微波課程技術(shù)與實踐--課程設(shè)計.docx

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 課程設(shè)計題目微波技術(shù)及應(yīng)用實踐學院通信工程專業(yè)通信工程年級2013級設(shè)計要求：1、 微帶低通濾波器 2、微帶功分器通帶頻率：2.2GHz 工作中心頻率：2.2GHz止帶頻率：4.3GHz 通帶波紋：0.5dB輸入輸出阻抗：50衰減40 dB3、微帶帶通濾波器 4、射頻放大器帶內(nèi)波紋：0.1dB 工作頻率：2.7GHz中心頻率：3GHz 增益：15dB下邊頻：2.5GHz 帶寬：150MHz上邊頻：3.5GHz 噪聲系數(shù)：30dB 學生應(yīng)完成的工作： 分別完成微帶低通濾波器、功率分配器、帶通濾波器和放大器的一系列工作 1）電路原理圖設(shè)計； 2）進行相應(yīng)的仿真和調(diào)試； 3）進行相應(yīng)的Layout圖的設(shè)計； 4）進行電磁能量圖仿真參考資料：微波技術(shù)基礎(chǔ)廖承恩 編著 西安電子科技大學出版社微波技術(shù)及光纖通信實驗韓慶文 主編 重慶大學出版社射頻電路設(shè)計理論與應(yīng)用Reinhold Ludwig Pavel Bretchko 編著 電子工業(yè)出版社課程設(shè)計工作計劃： 設(shè)計分兩周進行： 第一周完成切比雪夫低通濾波器和威爾金森功分器的設(shè)計 第二周完成微帶濾波器和放大器的設(shè)計任務(wù)下達日期 年 月 日 完成日期 年 月 日指導教師 （簽名） 學生 （簽名）此文檔僅供學習與交流摘要本次主要涉及了低通濾波器，功分器，放大器和帶通濾波器，用到了AWR，MATHCAD和ADS軟件。低通濾波器：根據(jù)設(shè)計的要求利用MATHCAD得到階數(shù)N=5，并得到原型中的元件值g和串L并C型的電容電感值。然后用ADS軟件進行理論電路原理圖的仿真與分析，然后用Kuroda規(guī)則進行微帶線串并聯(lián)互換，反歸一化得出各段微帶線的特性阻抗，之后在ADS軟件中用LineCalc算出各條微帶線的長寬，進而畫出微帶線電路圖并進行仿真分析以及EM板仿真與驗證。功分器：根據(jù)威爾金森功率分配器的結(jié)構(gòu)原理以及所要求的功率分配比，計算出各部分的阻抗值，染個設(shè)置合理的微帶線基板參數(shù)再利用ADS軟件中用LineCalc就可以求出各微帶線的實際長寬值。之后利用ADS進行微帶線電路圖的仿真分析并結(jié)合EM版圖分析驗證功率分配情況，經(jīng)驗證設(shè)計是滿足設(shè)計要求的。放大器：一是根據(jù)要求，選擇合適的管子，需在選定的頻率點滿足增益，噪聲放大系數(shù)等要求。二是設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，采用了單項化射界和雙邊放大器設(shè)計兩種方法。具體是用ADS中的Smith圓圖工具SmitChaitUtility來輔助設(shè)計，得到了微帶顯得電長度，再選定基板，用ADS中的LineCalc計算微帶線的長和寬。最后在ADS中畫出原理圖并進行仿真，主要是對S參數(shù)的仿真。為了達到所要求的增益，采用兩級放大。帶通濾波器：首先根據(jù)要求選定低通原型，算出耦合傳輸線的奇模，偶模阻抗，再選定合適的基板參數(shù)，用ADS的LineCalc計算耦合微帶線的長和寬，最后畫出微帶線原理圖并進行仿真分析與驗證。關(guān)鍵詞：低通原型，Kuroda規(guī)則，功率分配比，匹配網(wǎng)絡(luò)，微帶線課程設(shè)計正文1. 切比雪夫低通濾波器的設(shè)計1.1 設(shè)計要求：五階微帶低通濾波器：截止頻率2.2GHZ 止帶頻率：4.3GHZ 通帶波紋：0.5dB止帶衰減大于40dB 輸入輸出阻抗：50歐1.2 設(shè)計原理： 切比雪夫低通濾波器具有陡峭的通帶阻帶過渡特性，且陡峭程度與帶內(nèi)波紋有關(guān)。