微波电路及其CAD
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6
第六章 微波低噪声放大器的CAD
? 以有源小信号放大器为例介绍电路拓 扑，设定初值，确定优化算法，每步 应当注意的问题，主要从电路CAD设计 角度出发，除放大器以外，对其它电 路的设计也是普遍适用的。
7
第七章 微波滤波器的CAD
? 结合在电子工程系统中大量应 用的射频与微波滤波器，介绍 典型实例的CAD方法。
11
微波电路的组成和计算复杂性
? 每个微波电路都由一些微波传输线（波导、同轴线、微带线等） 和微波元器件组成，在微波频段，各种传输线和电路元件（如电
抗膜片、销钉、耦合微带、螺旋电感、各种传输结构的不连续性，
谐振器等等）的特性与其尺寸、形状、填充介质及工作频率有关，
有源器件的寄生参量效应在微波频段已十分严重，不容忽略。在
15
? 随着计算技术，元器件模型技术和精确的自动化 测试技术的发展，使原先只能用近似模型表示的 一些元器件可用比较精确的模型表示，从而使计 算机能较精确的模拟各种微波电路，通过人机对 话，使设计者能方便地改变电路参数，进行各种 模拟分析，这时计算机不再只是一种计算工具， 人们可以利用它试验各种设计思想。直到电路满 足预定特性。不过这时的CAD实质上只是一种 计算机辅助微波电路的分析即CAA 。后来最优 化设计与计算机辅助分析技术结合起来，使计算 机能根据分析结果自动修改电路元件参数，从而 使电路设计性能最优化 。这就是现代CAD概念16 。
CAD将是设计的唯一手段。
12
? 随着卫星通信，移动通信的蓬勃发展， 对微波电路小型化、标准化、模块化、 高成品率，提出了越来越高的要求，使 人们越来越依赖于CAD ，以免除烦琐调 测之苦，CAD成为微波工程师赖以生存 和发展的基本工具。
13
研究方法
? 微波CAD软件形形色色，我们应该做的不 是针对某具体CAD 软件，介绍它的使用方 法，操作规程，而是从微波电路的特性出 发，重点介绍它们的基本概念，设计原理 和分析方法。从而建立微波电路CAD系统 深入的知识，把握它的实质，使其对各种 CAD软件运用起来得心应手。
微波电路及其CAD
北京理工大学微波技术研究所
费元春
微波电路CAD课程内容：共七章
?
一. 微波电路CAD的发展及其功能(微波电路 CAD的发展、软件来源、软件功能)
二. 微波电路的计算机辅助分析（线性AYS和 非线性HB）
三. 微波电路最优化设计 四. 微波电路敏感度容差分析 五. 微波部件与电路的电磁仿真 六. 微波放大器的CAD 七. 微波滤波器的CAD
3
第三章 微波电路最优பைடு நூலகம்设计
? 本章数学性很强，最优化理论部分同学选修过， 不好讲，听起来不好听，自己看更费劲，但这 部分内容又很重要。没有最优化，就没有CAD， 要在短时间内讲清，完全掌握，不容易。拟将 内容浓缩，重点介绍最优化的基本概念，挑选 几种有代表性的方法做介绍，了解最优化是什 么？重点介绍电路，避免复杂推导，希望大家 对最优化的基本问题有了解。
? 7.Rhea.Randall W.Oscillator design and Computer Simulation”
? 8.李润旗等著 微波电路CAD软件应用技术 国防工业出版社 1996
? 9.王家礼编著，微波电路CAA与CAD。西安电子科技大学出版
社，2003
9
第一章 微波电路CAD的发展及其功能
电压源或电流源，也不易得到真正的微波
短路和开路，所以要精确测量A、Y参数
是很困难的.
?
