CN110348047A - 一种基于场路协同的太赫兹功率放大器电路设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于场路协同的太赫兹功率放大器电路设计方法，属于太赫兹电路设计技术领域。该方法为了提高太赫兹功率放大器电路版图的设计效率，通过引入重心插值算法建立了太赫兹功率放大器电路版图中元件的参数化模型。通过所建立的参数化模型可快速得到元件的不同设计变量取值下的等效端口网络模型，缩短了场路协同的仿真时间，达到了提高版图设计效率的目的。本发明方法主要适用于太赫兹功率放大器电路全版图仿真设计。

Description

一种基于场路协同的太赫兹功率放大器电路设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于场路协同的太赫兹功率放大器电路设计方法，属于太赫兹电路设计技术领域。
背景技术
太赫兹的频率范围为100GHz-10THz，位于微波与红外辐射之间，具有许多独特的优势。比如，与微波毫米波相比，太赫兹频率很高，具有空间分辨率高的优点；与红外辐射相比，太赫兹受恶劣天气影响较小，可以有效地穿透沙尘和烟雾。因此太赫兹在探测防撞系统、安全检查、雷达成像、无损检测、宽带通信、射电天文以及生物医疗具有广阔的应用前景。
但是太赫兹电路的设计依然面临诸多问题，其中之一就是需要进行电路全版图仿真优化设计，这样会带来设计周期长，成本高的问题。对于微波毫米波电路，采用传统的场路协同仿真方法设计的电路与全版图仿真结果较为一致，无需进行进一步的优化设计。而太赫兹电路由于频率很高，分布参数效应异常明显，较小的尺寸变化就会影响设计结果，因此，往往需要进行电路全版图迭代优化设计。但是进行全版图迭代优化设计往往需要很长的仿真时间，仿真优化效率低下，带来极高的仿真代价。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于场路协同的太赫兹功率放大器电路设计方法，在进行太赫兹电路全版图仿真设计时，通过引入重心插值算法，建立了电路版图中某一元件的参数化模型。通过所建立的参数化模型可快速得到元件不同设计变量取值下的等效端口网络模型，缩短了版图的仿真时间，达到了提高版图设计效率的目的。
本发明提出的基于场路协同的太赫兹功率放大器电路设计方法，包括以下步骤：
(1)设定待设计太赫兹功率放大器的增益G；
(2)利用场路协同仿真方法，对太赫兹功率放大器电路全版图，进行仿真计算得到太赫兹功率放大器电路的增益G0，将步骤(1)的增益G与仿真计算得到的增益G0比较，若G0≥G，则判定太赫兹功率放大器电路已达标，完成设计；若G0＜G，则判定太赫兹功率放大器电路未达标，进行步骤(3)；
(3)建立太赫兹功率放大器电路的元件参数化模型，包括以下步骤：
(3-1)从太赫兹功率放大器电路的所有元件中任意选取一个元件r，设定该元件r的设计变量为L，并设定设计变量L的取值范围为[L1,LN]，[L1,LN]中的插值节点值为(L1,L2,….,LN-1,LN)，设定太赫兹功率放大器元件r的工作频带为[f1,fM],[f1,fM]中所要计算的离散频点值为(f1,f2,….,fM-1,fM)；
(3-2)采用有限元方法，计算出太赫兹功率放大器版图中元件r在插值节点值(L1,L2,….,LN-1,LN)和离散频点值(f1,f2,….,fM-1,fM)处的散射参数值S(fi,Lv)，其中fi为(3-1)中第i个离散频点值，i＝1,...,M，Lv为(3-1)中第v个插值节点值，v＝1,...,N；
(3-3)利用重心插值方法，建立元件r的设计变量L在频点(f1,f2,….,fM-1,fM)处的参数化模型如下：
其中，ω是权重系数，Π表示连乘，v＝1,...,N，i＝1,...,M，
设计变量L的取值范围为[L1,LN],且L的取值不等于插值节点值，即L≠L1,L2,….,LN-1,LN；
(4)从设计变量L的取值范围[L1,LN]中取出最小值L1，令Lj＝L1，并判断Lj是否是插值节点值，若是，则由步骤(3-2)直接获得相应的散射参数值S(fi,Lj)，若不是，则求解步骤(3)的元件参数化模型，得到并将S(fi,Lj)转换为等效端口网络模型，模型为Touchstone file格式；
