选取过大的值，一般为10mm（减少微带线的损耗，同时方便SMA头焊接）。完成后设计变量的属性对话框如图1.67所示，单击【确定】按钮保存设置。图1.67 添加所有参数变量后的属性对话框
1.3.3 滤波器建模
模型的坐标原点位于接地板最左侧（X轴）的中点，其所有微带线都被设置为厚度为零的理想导体。首先在XOY平面（Z=0）创建宽度和长度分别为GNDW和GNDL的接地板，设置为理想导体；然后在接地板的正上方创建材质为F4B、厚度为1mm的介质层；最后在介质层的上表面Z=1mm处创建微带线带通滤波器的板图（平面效果图如图1.68所示）。其中板图由四部分构成，即端口馈线FEEDLINE1和FEEDLINE2、微带线TLINE1～TLINE4、公共连接点CONNECT，以及集总端口FEEDPORT1和FEEDPORT2（没有在图1.68中标明）。最后在板图外部添加空气盒，三维效果图如图1.69所示。图1.68 模型平面效果图图1.69 模型三维效果图
1．创建接地板
首先在XOY平面上创建一个起点坐标为（-GNDW/2,0,0）、宽度和长度为GNDW和GNDL的矩形面，并将新建平面设为理想导体边界。执行菜单命令【Draw】→【Rectangle】，或者单击工具栏上的按钮，进入创建矩形面的状态，在三维模型窗口的XOY平面绘制一个任意大小的矩形面（见图1.70）。新建的矩形面会自动添加到历史树的Sheets节点下，默认名称为Rectangle1。图1.70 创建矩形面
双击Sheets下的Rectangle1节点，打开属性对话框（【Attribute】选项卡），将【Name】选项的默认值Rectangle1修改为GND（接地板），单击【Color】选项对应的【Edit】按钮，修改GND的颜色（见图1.71），最后单击【确定】按钮保存设置。图1.71 矩形面的【Attribute】选项卡
展开操作历史树Sheets下的GND节点，双击该节点下的CreateRectangle选项，打开【Command】选项卡（见图1.72），在该选项卡中设置GND的顶点坐标、宽度和长度。在【Position】选项中输入顶点坐标（-GNDW/2, 0, 0），在【XSize】和【YSize】选项中输入宽度GNDW和长度GNDL，然后单击【确定】按钮保存设置。图1.72 矩形面的【Command】选项卡
最后，按快捷键“Ctrl+D”全屏显示创建的接地板（也可使用调整视角），显示结果如图1.73所示。
右键单击Sheets目录下的GND模型，选择【Assign Boundary】→【Perfect E…】（见图1.74）；打开理想导体边界设置对话框，把【Name】选项的默认值PerfE修改为PerfE_GND（见图1.75），然后单击【OK】按钮保存设置。
以上完成了接地板的理想导体边界的设置，而PerfE_GND也自动添加到Project Manager中的Boundaries节点下（见图1.76），同时在历史树Sheets下自动调整为Perfect E （见图1.77）。图1.73 创建好的接地板图1.74 GND模型的右键菜单图1.75 理想导体边界设置对话框图1.76 Project Manager界面图1.77 历史树Sheets的节点
2．创建介质层
可以通过创建一个长方体模拟介质层，该长方体底部为XOY平面（与GND相接），介质材料为F4B，模型名称为Substrate。执行菜单命令【Draw】→【Box】（或者单击工具栏上的按钮），进入创建长方体的状态，在三维模型窗口中创建一个任意参数的长方体，新建的长方体会自动添加到历史树的Solids节点下，默认名称为Box1，如图1.78所示。图1.78 创建长方体
双击历史树Solids节点下的Box1模型，打开属性对话框【Attribute】选项卡，将【Name】设置为Substrate，单击【Color】对应的【Edit】按钮修改颜色，并将【Transparent】（透明度）调整为0.6，单击【Material】对应的文本框“vacuum”，打开下拉列表（见图1.79），选择【Edit…】，打开如图1.80所示对话框。图1.79 介质层的【Attribute】选项卡图1.80 选择材料对话框
单击按钮，新建一个材质材料F4B：把【Material Name】设置为F4B，把【Relative Permittivity】（相对介电常数）修改为2.65（见图1.81），单击【OK】按钮保存设置。再单击图1.82中的【确定】按钮，保存设置。此时，历史树Solids节点下的介质层名称自动修改为F4B。图1.81 新建材料对话框
双击操作历史树Substrate下的CreateBox节点，打开【Command】选项卡。类似的，在对话框中设置长方体的顶点坐标和大小，在【Position】中输入顶点坐标（-GNDW/2, 0mm, 0mm），在【XSize】、【YSize】和【ZSize】中分别输入宽、长、高，分别为GNDW、GNDL和1mm（介质板厚度），如图1.83所示。图1.82 设置材料后的介质层【Attribute】选项卡图1.83 介质层【Command】选项卡
单击【确定】按钮，完成介质层的创建，按快捷键“Ctrl+D”全屏显示，如图1.84所示。图1.84 创建好的接地板和介质层
3．创建微带线走线
现在需要绘制位于介质层（Substrate）上表面（Z=1mm的XY平面）的微带线走线图，它由7个矩形面合并而成（注意，假定所有走线均为理想导体，厚度为零）。
在介质层的上表面创建矩形面1，用于模拟端口馈线（特性阻抗为50Ω），命名为FEEDLINE1，宽度和长度分别为WR和LR。首先执行菜单命令【Draw】→【Rectangle】（或者单击工具栏中的按钮），进入创建矩形面的状态。然后在三维模型窗口的XY平面上创建一个任意大小的矩形面，该矩形面会自动添加到历史树的Sheets节点下，默认名称为Rectangle1，如图1.85所示。图1.85 创建矩形面