一般來說波紋越大，通帶阻帶過渡越陡峭。在通帶外，切比雪夫低通濾波器衰減特性較其他低通濾波器提高很多倍。切比雪夫低通濾波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動。為了將低通原型的截止頻率從1變換到wC，需要乘以因子1/wC來確定濾波器的頻率，這是通過w/wC來代替w的。 = = 對于低通原型中的串聯(lián)電感j，并聯(lián)電容j變換為低通濾波器中的感抗，容抗，可通過下面的公式來計算：1.3 設(shè)計流程圖：性能指標分析Mathcad參數(shù)計算繪制集總元件圖集總元件性能仿真分布參數(shù)計算繪制微帶線圖參數(shù)修改性能仿真繪制EM圖電磁仿真驗證修改成功1.4 設(shè)計步驟：步驟1：利用MATHCAD進行參數(shù)計算：畫出歸一化低通原型的電路圖如圖一所示：圖一 集總參數(shù)模型圖步驟2：集總元件的繪制與仿真由于輸入輸出阻抗為50 Ohm，用原型值進行阻抗變換，得到各組件的真實值，用ADS軟件畫出相應(yīng)的電路圖如圖二所示：圖二 集總參數(shù)原理圖得到相應(yīng)的S參數(shù)仿真圖：圖三 低通原型S參數(shù)仿真圖從s11參數(shù)仿真圖可以看出，0到1GHZ左右的范圍內(nèi)衰減為0，在頻率為2.2GHZ處，其衰減剛好為3dB.在止帶頻率4.3GHZ處，其衰減接近40dB，通帶阻帶過渡陡峭，低通特性良好，滿足設(shè)計要求。Smith圓圖仿真：從圖中可以看到：仿真軌跡最終到達匹配點Z=1，可知輸入輸出帶到了匹配。步驟3： 分布元件參數(shù)的計算用圖二中開路，短路的并聯(lián)，串聯(lián)微帶線替換圖一中的電容和電感，只需直接運用Richards變換即可得到微帶線的特性阻抗和特性導納為：圖四 用串聯(lián)并聯(lián)微帶線代替電感器和電容器 為了在信號端和負載端達到匹配并使濾波器容易實現(xiàn)，需要引入單元組件以便能夠應(yīng)用第一和第二個Kuroda規(guī)則，從而將所有串聯(lián)線段變?yōu)椴⒙?lián)線段。由于這是一個五階低通濾波器，我們必須配置總共4個單位組件以便將所有串聯(lián)短路線變?yōu)椴⒙?lián)開路線段。首先，在濾波器的輸入，輸出端口引入兩個單位元件：圖五 配置第一套單位元件因為單位元件與信號源及負載的阻抗都是匹配的，所以引入它們并不影響濾波器的特性。對于第一個并聯(lián)短線和最后一個并聯(lián)短線應(yīng)用Kuroda準則后的結(jié)果如圖所示： 圖六 將并聯(lián)線變換為串聯(lián)線因為這個電路有四個串聯(lián)短線，所以仍然無法實現(xiàn)。如果要將它們變換成并聯(lián)形式，還必需再配置兩個單位元件。如圖七所示：圖七 配置第二套單元元件因為單元元件與信號源及負載的阻抗相匹配，所以引入他們并不影響濾波器的特性。對于圖七中的電路應(yīng)用Kuroda法則，則可以得到如圖八所示的電路，真正能夠?qū)崿F(xiàn)的濾波器設(shè)計結(jié)果： 圖八 利用Kuroda法則將串聯(lián)短路線變?yōu)椴⒙?lián)短路線的濾波器電路對應(yīng)的阻抗值為：經(jīng)計算后得到的各個值為：= = =2.5531.6440.442 1.6440.372步驟四：反歸一化。將單位元件的輸入，輸出阻抗變成50歐的比例變換。得到實際阻抗的值。反歸一化后得到的值:= = =127.67582.18522.12 82.54518.58通過使用ADS軟件對所設(shè)計的濾波器的微帶線尺寸進行調(diào)整，最終基本達到設(shè)計的要求。利用ADS的LineCalc工具計算出微帶線的長度與寬度。