CN102542075A - 一种基于AnsoftHFSS制备微波混合集成电路的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，包括：确定源、漏阻抗：设计输入输出匹配网络的原型电路；利用Ansoft HFSS进行分段优化设计；对稳定网络的原型电路进行设计；对输入部分电路进行优化设计；将该输出网络与该输入电路仿真data导出到ADS中，与有源器件进行电气互联，判断电路是否在达到所期望的要求，包括增益和稳定性，如果是，设计完成；如果不是，再次对电路进行细调优化，直到达到要求为止。本发明在满足全频段稳定的前提下，实现了微波混合集成电路规定的工作频率、增益和输出功率，同时使微波混合集成电路具有很好的可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法。
背景技术
微波电路开始于40年代应用的立体微波电路，由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波电子管构成。随着微波固态器件的发展以及分布传输线的出现，60年代初，出现了平面微波电路，平面微波电路由微带元件、集总元件、微波固态器件等利用扩散、外延、沉积、蚀刻等制造技术将这些无源微波器件和有源微波元件制作在一块半导体基片上的微波混合电路。平面微波电路的特点是根据微波整机的要求和微波波段的划分进行设计和制造，所用集成电路多是专用的。同第一代微波电路相比较，平面微波电路具有体积小、重量轻等优点，避免了复杂的机械加工。
微波混合电路常规的设计方法，是利用Agilent EESof Advanced DesignSystem(ADS)软件进行设计，并仅对其中的微带线进行电磁场(EM)仿真。由于没有考虑其他无源元件如电感、电容表面高频传输线分布效应，所制造出来的电路工作频率经常往低频偏移，而且电路装配也不可靠。为了应对现代通讯系统日益严格的要求。有必要采用新的设计方法，保证微波电路设计与装配后的一致性。
以下分别介绍微波电路常用指标的定义及其说明
1、散射参量(S参量)
在绝大多数涉及射频系统的技术资料和数据手册中，经常用到散射参量。其原因在于，实际射频系统的特性，不能再采用低频应用中经常采用的终端开路、短路的测量方法。经常用于描述二端口网络的Z参量、Y参量、h参量以及ABCD参量所必须的开路、短路条件在射频以及更高频情况下都不再严格成立。S参量表达的电压波，它使工程师可以用入射电压波和反射电压的方式定义网络的输入输出关系。具体四个S参量的意义分别表示为：
上述S参量的平方被称为功率的比值，它说明了微波电磁场能量的传输和反射能量分布状态，例如S11＝0，意味着输入能量全部输入到系统中，而没有能量反射回来。
2、稳定因子K
微波电路，尤其是放大电路，必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性，因为射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的倾向。通过输出能量不大于输入能量稳定工作条件，推导出一种描述稳定性的系数K：
放大器电路稳定的充要条件是：
K＜1，表示晶体管潜在不稳定，需要一个稳定网络使整体电路满足上述充要条件。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，以在满足全频段稳定的前提下，实现微波混合集成电路规定的工作频率、增益和输出功率，同时使微波混合集成电路具有很好的可操作性。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，该微波混合集成电路是由输入匹配网络、晶体管和输出匹配网络依次级联构成的微波放大电路，该方法包括：
确定源、漏阻抗：
设计输入输出匹配网络的原型电路；
利用Ansoft HFSS进行分段优化设计；
对稳定网络的原型电路进行设计；
对输入部分电路进行优化设计；
将该输出网络与该输入电路仿真data导出到ADS中，与有源器件进行电气互联，判断电路是否在达到所期望的要求，包括增益和稳定性，如果是，设计完成；如果不是，再次对电路进行细调优化，直到达到要求为止。