展开操作历史树Sheets下的Rectangle1节点，双击CreateRectangle选项，打开相应的【Command】选项卡，设置矩形面的顶点坐标和大小，在【Position】中输入顶点坐标位置（GNDW/2, 10mm, 1mm），在【XSize】和【YSize】中输入矩形面的长度和宽度，分别为-LR和WR，如图1.86所示，然后单击【确定】按钮保存设置。图1.86 【Command】选项卡
双击Sheets下的Rectangle1节点，打开属性对话框【Attribute】选项卡，将【Name】设置为FEEDLINE1（见图1.87），单击【确定】按钮保存设置。此时Sheets节点下的Rectangle1节点自动变更为FEEDLINE1，如图1.88所示。图1.87 【Attribute】选项卡图1.88 添加的FEEDLINE1
用同样的方法在HFSS中建立其余的微带线。矩形面2命名为FEEDLINE2，长度和宽度分别为LR和WR，打开【Attribute】选项卡，将【Name】设置为FEEDLINE2；再打开【Command】选项卡，在【Position】中输入顶点位置坐标（-GNDW/2, 10mm, 1mm），在【XSize】和【YSize】中输入LR和WR。
矩形面3命名为TLINE1，长度和宽度分别为L1和W1，打开【Attribute】选项卡，将【Name】设置为TLINE1；再打开【Command】选项卡，在【Position】中输入顶点位置坐标（S1/2, 10mm+WR, 1mm），在【XSize】和【YSize】中输入W1和L1。
矩形面4命名为TLINE2，长度和宽度分别为L1和W1，打开【Attribute】选项卡，将【Name】设置为TLINE2；再打开【Command】选项卡，在【Position】中输入顶点位置坐标（-S1/2, 10mm+WR, 1mm），在【XSize】和【YSize】中输入-W1和L1。
矩形面5命名为TLINE3，长度和宽度分别为L2和W2，打开【Attribute】选项卡，将【Name】设置为TLINE3；再打开【Command】选项卡，在【Position】中输入顶点位置坐标（S2/2, 10mm+L1+WR, 1mm），在【XSize】和【YSize】中输入W2和L2。
矩形面6命名为TLINE4，长度和宽度分别为L2和W2，打开【Attribute】选项卡，将【Name】设置为TLINE4；再打开【Command】选项卡，在【Position】中输入顶点位置坐标(-S2/2, 10mm+L1+WR, 1mm)，在【XSize】和【YSize】中输入-W2和L2。
矩形面7命名为CONNECT，用于模拟公共连接点A，长度和宽度分别为LCP和WCP，打开【Attribute】选项卡，将【Name】设置为CONNECT；再打开【Command】选项卡，在【Position】中输入顶点位置坐标（-S1/2, 10mm+L1-0.5mm+WR, 1mm），在【XSize】和【YSize】中输入WCP和LCP。
按快捷键“Ctrl+D”全屏显示整体电路图，如图1.89所示。
4．合并生成模型板图
按住“Ctrl”键，依次选中历史树中Sheets下的CONNECT、FEEDLINE1、FEEDLINE2和TLINE1～TLINE4节点（见图1.90），然后执行菜单命令【Modeler】→【Boolean】→【Unite】（或者单击工具栏上的按钮），合并后的效果如图1.91所示。图1.89 介质层上表面微带线整体效果图1.90 合并前效果图
展开Sheets下的CONNECT节点，双击CONNECT，将合并后的联合体重命名为BPF （见图1.92），单击【确定】按钮保存设置。
5．设置走线边界条件
右键单击Sheets下的BPF节点，在弹出的菜单中选择【Assign Boundary】→【Perfect E…】，打开边界条件设置对话框（见图1.93），把【Name】选项修改为“PerfE_BPF”，单击【OK】按钮保存设置。理想边界“PerfE_BPF”选项将自动添加到“Boundaries”节点下，如图1.94所示。图1.91 合并后效果图图1.92 联合体的【Attribute】选项卡图1.93 设置理想导体边界条件图1.94 工程树BPF的所有节点
此时，三维模型整体结构如图1.95所示。图1.95 模型整体结构图
1.3.4 设置激励端口
带通滤波器是二端口元件，需要在平行于YOZ面的平面上创建输入端口1和输出端口2，端口的激励方式均采用集总端口激励。
1．设置端口1
首先找到工具栏中的，在该选项的下拉列表中选择平面；然后执行菜单命令【Draw】→【Rectangle】（或者单击工具栏中的按钮），进入创建矩形面的状态，并在三维模型窗口的YZ面上创建一个任意大小的矩形面。新建的矩形面自动添加到历史树的Sheets节点下，默认名称为Rectangle1，如图1.96所示。图1.96 创建矩形面
展开Sheets下的Rectangle1节点，双击CreateRectangle选项，打开【Command】选项卡，在【Position】中输入顶点位置坐标（GNDW/2, 10mm, 1mm），在【YSize】和【ZSize】中输入矩形面的宽度和长度，分别为WR和“-1mm”（见图1.97），然后单击【确定】按钮保存设置。图1.97 端口1【Command】选项卡
双击Sheets下的Rectangle1节点，打开【Attribute】选项卡，将【Name】设置为FEEDPORT1（见图1.98），然后单击【确定】按钮保存设置。图1.98 端口1【Attribute】选项卡
Sheets节点下的Rectangle1自动调整为FEEDPORT1，端口效果图如图1.99所示。图1.99 端口1效果图
右键单击FEEDPORT1节点，在弹出的菜单中选择【Assign Excitation】→【Lumped Port…】（见图1.100）。在打开的对话框中，在【Port Name】文本框中输入端口激励名称，默认名称为1。该对话框下方的【Conductor】项设置端口的参考地，这里选择GND为端口的参考地，其他参数保持默认设置（见图1.101），单击【OK】按钮，完成集总端口激励的设置。图1.100 选择【Lumped Port…】图1.101 设置参考面