(5)用步骤(4)的等效端口网络模型代替太赫兹功率放大器全版图中的元件r，利用场路协同仿真方法，对太赫兹功率放大器全版图进行仿真计算，得到太赫兹功率放大器的增益G1，将G1与待设计太赫兹功率放大器的增益G比较，若G1≥G，则判定太赫兹功率放大器电路已达标，完成设计，若G1＜G，则判定太赫兹功率放大器电路未达标，进行步骤(6)；
(6)使Lj＝Lj+d，其中d＝(LN-L1)/(10N)，N为步骤(3-1)中插值节点的个数，重复步骤(4)和步骤(5)，经过10N次迭代，遍历设计变量L取值范围[L1,LN]中的最小值L1到最大值LN，Lj具有10N个值，通过10N次重复步骤(4)和步骤(5)的迭代过程，得到10N个太赫兹功率放大器的增益值Gs(s＝1,2,...,10N)，取10N个太赫兹功率放大器的增益值Gs中的最大值max(Gs)，将max(Gs)与步骤(1)的增益G进行比较，若max(Gs)≥G，则完成设计；若max(Gs)＜G，则重新从太赫兹功率放大器电路中选取元件r以外的其它元件，重复步骤(3)-步骤(6)。
本发明提出的基于场路协同的太赫兹功率放大器电路设计方法，其优点是：本发明利用重心插值算法可建立版图元件关于设计变量的参数化模型，可快速得到版图元件在设计变量多个取值下的等效端口网络模型，缩短了基于场路协同仿真的全版图设计时间，有效提高了设计效率。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图。
图2为本发明方法涉及的太赫兹功率放大器的全版图。
图3为设计前的太赫兹功率放大器增益仿真曲线。
图4为用本方法设计后的太赫兹功率放大器增益仿真曲线。
具体实施方式
本发明提出的基于场路协同的太赫兹功率放大器电路设计方法，其流程框图如图1所示，包括以下步骤：
(1)设定待设计太赫兹功率放大器的增益G；
(2)利用场路协同仿真方法，对太赫兹功率放大器电路全版图，如图2所示，进行仿真计算得到太赫兹功率放大器电路的增益G0，将步骤(1)的增益G与仿真计算得到的增益G0比较，若G0≥G，则判定太赫兹功率放大器电路已达标，完成设计；若G0＜G，则判定太赫兹功率放大器电路未达标，进行步骤(3)；
(3)建立太赫兹功率放大器电路的元件参数化模型，包括以下步骤：
(3-1)从太赫兹功率放大器电路的所有元件中任意选取一个元件r，太赫兹功率放大器电路中的元件可以是传输线长度LTL、传输线宽度WTL、变压器线圈的半径R和叉指电容器长度Lcap等，设定该元件r的设计变量为L，并设定设计变量L的取值范围为[L1,LN]，[L1,LN]中的插值节点值为(L1,L2,….,LN-1,LN)，设定太赫兹功率放大器元件r的工作频带为[f1,fM],[f1,fM]中所要计算的离散频点值为(f1,f2,….,fM-1,fM)；
(3-2)采用有限元方法，计算出太赫兹功率放大器版图中元件r在插值节点值(L1,L2,….,LN-1,LN)和离散频点值(f1,f2,….,fM-1,fM)处的散射参数值S(fi,Lv)，其中fi为(3-1)中第i个离散频点值，i＝1,...,M，Lv为(3-1)中第v个插值节点值，v＝1,...,N；
(3-3)利用重心插值方法，建立元件r的设计变量L在频点(f1,f2,….,fM-1,fM)处的参数化模型如下：
其中，ω是权重系数，Π表示连乘，v＝1,...,N，i＝1,...,M
设计变量L的取值范围为[L1,LN],且L的取值不等于插值节点值，即L≠L1,L2,….,LN-1,LN。
(4)从设计变量L的取值范围[L1,LN]中取出最小值L1，令Lj＝L1，并判断Lj是否是插值节点值，若是，则由步骤(3-2)直接获得相应的散射参数值S(fi,Lj)，若不是，则求解步骤(3)的元件参数化模型，得到并将S(fi,Lj)转换为等效端口网络模型，模型为Touchstone file格式，具体转换方法为已有技术，可参见Touchstone FileFormat Specification,EIA/IBIS Open Forum,2002http://vhdl.org/ibis/connector/ touchstone_spec11.pdf。