在基板參數(shù)設(shè)置為：Er=4.000，H=1.5mm，T=35.000um，F(xiàn)req=2.2GHz，E_Eff=45.000deg條件下，計算后得到的長度,寬度值：阻抗值（Ohm）L微帶線長度（mm）W微帶線寬度（mm）Z0 509.766840 1.396250 Z1=Z5 127.675 10.593400 0.128161 = 82.185 10.178500 0.518202 = 22.12 9.230900 4.492130= 82.545 10.182300 0.51272018.58 9.1402905.580870步驟五：繪制微帶線原理圖并仿真1. 用ADS軟件畫出微帶線原理圖如下圖：2. 對微帶線原理圖進行仿真得到S參數(shù)仿真圖：從s參數(shù)仿真圖可以看出，0到2GHZ范圍內(nèi)衰減為0，由于是用微帶線設(shè)計的濾波器，在截止頻率為2.2GHZ處，其衰減為23dB.在止帶頻率4.3GHZ處，其衰減大于134dB，其衰減大于40dB。通帶阻帶過渡陡峭，低通特性良好，滿足設(shè)計要求。然后對微帶線原理圖用Smith圓圖進行仿真，如下圖：在08GHZ范圍內(nèi)的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，當0GHZ時，從匹配點開始反射系數(shù)組建增大，當頻率在0到2.2GHZ的變化過程中，仿真軌跡均在Z=1這個匹配點附近移動，因此，能量大部分可以傳輸出去。當頻率大于2.2GHZ時，我們發(fā)現(xiàn)軌跡點迅速失配，移向Smith圓圖的最外圈，能量將不能從此濾波器傳輸出去，因此，該濾波器從總體上達到了設(shè)計上的要求。步驟五：繪制EM圖仿真得出EM板電磁流圖如下圖所示： 從圖中可以清楚的觀察到，濾波器中的電磁能量在輸入輸出端口不停的流動，表現(xiàn)為箭頭不時的向某個方向流動，由黃色部分可以看出電磁能量在整個濾波器中流通，說明了成功的設(shè)計了低通濾波器。使用3Dview，可得到：2.功分器的設(shè)計2.1設(shè)計要求工作頻率： 2.2GHz 功率分配比：P1:P2=1:1輸入輸出阻抗：50 Ohm2.2 設(shè)計原理1. 在微波系統(tǒng)中，有時需要將傳輸功率分幾路傳送到不同的負載中去，或?qū)茁饭β屎铣蔀橐宦饭β?，以獲得更大的功率。此時便需要應(yīng)用三端口功率分配/合成元件。對這種元件的基本要求是損耗小、駐波比小、頻帶寬。2. 功分器是三端口網(wǎng)絡(luò)，信號輸入端(PORT-1)的輸入功率為，其他兩個輸出端(PORT-2及PORT-3)的輸出功率分別為P及P。由能量守恒定律知= P+ P。功分器大致可分為等分型（P= P）和比例型（P=K* P）。常用的功分器有： 一般型分叉型環(huán)型3 威爾金森功分器是功分器的一種，可以做到完全匹配而且輸出端口之間具有完全隔離的三端口網(wǎng)絡(luò)，它可以實現(xiàn)任意的功分配比。可以很方便的用微帶線或帶狀線來做，廣泛應(yīng)用于陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)。2.3 設(shè)計步驟：步驟一：等分威爾金森功分器的參數(shù)計算等功分威爾金森功率分配器的模型如下圖所示：根據(jù)功率關(guān)系可求得如下設(shè)計方程： =70.7 =70.7 =100 R1=R2=50其中K=1，Z0=50 Ohm ；步驟二：用ADS軟件計算微帶線長度和寬度，畫出原理圖將圖中的R,Z02,Z03數(shù)據(jù)用LineCalc將相應(yīng)的電阻值等效為微帶線。 Er=4.000，H=1.5mm，T=35.000um，F(xiàn)req=2.2GHz，E_Eff=90.000deg阻抗值（Ohm）L微帶線長度（mm）W微帶線寬度（mm）Z0 5019.391400 3.034320 Z02/Z03 70.7 19.932900 1.602830根據(jù)威爾金森功分器的結(jié)構(gòu)繪制相應(yīng)的原理圖：步驟三：對威爾金森功分器進行仿真1. S參數(shù)仿真從圖中可以看出：在頻率為2。