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LTCC功分器与巴伦设计

2018-07-13 11页 doc 30KB 27阅读

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LTCC功分器与巴伦设计LTCC功分器与巴伦设计 摘要 摘要 ,,,,微波无源器件由于具有体积小、可靠性高、成本低等优点,如今被广泛的应用在通讯、雷达等领域中。,,,,微波无源器件多具有多层结构,且层与层之间的电磁耦合相对复杂,若使用电路理论的仿真和,,,工具,由于其采用的是元件经验模型,虽能快速得到响应结果及其派生数据,但其准确性不能得到很好的保证;但若要采用精度较高的电磁仿真优化,则又需花费较多的时间和资源。 神经网络空间映射方法正是结合了电路仿真和电磁仿真的各自优势,通过构造空间映射(粗糙模型参量与精确模型参量之间的映射关系)获得合适的替代模...
LTCC功分器与巴伦设计
LTCC功分器与巴伦 摘要 摘要 ,,,,微波无源器件由于具有体积小、可靠性高、成本低等优点,如今被广泛的应用在通讯、雷达等领域中。,,,,微波无源器件多具有多层结构,且层与层之间的电磁耦合相对复杂,若使用电路理论的仿真和,,,工具,由于其采用的是元件模型,虽能快速得到响应结果及其派生数据,但其准确性不能得到很好的保证;但若要采用精度较高的电磁仿真优化,则又需花费较多的时间和资源。 神经网络空间映射方法正是结合了电路仿真和电磁仿真的各自优势,通过构造空间映射(粗糙模型参量与精确模型参量之间的映射关系)获得合适的替代模型,不断更新和优化以仿真快速性的粗糙模型为基础的替代模型,把许多优化工作放到粗糙空间来完成,从而减少了电磁仿真的运算量,提高了设计效率。 本文致力于应用神经网络空间映射方法设计,,,,功分器与巴伦的研究工作,通过具体的设计实例验证了神经网络空间映射方法的可行?院妥既沸浴?本文首先对,,,,内埋式电容进行研究,针对常用的两种,,,,内埋式电容结构,,,(,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,)和,,,(,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,;,,,,)式进行了介绍和性能对比。然后应用神经网络空间映射方法对,,,,内埋式,,,电容进行了设计仿真优化。随后对,,,,中四种电感结构进行比较,并对其各自的特点进行了说明。 在分别对,,,,内埋式电容和电感进行了研究的基础上,我们设计一种集总式,,,,功分器。我们应用,,,软件中多层电路元件库中的分离模型建立,,,,功分器的粗糙模型并进行优化设计,结合神经网络空间映射法求解粗糙模型和精确模型空间设计参数之间的映射关系并通过不断地迭代和计算得到精确模型最优化设计参数。然后根据工艺要求对最优化设计参数进行修正,并使用电子科技大学电子科学技术研究院的,,,,生产线进行流片,实物测试结果基本满足设计指标要求。 最后我们又设计一种多层,,,,巴伦,采用,,,;,,,,巴伦结构,工作频率为,(,,,(,,,,,共有,层,流片后测试结果基本符合设计指标要求。关键词:空间映射,低温共烧陶瓷,神经网络,功分器,巴伦 ,,,,,,,, ,,,,,,;, ,,, ,,,, ,,,,,,, ,,;,,,,,, ;,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,, ,,,,,, ,,,, ,,;,,,,,,;,,,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,, ,,,,, ,,;,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ,,,;,,,(,,, ,,,,;,,,, ,, ,,,, ,,,,,,, ,,;,,,,,, ;,,,,,,,,, ,,, ,,,,—,,,,,,,,, ,,,,,,;,,,,,,,,,,; ;,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,, ,, ;,,,,,,(,,,;,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,, ,,,,, ,,,,,,;,, ,,,,;, ,,,,,, ,,, ,,,,:,,,,,,,;,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