LineCalc & Libra 軟體教學

RF & Microwave Lab. LineCalc & Libra 軟體教學國立中山大學電機系射頻微波實驗室研究生：韓府義陳建勳 Tel. 07-5252000-4119 Web. http://mcl.ee.nsysu.edu.tw

大綱 • 軟體簡介 • 微帶線(Microstrip)結構 • LineCalc 軟體簡介 • LineCalc範例：微帶傳輸線模擬 • Libra 語法 • Libra範例：阻抗匹配模擬 E.E. Dept., NSYSU

簡介 • EESOF3為HP公司發展用以電路在微波頻段下，用以模擬電路響應之軟體。EESOF3軟體包含兩個部分；一為LineCALC用以分析有關微波電路之物理及電性參數，如微帶線之長寬；另一為Libra ，用以模擬所設計微帶線之相關反應。 LineCALC可用以求微帶線之相關參數，給定相關基板資訊，已知其物理參數，可求其電性參數，反之亦然。 Libra則可用於微波電路特性的模擬，以驗證設計之正確性。 • 現行微波電路模擬的軟體種類相當多，如AWR Microwave Office、Ansoft Designer以及Agilent ADS，其核心語法與結構仍與EESOF3相同。 E.E. Dept., NSYSU

微帶線(Microstrip)結構 E.E. Dept., NSYSU

LineCalc 軟體簡介 ☆.執行：在EESOF3所在之目錄中，鍵入”linecalc”並按ENTER，即可進入LINECALC；首先出現版權畫面，按任意鍵即進入linecalc，如左圖所示。 ☆.退出：按”Shift+F10”即可退出，退出之前，LINECALC會在左上角出現下列訊息：“Are you sure ?”若要退出按”Y”，繼續操作按"N"“Save data”儲存現在畫面中參數狀態，按”Y”，否則按”N”。 E.E. Dept., NSYSU

狀態列 共用參數列切換：F2 物理參數列切換：F7 電性參數列功能鍵列 LineCalc 軟體簡介 • LineCalc之工作視窗共分為5個部分，如下圖所示： ☆.狀態列：有兩行，顯示目前工作狀態、元件資訊及錯誤訊息提示。 E.E. Dept., NSYSU

ER：介電常數 LineCalc 軟體簡介 ☆. 共用參數列：共用參數可設定一共用之物理參數，如基板參數，共用參數列之參數會影響物理及電性參數列之結果，設定項目隨元件形式不同而不同。下表為常用之微帶線共用參數： E.E. Dept., NSYSU

LineCalc 軟體簡介 ☆. 物理參數列：在工作頻率下，配合電性參數所計算出之微帶線尺寸，W為寬度，L為長度。除微帶線外，亦有許多種結構供選擇，當游標在此參數列時按”Shift+F2”即出現圖二之選項。 ☆. 電性參數列：微帶線之相關電氣特性，以微帶線為例：Z0為微帶線之阻抗值，E(eff)為微帶線之有效電長度，單位為DEG之角度，Keff為有效介電係數，A,dB為電路之衰減。其他微帶元件之相關形式。 E.E. Dept., NSYSU

LineCalc 軟體簡介 ☆. 功能鍵列 E.E. Dept., NSYSU

LineCalc 軟體簡介 E.E. Dept., NSYSU

LineCalc範例：微帶傳輸線模擬 • 範例1：設計以為FR4基板( )，H=0.8mm，T=0.01mm，操作頻率1GHz之50歐姆微帶線。 • 在共用參數區，將基板參數輸入，供計算微帶使用；在電性參數區輸入所需微帶線之參數，即可得0.8mm之FR4基板工作在1GHz時，50歐姆微帶線之線寬為W=1.52mm；電氣長度90度時，微帶線之長度為L=41.03mm。 E.E. Dept., NSYSU