从场的角度出发，应用边界元法解
Maxwell 方程，能得到电磁场分布，从而
获得精确的微波电路特性，以此为基础发
展成现今的二维、三维场分析软件。 29
微波部件和电路的电磁仿真 适宜应用的场合：
? 1)针对在微波电路CAD软件的元件库中没有列入的元件进行的， 微波电路中一些复杂形状的元件和结构是很多的，而且在不断的 增多。
从CAD软件发展来看：
? CAD在微波工程领域的大规模应用始于70年代 末。美国COMPACT 公司开发的通用微波电路 分析和优化设计软件－SUPER COMPACT 的 推广，在此之后，微波电路CAD蓬蓬勃勃地发 展起来，有许多专业微波电路CAD厂家出现， 其中有较大影响的包括大家比较熟悉的 COMPACT 公司，HP公司，EESOF公司， ANSOFT公司、APLACE Solutions Inc. 等。 几年前，EESOF公司被HP公司兼并，成为HPEESOF软件。
18
非线性电路分析设计：
? 如非线性有源电路的CAD：包括微波振荡器、 放大器、混频器、倍频器、开关等（Osc. Amp. Mixer. etc）。分析参数有驻波VSWR, 增益Gain、P1dB、相位噪声、谐波分析， 三阶交调分析、AM／PM转换系数等。
? 其它还包含有微波系统仿真、客差设计等 许多功能强大的软件。
2
第一章:微波电路CAD的发展及其功能 本章主要介绍微波电路CAD的发展、软件来 源、软件功能
第二章 微波电路计算机辅助分析方法 ? 本章主要介绍三种常用的线性电路分析
方法，包括A.Y.S 参数、矩阵法，非线性电路 分析技术在最近10年中发展很快，也有相应 的非线性分析软件出现。 ? 作为补充内容主要介绍目前微波非线性 CAD领域的状况，介绍最通用的谐波平衡法 （HB）方法。
20
微波CAD软件功能 ：有十余项
? 1. 线性微波电路分析
? 分析对象：包括线性微波无源电路和线性 微波有源电路两部份。线性微波无源电路包括 微波滤波器 filter ，耦合器Coupler ，阻抗匹配， 传输线元件分析等。
? 线性微波有源电路—窄带、宽带小信号放大 器（LNA ），振荡器起振条件分析等。
? 5.Gapta K.C.etc. Computer Aided Design of Microwave Circuits ﹒Didham MA:Artech House 1981
? puter-Aided Analysis of Nonlineer Microwave Circuits 共九章
10
也焕然一新。
微波电路的ＣＡＤ软件发展为何快？
? 原因有两方面：
1.一是和微波电路在现代通信、雷达、导航、电 子对抗、电子仪器等领域的广泛应用和发展需 求分不开;
2.另一方面的主要原因是和微波电路自身的复杂 性有关，因其特性分析十分复杂，设计计算量 很大，使研制周期长，成本高，急切需要开发 CAD，使之成为工程设计与科学研究的一个必 备的工具。
25
5. 微波电路的噪声分析
? 用于分析线性和非线性微波电路的噪声 特性。例如低噪声放大器的噪声分析， 微波振荡器的相位噪声分析，晶体管噪 声模型参数提取等。
? 软件有MDS、ANSOFT、APLAC 等。
26
6. 微波电路的优化设计
? 根据给定电路拓朴初值和电路设计指标， 通过CAD优化算法，自动改变元件值， 直到达最优性能。前面提到的软件都有 优化设计功能。
23
3．电路的直流分析、系统仿真
? 能够计算有直流电源的微波电路各器件 的直流工作点。
? Success 系统仿真，Sys CAD 系统分析 等。
24
4．非线性微波电路的瞬态分析
? 分析对象：强非线性微波电路、超高速 脉冲数字电路可进行电路的瞬态分析。
? 软件：Compact-Super ，Spice ， HP －Eesof ，micronquo Spice ， HP_Impluse 超高速脉冲数字电路分析、 大功率放大器的设计等。
4
第四章 微波电路灵敏度与容差分析
? 灵敏度部分重点介绍灵敏度的定义和 应用。容差部分，主要介绍基本的容 差分析方法。近年来，容差设计很受 重视，出现许多新概念、新分法。拟 补充中心值估计和容差检定。
5
第五章 微波部件与电路的电磁仿真
?介绍电磁仿真的基本原理，主 要结合实例介绍如何进行电磁 仿真。
14
1.2 微波电路的CAD 软件来源
1. 首先我们来看一看微波电路 CAD 软件的发展情 况。微波电路的 CAD 软件来自微波专家、学者、 微波软件工程师编制的软件，通过专业厂商、 图书公司、互联网等传播和推广。
2. 从CAD的技术内容讲发展，微波电路 CAD 的含 义和内容经历了一个发展变化的过程。早期的 CAD 只是利用计算机的精确而又快速的计算能 力，解决一些复杂的计算问题，例如微波电路中 的电磁边值问题和网络设计中的一些计算问题 .