,;, ,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ;,,,,,,,,;, ,,, ,,, ,;;,,,;, ,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,(,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,,;,,,,, ,,, ,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,;,,, ,,;,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,, , ,;;,,,;, ,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,;, ,,,,,,,,,,,, ;,,, ,, ,,,,;,,, ,, ,,(,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,, ,, , ,;;,,,,,,,,’, ,,,,,;,,, ,, ,, ,,,,;,,, ,,,,,,, ,, ;,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,;,,,, ,, ,,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,,,( ,,,,,, ,,,;, ,,,,,,,(,,,),, , ,,,,, ,,,,,,,,,,,, ;,,;,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,;,,,,,, ,,,, ,,, ,,,, ,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,, ;,,,,, ,, ;,,,,, ,,,,,,(,,,,,,, ,,, ;,,,,,,;,,,, ,, , 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本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名:,,虬导师签名:,,查卑 日期: 年 月 日 第一章绪论 第一章绪论,(,低温共烧陶瓷(,,,,)技术 低温共烧陶瓷(,,,,,,,, ,;,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,;)技术是近年来发展起来的令人瞩目的整合组件技术,具有,,封装、埋入式被动组件及三维高密度电路连接功能,并且基板材料具有优良的高频、高品质因子和高速传输特性,并且还具有成本低、生产周期快、批量大等特点【,(,】。因此,,,,技术所具备的独特优势和潜在的市场前景,使其广泛应用在众多?煊蛑校 缤ㄐ帕煊颉?娇蘸教臁? 铝煊颉? 档缱印? 训缱拥取?,,,,基板被用作第五代电子元件组装用基板而受到极大的重视,已成为无源集成的主流技术,成为无源元件领域的发展方向和新元件产业的经济增长点。,(,(, ,,,,技术概念与特点 低温共烧陶瓷技术是,,,,年休斯公司开发的新型材料技术。该技术是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确且致密的生瓷带,在生磁带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形,并将多个被动组件(如电容、电阻、电感、阻抗变换器等)埋入多层陶瓷基板中,然后叠压在一起。内外电极可分别使用银、铜、金等金属,在,,,?左右下烧结,制成三维电路网络的无源集成组件,也可 制成内置无源元件的三维电路基板。在其表面可以贴装,,和有源器件,制成无源,有源集成的功能模块。对于高端产品如多芯片组件 (,,,,,,,,,(;,,,, ,,,,,,)甚至可以通过高密度多层陶瓷基板将多个大规模集成电路裸芯片封装在一个模块中,实现较复杂的系统功能。