完成后集总端口1的端口激励会自动添加到工程树BPF1的Excitations节点下（见图1.102），其中，1为集总端口激励名称，BPF_T1为终端线名称。图1.102 工程树BPF的Excitations节点和历史树Sheets的Lumped Port节点
双击BPF1下Excitations节点的端口激励名称1，打开【Lumped Port】对话框（见图1.103），确认其端口阻抗为50Ω，单击【确定】按钮保存设置。双击终端线BPF_T1，打开【Terminal】对话框，将【Name】文本框由默认的BPF_T1修改成T1，并确认其归一化阻抗为50Ω（见图1.104），单击【确定】按钮保存设置。图1.103 【Lumped Port】对话框图1.104 【Terminal】对话框
2．设置端口2
类似的，执行菜单命令【Draw】→【Rectangle】（或者单击工具栏中的按钮），进入创建矩形面的状态，并在三维模型窗口的YZ面上创建一个任意大小的矩形面。新建的矩形面自动添加到历史树的Sheets节点下，默认名称为Rectangle1，如图1.105所示。图1.105 创建矩形面
展开Sheets下的Rectangle1节点，双击CreateRectangle选项，打开【Command】选项卡，在【Position】中输入顶点位置坐标（-GNDW/2, 10mm, 1mm），在【YSize】和【ZSize】中输入矩形面的宽度和长度，分别为WR和“-1mm”（见图1.106），然后单击【确定】按钮保存设置。图1.106 端口2【Command】选项卡
双击Sheets下的Rectangle1节点，打开【Attribute】选项卡，将【Name】设置为FEEDPORT2（见图1.107），然后单击【确定】按钮保存设置。Sheets节点下的Rectangle1自动调整为FEEDPORT2，端口效果图如图1.108所示。图1.107 端口2【Attribute】选项卡图1.108 端口2效果图
右键单击FEEDPORT2节点，在弹出的菜单中选择【Assign Excitation】→【Lumped Port…】（见图1.109）。在打开的对话框中，在【Port Name】文本框中输入端口激励名称，默认名称为2，选择GND为端口的参考地（见图1.110），单击【OK】按钮完成设置。图1.109 选择【Lumped Port…】图1.110 设置参考面
完成后集总端口2会添加到工程树BPF1的Excitations节点下（见图1.111）。双击BPF1下Excitations节点的端口激励名称2，打开【Lumped Port】对话框（见图1.112），确认其端口阻抗为50Ω，单击【确定】按钮保存设置。图1.111 Excitations节点和Lumped Port节点图1.112 【Lumped Port】对话框
双击终端线BPF_T1，打开【Terminal】对话框，将【Name】文本框由默认的BPF_T1修改成T2，并确认其归一化阻抗为50Ω（见图1.113），单击【确定】按钮保存设置。
最后完成的端口设置和整体效果如图1.114和图1.115所示。图1.113 【Terminal】对话框图1.114 工程树BPF和历史树Sheets图1.115 设置好端口的三维模型图
1.3.5 创建辐射边界条件
执行菜单命令【Draw】→【Box】，或者单击工具栏上的按钮，进入创建长方体的状态，然后在三维模型窗口中创建一个任意参数的长方体。新建的长方体会自动添加到历史树的Solids节点下，默认名称为Box1，如图1.116所示。双击Solids下Box1节点的CreateBox选项，打开【Command】选项卡，在【Position】中输入顶点坐标（-GNDW/2-2mm,-2mm,-1mm），在【XSize】、【YSize】和【ZSize】中输入Box1的宽、长和高，分别为GNDW+4mm、GNDL+4mm和10mm（一般可以取介质板厚度的10倍），结果如图1.117所示。
双击Solids下的Box1节点，打开【Attribute】选项卡，将【Name】的默认值Box1修改为air，单击【Color】项的【Edit】按钮修改颜色，并将【Transparent】修改为0.8（见图1.118），单击【确定】按钮保存设置。按快捷键“Ctrl+D”全屏显示，如图1.119所示。图1.116 创建长方体图1.117 长方体【Command】选项卡图1.118 长方体【Attribute】选项卡图1.119 三维模型图
右键单击Solids下的air节点，在弹出的菜单中选择【Assign Boundary】→【Radiation…】（见图1.120）。打开辐射边界条件设置对话框（见图1.121），保持默认设置不变，单击【OK】按钮退出，将air表面设置为辐射边界条件。图1.120 选择【Radiation】图1.121 设置辐射边界条件
此时Rad1自动添加到工程树BPF1的Boundaries节点下（见图1.122）。最后，按快捷键“Ctrl+D”全屏显示整体模型，如图1.123所示。图1.122 Boundaries节点图1.123 创建后的三维模型图
1.3.6 求解设置
右键单击工程树BPF1下的Analysis节点，在弹出的菜单中选择【Add Solution Setup】，打开对话框【Solution Setup】。在【Solution Frequency】中输入求解频率2GHz，在【Maximum Number of Passes】中输入最大迭代次数20，在【Maximum Delta S】中输入收敛误差0.02，其他选项保留默认设置（见图1.124），然后单击【确定】按钮保存设置。完成设置后，求解设置项Setup1会自动添加到工程树BPF1的Analysis节点下。图1.124 求解频率设置图1.125 选择【Add Frequency Sweep…】