? 1. 微波电路CAD的发展
?
计算机辅助设计（Computer Aided Design ）简称CAD。这
是五十年代末发展起来的新设计技术，是计算机应用领域的一个
重要方面。微波电路CAD软件，最早是在70年代末美国康柏
（Compact）公司开发的通用微波电路分析和优化设计软件 Super
Compact，该软件大约在80年代中传入我国。EESOF公司的
17
微波电路 CAD 的软件功能
? 微波电路CAD的软件功能包括路和埸两个方面。 就微波电路软件而言，又包括线性电路和非线 性电路分析设计两方面。电磁埸的分析包括天 线分析设计、射频结构电磁仿真等。
? 线性电路分析设计 ：如各种无源电路，如传 输线元件，微波滤波器、小信号放大器。分析 参数有驻波VSWR, 插损、噪声系数NF等特性。
27
7. 容差分析和容差设计
? 根据电路性能指标要求，计算达到性 能和一定成品率所需元件的容差，并 分析元件容差对电路性能的影响。通 过改变元件中心值使所生产的电路达 到最高成品率。
28
8. 微波部件和电路的电磁仿真
?
电路分析软件是从路的概念出发，应
用电压电流通过Z、Y、A参数来分析微波
电路，但由于在微波频段难以得到恒定的
? 线性微波电路分析方法：有节点导纳法、 双口矩阵法、散射参对法，用线性网络参数：21
? Y、A、S参数描述元件和网络，求得网络 参数，由网络参数导出电路性能。
? 相应的软件：Compact 公司的Super Compact软件，Eesof 公司的 Tanchstone 软件，Eaglement 公司的Smperstar软件， 以及ANSOFT、MDS、ADS、APLAC等软件的 线性电路分析。
22
2. 非线性微波电路分析方法
?
有Volterra 级数法、时域法、频域法、谐波平衡法
等。相应的软件有 ANSOFT 、HP－MDS ADS 、
Librp 、HP－EESOF、APLAC 等非线性电路分析软
件，大多数都采用谐波平衡法。在分析功能中都有调
谐扫描功能，能进行参数扫描，很有用处。
? 分析对象包括各类非线性微波电路 —功率放大器、振 荡器、混频器、倍频器、微波开关电路等。分析电路 的谐波特性，交调系数， 1dB 功率压缩点等。
8
主要参考书：
? 1.沈楚玉编著：微波电路的计算机辅助设计 西安交大出版社 1990
? 2.高葆新编著：微波电路的计算机辅助设计 清华大学出版社 1988
? 3.王惠功等编译：非线性微波毫米波电路分析与设计，北京邮电 学院出版社1991、 译自Slepnen A.Mass<Nonlinear Microwave 4.Circuits> 前五章
19
? 应当强调指出在发展CAD软件过程中，中国学 者作出了不可磨灭的贡献。在 land ，IE3DMH 由中国学生完成。对微波学者而言，有必要了 解目前微波CAD软件的发展水平及其CAD软 件功能分类，以选择合适的软件，帮助我们有 针对性地解决微波电路和系统设计中所碰到的 各种实际问题，使CAD成为微波电路和系统工 程设计的有效的工具。
Touchstone 软件,80年代日渐完善，88年推出这套软件时的功能
还比较单一，仅限于线性分析，界面也不方便，版本逐年升级提
高。到了91年，HP公司推出MDS、Libra 软件涌现出来了，功能
由线性分析设计发展到非线性设计，近几年又推出 ADS、APLAC、
CST等微波软件，性能相当完善，使用方便，界面很漂亮，面貌
一般情况下，精确表征它们的数学模型相当繁杂，精确分析和设
计微波电路所需用的计算量十分巨大，若不借助计算机软件往往
难以胜任。此外，微波集成电路（ＭＩＣ）特别是单片微波集成
电路（ＭＭＩＣ）一经制成便难予调整，要保证高的成品率，在
设计中必须考虑电路配件的制造公差和器件特性离散性对电路性
能的影响，如果不用计算机是无法完成的，对于 MMIC而言，
第六章 微波低噪声放大器的CAD
