Multisim 10在射頻電路實驗教學中的應用研究

摘 要:Multisim 10是實現計算機現代化仿真軟件，是實現電子設計自動化的有機載體，是實現教學理論和動手能力相協調的有效手段。通過理論教學中RF電路設計的理論分析，闡述了RF電路設計原理，并利用Multism10軟件中的網絡分析儀進行虛擬的設計與仿真。通過虛擬實驗的方法驗證了理論分析的結果表明Multism10仿真在輔助理論教學和實踐教學中，可以實現理論及其實驗結果的方便準確快捷的統一。關鍵詞:Multisim 10; 電子線路仿真; RF電路; 最大功率傳輸

中圖分類號:TN710-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0172-04

Application of Multisim10 in RF Electronic Experiment Teaching

LI Song-song1， LI Xiang1， GAO Xiao-ye2

(1.School of Information Engineering， Dalian Ocean University， Dalian 116023， China; 2.Dalian Vocational Technical College， Dalian 116035， China)

Abstract: Multisim10 is a software of modern computer simulation， is organic carrier of electronic design automation， and is an effective means of theory and practical ability in teaching. Through theoretical analysis of RF circuit， the RF circuit design principles are described and the network analyzer is used to simulate in Multism10. The theoretical analysis is verified by virtual experiments， the results of simulation show Multism10 is more flexible， exact and quick in assist teaching and practice in teaching.Keywords: Multisim10; electronic circuit simulation; RF circuit; maximum power transfer

0 引 言

隨著教育改革的不斷深入，教育技術現代化，教學手段現代化已成為我國教育改革所面臨的十分重要的課題。其中電子線路EDA技術的發展，正是彌補目前我國各院校電子學實驗室的條件不足，特別是新器件，新設備價格昂貴時，而開設一些內容更新穎、具時代意義的創新型、設計型以及綜合型實驗而設置的[1]。同時，對于具備條件的實驗，正是對理論聯系實際的檢驗，對滿足現代電子領域對高校培養具有高層次專業技術人才的需求提供了一定程度上的保障。

1 Multisim 10軟件簡介

利用Multisiml0可以實現計算機仿真設計與虛擬實驗，與傳統的電子電路設計與實驗方法相比，具有如下特點:設計與實驗可以同步進行，可以邊設計邊實驗，修改調試方便;設計和實驗用的元器件及測試儀器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設計與實驗;可方便地對電路參數進行測試和分析;可直接打印輸出實驗數據、測試參數、曲線和電路原理圖;實驗中不消耗實際的元器件，實驗所需元器件的種類和數量不受限制，實驗成本低，實驗速度快，效率高;設計和實驗成功的電路可以直接在產品中使用。

Multisim 10還可以應用到日常課堂的演示教學中，它可以制作在課件中，對于所講述電路的各種參數進行即時分析，可以生動在投影上模擬各種實驗的結果，具有極佳的演示效果，提高電子技術開發中心系列課程的趣味性和直觀性[2-4]。

Multisim 10提供了16 000多個高品質的模擬、數字元器件和RF組件模型，另外用戶還可以自行編輯和設計相應的元器件。Multisim 10不僅提供了電路的多種仿真分析方法，如直流掃描分析，參數掃描分析，交流頻率特性分析，瞬態分析，傅里葉分析，后處理器功能等，而且提供了2個儀表和多臺儀器，儀表有:電壓表、電流表;常用的儀器有:數字萬用表，函數信號發生器，示波器，邏輯分析儀和邏輯轉換儀等。同時，應用Multisim 10可以進行模擬電路、數字電路、模數混合以及射頻電路的仿真。其中，它的高頻仿真和設計環境是眾多通用電路仿真軟件所不具備的[5]。

2 射頻理論

目前，包括大學生電子技術設計大賽在內的很多知名賽事，都把無線收發作為一個重點的研究方向，而各個高校都有開設類似的課程和實習作為培訓學生得一項基本內容。這都是由于RF電路自身特點的主要用于無線電通信系統的發射裝置和接收裝置的研究中。所以隨著信息技術的發展，對各種發射、接收裝置的要求越來越高。RF電路的性能好壞，將直接關系到通信的質量。尤其是RF頻段中的微波波段，其頻率高、頻帶寬的特點，使其很適用于作為大容量通信的載波，來傳輸多路電報、電話和電視信號[6]。