上述方案中，所述确定源、漏阻抗的步骤包括：基于提供的有源器件，利用Agilent的Advanced Design System进行loadpull仿真，根据仿真结果，得到最佳负载阻抗及其对应的源阻抗；或者由loadpull测试得到相应的源、漏阻抗。
上述方案中，所述设计输入输出匹配网络的原型电路的步骤包括：利用Advanced Design System中的Smith chart Utility或Matching Utility，采用理想电感、电容或微带设计输入输出匹配网络原型。
上述方案中，所述利用Ansoft HFSS进行分段优化设计的步骤包括：
步骤A、按照Advanced Design System设计好的匹配网络原型，将匹配电路分成微带、电感和其他无源元件三部分，在微波混合电路中，电感常用金丝线实现；
步骤B、在Ansoft HFSS中，准确设定激励lumped port两端口阻抗，对微带线进行变量扫描、优化，使其S11或S22达到最佳；
步骤C、采用步骤B中的方法，设置好激励端口阻抗，对匹配电路中的其他无源部分如电容或电阻进行优化，使其S11或S22达到最佳；
步骤D、再次更改设定两端激励阻抗值，在优化好的微带、其他无源部分之间加上金丝线，调整其高度、角度，再次进行优化，使整个匹配电路的S11或S22达到最佳。
上述方案中，所述对稳定网络的原型电路进行设计的步骤包括：将在Ansoft HFSS中优化设计好的输入输出稳定网络的仿真data导出到ADS中，作为相应部分电路的代表与有源器件相连，设计稳定网络电路原型。
上述方案中，所述对输入部分电路进行优化设计的步骤包括：在AnsoftHFSS中，将稳定网络进行建模并与输入匹配网络相连，形成整个电路的输入部分，通过优化稳定网络并细调输入匹配网络，使其S11或S22达到最佳。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，通过将电路划分成输入网络、晶体管、输出网络3部分，并将网络电路继续细分成微带线、金丝线及其他无源元件3部分，接着将每个部分在HFSS中进行建模、分析仿真优化，然后将其仿真data导出到ADS中设计稳定网络的原型，再根据其电路原型，在HFSS中建模、仿真、优化，最终实现整个电路的全局优化设计。
2.本发明提供的这种基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，适用低频段，对高频或甚高频尤其适用。
3.本发明提供的这种基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，直观性在电路装配时，对金丝线的绷接或者贴片电容的安放具有很好的指导作用，从而减少因人工操作带来电路性能的降低。
附图说明
图1是本发明关于利用HFSS优化设计内匹配功率放大电路的电原理框图；
图2是输出匹配网络的原型电路；
图3是输出匹配电路中微带线部分在HFSS中的模型；
图4是输出匹配网络全部电路在HFSS中的模型；
图5是输入匹配网络的原型电路；
图6是输入匹配网络中微带线部分在HFSS中的模型；
图7是输入匹配电路整体在HFSS中的模型；
图8是稳定网络的原型电路；
图9是内匹配功率放大电路输入部分在HFSS中的模型；
图10是发明实施例的计算机仿真结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，该微波混合集成电路是由输入匹配网络、晶体管和输出匹配网络依次级联构成的微波放大电路，该方法包括：
步骤1：确定源、漏阻抗。基于提供的有源器件，利用Agilent的Advanced Design System进行loadpull仿真，根据仿真结果，得到最佳负载阻抗及其对应的源阻抗；或者由loadpull测试得到相应的源、漏阻抗。
步骤2：设计输入输出匹配网络的原型电路；利用Advanced DesignSystem中的Smith chart Utility或Matching Utility，采用理想电感、电容或微带设计输入输出匹配网络原型。