? 以有源小信号放大器为例介绍电路拓 扑，设定初值，确定优化算法，每步 应当注意的问题，主要从电路CAD设计 角度出发，除放大器以外，对其它电 路的设计也是普遍适用的。
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第七章 微波滤波器的CAD
? 结合在电子工程系统中大量应 用的射频与微波滤波器，介绍 典型实例的CAD方法。
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微波电路的组成和计算复杂性
? 每个微波电路都由一些微波传输线（波导、同轴线、微带线等） 和微波元器件组成，在微波频段，各种传输线和电路元件（如电
抗膜片、销钉、耦合微带、螺旋电感、各种传输结构的不连续性，
谐振器等等）的特性与其尺寸、形状、填充介质及工作频率有关，
有源器件的寄生参量效应在微波频段已十分严重，不容忽略。在
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? 随着计算技术，元器件模型技术和精确的自动化 测试技术的发展，使原先只能用近似模型表示的 一些元器件可用比较精确的模型表示，从而使计 算机能较精确的模拟各种微波电路，通过人机对 话，使设计者能方便地改变电路参数，进行各种 模拟分析，这时计算机不再只是一种计算工具， 人们可以利用它试验各种设计思想。直到电路满 足预定特性。不过这时的CAD实质上只是一种 计算机辅助微波电路的分析即CAA 。后来最优 化设计与计算机辅助分析技术结合起来，使计算 机能根据分析结果自动修改电路元件参数，从而 使电路设计性能最优化 。这就是现代CAD概念16 。
CAD将是设计的唯一手段。
12
? 随着卫星通信，移动通信的蓬勃发展， 对微波电路小型化、标准化、模块化、 高成品率，提出了越来越高的要求，使 人们越来越依赖于CAD ，以免除烦琐调 测之苦，CAD成为微波工程师赖以生存 和发展的基本工具。
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研究方法
? 微波CAD软件形形色色，我们应该做的不 是针对某具体CAD 软件，介绍它的使用方 法，操作规程，而是从微波电路的特性出 发，重点介绍它们的基本概念，设计原理 和分析方法。从而建立微波电路CAD系统 深入的知识，把握它的实质，使其对各种 CAD软件运用起来得心应手。
微波电路及其CAD
北京理工大学微波技术研究所
费元春
微波电路CAD课程内容：共七章
?
一. 微波电路CAD的发展及其功能(微波电路 CAD的发展、软件来源、软件功能)
二. 微波电路的计算机辅助分析（线性AYS和 非线性HB）
三. 微波电路最优化设计 四. 微波电路敏感度容差分析 五. 微波部件与电路的电磁仿真 六. 微波放大器的CAD 七. 微波滤波器的CAD
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第三章 微波电路最优பைடு நூலகம்设计
? 本章数学性很强，最优化理论部分同学选修过， 不好讲，听起来不好听，自己看更费劲，但这 部分内容又很重要。没有最优化，就没有CAD， 要在短时间内讲清，完全掌握，不容易。拟将 内容浓缩，重点介绍最优化的基本概念，挑选 几种有代表性的方法做介绍，了解最优化是什 么？重点介绍电路，避免复杂推导，希望大家 对最优化的基本问题有了解。
? 7.Rhea.Randall W.Oscillator design and Computer Simulation”
? 8.李润旗等著 微波电路CAD软件应用技术 国防工业出版社 1996
? 9.王家礼编著，微波电路CAA与CAD。西安电子科技大学出版
社，2003
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第一章 微波电路CAD的发展及其功能
电压源或电流源，也不易得到真正的微波
短路和开路，所以要精确测量A、Y参数
是很困难的.
?
