薄膜衰減片的仿真設(shè)計(jì)

1、電子工程學(xué)院中國(guó)人民解 放 軍2014屆本科學(xué)員畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告論文題目： 薄膜衰減片的仿真設(shè)計(jì)學(xué)員姓名： 崔國(guó)瑞學(xué)員隊(duì)別： 二十三隊(duì)專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)： 雷 達(dá) 工 程指導(dǎo)教員： 唐 偉二一四年 月 日指導(dǎo)教員對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告的評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教員： 日期： 年 月 日室級(jí)答辯評(píng)語(yǔ)及成績(jī)：答辯組負(fù)責(zé)人： 日期： 年 月 日專(zhuān)業(yè)系意見(jiàn)：專(zhuān)業(yè)系領(lǐng)導(dǎo)： 日期： 年 月 日院級(jí)答辯評(píng)語(yǔ)及成績(jī)：答辯組負(fù)責(zé)人： 日期： 年 月 日摘要隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微波無(wú)源組件作為無(wú)線通信及雷達(dá)系統(tǒng)的核心器件之一，要向小型化、輕量化、高性能和高可靠性的方向發(fā)展。本文研究了微帶衰減器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了兩種類(lèi)型結(jié)構(gòu)的小

2、型衰減器。運(yùn)用散射網(wǎng)絡(luò)分析方法重點(diǎn)研究了無(wú)源電阻式衰減器，根據(jù)分析和仿真結(jié)果優(yōu)化衰減片的參數(shù)。以片式器件的形式設(shè)計(jì)了衰減量分別為3dB, 6dB,固定衰減器和衰減組。采用Ansoft HFSS軟件建立的器件模型，性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。AbstractAlong with the development of micro-electronics technology, computer technology, wireless communications and microwave passive components as one of the core components of the ra

3、dar system, to the small size, light weight, high performance, and high reliability of. Design method of microstrip Attenuator is studied, designed a structure of two types of small attenuator. Method for analysis using the scattering network focuses on passive resistive attenuators attenuation para

4、meter optimization based on analysis and simulation results. Based on a Tablet-style device is designed in the form of attenuation difference 3dB, 6dB, fixed attenuator and attenuated group. Ansoft HFSS software model of the device, the performance meets the design requirements.目錄1. 引言12微波功率衰減器的理論基礎(chǔ)

5、12.1.功率衰減器的原理22.2.功率衰減器的基本構(gòu)成22.3.功率衰減器的主要用途22.4.功率衰減器的技術(shù)指標(biāo)32.4.1工作頻帶32.4.2衰減量32.4.3功率容量42.4.4回波損耗42.4.5功率系數(shù)52.4.6最大平均功率53衰減器的分類(lèi)53.1.集總參數(shù)衰減器53.1.1.T型同阻衰減器63.1.2.型同阻73.2.分布參數(shù)衰減器83.2.1.同軸型衰減器83.2.2.波導(dǎo)型衰減器93.2.3.微帶衰減器114.衰減器的設(shè)計(jì)方法114.1 微波仿真軟件簡(jiǎn)介124.2. 微帶衰減器的設(shè)計(jì)過(guò)程134.2.1.技術(shù)指標(biāo)的定義134.2.2.原理電路和元件參數(shù)的設(shè)計(jì)134.2.3.

6、3D模型建立和仿真優(yōu)化134.2.4. 模型加工及測(cè)試144.3. 懸置微帶薄膜衰減片設(shè)計(jì)與仿真144.3.1. 同阻式薄膜衰減片3db衰減器154.3.2. 同阻式薄膜衰減片6db衰減器194.3.3. 薄膜衰減片衰減器組215總結(jié)26致謝：26參考文獻(xiàn)271. 引言衰減器作為一種基本的電子元件應(yīng)用十分廣泛。例如在測(cè)量大功率的過(guò)程中，可以利用衰減器來(lái)降低功率到適合儀器測(cè)量的水平上。分布參數(shù)小、頻率響應(yīng)較好是微帶型功率衰減器的突出優(yōu)點(diǎn)，因此在各種微波系統(tǒng)和設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。隨著通訊在環(huán)保，醫(yī)療，衛(wèi)星，軍事，廣播，電視等各方面領(lǐng)域的迅速發(fā)展，為了提供更好的通訊服務(wù)，提高信息傳播的速度，保密性，完