步骤3：利用Ansoft HFSS进行分段优化设计，具体包括：步骤A、按照Advanced Design System设计好的匹配网络原型，将匹配电路分成微带、电感和其他无源元件三部分，在微波混合电路中，电感常用金丝线实现；步骤B、在Ansoft HFSS中，准确设定激励lumped port两端口阻抗，对微带线进行变量扫描、优化，使其S11或S22达到最佳；步骤C、采用步骤B中的方法，设置好激励端口阻抗，对匹配电路中的其他无源部分如电容或电阻进行优化，使其S11或S22达到最佳；步骤D、再次更改设定两端激励阻抗值，在优化好的微带、其他无源部分之间加上金丝线，调整其高度、角度，再次进行优化，使整个匹配电路的S11或S22达到最佳。
步骤4：对稳定网络的原型电路进行设计；将在Ansoft HFSS中优化设计好的输入输出稳定网络的仿真data导出到ADS中，作为相应部分电路的代表与有源器件相连，设计稳定网络电路原型。
步骤5：对输入部分电路进行优化设计；在Ansoft HFSS中，将稳定网络进行建模并与输入匹配网络相连，形成整个电路的输入部分，通过优化稳定网络并细调输入匹配网络，使其S11或S22达到最佳。
步骤6：将该输出网络与该输入电路仿真data导出到ADS中，与有源器件进行电气互联，判断电路是否在达到所期望的要求，包括增益和稳定性，如果是，设计完成；如果不是，再次对电路进行细调优化，直到达到要求为止。
仿真数据：利用本方法进行设计，实际设计了一个内匹配功率放大电路，通过仿真优化，得到其最终结果如图10所示：输入反射系数S55为-11dB，输出反射系数S66为-18dB，小信号增益S65为8.2dB，有源器件输出端阻抗Z2为11+j*23，与我们之前通过loadpull测试得到的阻抗值非常相近，保证了电路的最大功率输出。同时由于该方法的可视化设计，对电路的最终装配具有很好的指导作用。
本发明原理和实施例之一的基于GaN HEMT的内匹配功率放大电路具体设计方法结合各附图详细说明如下：
图1说明了本文运用的原型电路的组成、结构。内匹配放大电路整体由稳定网络、输入匹配网络、晶体管有源电路部分、输出匹配网络级联组合而成。利用Agilent Advanced Design System(ADS)对提供的GaN HEMT有源器件进行潜力分析，得到最大输出功率对应的最佳负载阻抗及其相应的源阻抗。为了保证器件在全频段内绝对稳定，还需设计一个稳定网络。
图2描述的是利用ADS Smith Chart Utility设计的输出匹配网络的原型电路，它由电感和微带线构成。在微波混合电路中，电感常用金丝线来实现。
图3描述的是输出匹配电路的微带线部分在HFSS的模型图。该模型图由三部分组成，顶层部分是3μm厚的金用作信号传输；第二层是Al2O3陶瓷基片，作为衬底；底层是3μm厚的背金。顶层金带中较宽的部分是参与输出匹配的，紧接的狭长部分是50ohm微带，仅用作信号传输，不参与匹配。由ADS得到的阻抗值，设置该微带线两端口激励的阻抗，通过改变顶层金带的长度和宽度来优化仿真，使其S11(或S22)达到最佳值。
图4描述的是图3中的微带线加上金丝线构成输出匹配网络的模型图。金丝线左边的结构图描述的是根据实际电路装配的管壳构造以及金丝线触点所建的模型图。首先重新更改设置好两端口激励的阻抗，保持微带线部分不变，优化金丝线两接触点距离使其输出网络的S11(或S22)达到最佳值。
图5描述的是利用ADS Smith Chart Utility工具设计的输入匹配网络原型电路。在电路中，对地电容采用对称的两开路微带线来实现。在实际电路装配时，电感也是由金丝线来实现。
图6描述的是输入匹配电路中的微带线部分在HFSS中的模型。和图3描述的类似，该模型也由3部分组成：顶层金带、中间陶瓷基片衬底和底层背金。由ADS得到微带线两端口的阻抗，设置该模型两端口激励，通过改变金带的长度和宽度，优化该微带线，使其S11(或S22)达到最佳值。
图7描述的是加入金丝线后，输入匹配网络的模型。和图4描述类似，设置两端口激励的阻抗，保持微带线部分不变，通过优化金丝线两接触点的距离来优化整体电路，使其S11(或S22)达到最佳值。
图8描述的是通过将图4、图7利用HFSS优化设计好的输入输出匹配网络代回ADS中进行设计得到的稳定网络原理图。