2GHZ的時候，S11達到最小為-44.024dB，即在工作頻率時輸入端的反射系數(shù)最小，同時S21=S31左右，可以知道，設(shè)計的功分器剛剛好達到1：1的功分比，故設(shè)計初步達到要求。2.Smith圓圖仿真：從圖中可以觀察到：在頻率為2GHz的時候，輸入輸出端口剛好達到匹配。步驟四：繪制EM圖1.用快捷鍵layout，得到EM板的平面圖。點擊快捷鍵或選擇在兩個端口加上箭頭，為使電磁能量能在輸入輸出端口流動。選擇適當?shù)姆抡娣秶?，在EM板上加端口，仿真得出EM板電磁流圖如下圖所示：藍色部分表示電磁能量的分布。上面是動圖的某一瞬間的截圖。從圖中可以清楚的觀察到，功分器中的電磁能量在輸入輸出端口不停的流動，表現(xiàn)為箭頭不時的向某個方向流動，由黃色部分可以看出電磁能量在整個功分器中流通，說明了成功的設(shè)計了功分器。點擊3D view得出EM板立體圖?？傻肊M板參數(shù)如下圖所示：3.轉(zhuǎn)彎頭威爾金森功分器的設(shè)計3.1 設(shè)計指標：等功分器：P1:P2=1,即K=1;工作頻率為：2GHz 。3.2 設(shè)計原理： 本著節(jié)省原料為原則設(shè)計的彎曲的威爾金森功分器，其基本原理與等功分器的設(shè)計一樣，都是用微帶線的設(shè)計來實現(xiàn)，不同在于隔離電阻用的是有長寬參數(shù)的電阻進行設(shè)計。3.3 設(shè)計步驟： 步驟一：根據(jù)阻抗值來求得功分器的參數(shù)并畫出原理圖：1.本次設(shè)計的為轉(zhuǎn)彎頭的威爾金森等功分器。根據(jù)功率關(guān)系可求得如下設(shè)計方程： =70.7=70.7 =100 R1=R2=501. 選取材料為copper，H=3000um，T=35um，介電常數(shù)=4的基板，用Txline計算出下表的值（其中中心頻率為2GHZ）： 圖一 利用Txline計算微帶線的長與寬阻抗值（Ohm）微帶線寬度（um）微帶線長度（um）Z0/R2/R3 50 6399.7 20856 Z02/Z03 70.7 3413.1 214573用AWR軟件畫出原理圖，設(shè)計時將Z02，Z03，R2,R3,對應(yīng)的微帶線分成若干，總長度要保持不變，寬度不變，轉(zhuǎn)彎頭寬度和微帶線保持一致，得到原理圖如下圖所示： 圖二 轉(zhuǎn)彎頭威爾金森功分器的原理圖步驟二：對威爾金森功分器進行參數(shù)仿真1. 對功分器進行S參數(shù)仿真：2. 圖三 S參數(shù)曲線圖由圖中可以看出：在頻率為1.43GHZ的時候，S11達到最小，即在工作頻率的時候反射系數(shù)達到最小。同時傳輸?shù)?，3的傳輸系數(shù)分別為S21，S31,二者重合，達到威爾金森功分器等功率比的要求。同時可以觀察到S23在工作頻率的視乎達到最小，隔離度最小。從而可以看出電阻達到匹配。注意薄膜電阻的計算方式RS*L/W=R來實現(xiàn)100歐姆的值。2.對威爾金森功分器進行Smith圓圖仿真： 圖四 史密斯圓圖仿真由圖中可以觀察到在工作頻率時，電阻達到匹配，而在其他頻率時，S11的衰減比較大，基本上符合設(shè)計的要求。步驟三：繪制EM圖：用快捷鍵view layout，得到EM板的平面圖。在用view layout得到平面圖后，通常有未連接的地方或者排列混亂，在點擊edit下的select all后，再點擊edit下的snap together，可以得到排列整齊并且各處連接正常的圖形如下：步驟四：EM板導入導出及仿真：1）點擊layout/export layout 導出project1.gds；2）點擊project/Add EM structure/Import EM structure 導入project1.gds得到EM結(jié)構(gòu)圖如下：調(diào)節(jié)y尺寸使得元件置于中間位置，上下留出空間。