7、整性，我們對(duì)通訊設(shè)備要求也越來(lái)越高。 特別在自動(dòng)測(cè)試與控制方面，我們需要體積小、寬頻帶、動(dòng)態(tài)范圍大、精度高并且能夠?qū)崿F(xiàn)由計(jì)算機(jī)程序控制的可變衰減器，即程控衰減器。而衰減器中最為重要的核心部件，便是衰減片。薄膜衰減片具有頻帶范圍寬、駐波系數(shù)小、衰減量精密平坦、體積小等許多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在電子通訊、雷達(dá)技術(shù)、寬頻帶測(cè)童以及精密傳輸線等方面獲得了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。 隨著近幾年國(guó)內(nèi)各類(lèi)高端產(chǎn)品對(duì)信息傳播的要求日益提高，高端進(jìn)口應(yīng)用模式的國(guó)內(nèi)制造理念已經(jīng)很難長(zhǎng)久。 一來(lái)只有某些特大型國(guó)有企業(yè)有資金發(fā)展高端產(chǎn)品，但由于大量依賴(lài)進(jìn)口，成本高昂，本地化發(fā)展緩慢，產(chǎn)能不足，已經(jīng)嚴(yán)重制約日益提高的國(guó)內(nèi)消費(fèi)要求，同時(shí)

8、也大大加重了國(guó)家的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。 二來(lái)由于西方雖然對(duì)我國(guó)輸出高端產(chǎn)品，但技術(shù)輸出卻步步限制，高端測(cè)試設(shè)備，工藝設(shè)備，限制出口，導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)空有理論發(fā)展，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品，只能為國(guó)外所壟斷。所以目前我們急需使產(chǎn)品在降低成本的前提下，提高性能，以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。2微波功率衰減器的理論基礎(chǔ)衰減器是一種用于傳輸系統(tǒng)中降低輸入信號(hào)功率，而不會(huì)引起信號(hào)產(chǎn)生顯著畸變的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。作為一種能量損耗性射頻/微波元件，內(nèi)部含有電阻性材料。除了常用的電阻性固定衰減器以外，還有各種利用PIN二極管和場(chǎng)效應(yīng)管制造的電控快速調(diào)整的可變衰減器。為了調(diào)節(jié)電路傳輸電平，實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)多端口對(duì)電平的要求，可以用衰減器對(duì)信號(hào)源去

9、耦，也可以用其緩沖阻抗變換帶來(lái)的影響，達(dá)到改善阻抗匹配的目的。目前，微波衰減器作為一種常見(jiàn)的器件，已經(jīng)廣泛使用于需要功率電平調(diào)整的各類(lèi)場(chǎng)合。2.1.功率衰減器的原理所謂功率衰減器，就是一種能夠在指定的頻率范圍引入預(yù)先指定衰減的電路。一般以所引入衰減的分貝(dB)數(shù)及其特性阻抗的歐姆()數(shù)來(lái)標(biāo)明。衰減器廣泛使用于有線電視系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足多端口對(duì)于電平的要求。例如在放大器的輸入、輸出端口電平的控制、分支衰減量的控制。根據(jù)是否使用控制電平，可以將微波功率衰減器分為無(wú)源衰減器和有源衰減器兩種。無(wú)源的衰減器分為固定式衰減器和可調(diào)式衰減器;有源衰減器與其他熱敏元件相配合可以組成可變的衰減器，這種裝置放于放大器內(nèi)

10、，可以用于自動(dòng)增益控制(AGC)電路和自動(dòng)斜率控制(AGS)電路中。2.2.功率衰減器的基本構(gòu)成構(gòu)成射頻/微波功率衰減器的基本材料是電阻性材料。通常用電阻性材料實(shí)現(xiàn)的衰減器是作為一種大功率衰減器的基本形式出現(xiàn)的，這樣形成的電阻式衰減器網(wǎng)絡(luò)就是集總參數(shù)衰減器?？梢酝ㄟ^(guò)一定的工藝手段將電阻性材料放置到所要求的波段的射頻/微波電路中，最終形成了相應(yīng)頻率一定指標(biāo)要求的衰減器。2.3.功率衰減器的主要用途（a）控制功率電平:對(duì)本振輸出功率進(jìn)行控制的微波超外差接收機(jī)，為了達(dá)到最佳的接收效果，可以通過(guò)獲得光敏衰減器最佳噪聲系數(shù)和變頻損耗的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在微波接收機(jī)中，同樣可以通過(guò)衰減器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC

11、)，改善動(dòng)態(tài)范圍相應(yīng)，達(dá)到最佳的接收狀態(tài)。（b）去耦元件:衰減器可以作為振蕩器和負(fù)載之間取出耦合效應(yīng)的元器件。（c）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn):衰減器可以作為功率電平比較的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。（d）用于雷達(dá)抗干擾中的跳變式衰減器:這種衰減器是一種衰減幅度能夠?qū)崿F(xiàn)突變的可變式衰減器，平時(shí)不會(huì)引人衰減量，但當(dāng)受到外界環(huán)境的干擾時(shí)，就會(huì)突然增大衰減量。若從微波網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)來(lái)看，衰減器可以看作是一個(gè)二端口有耗微波網(wǎng)絡(luò)，它屬于通過(guò)型微波元件。2.4.功率衰減器的技術(shù)指標(biāo)功率衰減器有多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，這里主要講解其主要的幾種技術(shù)指標(biāo)。2.4.1工作頻帶衰減器的工作頻帶，是指在指定的頻率范圍內(nèi)使用衰減器時(shí)，才能達(dá)到指標(biāo)衰減量的頻率帶。由于微

12、波/射頻結(jié)構(gòu)和頻率密切相關(guān)，對(duì)于不同頻段的元器件，結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致衰減器不能通用?，F(xiàn)代采用同軸結(jié)構(gòu)的衰減器工作頻帶相當(dāng)寬，因此在設(shè)計(jì)或者使用的過(guò)程中要多加注意。一般可以用兆赫茲（MHz）或者吉赫茲（GHz）來(lái)表示。通用的衰減器一般帶寬為5GHz左右，最高可達(dá)到50GHz 。2.4.2衰減量用于描述信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中從端口的一端到另一端的量值減少程度?？梢杂帽稊?shù)或者同軸衰減器分貝數(shù)表示。無(wú)論形成功率衰減的機(jī)理和具體結(jié)構(gòu)如何，總是可以用如圖2.4.1所示的二端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述衰減器。圖2.4.1 功率衰減器二端口網(wǎng)絡(luò)圖2中，信號(hào)輸入端功率為P1，輸出端功率為P2，衰減器的功率衰減量為A(dB)。若Pl ,

13、 P2以分貝毫瓦(dBm)來(lái)表示，則兩端功率之間的關(guān)系為 P2(dbm)=P1(dbm)-A(dbm) （2-1）即 （2-2）可以看出，衰減量用來(lái)描述功率通過(guò)衰減器后的變小程度。衰減量大小主要是由衰減器的材料和結(jié)構(gòu)來(lái)確定的。衰減量以分貝(dB)為單位，這樣便于整機(jī)指標(biāo)的計(jì)算。2.4.3功率容量作為一種能量消耗元件，衰減器消耗的功率最終將以熱量的形式耗散。因此當(dāng)材料結(jié)構(gòu)確定以后，衰減器的功率容量也就確定了。如果衰減器所承受的功率超過(guò)這個(gè)極限值，就會(huì)被燒毀，最終失效，影響電路整機(jī)系統(tǒng)。2.4.4回波損耗回波損耗就是衰減器的駐波比，按要求，衰減器兩端的輸入輸出駐波比最好盡可能小。因?yàn)槲覀兿Ｍp器

14、只是一個(gè)功率消耗的元件，而不對(duì)兩端的電路產(chǎn)生影響，換句話說(shuō)，衰減器應(yīng)該與兩端電路匹配使用。在衰減器的設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要考慮這一因素。2.4.5功率系數(shù)當(dāng)輸入功率從100mW變化到額定功率時(shí)，衰減量的變化系數(shù)可以表示為dB/(dB*W)。衰減量的變化值具體算法是將系數(shù)乘以總衰減量功率(W)。例如:一個(gè)功率容量為SOW時(shí)，標(biāo)稱(chēng)衰減量為40dB的衰減器的功率系數(shù)為0.001dB/(dB*W)，這就意味著當(dāng)輸入功率從10mW加到50W時(shí)，它的衰減量會(huì)變化0.001*50*40=2dB之多。2.4.6最大平均功率在衰減器的輸出端接上特性阻抗時(shí)，在指定的最高工作溫度下可以長(zhǎng)期加到衰減器輸入端的最大功率。當(dāng)工

15、作溫度降到20，輸入功率降到10mW時(shí)，衰減器的其他指標(biāo)不應(yīng)該發(fā)生變化。3衰減器的分類(lèi)衰減器可以分為集總參數(shù)衰減器和分布參數(shù)衰減器。3.1.集總參數(shù)衰減器利用電阻構(gòu)成的T型或型網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)集總參數(shù)類(lèi)型的衰減器。在通常的情況下，衰減量是固定的，由三個(gè)電阻的阻值來(lái)決定需要多大的衰減量。在這里，電阻兼有阻抗匹配和阻抗變換的雙重作用。這兩種電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.4.2所示，圖中Z1, Z2是電路的輸入、輸出端的特性阻抗。根據(jù)電路兩端阻抗使用情況的不同，可以將電路分為同阻式衰減和異阻式衰減兩種情況。圖2.4.2 功率衰減器同阻和異阻的區(qū)別主要在于兩端的阻抗是否相同，我們將要仿真的薄膜衰減片主要是同阻式衰減

