一種基于太赫茲頻段器件總體性能的優化設計方法
【專利摘要】本發明公開了基于太赫茲頻段器件總體性能的優化設計方法，在優化設計時，通過提取傳輸線單元結構的特性參數，建立傳輸線階梯結構表征阻抗階躍變換特性；同時在選用合適的太赫茲二極管后，建立所需工作頻段的二極管電路模型；結合所設計器件建立完整的器件整體電路模型；通過設置以整體器件性能為優化目標的目標函數，進行諧波平衡仿真的優化設計，得到最優化結果。然后按照優化后的傳輸線單元結構的結構參數，將其組合，建立所涉及器件的無源結構整體模型，并進行無源電路整體仿真，并將仿真結果進行重新驗證，以查看是否仍然滿足指標。若不滿足則返回前面的步驟進行調整，直到滿足設計要求。本發明用于太赫茲頻段器件的設計，其設計準確、高效。
【專利說明】
一種基于太赫茲頻段器件總體性能的優化設計方法
技術領域
[0001]本發明屬于太赫茲電路仿真設計領域，具體包括一種適用于太赫茲頻段器件總體性能的優化設計方法。
【背景技術】
[0002]太赫茲波包含了頻率為0.1到1THz的電磁波，其長、短波段分別與微波毫米波、紅外光相重合，兼具微波毫米波和光波的部分優點，在寬帶通信、精確制導、物體成像、環境監測及醫療診斷等領域應用前景廣闊，掌握太赫茲技術具有十分重要的意義。其中太赫茲頻段器件作為實現太赫茲技術的關鍵器件，廣泛應用于通信、雷達、檢測等近乎所有太赫茲應用系統，是太赫茲技術的關鍵研究方向。
[0003]傳統的分部式太赫茲頻段器件優化設計方法側重于單元電路性能的仿真優化設計，即在各個太赫茲頻段器件無源結構最優化設計的基礎上，設計阻抗匹配結構對二極管進行阻抗匹配，其特點在于將太赫茲頻段器件電路分解為各單元電路，進行各單元電路的最優化設計，再將各單元電路有機結合組成完整的太赫茲頻段器件電路，以實現太赫茲頻段器件電路優化設計。但是，這種采用基于太赫茲頻段器件單元電路性能的分部優化設計方法在設計二極管匹配電路時，由于太赫茲頻段電路屏蔽腔尺寸很小，無法使用支節匹配等結構不規整的阻抗匹配結構，其仿真優化空間有限，因此，需要研究適用于太赫茲頻段的器件電路優化設計方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有仿真技術中的上述問題，提供一種適用于太赫茲頻段器件的準確、高效、系統的實現太赫茲頻段電路結構的電路優化設計方法。
[0005]本發明的一種基于太赫茲頻段器件總體性能的優化設計方法，包括下列步驟:
[0006]步驟I:基于太赫茲頻段器件的技術指標需求設計器件結構；
[0007]步驟2:對所設計器件進行單元電路劃分，得到多個傳輸線單元結構，并提取各傳輸線單元結構的傳輸線特性參數，包括懸置微帶線特性阻抗Z，有效介電常數K，單位長度傳輸損耗A等特性參數；
[0008]步驟3:對所設計器件包含的二極管進行太赫茲二極管選材；
[0009]步驟4:基于采用的太赫茲二極管建立所需工作頻段的二極管電路模型；
[0010]步驟5:基于步驟I設計的器件建立完整的器件整體電路模型，通過設置以整體器件性能為優化目標的目標函數，進行整體電路優化諧波平衡仿真優化設計，得到滿足所述技術指標需求的最優化結果，即以整體器件性能為優化目標，對傳輸線單元結構的結構參數進行優化設計，得到滿足所述技術指標需求的最優傳輸線單元結構；
[0011 ]步驟6:組合步驟5得到的各最優傳輸線單元結構，建立所設計器件的無源結構整體模型，并進行無源電路整體仿真，判斷仿真結果是否滿足所述技術指標需求，若是，則結束;否則，重新執行步驟2、4、3和/或I，對設計器件進行調整，直到滿足設計要求。