射頻技術RF(radio frequency)的基本原理是電磁理論，指的是從音頻以上至可見光頻率的整個頻段，其范圍約為16 Hz~20 kHz。可見光波段在微波波段以上，所以RF的范圍大約為20 kHz~3 000 GHz，其中包括微波波段。總的來說，RF頻段的頻率很高。射頻系統的優點是不局限于視線，識別距離比光學系統遠，射頻識別卡可具有讀寫能力，可攜帶大量數據，難以偽造，且有智能[7]。

近年來，便攜式數據終端(PDT)的應用多了起來，PDT可把那些采集到的有用數據存儲起來或傳送至一個管理信息系統。便攜式數據終端一般包括一個掃描器、一個體積小但功能很強并帶有存儲器的計算機、一個顯示器和供人工輸入的鍵盤。在只讀存儲器中裝有常駐內存的操作系統，用于控制數據的采集和傳送。

PDT存儲器中的數據可隨時通過射頻通信技術傳送到主計算機。操作時先掃描位置標簽，貨架號碼、產品數量就都輸入到PDT，再通過RF技術把這些數據傳送到計算機管理系統，可以得到客戶產品清單、發票、發運標簽、該地所存產品代碼和數量等，這些研究領域對于電子信息類專業的學生來講，都是實踐理論的研究課題。

根據射頻理論，它與一般的低頻電路相比較，有其自身的特點，主要包括以下幾點:

(1) 大量使用調諧網絡:這些網絡不僅提供調諧到所要求的工作頻率，同時還使晶體管特性與輸入和輸出阻抗匹配。因此，調諧網絡設計的好壞，將直接關系到RF電路的性能。

(2) 需考慮阻抗匹配問題:在RF電路中，處理信號的不同部件被安置在相距有一定距離的地方。這個距離往往和被傳輸信號的波長可以相比擬。將它們連起來時，必須考慮到阻抗匹配。

(3) 不同頻段使用的元件不同:RF頻帶寬，包括長波、中波及短波、超短波和微波。從使用的元件、器件及線路結構與工作原理等方面來說，中波、短波和米波波段基本相同，但它們和微波波段則有明顯的區別。前者大都采用集中參數元件，如:通常的電阻器、電容器和電感線圈;后者則采用分布參數元件，如:同軸線和波導等。在器件方面，中、短波和米波主要采用晶體管、集成電路及電子管，而微波除上述器件外，還需特殊的微波器件，如:微波二極管、速調管、行波管及磁控管等。

3 Multisim 10軟件及其在射頻領域模塊技術

隨著電子通信技術的發展，RF電路的開發研究吸引了眾多電子設計工程師。Multisim 10射頻模塊可以提供基本的射頻電路所需的設計。分析和仿真射頻電路的功能。Multisim 10的射頻模塊由RF-Specific(射頻特殊元件，包括自定義的RF SPICE模型)。用于創建用戶自定義的RF模型的模型生成器。

在Multisim 10中，標準的RF元件包括電容、電感、環行線、耦合器、傳輸線、波導以及有源器件等。在RF設計中，該模塊包含了大約100多個元件和元件模型，這些模型都可以在高頻下準確工作而設計的，克服了SPICE模型中在高頻時候工作不穩定的問題。

元件在電子學領域中可以分成兩類:集中式和分布式元件。當λ=c/f時，集中式元件的尺寸小于波長，在這種情況下，電壓波長和電流波長運行時比元件自身大很多，歐姆定律在此時有效。另一方面，大部分的分布式對象中電壓相位和電流相位的改變遠超過器件的物理擴展，因為器件的尺寸都是類似的，某些時候甚至大于波長。因此常規的電路理論已經不適用工作在MHz到GHz之間的頻率電路中。射頻元件存在寄生效應，與用于低頻狀態的模型有所不同。射頻模型使用的電容和電感都在高頻工作狀態下，兩節點之間連接發生的行為和低頻工作狀態下兩節點連接發生的行為是不同的。在PCB上執行這些行為時，將表現傳輸線的形式。電路板本身將變成電阻的一部分，會干涉到電路的正常工作。這就是EDA工具中可行的低頻電路仿真在高頻電路中卻變得不可行的原因[8]。