图9描述的是将稳定网络连接到输入匹配网络之前构成的内匹配功率放大电路有源器件之前的输入部分在HFSS中的模型。在图7的基础上，添加稳定网络部分，包括贴片电容、方阻、金丝线和一段50ohm微带。通过优化贴片电容的介电常数、金丝线两接触点间距以及输入匹配电路的细调等实现整个电路的S11(或S22)达到最佳。
图10为按照上述设计步骤所得到的电路仿真结果。该结果表明本文所述设计方法是一种较为准确的微波混合电路优化设计方法。同时，该方法中的模型根据实际电路装配进行建模，因而更直观易行，对电路的后期装配具有非常好的指导作用，从而减少因人工操作带来电路性能的降低。
本发明是一种基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，此处给出的是微波功率放大电路的设计实例，但是根据电路结构的不同，同样可以划分为相应的部分，采用上述类似的步骤分别进行优化设计。因而，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，其特征在于，该微波混合集成电路是由输入匹配网络、晶体管和输出匹配网络依次级联构成的微波放大电路，该方法包括：
确定源、漏阻抗：
设计输入输出匹配网络的原型电路；
利用Ansoft HFSS进行分段优化设计；
对稳定网络的原型电路进行设计；
对输入部分电路进行优化设计；
将该输出网络与该输入电路仿真data导出到ADS中，与有源器件进行电气互联，判断电路是否在达到所期望的要求，包括增益和稳定性，如果是，设计完成；如果不是，再次对电路进行细调优化，直到达到要求为止。
2.根据权利要求1所述的基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，其特征在于，所述确定源、漏阻抗的步骤包括：
基于提供的有源器件，利用Agilent的Advanced Design System进行loadpull仿真，根据仿真结果，得到最佳负载阻抗及其对应的源阻抗；或者由loadpull测试得到相应的源、漏阻抗。
3.根据权利要求1所述的基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，其特征在于，所述设计输入输出匹配网络的原型电路的步骤包括：
利用Advanced Design System中的Smith chart Utility或MatchingUtility，采用理想电感、电容或微带设计输入输出匹配网络原型。
4.根据权利要求1所述的基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，其特征在于，所述利用Ansoft HFSS进行分段优化设计的步骤包括：
步骤A、按照Advanced Design System设计好的匹配网络原型，将匹配电路分成微带、电感和其他无源元件三部分，在微波混合电路中，电感常用金丝线实现；
步骤B、在Ansoft HFSS中，准确设定激励lumped port两端口阻抗，对微带线进行变量扫描、优化，使其S11或S22达到最佳；
步骤C、采用步骤B中的方法，设置好激励端口阻抗，对匹配电路中的其他无源部分如电容或电阻进行优化，使其S11或S22达到最佳；
步骤D、再次更改设定两端激励阻抗值，在优化好的微带、其他无源部分之间加上金丝线，调整其高度、角度，再次进行优化，使整个匹配电路的S11或S22达到最佳。
5.根据权利要求1所述的基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，其特征在于，所述对稳定网络的原型电路进行设计的步骤包括：
将在Ansoft HFSS中优化设计好的输入输出稳定网络的仿真data导出到ADS中，作为相应部分电路的代表与有源器件相连，设计稳定网络电路原型。
6.根据权利要求1所述的基于Ansoft HFSS制备微波混合集成电路的方法，其特征在于，所述对输入部分电路进行优化设计的步骤包括：
在Ansoft HFSS中，将稳定网络进行建模并与输入匹配网络相连，形成整个电路的输入部分，通过优化稳定网络并细调输入匹配网络，使其S11或S22达到最佳。
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