[0012]基于本發明設計太赫茲頻段器件時，其關鍵技術在于將太赫茲頻段器件的單元電路進一步分解為傳輸線單元結構，對傳輸線單元結構建模，得到其不連續性特性修正的理想傳輸線模型替代原有模型，最后結合二極管電路模型建立以太赫茲頻段器件總體性能為優化目標的總體仿真電路。其技術特點是不追求太赫茲頻段器件的單元電路各自的性能優化，而是以更基本的傳輸線單元結構為優化變量，以太赫茲頻段器件的整體性能為優化目標進行優化設計。
[0013]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0014](I)不要求實現各單元電路的最優化設計，節省了對單元電路的設計時間；
[0015](2)將各單元電路分拆成獨立的傳輸線單元結構，每個傳輸線單元結構參數都可以作為太赫茲頻段器件的優化設計變量，相對于分部優化設計方法單獨對二極管進行匹配的簡單匹配方式，擴展了匹配變量的數目和優化空間；
[0016](3)對每個傳輸線單元結構的結構參數進行優化，相對于對單元電路的最優化設計，對電路加工尺寸具有更好的容差性；
[0017](4)本發明的優化設計方法精確、應用方便、便于推廣。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明【具體實施方式】的優化設計流程；
[0019]圖2是電路分解示意圖；
[0020]圖3是懸置微帶傳輸線HFSS和ADS模型；
[0021 ]圖4是懸置微帶傳輸線階梯阻抗變換結構HFSS和ADS模型；
[0022]圖5是低通濾波器HFSS和ADS模型；
[0023]圖6是減高波導HFSS和ADS模型；
[0024]圖7是射頻直流地和波導短路面HFSS和ADS模型；
[0025]圖8是探針結構HFSS和ADS模型；
[0026]圖9是二極管在懸置微帶電路中的三維電磁模型；
[0027]圖10是二極管在太赫茲混頻器優化設計中的完整電路模型。
【具體實施方式】
[0028]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合實施方式和附圖，對本發明作進一步地詳細描述。
[0029]將本發明的優化設計方法用于太赫茲混頻器電路優化設計中，在具體實現中，使用ADS(Advanced Design system)和HFSS(High Frequency Structure Simulator)軟件實現優化設計。參見圖1，其具體包括下列步驟:
[0030]步驟S1:基于器件技術指標需求，設計器件結構；
[0031]步驟S2:建立如圖2所示的太赫茲混頻器電路分解示意圖，得到11個傳輸線單元結構，包括射頻直流地1、RF (射頻)探針結構2、RF減高波導3、二極管4、LO波導短路面5、LO波導探針6、IF低通濾波器7、LO探針8、LO減高波導9、LO低通濾波器10、RF波導短路面11。
[0032]提取各傳輸線單元結構的傳輸線特性參數，包括懸置微帶線特性阻抗Z，有效介電常數K，單位長度傳輸損耗L、頻率F、損耗角正切TanD等特性參數。
[0033]在HFSS中建立一段懸置微帶傳輸線模型一一矩形波導傳輸線，通過HFSS進行三維電磁仿真得到所需工作頻段的懸置微帶傳輸線的微帶線特性阻抗Z，有效介電常數K，單位長度傳輸損耗A等特性參數，與ADS的理想傳輸線模型TLINP模型(理想傳輸線模型)相結合，得到可以直接應用在ADS電路仿真中的準確的太赫茲懸置微帶傳輸線模型，如圖3所示。對于懸置微帶階梯阻抗變換結構，可以通過HFSS的端口去嵌功能，將其不連續性結果導出SNP文件代入ADS的二端口 S參數(散射參數)數據模型，如圖4所示。繼而對于由懸置微帶傳輸線單元結構構成的本振和低通濾波器來說，其可以在ADS中表示成如圖5所示電路。
