《射频电路》中射频仿真实验设计探讨

张 兰，李晓蓉，江爱萍 （武汉大学电子信息学院，湖北武汉430079）

《射频电路》课程内容涵盖射频微波技术所涉及的各方面的基础知识，已逐步成为很多高等院校电子信息类专业的一门重要的专业课程。通过该课程的学习，学生可以深入理解微波射频相关的理论知识，重点掌握谐振器、功分器、定向耦合器和滤波器等无源器件，射频放大器、振荡器、混频器等有源电路以及射频系统的基本原理与分析设计方法［1］。该课程有着较强的系统性、理论性和实践性，不但要求学生掌握基本原理和计算方法，更重要的是培养学生对射频电路的分析、设计及实际应用能力，因而《射频电路》实践教学是其教学过程中必不可少的一个环节。为此，笔者在教学实践中对仿真实验在《射频电路》实践教学中的应用进行了探讨。

1 射频仿真实验的必要性

实验教学的目的是验证相关的自然规律或者物理现象，培养学生的实验操作技能，锻炼学生实践能力和自主创新能力［2］。射频电路的计算一般涉及到大量的函数运用和复杂的计算公式，而且计算过程中有着很多的近似赋值，如何找到一个合理值是设计的关键。此外，按照理论将电路模型及各器件的值计算出来后，要让学生了解各器件值的变化对结果的影响或找到一个更优化的值，就必须使用仿真软件［3］。在实际应用中，随着射频系统设计的复杂程度增大，对电路的指标和功能要求逐步增高，使用EDA软件工具进行射频元器件与系统设计已成为必然，学会使用仿真软件进行射频电路设计已成为射频开发人员必须掌握的内容。因此，在射频电路实践教学中，除了要开设一些射频电路的测量实验项目，还要设置射频仿真实验项目。学生可以通过仿真实验来充分理解实验的设计思想和设计方法，能够自行设置实验参数、观察实验现象和分析实验结果，从而完成射频基本器件和射频系统的设计。

2 射频仿真实验的相关软件

微波射频领域内的EDA软件有很多，包括基于矩量法求解的ADS、Microwave Office和IE3D、基于时域有限差分法的XFDTD、基于有限元法的HFSS、基于时域积分方程法的CST微波工作室等。这些商用软件一般具有比较友好的用户界面，可以通过可视化窗口方便地显示模型结构、表面电流分布、辐射场特性和相关的S参数等电参数特性，十分有利于仿真应用［4］。由于ADS提供了一系列功能强大的优化器，可根据设置的优化目标自动仿真得到最优值，特别适合学生理解电路中各参数的意义。此外，ADS相关的工具书和设计资料相对比较丰富，可借鉴的设计经验比较多，有利于学生在完成相关仿真实验时便捷地解决遇到的实际问题，从而便于自主学习。因此，在射频仿真实验中，可以将ADS作为主要仿真工具进行一系列仿真实验，即从最基本的射频电路单元的设计入手，利用ADS的S参数仿真等方法，要求学生完成对射频典型电路进行设计和仿真，然后通过射频收发系统的综合仿真来培养学生对射频系统的总体设计和评估能力，让学生把所学的众多知识点融会贯通，从而促进学生综合素质的提高。

3 仿真实验设计实例

该实验要求以ADS为工具，以自主实验为原则来完成集总参数元件滤波器和耦合微带线带通滤波器的设计。具体设计指标如下：带通滤波器的带内纹波0．5dB、中心频率2．4GHz、带宽300MHz、2．1GHz处衰减20dB；微带基板介质材料的介电常数为4．25、基板厚度H为1．45mm、覆铜厚度T为0．035mm。

3．1 集总参数元件滤波器设计

集总参数滤波器由电容、电感等组成，是学生学习低频电路时接触较多的滤波器。学生利用ADS自带的滤波器设计工具设计该滤波器时，通过设置滤波器响应类型、纹波系数、通带截止频率、阻带截止频率、截止频率处损耗等参数，可以直接生成满足要求的集总参数滤波器，并可以完成其主要参数和指标的仿真。集总参数滤波器的设计完成后，如果滤波器工作频率高，不宜采用集总元器件，需要把集总参数元器件转化为分布参数元器件，可采用Richards变换和Kuroda等效来实现。

3．2 耦合微带线带通滤波器设计

进行该滤波器设计的具体步骤如下：①通过理论计算确定滤波器的参数。首先根据设计要求中截止频率来确定归一化带宽，再选择归一化低通滤波电路的原型确定滤波器阶数，查找相应的滤波器元件参数表来确定相关参数，最后确定带通滤波器电路中耦合传输线的奇模和偶模的特征阻抗。上述计算过程比较复杂，可以运用Matlab等数学工具进行辅助计算。②根据微带线的偶模和奇模阻抗，按照给定的微带线路板的参数，使用ADS中的微带线计算器LineCalc计算得到微带线的几何尺寸。③根据计算的参数设计电路原理图，再连接好电路进行仿真。由于理论值的仿真结果和实际结果有很大出入，可以采用Optim工具进行优化。观察优化结果后，根据情况对优化目标、优化变量的取值范围、优化方法及次数进行适当调整，直到达到设计要求。学生通过整个优化过程，可以很清楚地看到各参数的作用以及各参数是如何影响设计结果的。④版图的优化和仿真。采用矩量法直接对电磁场进行计算，根据原理图优化的结果生成版图，添加2个Port，设置版图中微带电路的基本参数和仿真窗口，再执行版图的仿真。如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求，那么要重新回到原理图窗口进行优化仿真。可以改变优化变量的初值，也可根据曲线与指标的差别情况适当调整优化目标的参数，重新进行优化并得到最终版图［5］。该版图是实际制作电路板的依据，在后续综合实验中可以将其加工成实际电路板，并对其性能参数进行测量。

4 结 语

进行仿真实验时采用模块化结构，把实验按其功能划分为许多独立的模块，便于学生进行选择和组合，从而为学生独立进行探究性实验搭建了平台，这利于学生创造力的发展。射频电路仿真实验作为射频电路实践教学的重要组成部分，将理论问题与实践紧密结合，有利于提高学生的学习主动性，培养其分析问题和解决问题的能力。教学实践表明，将仿真实验应用在 《射频电路》实践教学中可以改善教学效果并提高教学质量，因而受到学生的好评。

［1］张学毅，罗飞 ．“射频电路”课程的教学探讨 ［J］．电气电子教学学报，2006，28（3）：21-24．

［2］徐玮玮 ．仿真实验在教学中的应用及其意义 ［J］．科技信息，2009（34）：724-725．

［3］徐升槐，王卓远 ．微波与射频电路设计课程实践教学探讨 ［J］．安徽电子信息职业技术学院学报，2009，4（8）：78-80．

［4］魏 兵，郭立新 ．电波传播专业建设的几点思考 ［J］．中国电子教育，2007（3）：43-45．

［5］冯新宇，车向前，穆秀春 ．ADS2009射频电路设计与仿真 ［M］．北京：电子工业出版社，2010．