(5)用步骤(4)的等效端口网络模型代替太赫兹功率放大器全版图中的元件r，利用场路协同仿真方法，对太赫兹功率放大器全版图进行仿真计算，得到太赫兹功率放大器的增益G1，将G1与待设计太赫兹功率放大器的增益G比较，若G1≥G，则判定太赫兹功率放大器电路已达标，完成设计，若G1＜G，则判定太赫兹功率放大器电路未达标，进行步骤(6)；
(6)令Lj＝Lj+d，其中d＝(LN-L1)/(10N)，N为步骤(3-1)中插值节点的个数。经过10N次迭代，Lj的值就从设计变量L取值范围[L1,LN]中的最小值L1变化到了最大值LN。此时，Lj具有10N个值，通过迭代重复10N次步骤(4)和步骤(5)的过程，会计算出10N个太赫兹功率放大器的增益值Gs(s＝1,2,...,10N)，取其中的最大值max(Gs)与步骤(1)的增益G进行比较，若max(Gs)≥G，则完成设计，记录下此时对应的Lj的值；若max(Gs)＜G，则重新从太赫兹功率放大器电路中选取元件r以外的其它元件，重复步骤(3)-步骤(6)。
以下介绍本发明方法的一个实施例：
(1)设定待设计太赫兹功率放大器在频点130GHz处的增益G＝10dB，并设定该太赫兹功率放大器电路中的传输线长度L、传输线宽度W、变压器线圈的半径R和叉指电容器长度Lcap；
(2)利用场路协同仿真方法，对太赫兹功率放大器电路全版图，如图2所示，进行仿真计算得到太赫兹功率放大器电路工作在频点130GHz处的增益为G0＝9.1dB，仿真结果如图3所示。图3为设计前太赫兹功率放大器增益仿真曲线。从图3中可以看出，太赫兹功率放大器增益曲线的峰值点处于约126GHz频点处，并非130GHz频点处。将步骤(1)的增益G＝10dB与仿真计算得到的增益G0＝9.1dB比较。由于G0＜G，则判定太赫兹功率放大器电路未达标，进行步骤(3)；
(3)建立太赫兹功率放大器电路的元件参数化模型，包括以下步骤：
(3-1)从太赫兹功率放大器电路的所有元件中选取一段传输线r，设定该传输线r的设计变量为传输线长度L，并设定传输线长度L的取值范围为[5,14]um，[5,14]um中的4个插值节点值为(5,8,11,14)um，设定太赫兹功率放大器电路中传输线r的工作频带为[90,150]GHz,[90,150]GHz中所要计算的61个离散频点值为(90,91,….,149,150)GHz，均匀间隔1GHz；
(3-2)采用有限元方法，计算出太赫兹功率放大器版图中传输线r在插值节点值(5,8,11,14)um和离散频点值(90,91,….,149,150)GHz处的散射参数值S(fi,Lv)，其中fi为(3-1)中第i个离散频点值，i＝1,...,61，Lv为(3-1)中第v个插值节点值，v＝1,...,4；
(3-3)利用重心插值方法，建立传输线r关于长度L在频点(90,91,….,149,150)GHz处的参数化模型如下：
其中，ω是权重系数，符号Π表示连乘
fi为(3-1)中第i个离散频点值，i＝1,...,61
Lv为(3-1)中第v个插值节点值，v＝1,...,4
传输线长度L的取值范围为[5,14]um,且L的取值不等于插值节点值，即L≠(5,8,11,14)um。
(4)从传输线长度L的取值范围[5,14]中取最小值Lj＝5um，经过判断，此时Lj＝5um属于插值节点值，则直接从步骤(3-2)中获得S(fi,5)，若不属于插值节点值，则求解步骤(3)的元件参数化模型，得到然后将S(fi,Lj)转换为等效端口网络模型，模型为Touchstone file格式，具体转换方法为已有技术，可参见Touchstone FileFormat Specification,EIA/IBIS Open Forum,2002http://vhdl.org/ibis/connector/touchstone_spec11.pdf
(5)用步骤(4)的等效端口网络模型代替太赫兹功率放大器全版图中的传输线r，利用场路协同仿真方法，对太赫兹功率放大器全版图进行仿真计算，得到太赫兹功率放大器的增益G1＝8.9dB，将G1与待设计太赫兹功率放大器的增益G比较，由于8.9dB<10dB，则判定太赫兹功率放大器电路未达标，进行步骤(6)；