从场的角度出发，应用边界元法解
Maxwell 方程，能得到电磁场分布，从而
获得精确的微波电路特性，以此为基础发
展成现今的二维、三维场分析软件。 29
微波部件和电路的电磁仿真 适宜应用的场合：
? 1)针对在微波电路CAD软件的元件库中没有列入的元件进行的， 微波电路中一些复杂形状的元件和结构是很多的，而且在不断的 增多。
从CAD软件发展来看：
? CAD在微波工程领域的大规模应用始于70年代 末。美国COMPACT 公司开发的通用微波电路 分析和优化设计软件－SUPER COMPACT 的 推广，在此之后，微波电路CAD蓬蓬勃勃地发 展起来，有许多专业微波电路CAD厂家出现， 其中有较大影响的包括大家比较熟悉的 COMPACT 公司，HP公司，EESOF公司， ANSOFT公司、APLACE Solutions Inc. 等。 几年前，EESOF公司被HP公司兼并，成为HPEESOF软件。
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非线性电路分析设计：
? 如非线性有源电路的CAD：包括微波振荡器、 放大器、混频器、倍频器、开关等（Osc. Amp. Mixer. etc）。分析参数有驻波VSWR, 增益Gain、P1dB、相位噪声、谐波分析， 三阶交调分析、AM／PM转换系数等。
? 其它还包含有微波系统仿真、客差设计等 许多功能强大的软件。
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第一章:微波电路CAD的发展及其功能 本章主要介绍微波电路CAD的发展、软件来 源、软件功能
第二章 微波电路计算机辅助分析方法 ? 本章主要介绍三种常用的线性电路分析
方法，包括A.Y.S 参数、矩阵法，非线性电路 分析技术在最近10年中发展很快，也有相应 的非线性分析软件出现。 ? 作为补充内容主要介绍目前微波非线性 CAD领域的状况，介绍最通用的谐波平衡法 （HB）方法。
20
微波CAD软件功能 ：有十余项
? 1. 线性微波电路分析
? 分析对象：包括线性微波无源电路和线性 微波有源电路两部份。线性微波无源电路包括 微波滤波器 filter ，耦合器Coupler ，阻抗匹配， 传输线元件分析等。
? 线性微波有源电路—窄带、宽带小信号放大 器（LNA ），振荡器起振条件分析等。
? 5.Gapta K.C.etc. Computer Aided Design of Microwave Circuits ﹒Didham MA:Artech House 1981
? puter-Aided Analysis of Nonlineer Microwave Circuits 共九章
10
也焕然一新。
微波电路的ＣＡＤ软件发展为何快？
? 原因有两方面：
1.一是和微波电路在现代通信、雷达、导航、电 子对抗、电子仪器等领域的广泛应用和发展需 求分不开;
2.另一方面的主要原因是和微波电路自身的复杂 性有关，因其特性分析十分复杂，设计计算量 很大，使研制周期长，成本高，急切需要开发 CAD，使之成为工程设计与科学研究的一个必 备的工具。
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5. 微波电路的噪声分析
? 用于分析线性和非线性微波电路的噪声 特性。例如低噪声放大器的噪声分析， 微波振荡器的相位噪声分析，晶体管噪 声模型参数提取等。
? 软件有MDS、ANSOFT、APLAC 等。
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6. 微波电路的优化设计
? 根据给定电路拓朴初值和电路设计指标， 通过CAD优化算法，自动改变元件值， 直到达最优性能。前面提到的软件都有 优化设计功能。
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3．电路的直流分析、系统仿真
? 能够计算有直流电源的微波电路各器件 的直流工作点。
? Success 系统仿真，Sys CAD 系统分析 等。
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4．非线性微波电路的瞬态分析
? 分析对象：强非线性微波电路、超高速 脉冲数字电路可进行电路的瞬态分析。
? 软件：Compact-Super ，Spice ， HP －Eesof ，micronquo Spice ， HP_Impluse 超高速脉冲数字电路分析、 大功率放大器的设计等。
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第四章 微波电路灵敏度与容差分析
? 灵敏度部分重点介绍灵敏度的定义和 应用。容差部分，主要介绍基本的容 差分析方法。近年来，容差设计很受 重视，出现许多新概念、新分法。拟 补充中心值估计和容差检定。
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第五章 微波部件与电路的电磁仿真
?介绍电磁仿真的基本原理，主 要结合实例介绍如何进行电磁 仿真。
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1.2 微波电路的CAD 软件来源
1. 首先我们来看一看微波电路 CAD 软件的发展情 况。微波电路的 CAD 软件来自微波专家、学者、 微波软件工程师编制的软件，通过专业厂商、 图书公司、互联网等传播和推广。
2. 从CAD的技术内容讲发展，微波电路 CAD 的含 义和内容经历了一个发展变化的过程。早期的 CAD 只是利用计算机的精确而又快速的计算能 力，解决一些复杂的计算问题，例如微波电路中 的电磁边值问题和网络设计中的一些计算问题 .