采用,,,,技术进行多层电路的设计和集成主要具有以下几个优势【,】: ,(陶瓷材料具有优良的高频低损耗特性,使用频率可高达几十,,,: ,(使用电导率高的金属材料作为导体材料,有利于提高电路系统的品质因 子; ,(可以制作线宽小于,,, ,的细线结构电路; ,( 可适应大电流及耐高温特性要求,并具备比普通,,,电路基板更优良的 热传导性; , 电子科技大学硕士学竹论文 , 具有较好的温度特性,如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系 数: , 可以制作多层数的电路基板,并可将多个无源元件埋入其中,有利于提 高屯路的组装密度; , 能集成的元件种类多、参量范围大,除电阻、电容与电感外,还可以将 敏感元件、,,,抑制元件、电路保护元件等集成在一起; , 可以在层数很多的三维电路基板上,用多种方式键连 可靠性高,耐高温、高湿、冲振,,;和各种有源器 件,实现无源,有源集成: , 可应用于恶劣环境: ,,非连续式的生产工艺,允许对生坯基扳进行检查,从而提高成品率,降 低生产成本。 综,可以看出,,,,,技术同时具备厚膜技术和高温共烧陶瓷技术的优点,使之成为实现无源元件集成的一项关键性主流技术。, , , ,,,,制造工艺 图,(, ,,,, ,艺流秽目 ,,,,技术的工艺流程比较复杂。低温共烧陶瓷基板制造工艺的发展趋势是小孔、细线和高布线密度。要将制造陶瓷基板的生瓷带加工成为多层带有印刷会属具有一定功能的模块需要经过八道工序,分别是:流延、冲片、打孔、通孔填 第一章绪论充、布线设计与金属化、对位、叠层与热压和排胶与烧结。下面简要介绍各工艺流程。 ,(流延 流延工艺包括配料、真空除气和流延三道工序。对流延出的生瓷膜片要求是:致密、厚度均匀、有一定强度,能保证生膜片的宽度不小于,,,,,,且具有足够强度。流延工艺的关键是机械设备、材料配方及对工艺参数的控制。 ,(冲片 陶瓷生带大多以卷轴形式供货,冲片时应该将其展开于洁净的不锈钢工作台面之上,可采用切割机、激光或冲床进行切割。 ,(打孔 通孔质量的好坏直接影响布线的密度和通孔金属化的质量,通孔过大或过小都不易形成盲孔。 陶瓷生带的打孔主要有,种方法:钻孔、冲孔和激光打孔。钻孔的打孔速度为每秒,,,孔,最小的孔径一般在多,(,,,,以上,钻更小通孔时,钻头易折,钻孔成本昂贵:冲孔的速度大于钻孔速度,根据冲床的不同和所冲孔的复杂程度而有所变化,孔径小于钻孔并且精度很高,是很好的打孔方法;激光法所打孔精度和孔径都介于钻孔和冲孔之间,但其打孔速度为最高,且所打孔易于形成盲孔,故是最理想的打孔方法。 ,(填孔 填孔是制造,,,,基板的关键工艺之一,其方法有三种:厚膜印刷、丝网印刷(,;,,,, ,,,,,,,,)和导体生片填充法。印刷机是为,,,,生产专用而设计的,其工作台是多孔陶瓷或金属板,四角上各有一个与生瓷片上定位孔一致的定位柱,直径为,(,”,’,(,,,;工作时,工作台下面用真空机抽成负压,压力适中。 ,(印刷版图 ,,】刷版图时,必须根据对位精度及通孔大小来设计线宽、线间距及其它参数才能保证基板的成品率。采用,,,,基板技术可以把线和间距做得很细,但成本增加,要综合考虑。,,,,基板得内层版图印刷有两种方法:丝网印刷和计算机直接描绘,表层版图印刷有四种方法。 ,(对位 对位包括印刷时丝网 与生瓷片之间的对位和叠片时生瓷片与生瓷片之间的对位。如对位精度太差基板布线网络可能会断路或短路,因设有定位孔,叠层定位的精度较高,一般满足设计的要求,最关键的是印刷定位。不同的布线密度偿, , 电子科技大学硕士学位论文宽,线间距、通孔直径、通孔覆盖面、孔线间距等,,对定位精度有不同的要求。 影响对位精度的主要因素是:打孔精度误差、照相制版精度误差和印刷机手动调节对位视觉误差。 ,(叠层与热压 将填充好通孔和金属化后的生瓷片放入叠模中,叠模上设计有与生瓷片对位孔一致的对位柱,保证对位精度。模具最好用硬质材料加工,防止多次使用后变形。叠压工艺中最关键的是压力须均匀一致,且压力要适中。压力过大,排胶时会起泡分层;过小时会分层,且基板收缩率较大,收缩率一致性差。 ,(排胶与烧结 排胶可在马福炉中进行,排胶速度根据基板厚度而定,升温速度为,(,,,一,(,。,,,,,,升至,,,?后,保温,”,,,,小时。烧结既可以在马福炉中进行也可以在链式炉中进行,升温速度为,。,,,,,,烧结工艺的关键是烧结曲线和炉膛温度的均匀性,这与烧结后基板的平整度和收缩率有关。炉膛温度均匀性差,基板烧结收缩率的一致性就差。烧结时,升温速度过快会导致烧结后基板的平整度差、收缩率大。 ,(;~贝,试 烧结后的,,,,基板必须进行测试,以验证基板布线的连接性。,,,,的检测一般是在基板制造完成后进行的,在某些情况下,为监测各工序的成品率也采取加工过程中实时检测或阶段性检测。,,,,多层布线基板包含焊区上相连的若干电气网络。这些焊区起着信号出入基板和电气的连接作用。为了保证基板上布线正确,必须对基板上每个网络中的所有焊区进行导通测试和对不同的网络进行隔离测试。另外,对网络的导通电阻或信号延迟、串音等也要进行测试。