16、器，所以一下主要介紹同阻式衰減器。同阻式衰減器的兩端阻抗是相同的，即,不需要進(jìn)行阻抗變換，可以直接應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的方法求出衰減量和各電阻值的關(guān)系。3.1.1.T型同阻衰減器（）對(duì)于如圖2.4.2（a）所示的衰減器，取。我們可以利用三個(gè)A參數(shù)矩陣相乘的辦法求出衰減器的A參數(shù)矩陣，再換算成S矩陣，就可以求出它的衰減量。串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的A網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下: 的傳輸矩陣： （3-1）的傳輸矩陣： （3-2）相乘可得： （3-3）轉(zhuǎn)化為S矩陣： （3-4）對(duì)功率衰減器的要求是衰減量A為20lg|=-。求解聯(lián)立方程組就可以解得各個(gè)阻值，下面就是這種功率衰減器的設(shè)計(jì)公式。 （3-5）3.1.2.型同阻式()

17、對(duì)于如圖2.4.2 (b)所示的型同阻式衰減器，取.我們可以利用上述T型同阻式衰減器的分析和設(shè)計(jì)方法，過(guò)程完全相同，相乘的辦法求出衰減器的A參數(shù)矩陣，再換算成S矩陣，就可以求出它的衰減量，所得出的結(jié)果由式（3-6）給出。 （3-6）3.2.分布參數(shù)衰減器3.2.1.同軸型衰減器. 吸收式衰減器在同軸系統(tǒng)中，吸收式衰減器的結(jié)構(gòu)有三種形式:內(nèi)外導(dǎo)體間電阻性介質(zhì)填充、內(nèi)導(dǎo)體串聯(lián)電阻和帶狀線衰減器轉(zhuǎn)換為同軸形式，如圖3.2.1所示。衰減量的大小與電阻性材料的性質(zhì)和體積有關(guān)。圖3.2.1 三中同軸結(jié)構(gòu)式吸收衰減器.截止式衰減器截止式衰減器又稱(chēng)為“過(guò)極限衰減器”，是用截止波導(dǎo)制

18、成的。其結(jié)構(gòu)如圖3.2.2所示。它是根據(jù)當(dāng)工作波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于截止波長(zhǎng)凡時(shí)，電磁波的幅度在波導(dǎo)中按指數(shù)規(guī)律衰減的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)衰減的。圖3.2.2 截止式衰減器3.2.2.波導(dǎo)型衰減器.吸收式衰減器 最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)吸收式衰減器是在波導(dǎo)中平行于電場(chǎng)方向放置一個(gè)具有一定衰減量的吸收片組成的。因?yàn)橛袚p耗性薄膜或者介質(zhì)表面有一定的電阻，所以沿其表面的電磁波電場(chǎng)切向分量，將在其上引起傳導(dǎo)電流，形成焦耳熱損耗并以熱能的形式散發(fā)掉。只要控制衰減器的衰減量，就可以使信號(hào)通過(guò)衰減器后被減弱到所需要的電平。圖3.2.3給出了一個(gè)最簡(jiǎn)單的吸收式衰減器:分為固定式和可變式。固定式衰減器吸收片的位置和面積固定不變，而

19、可變式衰減器可以通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)改變衰減片的位置或面積，最終實(shí)現(xiàn)衰減量的改變。一般情況下，吸收片是用陶瓷片、云母、硅酸鹽玻璃、紙(布)膠板等作為基片的，在上面通過(guò)噴鍍或涂覆鎳鉻合金或者石墨粉的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在制作的過(guò)程中，要求基片盡可能的薄，并且要有一定的強(qiáng)度，這樣才能保持平整和不變形。吸收片沿著橫向移動(dòng)的衰減器，在吸收片移到電場(chǎng)最大處，吸收的能量最多，衰減量達(dá)到最大值，而貼近窄壁處時(shí)的衰減量達(dá)到最小。片的位移可以通過(guò)外附的機(jī)械微測(cè)量裝置讀出，片位移與衰減量的變化不是線性關(guān)系，有時(shí)候甚至不是單調(diào)變化的，這是由吸收片在不同位置時(shí)對(duì)橫向場(chǎng)型分布影響的程度來(lái)決定的。在實(shí)際的使用這類(lèi)衰減器之前，應(yīng)該用實(shí)驗(yàn)