點擊快捷鍵或選擇在兩個端口加上箭頭，為使電磁能量能在輸入輸出端口流動，加上箭頭后上圖所示。3）Option/project option 選擇適當?shù)姆抡娣秶?，在EM板上加端口，仿真得出EM板電磁流圖如下圖所示： 從圖中可以清楚的觀察到，功分器中的電磁能量在輸入輸出端口不停的流動，表現(xiàn)為箭頭不時的向某個方向流動，由黃色部分可以看出電磁能量在整個功分器中流通，說明了成功的設(shè)計了等功分器4) 點擊3D view得出EM板立體圖?？傻肊M板參數(shù)如下圖所示： 5)4.帶通濾波器的設(shè)計4.1 設(shè)計要求：帶內(nèi)波紋：0.1dB 中心頻率：3.0GHz 下邊頻：2.5GHz 上邊頻：3.5GHz 在4.5GHz頻率點衰減30dB 4.2 設(shè)計原理： 帶通濾波器的設(shè)計是用帶通濾波器單元級聯(lián)構(gòu)成的，級聯(lián)時需要是每個單元的兩個端口都與下一個元件匹配。4.3 設(shè)計步驟：步驟一：選擇適當?shù)牡屯V波器原型 根據(jù)通帶波紋，截止頻率和衰減特性的要求，用MATHCAD軟件計算出低通濾波器原型值，如下所示：步驟二：求解帶通濾波器的奇偶模阻抗值與其微帶線參數(shù)，畫出原理圖 1. 根據(jù)分數(shù)帶寬，低通原型計算出導納變換的值： 2. 求出導納變換值后，可以根據(jù)下面的公式計算出奇偶模阻抗：3.根據(jù)奇偶模阻抗值，選定基板的參數(shù)H=1500um，T=30um，介電常數(shù)Er=4，確定微帶耦合線的尺寸以及耦合間距。 io奇模特性阻抗（Ohm）e偶模特性阻抗（Ohm） 00.6778 39.08 106.86 1 0.4417 37.67 81.84 2 0.3428 38.74 73.02 3 0.3428 38.74 73.02 4 0.4417 37.67 81.84 5 0.6778 39.08 106.864.再用LinCalc計算出各段微帶線的W,S,L參數(shù)，如下表所示：o奇模特性阻抗（Ohm）e偶模特性阻抗（Ohm） W(mil) S(mil) L（mil） 39.08 106.86 865.833 212.97615107 37.67 81.841406.93314.57414698 38.74 73.021657.35456.1214514步驟三：對帶通濾波器的原理圖進行參數(shù)仿真：圖一 微帶線原理圖圖二 S參數(shù)仿真圖三 Simith圓圖由S參數(shù)曲線圖可以看出：通帶范圍為2.5 GHZ到3.5GHZ，即帶寬為1000MHZ,在4.5GHZ處衰減為40 dB左右，滿足衰減大于30 dB的要求。步驟四：繪制EM平面圖圖：圖四 帶通濾波器EM板的平面圖步驟五：E M板導入導出及仿真在EM板上加端口，仿真得出EM板電磁流圖如下圖所示： 從圖中可以清楚的觀察到，濾波器中的電磁能量在輸入輸出端口不停的流動，表現(xiàn)為箭頭不時的向某個方向流動。圖五 帶通濾波器的能量圖能量不能通過的情形：4) 3D view得出EM板立體圖。可得EM板參數(shù)如下圖所示： 圖六：帶通濾波器的立體圖5.射頻放大器3.1 設(shè)計要求中心頻率： 2.7 GHZ增益： 15 dB帶寬： 150 MHZ噪聲系數(shù)： 3dB3.2第一級放大器設(shè)計1.建立原理圖，對電路仿真。2.最小噪聲仿真。3.S參數(shù)仿真。從圖中可以觀察到在頻率點為2.7GHZ時，可以得到輸入輸出端口的電阻匹配值：輸入端口匹配電阻Zs=Z0*(0.311+j*0.111)，輸出端口匹配電阻Zl=Z0*(1.192-j*1.053)。從圖中可以觀察到在2.7GHZ的時候第一級放大管的放大倍數(shù)為2.333dB。3.3第二級放大器設(shè)計1.建立原理圖，對電路仿真。2.放大倍數(shù)仿真。3.S參數(shù)仿真。從圖中可以觀察到在頻率點為2.7GHZ時，可以得到輸入輸出端口的電阻匹配值。在2.7GHZ的時候第二級放大管的放大倍數(shù)