测试器主要是探针测试仪、美国微组装系统(,,,)公司的自动晶片探针仪。目前国内在这方面比较薄弱。,(,(, ,,,,微波无源器件的发展现状 美国是国际上率先开展三维微波集成电路与系统技术研究的国家,特别是宇航与军事领域【,,,更是投入大量人力、物力和财力进行这项技术的研究、开发和应用。 ,,,,年美国休斯公司开发出,,,,新材料技术,最早被用于低频和数字电路多层基板和多芯片组裂铺】。 , 第一章绪论 ,,,,年根据美国空军,,,,,,实验室的,,,,,,,计划【,。,,】,,,,,,公司开始用于有源阵列雷达的,,,,的开发工作。该项目小组开发出最早的、全陶瓷基片的、低成本的和能用于机载的有源阵列,,,组件。 ,,,,年休斯公司开发了诸如重叠式耦合器和微带至带状线过渡等特殊结构,,,, , ,,,,年 由美国,,,,(先进研究项目机构)发起,,,,(高密度微波组装)计划【,,(,,,,由,,,,下属的三军管理机构、空军,,,,,,航空实验室、陆军研究实验室等部门参与该计划管理。 ,,,,年,,,,,和,,,,,,,,,,,,等公司一致采用了三维微波集成电路技术,先将,,,,芯片高密度组装在,,,,多层微波互连基板上【,,】,形成微波多芯片模块;再采用垂直互连技术将不同功能的微波多芯片模块叠层互连,形成三维集成微波电路,,,组件【坫。,?。 ,,,,年美国,,,,,,,,公司的太空系统部门(,,,;, ,,,,,,,,,,,, ,,;()利用,,,,工艺技术研制的卫星控制电路组件【,,】,主要用于功率与微波电路。 ,,,,年美国国家半导体公司设计出基于,,,,基板的,,前端模块【,,】,工作于,波段,应用于,,,,。该模块按,,,,,,,(,,,制作,共有陶瓷基片,,层, 由一块,,,,和一个,,,,带通滤波器构成,,,,,安装于,,,,基板上,在多层陶瓷基板上集成谐振电容、反馈电容、级间耦合电容、输出电容、谐振电感及输出匹配电感等无源电子元件以及低噪声放大器、功率放大器和单刀单掷开关(,,,,),形成一个表面贴装型微波功能模块,体积大大减小。 欧洲和日本的起步也相对较早,如欧洲现正在实施“,,”(,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,(,,,(,,,, ,,,,,,,)计划和“,,,,’’(,,,,, ,,,,,,;,,,, ,,,,;,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,)计划,对基于,,,,基板的,,,收发模块进行了研究【,,,,开发出应用于,,,,(,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,)的点对点收发系统,该模块工作于,,,,,,有五层,,,,基板,基板采用,,,,,,,生瓷带。德国,,,,公司在欧洲通信委员会,,,,,(,,,,, ,,,的框架下,成功的采用,,,,技术,在,层的,,,,电路中实现了,,(,””,,(,,,,的,,,,点对点收发组件。,,,,年,该公司在,,,,,频率上,采用,,,,电路实现了调频连续波体制的汽车防撞雷达的一体化集成。天线和射频部分分别集成在电路板的两面,以,,,接口直接和电脑互连,尺寸大小为,,,,,,,,,(,层)。日本,,,公司于,,,,年研制出,(,,,,,,的收发模块【,,,,采用,,,,技术,体积仅为,,,,,,, ,,,,×,,,,,工作于,,,,,,输出平均功率 电子科技大学硕士学位论文用于高速以太网和,,,,,峰值,,,,,,应 , 实时高清晰度视频信号传输。日本松下公司制作的超小型蓝牙模块,在该模块,,,,基板内置有电容器、滤波器、阻抗变压器及天线,在,,,,基板表面安装有蓝牙射频、基频、快速存储器、晶体振荡器及开关二极管等。,,,,年韩国,,,,,,(,,,,,觚大学设计制造了一个基于,,,,基板技术的四波段,,,接收前端组件【,,】,采用了一种简单和有效的匹配结构来设计输入输出匹配电路,并且推导出了等效表达式来估算匹配值和输入阻抗,并通过测试证明了这种结构和表达式的有效性。通过埋置匹配网络的办法,得到的组件外形尺寸为,,,,,,,,,,,(,,,。日本日立公司和德国有名的半导体企业,,,,,,,,公司也推出使用,,,,制作的功率放大组件。 我国在,,,,方面的研究尚处于起步阶段。开展,,,,研究的机构主要集中在国内各高校和研究所。近年来,中国电子科技集团第十四研究所、五十五研究所、电子科技大学、东南大学、南京理工大学等单位都逐步认识到,,,,的技术优势和发展趋势,陆续开展了,,,,在微波电路中的理论和应用研究,而中国国防科技工业集团第二一四所、深圳南玻集团、浙江正原电气股份公司等单位则致力于先进工艺线的引进和一些民用产品的开发研究。