[0034]對于減高波導結構，則可以采用和懸置微帶傳輸線類似的處理方式，矩形波導傳輸線可以直接采用ADS的矩形波導模型，如圖6所示。對于本振和射頻波導探針過渡的波導短路面結構以及射頻波導探針過渡中的射頻直流地結構可以通過去嵌，導出SNP文件代入ADS的端口 S參數數據模型以表征其短路特性，如圖7所示。
[0035]對于本振和射頻波導探針過渡的探針結構部分需在HFSS和ADS中建立四端口模型，如圖8所示。步驟S3:選用合適的太赫茲二極管用于所設計器件，完成二極管選材；
[0036]步驟S4:基于所選太赫茲二極管，建立二極管的電路模型，即建立二極管在懸置微帶電路中的三維電磁模型(如圖9所示)，提取出電路模型的S參數響應來表征二極管在太赫茲頻段電路中的高頻特性，進而如圖10所示，與二極管本征SPICE(Simulat1n programwith integrated circuit emphasis)模型和已提取的太赫茲混頻器傳輸線單元結構ADS模型構成二極管完整電路模型。步驟S5:使用以上所得模型建立太赫茲混頻器ADS諧波平衡仿真的總體優化設計電路，以太赫茲混頻器的總體性能為優化目標進行整體電路在ADS中進行諧波平衡仿真優化，得到滿足所述技術指標需求的最優化結果，即優化的傳輸線單元結構的結構參數；
[0037]步驟S6:組合優化后的各傳輸線單元結構，建立無源結構整體模型，并在HFSS中進行無源電路整體仿真，導出SNP文件；
[0038]步驟S7:將步驟S6導出的SNP文件代入ADS，在ADS中進行諧波平衡仿真，并判斷仿真結果是否滿足技術指標需求，若是執行步驟S8;否則返回前面的步驟(即重新執行步驟S2、S4、S3、和/或SI)進行調整，直到滿足技術指標需求；
[0039]步驟S8:基于當前優化的結構參數進行器件的加工、加工裝配、測試等生產過程，并對實際生產的器件進行達標測試(是否滿足技術指標需求)，若是，則結束;若否，則基于本發明的設計優化和方法進行調整或設計(重新執行步驟S2、S4、S3、和/或SI)，以得到滿足技術指標需求的器件實物。
[0040]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換;所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。
【主權項】
1.一種基于太赫茲頻段器件總體性能的優化設計方法，其特征在于，包括下列步驟: 步驟1:基于太赫茲頻段器件的技術指標需求設計器件結構； 步驟2:對步驟I設計的器件進行單元電路劃分，得到多個傳輸線單元結構，并并提取各傳輸線單元結構的傳輸線特性參數； 步驟3:對步驟I設計的器件包含的二極管進行太赫茲二極管選材； 步驟4:基于采用的太赫茲二極管建立所需工作頻段的二極管電路模型； 步驟5:基于步驟I設計的器件建立完整的器件整體電路模型，并在滿足所述技術指標需求的前提下進行整體電路優化諧波平衡仿真優化設計，得到優化后的傳輸線單元結構的結構參數； 步驟6:組合步驟5優化后的各傳輸線單元結構，建立步驟I設計的器件的無源結構整體模型，并進行無源電路整體仿真，判斷仿真結果是否滿足所述技術指標需求，若是，則結束；否則，重新執行步驟2、4、3和/或I。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述傳輸線特性參數包括:懸置微帶線特性阻抗、有效介電常數和單位長度傳輸損耗。
【文檔編號】G06F17/50GK105893682SQ201610206248
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月5日
【發明人】張勇, 肖筑文, 徐銳敏, 延波, 趙偉, 任田昊
【申請人】電子科技大學