展开Analysis节点，右键单击求解设置项Setup1，在弹出的菜单中选择【Add Frequency Sweep…】（见图1.125），打开对话框【Edit Sweep】。在【Sweep Type】下拉列表中选择扫描类型为Fast，在【Frequency Setup】中将【Type】设置为LinearStep，在【Start】中输入0.01GHz，在【Stop】中输入4GHz，在【Step Size】中输入0.01GHz，其他选项保留默认设置，然后单击【Display>>】按钮，如图1.126所示。最后单击【OK】按钮保存设置。图1.126 扫频设置
1.3.7 设计检查和运行仿真
前面完成了建模和求解设置等工作，在运行仿真之前，通常需要确认设计的完整性和正确性。
执行菜单命令【HFSS】→【Validation Check…】（或者单击工具栏上的按钮），执行检查设计操作，此时【Validation Check】对话框会打开（见图1.127），确认每一个选项的前面都显示了图标（表明该HFSS设计正确而且完整）。最后单击【Close】按钮关闭对话框。图1.127 检查设计结果对话框
右键单击工程树BPF1下的Analysis节点，在弹出的菜单中选择【Analyze All】（或者单击工具栏中的按钮），执行仿真。在仿真过程中，工作界面的右下方窗口【Progress】会显示求解进度，完成仿真后【Message Manager】中也会显示相应的仿真完成提示信息，如图1.128所示。图1.128 仿真完成提示信息
1.3.8 查看S参数
右键单击工程树BPF1下的Results节点，在弹出的菜单中选择【Create Terminal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】，如图1.129所示，打开报告设置对话框。图1.129 Results节点右键菜单
确定左侧的【Solution】选项是“Setup1：Sweep”，【Domain】选项是“Sweep”，在【Category】列表框中选择“Terminal S Parameter”，然后按住“Ctrl”键，在【Quantity】列表框中选择St(T1,T1)、St(T2,T1)，在【Function】列表框中选择“dB”，如图1.130所示。图1.130 结果报告设置对话框
单击【New Report】按钮，再单击【Close】按钮关闭该对话框。此时生成S和S幅值（以dB为单位）随频率变化的报告，如图11211.131所示。图1.131 S参数幅度仿真结果
单击右上方的“Curve Info”可以移动该显示框的位置。双击，打开曲线编辑对话框，设置该曲线的【Line Width】为3，选中【Show Symbol】和【Fill Symbol】选项，将【Symbol Frequency】设置为8，【Symbol Style】设置为“Circle”，单击【Symbol Color】修改颜色（见图1.132），然后单击【确定】按钮保存设置。图1.132 设置S 11曲线属性
类似的，可以设置dB(St(T2,T1))的【Symbol Style】为VerticalDownTriangle，选中【Show Symbol】和【Fill Symbol】选项，设置【Symbol Frequency】为8，【Line Width】为3，如图1.133所示。图1.133 设置S 21曲线属性
最终效果如图1.134所示。图1.134 调整后的S参数曲线
1.3.9 查看群时延曲线
右键单击工程树BPF1下的Results节点，在弹出的菜单中选择【Create Terminal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】，打开报告设置对话框。在【Category】列表框中选择“Group Delay”，在【Quantity】列表框中选择GroupDelay(T2, T1)，在【Function】列表框中选择“
单击【New Report】按钮，再单击【Close】按钮关闭该对话框，打开群时延分析报告，如图1.136所示。
单击右上方的“Curve Info”可以移动该显示框的位置。双击，打开曲线编辑对话框，设置该曲线的【Line Width】为3，选中【Show Symbol】、【Fill Symbol】和【Show Arrows】选项，【Symbol Frequency】设置为8，【Symbol Style】设置为“Circle”，单击【Symbol Color】修改颜色（见图1.137），然后单击【确定】按钮保存设置。图1.135 群时延报告设置对话框图1.136 S 21群时延分析报告图1.137 设置曲线属性
最终效果如图1.138所示。图1.138 调整后的群时延曲线
1.3.10 参数优化
由S参数的分析结果可以看到，工作频率在2GHz时S的dB值不11足-10dB，和ADS对应的微带线电路模型的仿真结果相差较大，所以应对该带通滤波器的参数进行优化。下面介绍如何利用HFSS调整物理尺寸，进行参数优化。
首先右键单击BPF1仿真文件，在弹出的菜单中选择【Copy】复制，然后右键单击BPF项目文件名称选择【Paste】粘贴，生成BPF2仿真文件。右键单击工程树BPF2下的Optimetrics节点，在弹出的菜单中选择【Add】→【Parametric…】（见图1.139），打开参数设置对话框（见图1.140）。图1.139 Optimetrics节点右键菜单
在打开的参数设置对话框中，单击右侧的按钮，打开扫频设置对话框【Add/Edit Sweep】。在【Variable】的下拉列表中选择L1，在【Start】、【Stop】和【Step】中分别输入52、56和1，然后单击按钮；在【Variable】的下拉列表中选择L2，在【Start】、【Stop】和【Step】中分别输入49、53和1，再次单击按钮，完成后如图1.141所示。最后单击【OK】按钮保存设置，回到参数设置对话框（见图1.142），单击【确定】按钮关闭对话框。图1.140 参数设置对话框图1.141 添加参数扫描设置