20、的手段借助精密的衰減標(biāo)準(zhǔn)作出定標(biāo)校正曲線圖。圖3.2.3 吸收式衰減器結(jié)構(gòu)示意圖刀型旋轉(zhuǎn)片式衰減器的衰減量正比于旋入波導(dǎo)內(nèi)面積。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的衰減器的優(yōu)點(diǎn)是起始衰減量是OdB，此時(shí)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)波導(dǎo)傳輸不起影響作用。當(dāng)?shù)镀霑r(shí)，由于波導(dǎo)內(nèi)不附加任何的支撐物，此時(shí)，輸入的駐波比接近于1。通過(guò)設(shè)計(jì)合適形狀的刀片可以實(shí)現(xiàn)衰減量與深度讀數(shù)或者機(jī)械轉(zhuǎn)角之間接近線性的關(guān)系，在全部衰減量可變范圍內(nèi)保持足夠高的精準(zhǔn)度。當(dāng)然任何結(jié)構(gòu)都不是完美無(wú)瑕的，例如固定式衰減器就有少量磁能從波導(dǎo)中漏出的缺陷，并且在機(jī)械強(qiáng)度上性能也略差。從多種方面來(lái)進(jìn)行比較看，刀型旋轉(zhuǎn)吸收片式衰減器在結(jié)構(gòu)、安裝方便等特性方面比橫向移動(dòng)吸收片衰減

21、器更具有優(yōu)越性。由于橫向移動(dòng)式衰減器和刀片旋入式衰減器都是粗調(diào)方式實(shí)現(xiàn)衰減，所以精準(zhǔn)度都不是很高，要實(shí)現(xiàn)高精度，就必須需要校準(zhǔn)曲線配合使用才能獲得所需的定量衰減值。.極化吸收式衰減器 極化吸收式衰減器是一種高精準(zhǔn)度的衰減器，其結(jié)構(gòu)如圖3.2.4所示，是由三段波導(dǎo)組成的。兩端是固定的矩形波導(dǎo)到圓柱波導(dǎo)的過(guò)渡段，中間則是一段可以繞著縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱形波導(dǎo)。在每段波導(dǎo)中部沿軸向來(lái)放置厚度極薄的能完全吸收與其平行的切向電場(chǎng)和吸收片，每段中吸收片的相對(duì)位置如圖中所示。圓柱形波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的角度B可以用精密傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)量并且顯示出來(lái)，角度的變化也就是極化面的變化。極化衰減器的變化量為 （3-7）圖3.

22、2.4 極化吸收式衰減器原理圖3.2.3.微帶衰減器 通過(guò)在微帶線的表面鍍膜一層電阻材料或者采取涂覆的方法即可實(shí)現(xiàn)衰減。近代常用的吸收電磁波材料是橡膠，將其裁剪至合適的尺寸，用交粘連的方式配置到電路上。在微波有源電路的調(diào)整中，會(huì)用吸波材料來(lái)消除雜波、高次模帶來(lái)的影響，從而起到控制組件泄露等目的。4.衰減器的設(shè)計(jì)方法 上一章在介紹功率衰減器的基礎(chǔ)理論中關(guān)于衰減器的分類(lèi)中，重點(diǎn)介紹了同阻式固定衰減器的傳輸矩陣和參數(shù)提取的方法。這些基礎(chǔ)方法為本章衰減器的設(shè)計(jì)做好了前期的理論工作，本章將以此為依托，構(gòu)造出具有不同衰減結(jié)構(gòu)類(lèi)型的衰減器。在本設(shè)計(jì)中，所使用的金屬層為銀，厚度為10um ;每層陶瓷基板的厚度

23、為40um,介電常數(shù)為7.8，損耗角正切為0.0015，基板為五層陶瓷基板;金屬的通孔直徑為175um，選用的方阻阻值是75/。傳輸線的特性阻抗為50。本文所設(shè)計(jì)的衰減器為固定式衰減器。對(duì)于固定式衰減器，基本技術(shù)指標(biāo)為:中心頻率=1.5GHz，帶寬BW=lOGHz，實(shí)現(xiàn)固定衰減量分別為3dB, 6dB和10dB的衰減組，實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型是懸置微帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一定量程的最小衰減和最大衰減。4.1 微波仿真軟件簡(jiǎn)介自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，微波電路技術(shù)的應(yīng)用方向已逐漸從傳統(tǒng)的波導(dǎo)和同軸線元器件轉(zhuǎn)移到了微波平面電路系統(tǒng)。由于微波平面電路設(shè)計(jì)一直以來(lái)都是一項(xiàng)比較困難并且復(fù)雜的工作，需要不斷的調(diào)試才能完成。隨

