本文介紹了美國(guó)AWR公司近年推出的用于計(jì)算微波平面電路的通用軟件”Microwave Office”（微波辦公室）及其兩個(gè)模擬器的概況和基本功能。 并從用戶的角度出發(fā)，對(duì)該軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行了分析。舉出了兩個(gè)計(jì)算實(shí)例。

1. 引言

從八十年代開始，國(guó)際上微波電路技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的波導(dǎo)及同軸線元器件和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到采用微波平面電路（又稱微波集成電路或微波印刷電路）， 其特點(diǎn)是把電路印制在介質(zhì)基片平面上。 體積，重量和成本都大大減小。 除了微帶，共面波導(dǎo)，槽線，懸置線等無(wú)源電路以外， 微波半導(dǎo)體器件也可以集成在平面電路上， 構(gòu)成混合微波集成電路。 目前除了某些大功率和高極化純度的場(chǎng)合，微波平面電路已經(jīng)幾乎取代了在通信，電子戰(zhàn)，雷達(dá)和武器系統(tǒng)中的各種常規(guī)形式的微波電路。

然而設(shè)計(jì)微波平面電路一直是一項(xiàng)困難的工作。 近年來(lái)設(shè)計(jì)工作變得更為復(fù)雜： 對(duì)電路的指標(biāo)要求越來(lái)越高， 電路的功能越來(lái)越多， 電路的尺寸要求越做越小， 而設(shè)計(jì)周期卻越來(lái)越短。 為了應(yīng)付這一挑戰(zhàn)， 美國(guó)加州的Applied Wave Research公司花費(fèi)了十年時(shí)間研究出一種叫做“Microwave Office”（微波辦公室）的軟件， 據(jù)稱這種軟件為微波平面電路設(shè)計(jì)提供了最完整， 最快速和最精確的解答。 這種軟件可以在Windows 95/98/NT操作系統(tǒng)下工作， 采用了面向?qū)ο蟮某绦蚣夹g(shù)， 使用方便。 一個(gè)具有普通電腦操作水平和大學(xué)英語(yǔ)程度的微波工程師， 通常可以在三至四周時(shí)間內(nèi)， 通過(guò)學(xué)習(xí)該軟件提供的有關(guān)幫助文件， 掌握該軟件最基本的使用技術(shù)。 然而， 要全面地掌握該軟件的使用技術(shù)并不容易， 需要3~6個(gè)月或更多的時(shí)間。 該公司聲稱， 該軟件價(jià)格不貴， 其目的是使各微波公司可以把它象工具一樣安裝在每個(gè)工程師的計(jì)算機(jī)桌面上。 據(jù)筆者所知， 該公司索要的$30，000的價(jià)位對(duì)國(guó)內(nèi)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)并不輕松， 但因?yàn)樵试S在網(wǎng)絡(luò)上復(fù)制和共享， 所以對(duì)計(jì)算機(jī)很多， 并且內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)的大公司還是可以接受。 為了推廣， AWR公司在它的因特網(wǎng)網(wǎng)址上提供了“ Microwave Office （2.5版本）” 軟件的試用本， 通過(guò)下載和索取密碼， 可以得到一個(gè)月的免費(fèi)試用權(quán)。 也可以向該公司在中國(guó)的代理商史泰普電子公司申請(qǐng)?jiān)囉没蛸?gòu)買。

該軟件目前在國(guó)際上已有一定的著名度， 例如英國(guó)有名的Queen‘s大學(xué)高頻研究組， 在它的因特網(wǎng)網(wǎng)頁(yè)上介紹該校的高頻電子學(xué)CAD設(shè)備時(shí)， 把“Microwave Office”和“HP-ADS”，“HP-MDS”，“HP-HFSS”， “Sonnet”， “Mathcad”， “Matlab” 等軟件并列為最有用的CAD計(jì)算軟件。

2. 軟件的功能和兩個(gè)模擬器

眾所周知，微波工程問(wèn)題通?？梢酝ㄟ^(guò)電路的方法或者場(chǎng)的方法來(lái)加以研究。 “Microwave Office”軟件是通過(guò)兩個(gè)模擬器來(lái)對(duì)微波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的。 對(duì)于由集總元件構(gòu)成的電路， 用電路的方法來(lái)處理較為簡(jiǎn)便。 該軟件設(shè)有一個(gè)叫”VoltaireXL”的模擬器來(lái)處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問(wèn)題。 而對(duì)于由具體的微帶幾何圖形構(gòu)成的分布參數(shù)微波平面電路則采用場(chǎng)的方法較為有效， 該軟件采用的是一個(gè)叫”EMSight”的模擬器來(lái)處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)的問(wèn)題。