深圳南玻电子有限公司从同本引进了目前世界上最先进的设备,建成了国内第一条全自动、高精度,,,,生产线,开发出了多种,,,,产品并已投产。尽管国内各研究机构和致力于,,,,产品开发的电子企业加大了对,,,,技术的研究和产品开发的力度,但与国外大公司相比还是有不小的差距。尤其是,,,, ,艺线基本上依靠国外进口,且加工精度和成品率是制约国内,,,,产品开发的关键因素。,(, ,,,,微波无源器件的设计方法 ,,,,微波无源器件的设计主要包括电性能设计、应力设计和热设计等几个方面,其中以电性能设计最为关键。高性能、多功能、小尺寸、低成本是,,,,微波无源器件的发展方向。 小型化的同时又要增加更多的功能和更高的性能必然要使电路的集成度越来越高,因此,,,,微波无源器件的设计将面临着许多的挑战,,引。首先,,,,,电路集成度和加工工艺不断的进步,微波无源器件的几何结构更加复杂,希望通过传统的几何结构分析和经验公式计算来快速的设计出电性能指标变得越来越困难,因此能够正确、快速的设计出具有复杂几何结构的无源器件成为,,,,微波无源器件设计的主要困难。其次,由于电路层数越来越多,多层电路之间的电磁耦合复杂性随之加大,类似于微带结构电路抽取集总参数等 , 第一章绪论效电路模型的方法已不适用于多层高集成度电路,其集总参数等效电路建模方法还有待建立。 目前,,,,微波无源器件的设计多借助计算机辅助技术。随着计算机技术的不断发展,计算机辅助设计成为工程设计的主流方式。利用电磁仿真技术对微波无源器件进行设计优化,使原本复杂、繁琐的,,,,微波无源器件的设计变得更快速、更直观、更方便。,(,(,可用于,,,,微波无源器件设计的电磁仿真方法和软件 目前可用于,,,,微波无源器件设计的电磁仿真方法主要有三种,分别为:矩量法(,,,)、有限元法(,,,)和时域有限差分法(,,,,),基于这三种方法的商业软件分别为:,,,,,,, ,,,、,,,,,, ,,和,,,,,, ,,,,,,,,是? 诰亓糠ǖ牡绱欧抡嫒砑 欢 粒睿螅铮簦?,,,,是基于有限元法的软件;,,, ,,;,,,,,,,,,,,,主要是基于有限积分法的电磁仿真软件。,,,,,, ,,,是用于等效电路参数抽取的软件,当用于求解直流导体问时它采用的是有限元法,而用于求解电感和电容问题时采用的是矩量法。,(,(, ,,,,微波无源器件的设计方法 由于,,,,微波无源器件通常内含多个等效分立元件,所以其内部的电磁耦合效应相当复杂,所以在设计时,我们更多的是采用电磁场分析而不仅仅是电路分析。利用电磁仿真软件对设计器件进行分析,特别是对设计结果的仿真优化,可以减少样品的试制次数,大大的提高设计效率。,,,,,,公司推荐的的设计流程如图,(,所示【,,】,整个设计过程是个循环的过程,如果结构较复杂且物理参量较多的情况下,为了得到更优化的结果,必然将导致循环的次数加多。 , 电子科技大学硕士学位论文 图,,, ,,,,,,公司推荐设计流程图 系统模块化设计 ,, 二〕二二 电路仿真 模块设计和优化 , 物理版图的生成 ——,——一 电磁仿真和优化 、, 样品试捌 , 溯试验硅图,,, ,,,设计,,,,微波无源器件的流程 第一章绪论 利用,,,,,,, ,,,设计,,,,微波无源器件是采用基于模块和组件的设计方法,如图,(,所示。通过参数化电磁仿真模型建立各种,,,,内置元件(电容、电感等)的模型库,在进行,,,,微波无源器件设计时需调用已建立的模型库。各种不同类型模型库的建立需要耗费大量的资源和时间,并且利用已建立的模型库进行设计时,各种模型之间的寄生耦合效应无法在仿真优化时体现。,(,(,空间映射算法的提出 ,,,,年,,,,,,提出初始空间映射优化方法,该方法假设精确模型和粗糙模型参量空间之间存在线性映射,两空间数据点构成的线性方程,通过最小二乘法求得【,,,。 ,,,,年,,,,,,研究小组提出主动空间映射方法。在该方法中,每次精确仿真不仅起验证作用,而且能参与迭代过程促进优化加速【,,,,,,。 ,,,,年置信域主动空间映射方法提出【,,。,,。 ,,,,年混合迭代主动空间映射方法【,,,。 ,,,,年基于替代模型空间的映射方法【,,,。 ,,,,年神经网络空间映射方法【,,。,,,。 ,,, ,年神经网络逆空间映射方法【,,,。 ,,,,年隐式空间映射方法【,,,。 在国内,香港中文大学的吴克利教授最先对,,,,.
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