24、著市場(chǎng)需求的不斷攀升，近年來(lái)對(duì)于射頻電路應(yīng)用頻率變得越來(lái)越高。為了滿(mǎn)足信號(hào)傳輸率的高速化，信道帶寬也逐漸變寬，電路的各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)要求也愈加嚴(yán)格，產(chǎn)品功能要求多元化，器件尺寸也要求越來(lái)越小，與此同時(shí)，要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期卻越來(lái)越短。因此，對(duì)于現(xiàn)代電路的設(shè)計(jì)要求來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足這一要求，必須借助微波仿真軟件來(lái)進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。商業(yè)化的微波EDA軟件于20世紀(jì)90年代大量涌現(xiàn)，是計(jì)算電磁學(xué)和數(shù)學(xué)分析研究成果計(jì)算機(jī)化的產(chǎn)物，集計(jì)算電磁學(xué)、數(shù)學(xué)分析、模擬實(shí)驗(yàn)方法于一體，通過(guò)仿真可以預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到直觀的數(shù)據(jù)，是設(shè)計(jì)射頻微波電路的有力工具。在本文的設(shè)計(jì)工作中，主要用到Ansoft公司的HE

25、SS。下面將對(duì)本設(shè)計(jì)使用的這款軟件作簡(jiǎn)要介紹。Ansoft HFSS是Ansoft公司推出的一款基于FEM(有限元法)，針對(duì)高頻結(jié)構(gòu)的電磁仿真軟件。它以仿真精度高、操作界面方便易用、成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)得到了業(yè)界的青睞。其直觀的后處理器及獨(dú)有的場(chǎng)計(jì)算器，可計(jì)算分析顯示各種復(fù)雜的電磁場(chǎng)，并利用Optimetrics可以對(duì)任意的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和掃描分析。對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天線等器件來(lái)說(shuō)，HFSS是一個(gè)很好的仿真工具。由Ansoft公司推出的Ansoft Designer和Ansoft HFSS這兩款仿真軟件，提供了小到部件級(jí)，大到電路甚至系統(tǒng)級(jí)的快捷精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)手法，是目前各類(lèi)電磁仿真軟件中唯一采

26、用物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)所以步驟和環(huán)節(jié)。4.2. 微帶衰減器的設(shè)計(jì)過(guò)程4.2.1.技術(shù)指標(biāo)的定義微波射頻電路中含有不同的功能模塊，而對(duì)于每個(gè)電路模塊來(lái)說(shuō)都具有不同的技術(shù)指標(biāo)。比如對(duì)于衰減器，它的技術(shù)指標(biāo)包括它的工作頻率，衰減量，中心頻點(diǎn)的回波損耗，工作帶寬，駐波比，插入損耗等;而對(duì)于濾波器，它的技術(shù)指標(biāo)包括它的工作頻率，工作帶寬，插入損耗，回波損耗，電壓駐波比等。技術(shù)指標(biāo)的確定為后續(xù)的電路設(shè)計(jì)提供了標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)接下來(lái)進(jìn)行的各項(xiàng)設(shè)計(jì)工作。4.2.2.原理電路和元件參數(shù)的設(shè)計(jì)根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的定義來(lái)確立等效電路。在整個(gè)高頻電路設(shè)計(jì)工作中等效電路的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，元件之間存在耦合效應(yīng)

27、，即使可以找到滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的原理電路，建立實(shí)際的3D物理模型后也可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)試結(jié)果的偏差。在這種情況下由于每個(gè)元件參數(shù)都是電路技術(shù)指標(biāo)與實(shí)際物理電路溝通的橋梁，因此需要通過(guò)調(diào)諧元件參數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)電路可行的問(wèn)題。總而言之，設(shè)計(jì)原理電路既要考慮電路的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足性能技術(shù)指標(biāo)，又要考慮后續(xù)物理電路的可實(shí)現(xiàn)性。4.2.3. 3D模型建立和仿真優(yōu)化首先建立高頻電路元件模型，分析R, L, C或不同傳輸線結(jié)構(gòu)及等效電路。微波射頻電路中由于存在寄生效應(yīng)，所以應(yīng)考慮元件值的變化。首先應(yīng)對(duì)建好的3D物理模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行全波電磁場(chǎng)仿真分析，通過(guò)優(yōu)化元件尺寸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。對(duì)于實(shí)際的模型，由于每個(gè)元件存