基板厚度之影響 • 範例2：將基板厚度改變為1.6mm，線寬變為W=3.04mm，長度L=40.97，可知改變基板厚度改變對寬度影響較大。 E.E. Dept., NSYSU

操作頻率之影響 • 範例3：改變操作頻率為2GHz，由下圖可得：微帶線線寬W=1.52mm ，長度L=20.48，相同材料及特性阻抗Z0，其線寬幾乎不因頻率變化而有所改變。 E.E. Dept., NSYSU

介電係數之影響 • 範例4：改變基板材質為介電係數9.9的Ceramic，由下圖可得：微帶線線寬變為W=0.76mm ，長度L=29.08 。 E.E. Dept., NSYSU

範例結果比較 E.E. Dept., NSYSU

練習 • 練習一：FR4玻纖雙面感光版( )，厚度0.8mm。 (1)設計一50Ω微帶線工作在2.45GHz，長度； (2)設計75Ω微帶線工作在750MHz，長度λ • 答案：(1)W=1.52 (mm) ，L=33.42 (mm) (2)W=0.70 (mm)，L=225.34 (mm) • 練習二：同上題，若已知：工作在2.45GHz之微帶線，其長度為16.71mm，寬度為1.52mm，求此一微帶線之阻抗值及電氣長度。 • 答案：Z0=50Ω，E=1/4 λ E.E. Dept., NSYSU

Homework for LineCalc • 將FR4基板改為使用Ceramic基板重複練習一、練習二之方式算出結果。 E.E. Dept., NSYSU

Libra 語法 • 電路檔案結構：其檔案語法與SPICE相似，但有一些限制，如下： ☆. ckt檔案最大只到809行 ☆. block順序建議為DIMVAREQNCKTTERMPROC OUTFREQGRIDOPTTOL☆.每一檔案中，最少要包含CKT、OUT、FREQ這三種BLOCK，其餘可有可無。此就常用的部分講解，其他功能，詳見使用手冊。 E.E. Dept., NSYSU

Libra 語法 • 註解(comment line)在編輯電路時，為方便解讀電路，可適時加入註解；加入註解之方法為在註解文字之前加入”!”。 • DIM(Dimensions)定義：描述電路中各種元件或參數之單位語法：常用之描述及內定值如下表： E.E. Dept., NSYSU

Libra 語法 E.E. Dept., NSYSU

Libra 語法 • VAR (Varibles) 定義：給定變數一定值或某一範圍的值語法： “=”為單純給定變數某一特定數值；然而在做最佳化(Optmizer/Statistics)時，有些變數數值會做調整，所以給定兩種符號，供最佳化時使用：“#” 調變範圍為給定之最大值與最小值之間；“/” 調變範圍為0~兩倍給定起始值之間。 E.E. Dept., NSYSU

Libra 語法 • EQN (Equation) 定義：以方程式求解某一變數值語法：求解變數時，方程式左邊為單一欲求解之變數，右邊為方程式；定義”**”為exponentiation，其運算順序為先乘除後加減。 • CKT (Circuit) 定義：檔案中最重要的部分，詳細描述電路結構及數值語法：提供的元件形式有：Antenna, Coaxial, Microstrip, Lumped, Waveguide等等形式，其各結構關鍵字詳見速查手冊。NODE可為0~999，但0保留為GROUND。 E.E. Dept., NSYSU

Libra 語法 ☆基板參數定義如電路中，有使用基板(如：微帶線)，需將基板參數描述於程式中，其語法依照結構不同而有不同，速查手冊中有詳細描述。 ☆元件數值之給定 “=” 指定單一數值 “#” 給定之最大值與最小值之間 “/” 0~兩倍給定起始值之間 “^” 將已在VAR block中定義之變數數值assign給元件 ☆DEFnP(定義n埠電路名稱) 已描述過之電路可定義為n埠之元件，並給定此一電路電路名稱，可重複使用，減少重複性描述。如：Node1~Node7以描述為RLC或其他元件所組成之電路，則”DEF2P 1 7 NET1”代表將Node1~Node7之電路定義為NET1，以後就以NET1代表Node1~Node7之電路。 E.E. Dept., NSYSU