此时Optimetrics节点下会自动添加ParametricSetup1节点，如图1.143所示。图1.142 完成L1、L2扫描项的添加图1.143 自动添加的ParametricSetup1节点
右键单击工程树BPF1下的Optimetrics节点，在弹出的菜单中选择【Analyze】→【All】，执行参数仿真。
仿真结束后，右键单击工程树BPF1下的Results节点，在弹出的菜单中选择【Create Terminal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】，打开报告设置对话框，仿照之前所述在【Quantity】列表框中选择St(T1,T1)、St(T2,T1)，在【Function】列表框中选择“dB”，如图1.144所示。图1.144 结果报告设置对话框
单击【New Report】按钮，再单击【Close】按钮关闭该对话框，生成S和S幅值（以dB为单位）报告，调整纵轴显示范围后如图11211.145所示。图1.145 不同情况的S参数幅度仿真结果
单击右上方“Curve Info”下的不同选项（图1.146所示位置），着重显示这一条曲线（见图1.147）。图1.146 选择不同S参数曲线图1.147 曲线的着重显示效果
经比较，选择参数为L1=56mm、L2=49mm所对应的带通滤波器（该参数对应的S曲线在中心频率为2GHz时，dB值最低，说明其回11波损耗小）。
右键单击工程树BPF1下的Results节点，在弹出的菜单中选择【Create Terminal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】，打开报告设置对话框，在【Quantity】列表框中选择St(T1,T1)、St(T2,T1)，在【Function】列表框中选择“dB”。
单击上方的【Families】选项卡（图1.148所示位置），再单击L1选项对应的按钮，按住“Ctrl”键，在弹出的对话框中同时选中“53.01mm”和“56mm”（见图1.149），单击按钮关闭对话框。
单击L2对应的按钮，同时选中“49mm”和“51.63mm”，设置完成的界面如图1.150所示。
单击【New Report】按钮，再单击【Close】按钮关闭该对话框，打开S参数报告图，如图1.151所示。图1.148 L1、L2取值选择界面图1.149 选择L1=53.01mm和56mm图1.150 选择L2=49mm和51.63mm图1.151 优化前后的S参数结果对比图
单击Y轴的位置，打开修改坐标轴的属性对话框（见图1.152）。图1.152 设置曲线属性（【Axis】选项卡）
在该对话框的上侧单击【Scaling】选项卡（见图1.153），设置【Axis Scaling】为“Linear”，【Min】和【Max】分别为-50和5，【Spacing】和【Minor Tick Divs】均为5，选中【Specify Min】、【Specify Max】、【Specify Spacing】和【Auto Units】选项（固定Y轴和间隔取值），然后单击【确定】按钮保存设置。
这样就得到一个Y轴从-50到5、间隔为5的曲线图，如图1.154所示。
仿照之前所述的曲线编辑方法，修改其余曲线的标记、粗细、颜色等，最后完成的S参数曲线图如图1.155所示。
此外，可仿照上述所讲的内容绘制群时延曲线图，这里不再赘述。至此，就完成了HFSS上的带通滤波器全波仿真。图1.153 设置曲线属性（【Scaling】选项卡）图1.154 调整后的S参数曲线图图1.155 最终的S参数曲线图
1.4 PCB制板
经过之前的工作，该带通滤波器的尺寸已经确定。回到HFSS的工作界面，执行菜单命令【HFSS】→【Design Properties…】，打开设计变量的属性对话框，将L1改为56mm，将L2改为49mm，如图1.156所示，单击【确定】按钮保存设置。图1.156 修改L1、L2的值
展开历史树下的Solids节点，选中【vacuum】中的air选项，按“Delete”键删除空气盒；在工具栏上单击Offset Origin按钮，然后单击介质层上表面的左上角（图1.157所示位置），新建一个相对坐标系，如图1.158所示（注：建立新的坐标系的目的是为了导出新坐标系的XOY平面）。图1.157 删除空气盒的同时确定相对坐标系的原点图1.158 新建相对坐标系
执行菜单命令【Modeler】→【Export…】（见图1.159），在打开的对话框中，保存路径选择“D:\Users\hfss\Ansoft”，文件名命名为“BPF”，保存类型选择“AutoCAD DXF Files(*.dxf)”，如图1.160所示。图1.159 选择【Export…】图1.160 导出BPF. dxf文件
返回桌面，双击AutoCAD的桌面快捷方式图标，启动AutoCAD，单击按钮，打开BPF. dxf文件（或者执行菜单命令【文件】→【打开】，如图1.161所示）。图1.161 执行菜单命令打开BPF. dxf文件
打开后AutoCAD的工作区会变为如图1.162所示界面。右键单击绘图区域，在弹出的菜单中选择【缩放】（见图1.163）。图1.162 AutoCAD工作区界面图1.163 选择【缩放】
再次单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择【范围缩放】（见图1.164），工作区变为如图1.165所示界面。
执行菜单命令【文件】→【另存为】（见图1.166），将保存路径设为桌面，文件名为“BPF07.dxf”，文件类型选择“AutoCAD 2007/LT2007 DXF(*.dxf)”，如图1.167所示。图1.164 选择【范围缩放】图1.165 选择【范围缩放】后的板图图1.166 选择【另存为】图1.167 保存BPF07.dxf文件