(6)令Lj＝Lj+d，其中d＝0.225um。经过40次迭代，Lj的值就从设计变量L取值范围[5,14]um中的最小值5um变化到了最大值14um。此时，Lj具有40个值，将其中Lj≠(8,11,14)um的值都代入公式计算，对于S(fi,8)，S(fi,11)和S(fi,14)可以通过步骤(3-2)得到。这样就可以得到40组S(fi,5.225)，S(fi,5.45)，…,S(fi,13.775),S(fi,14)，其中fi＝(90,91,….,149,150)GHz。然后转换得到40个Touchstone file格式的等效端口网络模型。重复步骤(5)，计算出40个太赫兹功率放大器的增益值Gs(s＝1,2,...,40)，得到最大值max(Gs)＝11.32dB和对应Lj的值13.1um。将图2中太赫兹功率放大器全版图中的传输线长度L设定为13.1um，采用场路协同仿真方法，得到设计后太赫兹功率放大器增益仿真曲线，如图4所示。从图中可以看出，在中心频点130GHz处，太赫兹功率放大器增益为11.32dB，与步骤(1)的增益G＝10dB进行比较，11.32dB>10dB，完成设计。
以上实施例验证了本发明的正确性和有效性。

Claims (1)

1.一种基于场路协同的太赫兹功率放大器电路设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)设定待设计太赫兹功率放大器的增益G；
(2)利用场路协同仿真方法，对太赫兹功率放大器电路全版图，进行仿真计算得到太赫兹功率放大器电路的增益G0，将步骤(1)的增益G与仿真计算得到的增益G0比较，若G0≥G，则判定太赫兹功率放大器电路已达标，完成设计；若G0＜G，则判定太赫兹功率放大器电路未达标，进行步骤(3)；
(3)建立太赫兹功率放大器电路的元件参数化模型，包括以下步骤：
(3-1)从太赫兹功率放大器电路的所有元件中任意选取一个元件r，设定该元件r的设计变量为L，并设定设计变量L的取值范围为[L1,LN]，[L1,LN]中的插值节点值为(L1,L2,….,LN-1,LN)，设定太赫兹功率放大器元件r的工作频带为[f1,fM],[f1,fM]中所要计算的离散频点值为(f1,f2,….,fM-1,fM)；
(3-2)采用有限元方法，计算出太赫兹功率放大器版图中元件r在插值节点值(L1,L2,….,LN-1,LN)和离散频点值(f1,f2,….,fM-1,fM)处的散射参数值S(fi,Lv)，其中fi为(3-1)中第i个离散频点值，i＝1,...,M，Lv为(3-1)中第v个插值节点值，v＝1,...,N；
(3-3)利用重心插值方法，建立元件r的设计变量L在频点(f1,f2,….,fM-1,fM)处的参数化模型如下：
其中，ω是权重系数，Π表示连乘，v＝1,...,N，i＝1,...,M，
设计变量L的取值范围为[L1,LN],且L的取值不等于插值节点值，即L≠L1,L2,….,LN-1,LN；
(4)从设计变量L的取值范围[L1,LN]中取出最小值L1，令Lj＝L1，并判断Lj是否是插值节点值，若是，则由步骤(3-2)直接获得相应的散射参数值S(fi,Lj)，若不是，则求解步骤(3)的元件参数化模型，得到并将S(fi,Lj)转换为等效端口网络模型，模型为Touchstone file格式；
(5)用步骤(4)的等效端口网络模型代替太赫兹功率放大器全版图中的元件r，利用场路协同仿真方法，对太赫兹功率放大器全版图进行仿真计算，得到太赫兹功率放大器的增益G1，将G1与待设计太赫兹功率放大器的增益G比较，若G1≥G，则判定太赫兹功率放大器电路已达标，完成设计，若G1＜G，则判定太赫兹功率放大器电路未达标，进行步骤(6)；
(6)使Lj＝Lj+d，其中d＝(LN-L1)(10N)，N为步骤(3-1)中插值节点的个数，重复步骤(4)和步骤(5)，经过10N次迭代，遍历设计变量L取值范围[L1,LN]中的最小值L1到最大值LN，Lj具有10N个值，通过10N次重复步骤(4)和步骤(5)的迭代过程，得到10N个太赫兹功率放大器的增益值Gs(s＝1,2,...,10N)，取10N个太赫兹功率放大器的增益值Gs中的最大值max(Gs)，将max(Gs)与步骤(1)的增益G进行比较，若max(Gs)≥G，则完成设计；若max(Gs)＜G，则重新从太赫兹功率放大器电路中选取元件r以外的其它元件，重复步骤(3)-步骤(6)。
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