28、在寄生效應(yīng)的影響，將這些元件組合時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種寄生耦合，很大程度影響了實(shí)際電路的性能。通過(guò)調(diào)整元件結(jié)構(gòu)和物理位置布局可以減小或消除寄生參數(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的性能指標(biāo)。4.2.4. 模型加工及測(cè)試當(dāng)3D模型仿真結(jié)果符合技術(shù)指標(biāo)后，接下來(lái)應(yīng)提取模型的物理結(jié)構(gòu)版圖，完成布版后可流片加工。對(duì)加工后的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果對(duì)比仿真結(jié)果，若存在較大的差異，則需要查找原因調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，直至測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足要求。出現(xiàn)差異的原因可能是3D模型電路結(jié)構(gòu)問(wèn)題，這時(shí)退回到第三步，調(diào)整3D模型結(jié)構(gòu)尺寸和相關(guān)參數(shù);也可能是一些制造過(guò)程的因素引起的。通過(guò)這樣一個(gè)循環(huán)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)加工過(guò)程，直至測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。4.

29、3. 懸置微帶薄膜衰減片設(shè)計(jì)與仿真本次設(shè)計(jì)懸置微帶結(jié)構(gòu)的薄膜衰減片，外層為圓柱形金屬外殼，外殼半徑略小于基板寬度，邊緣處與基板上導(dǎo)線接觸，相當(dāng)于接地。本次設(shè)計(jì)的傳輸線的在阻抗為環(huán)境下工作，所以首先通過(guò)軟件仿真，優(yōu)化導(dǎo)線線寬，得到合適的特性阻抗。計(jì)算特性阻抗時(shí)先不計(jì)算衰減片，如圖4.3.1。圖4.3.1 懸置微帶3D結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖4.3.2:圖4.3.2 特性阻抗仿真結(jié)構(gòu)導(dǎo)體受趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗的影響，會(huì)有部分誤差，所以以上仿真結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。4.3.1. 同阻式薄膜衰減片3db衰減器同阻式集總參數(shù)衰減器A=-3 dB，特性阻抗Zo =50。在CAD三維電磁仿真軟件Ansoft HESS中建

30、立其仿真模型。圖4.3.3 三維視圖圖4.3.4 俯視圖以懸置微帶薄膜衰減片為模型研究薄膜衰減器的性能特性，圖4.3.4可等效為一T型衰減器，中間與導(dǎo)線相連的等效于型衰減器的串聯(lián)電阻，中間導(dǎo)線部分的寬度，決定了串聯(lián)部分的電阻值，兩邊與接地導(dǎo)線相連的部分等效為并聯(lián)電阻，可以得知，方阻的變化會(huì)直接導(dǎo)致串并聯(lián)電阻的一起變化，所以對(duì)衰減量的影響較小，本次主要優(yōu)化衰減片的寬度和中間導(dǎo)線的線寬。由公式（3-5）計(jì)算得出等效型衰減器的各個(gè)元件參數(shù)值:,。器件各個(gè)線寬和長(zhǎng)度如圖4.3.5。 圖4.3.5 元件參數(shù)首先對(duì)w2進(jìn)行優(yōu)化仿真，可以得到多個(gè)衰減曲線，如圖4.3.6。圖4.3.6 w2優(yōu)化仿真結(jié)果通過(guò)優(yōu)

31、化仿真可以得到，衰減量隨著衰減片的線寬的變化而變化，其變化趨勢(shì)隨著衰減片的變寬而增大。通過(guò)誤差分析，可以得到最優(yōu)數(shù)據(jù)為0.25mm，然后再對(duì)線寬w3進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到仿真曲線如圖4.3.7。（a） s（2,1）（b） s（1,1）圖4.3.7 w3優(yōu)化仿真結(jié)果通過(guò)優(yōu)化仿真可以得到，衰減量隨著中間導(dǎo)線的線寬變化而變化，其變化趨勢(shì)與衰減片的正好相反，中間導(dǎo)線越窄衰減量越大。通過(guò)仿真結(jié)果得到最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果為0.55mm，回波損耗大于25dB。則最終的設(shè)計(jì)結(jié)果如表1。L17W04W12.4W20.25W30.55表1 器件優(yōu)化后的元件參數(shù)（單位：mm）最終3dB衰減器的仿真曲線為圖X。圖4.3.8 最終