以上创建了板图文件“BPF07.dxf”，也就将HFSS的外观尺寸导了出来，接下来可以直接在PCB中画板。
双击Altium Designer Summer 09的桌面快捷方式图标，启动软件，执行菜单命令【File】→【New】→【PCB】，新建PCB工作界面如图1.168所示。图1.168 新建PCB工作界面
在新窗口中执行菜单命令【File】→【Import…】（见图1.169），打开对话框，选择文件“BPF07.dxf”（见图1.170），单击【打开】按钮，导入BPF07。图1.169 选择【Import…】图1.170 选择“BPF07. dxf”文件
在弹出的对话框中将单位选项设为【mm】，然后单击按钮，在PCB板图的任意位置单击，确定导入文件的原点位置（见图1.171）。完成后的导入文件属性设置对话框如图1.172所示，最后单击【OK】按钮保存设置（注：导入的仅仅是滤波器的外观尺寸且位于机械二层，导入的目的是为绘制滤波器提供一个具体的尺寸，当完成滤波器的绘制时，这些导入的线都要删除）。图1.171 选择原点位置图1.172 导入文件的属性设置对话框
导入文件后的效果图如图1.173所示。首先，按下鼠标左键拖动光标，选中整个板图（见图1.174）；然后，执行菜单命令【Edit】→【Move】→【Rotate Selection】，打开对话框，输入旋转角度90°（见图1.175），单击【OK】按钮保存；接下来，将光标移动到图1.176所示位置以确定旋转点；最后，单击鼠标左键完成旋转。旋转后的板图如图1.177所示。图1.173 导入文件后的效果图图1.174 全部选中后的效果图图1.175 输入旋转角度图1.176 确定旋转点图1.177 旋转后的板图
单击工具栏上的按钮，选择【Set Snap Grid…】，在打开的对话框中输入网格精度0.01mm（见图1.178），单击图1.178 网格精度【OK】按钮保存设置。
接下来用矩形填充所有的微带线：在工具栏上单击按钮，光标会变为“十”字形（使用快捷键“Ctrl+鼠标滚轮”可对板图进行缩放），单击左上方的微带线边界（见图1.179），然后拖动至图1.180所示位置。图1.179 进入矩形填充状态图1.180 填充矩形
依照这种方法，将所有的微带线填充好，有部分矩形重叠是不影响制板的，但是要注意不要超出边界。填充完成的效果图如图1.181所示（注：所有的微带线走线均在顶层）。图1.181 填充完成的效果图
现在绘制接地板，在工作界面的下方选择【Bottom Layer】（见图1.182），注意，【Top Layer】顶层是滤波器表面微带线走线所在的层，【Bottom Layer】底层是地所在的层，【Mechanical 2】机械2层是导入模型走线的所在层。最后仿照矩形填充方法绘制一个矩形的接地层，最终结果图如图1.183所示。图1.182 不同Layer的选择菜单图1.183 最终结果图
执行菜单命令【File】→【Save】，在打开的对话框中，设置保存路径为桌面，文件名为“BPF”（见图1.184），保存类型保持默认不变。如果之前的设置全部正确，桌面上就可以看到文件了。图1.184 保存PCB投板文件
至此，我们得到了该模型的PCB投板文件，只要交给PCB厂家进行加工就可以得到实物了。
1.5 滤波器实物图及测试
经过仿真验证的耦合线带通滤波器再经过投板，得到了最终的实物，焊接上SMA接头后如图1.185所示。使用型号为Agilent E5071C的矢量网络分析仪对带通滤波器的S参数进行测试，S参数幅度测试结果如图1.186所示。图1.185 耦合线带通滤波器的实物图图1.186 S参数幅度测试结果
测试结果和HFSS仿真结果基本吻合，说明耦合线带通滤波器性能优良。
第2章 双频带耦合线功率分配器设计与实现
功率分配器（以下简称功分器）是一种将一路输入信号分成两路或者多路等分或者不等分功率信号的无源器件，其广泛应用在天线的前端馈电网络、Doherty功率放大器等器件中[1-4]。本章采用的双频带功分器由两对具有不同奇偶模特性阻抗的耦合线及两个隔离电阻组成，耦合线的使用使得电路结构更加紧凑，电阻使得两路输出端口之间具有高隔离的特性。接下来，还将学习如何在ADS仿真平台上建立功分器的理想参数仿真模型，以及在HFSS平台上的全波电磁仿真模型，最后简要讲解如何使用Altium Designer进行PCB制板。
2.1 双频带功分器介绍
1．功分器概述
功分器属于三端口元件，其主要技术指标包括频率范围、回波损耗、插入损耗、隔离度、相位差等，下面对各个指标分别加以简单介绍[1-4]。（1）频率范围：功分器的工作频率，单频带或多频带等。（2）回波损耗：该指标反映端口的匹配状况，分别由散射参量S、S、S决定。其各个端口的回波损耗（dB值）可以表示为：112233（3）插入损耗：表示从输入端口输入，两个输出端口输出能量减小的比例（dB值）。（4）隔离度：表示从输出端口2输入，输出端口3输出能量幅度减小的比例（dB值）。（5）相位差：表示当从输入端口1输入时，分配到输出端口2的信号相位与分配到输出端口3的信号相位之间的差值（度或弧度表示）。
2．功分器原理简介
图2.1展示了本章采用的基于耦合线的双频带功分器，电路详情见参考文献[19]。图2.1 双频带耦合线功分器理想电路图
该功分器电路包含两对耦合线及两个隔离电阻。其中，两对耦合线的偶奇模特性阻抗分别为Z和Z（i=1,2），电长度分别为θ和θ，ieio12隔离电阻设为R、R，端口阻抗设为Z。电路工作的双频带分别取120为1GHz和1.8GHz，频率比g=f/f=1.8。取电路参数值为Z=60Ω，211oZ=50Ω，Z=50Ω，按照如下公式计算其余所需的参数值[19]：2o0
经计算，θ=θ=64.3°，Z=80.72Ω，Z=61.95Ω，121e2eR=82.23Ω，R=297.05Ω。接下来利用这些数据进行ADS仿真。12