? 1. 微波电路CAD的发展
?
计算机辅助设计（Computer Aided Design ）简称CAD。这
是五十年代末发展起来的新设计技术，是计算机应用领域的一个
重要方面。微波电路CAD软件，最早是在70年代末美国康柏
（Compact）公司开发的通用微波电路分析和优化设计软件 Super
Compact，该软件大约在80年代中传入我国。EESOF公司的
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微波电路 CAD 的软件功能
? 微波电路CAD的软件功能包括路和埸两个方面。 就微波电路软件而言，又包括线性电路和非线 性电路分析设计两方面。电磁埸的分析包括天 线分析设计、射频结构电磁仿真等。
? 线性电路分析设计 ：如各种无源电路，如传 输线元件，微波滤波器、小信号放大器。分析 参数有驻波VSWR, 插损、噪声系数NF等特性。
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7. 容差分析和容差设计
? 根据电路性能指标要求，计算达到性 能和一定成品率所需元件的容差，并 分析元件容差对电路性能的影响。通 过改变元件中心值使所生产的电路达 到最高成品率。
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8. 微波部件和电路的电磁仿真
?
电路分析软件是从路的概念出发，应
用电压电流通过Z、Y、A参数来分析微波
电路，但由于在微波频段难以得到恒定的
? 线性微波电路分析方法：有节点导纳法、 双口矩阵法、散射参对法，用线性网络参数：21
? Y、A、S参数描述元件和网络，求得网络 参数，由网络参数导出电路性能。
? 相应的软件：Compact 公司的Super Compact软件，Eesof 公司的 Tanchstone 软件，Eaglement 公司的Smperstar软件， 以及ANSOFT、MDS、ADS、APLAC等软件的 线性电路分析。
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2. 非线性微波电路分析方法
?
有Volterra 级数法、时域法、频域法、谐波平衡法
等。相应的软件有 ANSOFT 、HP－MDS ADS 、
Librp 、HP－EESOF、APLAC 等非线性电路分析软
件，大多数都采用谐波平衡法。在分析功能中都有调
谐扫描功能，能进行参数扫描，很有用处。
? 分析对象包括各类非线性微波电路 —功率放大器、振 荡器、混频器、倍频器、微波开关电路等。分析电路 的谐波特性，交调系数， 1dB 功率压缩点等。
8
主要参考书：
? 1.沈楚玉编著：微波电路的计算机辅助设计 西安交大出版社 1990
? 2.高葆新编著：微波电路的计算机辅助设计 清华大学出版社 1988
? 3.王惠功等编译：非线性微波毫米波电路分析与设计，北京邮电 学院出版社1991、 译自Slepnen A.Mass<Nonlinear Microwave 4.Circuits> 前五章
19
? 应当强调指出在发展CAD软件过程中，中国学 者作出了不可磨灭的贡献。在 land ，IE3DMH 由中国学生完成。对微波学者而言，有必要了 解目前微波CAD软件的发展水平及其CAD软 件功能分类，以选择合适的软件，帮助我们有 针对性地解决微波电路和系统设计中所碰到的 各种实际问题，使CAD成为微波电路和系统工 程设计的有效的工具。
Touchstone 软件,80年代日渐完善，88年推出这套软件时的功能
还比较单一，仅限于线性分析，界面也不方便，版本逐年升级提
高。到了91年，HP公司推出MDS、Libra 软件涌现出来了，功能
由线性分析设计发展到非线性设计，近几年又推出 ADS、APLAC、
CST等微波软件，性能相当完善，使用方便，界面很漂亮，面貌
一般情况下，精确表征它们的数学模型相当繁杂，精确分析和设
计微波电路所需用的计算量十分巨大，若不借助计算机软件往往
难以胜任。此外，微波集成电路（ＭＩＣ）特别是单片微波集成
电路（ＭＭＩＣ）一经制成便难予调整，要保证高的成品率，在
设计中必须考虑电路配件的制造公差和器件特性离散性对电路性
能的影响，如果不用计算机是无法完成的，对于 MMIC而言，