4 基于Multisim 10的射頻電路設計

高頻電路的設計通常有別于低頻電路，射頻設計的主要工作就是設計好輸入輸出阻抗、功率增益、噪聲分析以及問點因數的參數性能。高頻電路可以被理想化成為一個雙端口網絡，為了恰當的使用網絡分析儀，電路的輸入端、輸出端必須斷開，在仿真期間，網絡分析儀可以通過插入子電路完成對電路的分析。

對于設計一個簡單的直流偏置，重要的是晶體管的性能和放大器的靜態工作點。應用Multisim 10設計一個最大功率傳輸放大器，首先應選擇射頻功率管，由于在相對較高的頻率上有低功率和低噪聲的優勢，這里選擇MRF927T1，從元件庫中選擇該元件并將其放在電路中[9-10]。

為了配合低頻電子線路相關課程的內容，選擇靜態工作點，靜態工作點表現為Vce和Ic。Vce通常要小于VCC，并且通常在集電極-發射極之間的最大擺幅為VCC/2，因此，選擇Vce=3 V和Vcc=9 V。而Ie近似于Ic，晶體管的集電極耗散功率為Ic×Vce。為了達到較好的頻帶增益和電壓增益，這里設置Ic=3 mA。

同時，設定Vbe=0.7 V，β=100計算如下:

Rc=Vcc-VceIc=9-33×10-3=2 kΩ

Ib=Icβ=3×10-3100=3 μA

Rb=Vcc-VbeIb=9-0.73×10-6=277 kΩ

設計完靜態工作點之后，就可以在Multisim 10下進行仿真，設置Rb=277 kΩ和Rc=2 kΩ，繪制電路如圖1所示。

圖1 最初設計的偏置電路

在低頻電子線路的教學中，學生已經掌握對靜態工作點的直流分析，而Multisim 10軟件自帶有直流工作點分析語句，可以直接設置選擇基極和集電極工作節點。通過仿真，可以得到Vce=3.33 V和Vbe=0.8 V，當修改以上這兩個值以滿足靜態工作點的需要，經過實驗得到，當Rb=258 kΩ和Rc=2 kΩ時，近似得到Vce=3.00 V和Vbe=0.80 V，這時有:

β=IcIb=(Vcc-Vce)/Rc(Vcc-Vbe)/Rb

=(9-3.00)/(2×103)(9-0.80)/(258×103)

=94.39

此時，β比較接近設定值，可以應用到此次實驗中。對于信號源，假定使用信號源的中心頻率為3.02 GHz，設置偏置網絡，連接兩個電容到網絡分析儀，如圖2所示。

對于一個連接好網絡分析儀的電路，可以進行雙端口測量，以及測量傳輸參數。Multisim 10軟件自帶有網絡分析儀。網絡分析儀主要測量信號所包含的頻率和頻率所對應的幅度。對于RF系統來說，可以應用到調制波的以及載波信息的失真。Multisim 10中的網絡分析儀所模擬的是實際中Agilent公司生產的HP8751A和HP8753E兩款網絡分析儀，可以方便的測量S、H、Y、Z四種參數，并且是高頻最常用的儀器之一。連接好電路打開網絡分析儀界面，如圖3所示。

圖2 連接入網絡分析儀的電路

圖3 圖2的網絡分析儀界面

對于一個無源負載條件下不會產生振蕩的電路穩定可以稱為“無條件穩定”，這時可以使用阻抗匹配器自動改變RF放大器的結構以便獲得最大增益阻抗。

為了獲得放大器以及源阻抗之間的最大匹配，必須要求放大器的輸入和輸出端口之間的阻抗匹配最大。這種阻抗匹配電路提供的最大功率傳輸適用于非常窄的頻帶，對于選頻網絡特別適合。圖2的網絡自動匹配結果如圖4所示。

圖4 圖2的網絡自動匹配的結果

應用圖4所得到的網絡參數，加入到原始電路圖中，所得電路圖如圖5所示。

圖5 最終設計的RF電路

5 結 語

無論是高頻還是低頻電子線路課程是 電子信息類學生必修的課程，它不但要求學生掌握電路的基本原理和計算方法，更重要的是培養學生對電路的分析、設計和創新能力，因此實驗教學在整個教學過程中成為不可缺少的一部分。

因此，利用Multisim 10進行射頻電路設計型實驗教學，改變了利用電子元器件、儀器等物質手段的傳統設計型實驗教學模式，從而更好地培養學生的實驗技能、提高學生的電路設計能力和設計周期，培養學生的科學作風和創新精神，為以后從事電子技術方面的工作打下良好的基礎。

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