”VoltaireXL”模擬器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)威力強(qiáng)大的諧波平衡和Volterra模擬引擎，它采用單 頻和多頻諧波平衡Volterra級(jí)數(shù)來(lái)進(jìn)行非線性電路的模擬， 混頻器分析， 高速線性電路分析，高速噪聲分析。 它處理難度較大的微波電路問(wèn)題的速度和精度優(yōu)于其它品種的模擬器。 實(shí)際上Volterra級(jí)數(shù)分析法要比普通的多頻諧波平衡法快10~100倍， 是分析近線性電路的交調(diào)的最快方法。 據(jù)稱它是近十年來(lái)出現(xiàn)的最激動(dòng)人心的電路模擬器。 模擬器內(nèi)設(shè)一個(gè)元件庫(kù)， 在建立電路模型時(shí)， 可以很方便地調(diào)出微波電路所用的一切 元件，其中無(wú)源器件有電感，電阻，電容， 諧振電路， 微帶線， 帶狀線， 同軸線等等， 非線性器件有雙極晶體管， 場(chǎng)效應(yīng)晶體管，二極管等等。 特別是該元件庫(kù)收集了國(guó)際上三十余家家著名公司的微波有源器件和參數(shù)， 對(duì)于電路設(shè)計(jì)和計(jì)算非常有用。

值得提出的是”VoltaireXL”模擬器具有實(shí)時(shí)調(diào)諧功能。 在設(shè)計(jì)計(jì)算中， 經(jīng)常需要調(diào)整電路的某些元件的參數(shù)， 以求獲得最佳性能。 這個(gè)模擬器與其它軟件不同之處在于它調(diào)整電路元件的參數(shù)并不需要重新從頭開始計(jì)算， 而是打開一個(gè)叫做“可變調(diào)諧器” 的視窗， 選擇需調(diào)諧的元件的名稱， 參數(shù)調(diào)諧的范圍。 通過(guò)移動(dòng)視窗上的滑桿， 就可以使參數(shù)值從最小變化到最大。 模擬器的圖表視窗就馬上把參數(shù)的變化對(duì)于整個(gè)電路性能的影響表現(xiàn)出來(lái)。 這一優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)槟M器采用了一種叫做“增量計(jì)算”的先進(jìn)分析技術(shù)， 避免了軟件的許多重復(fù)計(jì)算。

”EMSight”模擬器是一個(gè)完整的三維電磁場(chǎng)模擬程序包， 它可用于平面高頻電路和天線結(jié)構(gòu)的分析。 方法的特點(diǎn)是把一種威力強(qiáng)大的修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面（GUI）技術(shù)結(jié)合起來(lái)。 該模擬器可以精確地確定平面結(jié)構(gòu)的等效多端口網(wǎng)絡(luò)散射參量。 ”EMSight”模擬器除了能進(jìn)行常用的點(diǎn)頻逐點(diǎn)計(jì)算之外， 還安裝了快速掃頻（FFS）算法。 所以這種模擬器計(jì)算三維電磁場(chǎng)的精度與其它在工業(yè)上常用的方法相同， 而計(jì)算速度卻快得多。 它可以分析下列電路的電氣特性： 射頻集成電路 （RFIC）， 微波單片集成電路（MMIC）， 微帶貼片天線和高速印制電路（PCB）。

”EMSight”模擬器分析的電路都安裝在一個(gè)矩形的金屬包裝盒內(nèi)， 對(duì)于電路的層數(shù)和端口數(shù)并沒有限制。 分析時(shí)模擬器自動(dòng)地對(duì)所計(jì)算的對(duì)象進(jìn)行分割， 在電流密度變化大的地方， 網(wǎng)格分得細(xì)， 即單元尺寸取得小。 而在電流密度變化小的地方， 單元尺寸取得大。 用戶也可以根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)網(wǎng)格密度。

”EMSight”模擬器還具有顯示微波平面電路內(nèi)金屬上電流和空間電場(chǎng)力線的能力。 電流或電場(chǎng)均可以以三維或二維的形式來(lái)顯示， 箭頭表示電流的流向或電場(chǎng)的指向， 而力線顏色的深淺表示電流或電場(chǎng)的強(qiáng)弱。

”EMSight”模擬器可以對(duì)微波平面電路進(jìn)行許多種類的計(jì)算， （在該軟件中稱計(jì)算為測(cè)量）。 除了可以計(jì)算電路的阻抗參量，導(dǎo)納參量，散射參量，傳輸參量， 混合參量之外， 對(duì)于線性電路，它能計(jì)算輔助穩(wěn)定因子，輸入電容，群延遲， 偶/奇模傳輸常數(shù)/阻抗/導(dǎo)納， 電壓駐波比， 端口輸入阻抗/導(dǎo)納， 增益等。