2.2 双频带功分器的ADS仿真
在接下来的ADS仿真中，取该功分器的工作频点f为1GHz，两对0耦合线的偶模特性阻抗为Z和Z，奇模特性阻抗为Z和Z，电长1e2e1o2o度为θ和θ，两个隔离电阻值为R和R。代入2.1节给出的参数值，1212在ADS电路中进行仿真，从而观察功分器的各种性能。
2.2.1 新建ADS设计工程
1．运行ADS并新建工程
双击ADS 2011的图标，启动软件，自动弹出【Getting Started with ADS】窗口，单击【Close】按钮，进入图2.2所示界面。执行菜单命令【File】→【New】→【Workspace】或单击图标，出现如图2.3所示的向导对话框，单击【Next】按钮。图2.2 ADS主界面窗口图2.3 Workspace向导对话框
设置文件名和路径，如图2.4中的【Workspace name】和【Create in】的设置。单击【Next】按钮，一直到无法继续单击【Next】按钮为止，单击【Finish】按钮。也可以在设置完文件名和路径后直接单击【Finish】按钮，出现如图2.5所示界面。
执行菜单命令【File】→【New】→【Schematic...】，出现如图2.6所示对话框，在【Cell】中输入“cell_1”，单击【OK】按钮，进入图2.7所示界面，单击【Cancel】按钮，进入主界面。图2.4 Workspace设置对话框图2.5 新建Workspace目录图2.6 电路原理图设置对话框图2.7 电路原理图向导
2．建立功分器仿真模型
在主界面中选择如图2.8所示的【TLines-Ideal】，单击选择CLIN。在主界面中单击两次，放置如图2.9所示的两对理想耦合线，按键盘上的“Esc”键退出选择。图2.8 【TLines-Ideal】元件列表图2.9 添加耦合线
在主界面中选择如图2.10所示的【Lumped-Components】，选择电阻R。单击鼠标左键在电路原理图部分放置两个电阻。左键选中电阻，同时按住“Ctrl+R”组合键，对所选电阻进行旋转，放置如图2.11所示的隔离电阻。
在主界面中选择如图2.12所示的【Simulation-S_Param】，选择【Term】按钮，单击鼠标左键放入三个端口。选择，单击鼠标左键，在三个端口的下方分别放置三个接地模型，得到如图2.13所示的电路。
单击工具栏上的按钮，单击需要连接的两端进行连线，可以通过选中连接线调整其位置。然后选择【Simulation-S_Param】中的按钮，在工作区域单击，放置S参数仿真器，得到如图2.14所示电路图。由此图可见，部分默认的参数设置与需要的不符，应对工作频率点、仿真频率范围，以及各个元件模型的电路参数进行参数修改（Term参数与需要的相符合，不必修改）。图2.10 【Lumped-Components】元件列表图2.11 添加隔离电阻图2.12 选择【Term】按钮图2.13 添加三个端口及接地模型
双击耦合线TL1，输入如下参数：Ze=80.72，Zo=60，E=64.3，F=1，如图2.15所示，单击【OK】按钮确定。利用相同的方法，修改TL2的参数值为：Ze=61.95，Zo=50， E=64.3，F=1，如图2.16所示。R1的参数值为R=82.23Ohm，如图2.17所示；R2的参数值为R=297.05Ohm，如图2.18所示（注：在输入数值框的后面选择合适的单位，阻抗的单位为Ohm，电长度的单位为deg，频率的单位为GHz）。图2.14 布置走线并添加仿真参数模型图2.15 TL1参数设置图2.16 TL2参数设置图2.17 R1参数设置图2.18 R2参数设置
双击工作区域内的S参数仿真器，进行如图2.19所示的设置。单击【OK】
按钮完成设置，最终得到的电路模型如图2.20所示（注：电路模型中S参数仿真器的Step值并没有显示，但是一定要在S参数仿真器中设置Step的值）。图2.19 仿真频率范围参数设置图2.20 带有具体参数的ADS仿真电路图
2.2.2 查看并处理仿真结果
至此，理想模型已经建立完毕，接下来开始进行仿真。选择工具栏中的图标，弹出如图2.21所示窗口。单击按钮，在右侧空白窗口中单击，弹出如图2.22所示对话框。图2.21 数据显示窗口图2.22 添加仿真结果曲线图
按住“Ctrl”键的同时用鼠标选择S(1,1)、S(2,1)、S(2,2)、S(2,3)，单击【>>Add>>】按钮，在弹出的对话框中选择【dB】选项，如图2.23所示。单击【OK】按钮，自动弹出该功分器的S参数结果图，如图2.24所示。图2.23 添加对应的S参数曲线图
单击按钮插入公式，弹出公式输入窗口，输入公式【diffphase23=phase(S(2,1))-phase(S(3,1))】，如图2.25所示，单击【OK】按钮，完成公式插入。单击按钮，在右侧空白窗口中单击，在弹出的对话框中，修改【Datasets and Equations】为【Equations】，如图2.26所示。选中之前定义好的公式【diffphase23】，得到该功分器2、3端口的相位差，如图2.27所示。利用快捷键“Ctrl+M”插入marker，如图2.28所示，可见在1GHz和1.8GHz时，相位差均为0（值得注意的是，虽然曲线看起来跳动很大，但是纵坐标趋近于0，所以可以近似地看成在0～4GHz范围内，相位差均为0）。图2.24 S参数结果图图2.25 公式输入窗口图2.26 数据选择窗口图2.27 功分器相位差图图2.28 插入marker后的功分器相位差图
为了让曲线仿真图显示得更加美观，我们仿照第1章的方法进行处理，修改后的图形如图2.29所示。单击工具栏中的按钮进行保存。图2.29 最终的S参数曲线图
2.2.3 微带线电路模型仿真
本次仿真中使用的板材为F4B，其电常数ε=2.65，板厚h=1mm。r在ADS主界面中执行菜单命令【File】→【Save As…】，将cell_1另存为cell_2，然后删除两根理想耦合线TL1、TL2，如图2.30所示。在下拉列表中选择【TLines-Microstrip】元件类型，如图2.31所示，选择，置于电路原理图中，以便定义板材信息。图2.30 删除理想耦合线模型图2.31 选择【TLines-Microstrip】元件类型