Libra 語法 • OUT (Output) 定義：規範量測輸出之表示方式及輸出之位置語法： ☆結果顯示方式 SCN 模擬結果以數值方式列表 GR1~GR3 以直角座標表示 SC1~SC3 以史密斯圖表示 ☆指定量測方式模擬量測結果有許多不同方式，Touchstn提供近三十種方式，詳細內容，參閱手冊第三章。常用量測種類如下：1. S參數量測2. 電路阻抗量測。 E.E. Dept., NSYSU

Libra 語法 • FREQ (Frequency) 定義：量測頻率範圍及頻率移動改變方式語法： SWEEP：linear sweep STEP：discrete frequency ESWEEP：exponential with a common ratio between frequency • GRID (ploting grids) 定義：定義直角座標圖之X、Y軸範圍語法： GRID RANGE MIN MAX DIVISION GRn MIN MAX DIVISION GRnA MIN MAX (兩個Y軸座標) LRANGE MIN MAX (log X軸座標) E.E. Dept., NSYSU

應用Single-Stub Matching之方法，將一負載阻抗 匹配到一操作於2.45GHz之傳輸線，如下圖所示： 1 2 4 3 EXP1：Single-Stub Matching DIM FREQ MHZ RES OH LNG MM ANG DEG IND NH CAP PF FREQ SWEEP 1000 4000 10 OUT EXP1 DB[S11] GR1 GRID RANGE 1000 4000 100 GR1 -40 0 5 CKT MSUB ER=4.4 H=0.8 T=0.01 RHO=0 RGH=0 TAND TAND=0.02 MLIN 1 2 W=1.52 L=5 MLIN 2 3 W=1.52 L=9.83 MLIN 2 4 W=1.52 L=2.94 RES 4 5 R=15 IND 5 0 L=0.8 DEF1P 1 EXP1 E.E. Dept., NSYSU

Libra 工作環境 E.E. Dept., NSYSU

Libra 編輯視窗 E.E. Dept., NSYSU

EXP1：Single-Stub Matching E.E. Dept., NSYSU

經Single-Stub matching後，在操作頻率2.45GHz附近反射量很小，即為達到阻抗匹配之效果(標示為小於-20dB頻寬)。 E.E. Dept., NSYSU

一微帶線三節阻抗轉換器，在2.45GHz操作頻段，將負載阻抗 匹配到之系統，此三節阻抗轉換器阻抗值分別為，電氣長度為90°，使用LineCalc算出其對應之線寬及線長，其佈局如圖所示： W1=1.52mm L1=5mm W2=1.30mm L2=16.87mm W3=0.65mm L3=17.22mm W4=0.43mm L4=17.55mm EXP2：Multisection matching transformer 2 4 1 5 3 0 CKT MSUB ER=4.7 H=1.6 T=0.1 RHO=0 RGH=0 TAND TAND=0.014 MLIN 1 2 W=1.52 L=5 MLIN 2 3 W=1.30 L=16.87 MLIN 3 4 W=0.65 L=17.22 MLIN 4 5 W=0.43 L=17.55 RES 5 0 R=100 DEF1P 1 EXP2 FREQ SWEEP 50 4000 10 OUT EXP2 DB[S11] GR1 GRID RANGE 50 4000 100 GR1 -30 0 5 DIM FREQ MHZ RES OH LNG MM ANG DEG E.E. Dept., NSYSU

Libra 編輯視窗 E.E. Dept., NSYSU

EXP2：Multisection marching transformer E.E. Dept., NSYSU

經過阻抗轉換器將阻抗轉換為50Ω之後，與第一段的50 Ω阻抗匹配，在此頻段之下反射係數很小(小於-15dB頻寬)。 E.E. Dept., NSYSU

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