”EMSight”模擬器具有計(jì)算各種線/圓極化微帶天線的電場(chǎng)方向圖和功率方向圖的能力， 在計(jì)算天線時(shí)矩形的金屬包裝盒邊界可以改變， 頂部和底部可以改為自由空間阻抗，而側(cè)壁可以拉遠(yuǎn)。 方向圖可以用直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)顯示， 用線性顯示或?qū)?shù)顯示。

在”EMSight”模擬器內(nèi)也設(shè)有一個(gè)元件庫(kù)， 其特點(diǎn)是列入了大量的微帶元件的資料如各種彎頭， 開路線， 短截線， 耦合器， 階梯， T形接頭等。 還包括了許多傳輸線的資料。

安裝“Microwave Office”軟件對(duì)于計(jì)算機(jī)的硬件的基本要求是： 主頻200+MHz奔騰II中央處理器（或等效的微處理機(jī)系統(tǒng)）， 128 MB RAM內(nèi)存， Windows 95，Windows 98 或Windows NT操作系統(tǒng)。 對(duì)于復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)和電路則推薦使用256 MB 以上內(nèi)存的工作站。

3. 使用情況介紹：

筆者在HP公司Kayak XA小型工作站上對(duì)該軟件從主要功能， 解決平面電路問(wèn)題的能力， 計(jì)算的精度， 使用的方便與否等幾個(gè)方面進(jìn)行了考察。 筆者計(jì)算了兩個(gè)典型的平面電路問(wèn)題： （1）矩形微帶貼片天線; （2）微帶耦合器。 工作站采用奔騰II中央處理器，主頻為300MHz， 內(nèi)存RAM為64MB， 硬盤容量為4000MB。

在工程設(shè)計(jì)的起始階段， 往往需要確定微帶線的基本尺寸。 軟件給微帶線的設(shè)計(jì)提供了方便的使用環(huán)境。 軟件中設(shè)有一個(gè)“傳輸線計(jì)算器”， 對(duì)于五種常用的傳輸線， 即： 微帶線， 帶狀線， 共面波導(dǎo)， 接地共面波導(dǎo)和槽線， 進(jìn)行極其方便的分析和綜合。 該計(jì)算器實(shí)際上是一個(gè)表格。例如對(duì)于微帶線的分析。只要在表格內(nèi)填上微帶線和基片的幾何尺寸，基片的介電常數(shù)和損耗角， 工作頻率， 然后按一下視窗內(nèi)的“分析”按鈕， 馬上可以得到該微帶線的電氣參數(shù)包括阻抗， 有效介電常數(shù)， 傳播常數(shù)， 衰減和電長(zhǎng)度。 而對(duì)于微帶線的綜合， 只要在表格內(nèi)填上所設(shè)計(jì)的微帶線的工作頻率， 阻抗和電長(zhǎng)度， （基片的尺寸和介電常數(shù)已選定）， 則按一下視窗內(nèi)的“綜合”按鈕， 馬上可以得到該微帶線的導(dǎo)體寬度和長(zhǎng)度。

兩個(gè)實(shí)例的計(jì)算情況如下：

（1）矩形微帶貼片天線

貼片的尺寸為a=11.43 cm，b=7.62 cm， 基片h=1.60 mm， εr=2.62， 工作頻率F=1187MHz，饋電方式采用邊饋。 貼片所在的XY平面剖分的基本單元尺寸選為dx=dy=2 mm， 基片的X方向尺寸為150mm， Y方向尺寸為100mm。 這是一個(gè)由具體的微帶尺寸構(gòu)成的“場(chǎng)”問(wèn)題， 用這些幾何尺寸可以建立一個(gè)EMSight電磁結(jié)構(gòu)， 如圖1（d）所示。 結(jié)構(gòu)分成兩層，上層是空氣層，其頂板是開放的自由空間，取阻抗為377歐姆; 下層是介質(zhì)基片層， 底板是金屬接地平面。在空氣與介質(zhì)交界面上建立微帶天線的幾何圖形。 使用軟件中的EMSight模擬器， 可以很方便地算得天線的E面和H面功率方向圖， 圓錐切割方向圖以及天線的散射參數(shù)S11如圖1所示。 在文獻(xiàn)［2］的圖1-12有用腔體理論計(jì)算的這個(gè)例子的E面和H面的電場(chǎng)方向圖。 比較可見二者基本上是一致的。 但是本軟件較腔體理論計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)在于用矩量法計(jì)算方向圖時(shí)， 能把饋線對(duì)方向圖的影響考慮在內(nèi)。 因?yàn)椤斑咅仭笔且环N不對(duì)稱， 所以圖1（b）的圓錐切割方向圖也出現(xiàn)不對(duì)稱情況， 這符合物理概念和實(shí)驗(yàn)測(cè)量。