选择，将微带线置于电路原理图中，如图2.32所示。选中电路原理图中的MSub并双击，在弹出的对话框中作如下修改：H=1mm，Er=2.65，其余参数保持不变，如图2.33所示，单击【OK】按钮确定，返回原理图设计窗口。图2.32 添加微带线图2.33 MSub板材参数设置
现在开始计算参数。执行菜单命令【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】，弹出如图2.34所示对话框。在【Type】中选择MCLIN，表示需要计算的是耦合线的参数。在菜单栏中选择【Options】→【Preference】，确定参考单位，如图2.35所示，单击【OK】按钮确定。图2.34 微带线计算工具窗口图2.35 设置默认单位
首先输入板材参数：Er=2.65，H=1mm。CLin1的参数为：Z=80.72Ohm，Z=60Ohm，θ=64.3°，f=1GHz，对应输入至ZE、ZO、eoE_Eff、Freq中，如图2.36所示。单击上三角按钮，求解出W=1.52mm， S=0.95mm， L=37.09mm（注：窗口中间下侧【Electrical】中的第三个参数Z0和第四个参数C_DB由第一个参数ZE和第二个参数Z0决定，这里不需要填写）。图2.36 求解CLin1尺寸
类似的，计算出CLin2的参数值为：W=2.26mm，S=1.22mm，L=36.57mm。重新回到微带线仿真主界面，双击CLin1，更改其参数值为W=1.52mm，S=0.95mm，L=37.09mm；双击CLin2，更改其参数值为W=2.26mm，S=1.22mm，L=36.57mm。修改完毕后电路原理图如图2.37所示。图2.37 完成参数设置的电路原理图
选择工具栏中的图标，进行仿真，弹出如图2.38所示对话框，单击按钮，在右侧空白窗口中单击，选择S(1,1)、S(2,1)、S(2,2)、S(2,3)，得到该功分器的S参数，如图2.39所示。图2.38 数据显示窗口图2.39 S参数结果图
插入公式【diffphase23=phase(S(2,1))-phase(S(3,1))】，单击按钮，在右侧空白窗口中单击，在弹出的对话框中，修改【Datasets and Equations】为【Equations】，选中之前定义好的公式【diffphase23】，得到该功分器2、3端口的相位差，如图2.40所示。利用快捷键“Ctrl+M”插入marker，如图2.41所示，可见在1GHz及1.8GHz时，相位差均为0。
仿照之前的美化方式，对S参数图进行美化，结果如图2.42所示。至此，ADS 2011的仿真完全结束。图2.40 功分器相位差图图2.41 插入marker后的功分器相位差图图2.42 最终的S参数曲线图
2.3 双频带功分器的HFSS仿真
首先需要在HFSS 13中建立如图2.43所示的双频带耦合线功分器模型。在2.2节通过ADS软件计算了微带线的物理尺寸，分别为CL1=37.09mm，CW1=1.52mm，CS1=0.95mm， CL2=36.57mm，CW2=2.26mm，CS2=1.22mm，W0=2.72mm，L0=10mm。图2.43中LCP为隔离电阻的宽度，数值为0.6mm。图2.43 微带线双频带耦合线功分器模型
2.3.1 新建设计工程
1．运行并新建工程
双击HFSS快捷方式图标，启动HFSS软件。此时HFSS会自动新建一个工程文件，在【Project Manager】栏目中选择Project 1后单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择【Save As…】命令，把工程文件另存为Power-divider. hfss文件。同理，选择【Insert】→【Insert HFSS Design】，自动插入HFSSDesign1模型文件。选中HFSSDesign1并单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择【Rename】，输入Power-divider重新命名。
2．设置求解类型
微带线的求解类型设置为终端驱动。从主菜单栏中选择【HFSS】→【Solution Type】命令，系统弹出如图2.44所示对话框，选中【Driven Terminal】单选按钮，然后单击【OK】按钮完成求解类型设置。图2.44 设置求解类型
3．设置模型长度单位
执行菜单命令【Modeler】→【Units…】，打开对话框，在【Select units】下拉列表中选择【mm】选项，然后单击【OK】按钮，设置当前模型中所使用的默认长度单位为mm。
2.3.2 添加参数变量
从主菜单栏中选择【HFSS】→【Design Properties】命令，打开如图2.45所示的属性对话框。在该对话框中单击【Add】按钮，弹出【Add Property】对话框，在【Name】文本框中输入第一个变量名称CW1，在【Value】文本框中输入CW1的初始值1.52mm，如图2.46所示。单击【OK】按钮，第一个变量添加完毕。图2.45 参数变量属性对话框图2.46 添加和定义CW1参数变量
类似的，添加剩余变量CS1=0.95mm，CL1=37.09mm，CW2=2.26mm，CS2=1.22mm， CL2=36.57mm，L0=10mm，W0=2.72mm，Gndw=CW2*2+CS2+L0*2，Gndl=L0*2+CL1+CL2，输入完毕后参数对话框如图2.47所示。单击【确定】按钮，完成所有变量的定义和赋值工作（注：在HFSS中不区分大小写，但一定要注明单位mm）。图2.47 添加所有参数变量后的属性对话框
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]