32、的仿真結(jié)果可以看出，中心頻率和帶寬均滿(mǎn)足要求，衰減量3dB，可見(jiàn)所有指標(biāo)基本滿(mǎn)足要求。4.3.2. 同阻式薄膜衰減片6db衰減器同阻式集總參數(shù)衰減器A=-6 dB，特性阻抗Zo =50。在CAD三維電磁仿真軟件Ansoft HESS中建立其仿真模型，如圖4.2所示。維電磁仿真軟件Ansoft HESS中建立其仿真模型。圖4.3.9 三維視圖圖4.3.10 俯視圖由公式（3-5）計(jì)算得出等效T型衰減器的各個(gè)元件參數(shù)值:,。與3dB衰減器做法相同，先對(duì)衰減片線寬為w2進(jìn)行優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果如圖4.3.11。圖4.3.11 w2優(yōu)化仿真結(jié)果通過(guò)優(yōu)化仿真可以得到，衰減量隨著衰減片的線寬的變化而變化，其

33、變化趨勢(shì)隨著衰減片的變寬而增大。3dB和6dB的變化趨勢(shì)是一樣的，所以中間導(dǎo)線線寬的變化趨勢(shì)也一樣?？梢缘玫絯2最優(yōu)選擇為0.6mm。繼續(xù)對(duì)于衰減片接觸部分的導(dǎo)線線寬w3進(jìn)行優(yōu)化仿真，如圖4.3.12。（a） s（2,1）（b） s（1,1）圖4.3.12 w3優(yōu)化仿真結(jié)果 通過(guò)仿真結(jié)果得到最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果為0.85mm。回波損耗大于20dB，則最終的設(shè)計(jì)結(jié)果如表2。L17W04W12.4W20.5W30.45表2 器件優(yōu)化后的元件參數(shù)（單位：mm）最終6dB衰減器的仿真曲線為圖4.3.12。圖4.3.13 最終仿真結(jié)果可以看出，中心頻率和帶寬均滿(mǎn)足要求，衰減量6dB，可見(jiàn)所有指標(biāo)基本滿(mǎn)足要求。4

34、.3.3. 薄膜衰減片衰減器組薄膜衰減器組在進(jìn)行工作時(shí)，為了確保每個(gè)衰減片的工作性能，要使每片衰減片都衰減同樣大小的功率，則在配置衰減片組之前就要計(jì)算好每個(gè)衰減片的線寬和與其基礎(chǔ)部分的導(dǎo)線的線寬，這個(gè)工作可以通過(guò)軟件仿真，對(duì)單個(gè)衰減片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后再組成衰減組，整體仿真，求出一個(gè)預(yù)期的最優(yōu)結(jié)果。本次設(shè)計(jì)我們做一個(gè)9片的衰減組，更多片的衰減組的計(jì)算方法也一樣。對(duì)500w進(jìn)行衰減，第一片衰減片的衰減量為50w，第二片與第三片同樣為50w，最終得到一個(gè)10dB的衰減組。通過(guò)計(jì)算得出：dB，dB，dB，dB，dB，dB，dB，dB，dB。對(duì)每一片衰減片單獨(dú)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真，依次仿真出所需要的衰減量

35、來(lái)，然后再組合起來(lái)形成衰減組。圖4.3.14是單個(gè)衰減片的3D模型。圖4.3.14 單個(gè)衰減片3D模型以下依次為各個(gè)單個(gè)衰減片的仿真結(jié)果：圖4.3.15 1至3衰減片的衰減曲線圖4.3.15 4至6片的衰減曲線圖4.3.15 7至9片的衰減曲線最終把九片衰減片組合在一個(gè)懸置微帶內(nèi)，組成衰減器組。圖4.3.24衰減器組 由軟件仿真得到最終的仿真結(jié)果如圖4.3.24。圖4.3.24 最終仿真結(jié)果5總結(jié)本章在前幾章理論的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了無(wú)源式衰減器。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了同軸薄膜微帶衰減器和衰減器組，并分別實(shí)現(xiàn)了3dB, 6dB固定衰減。設(shè)計(jì)的各種結(jié)構(gòu)的衰減器均達(dá)到了指標(biāo)要求。致謝：四年時(shí)光稍縱即逝，在此論文完

36、成之際，我想衷心感謝所有關(guān)心和指導(dǎo)該論文的教員和同學(xué)們。首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)教員唐偉教員，我的論文是在他精心指導(dǎo)和大力支持下完成的，他淵博的知識(shí)和開(kāi)闊的視野給了我深深的啟發(fā)，從選題指導(dǎo)、論文框架、到細(xì)節(jié)修改，都給予了細(xì)致的指導(dǎo)，提出了很多寶貴的意見(jiàn)和建議，論文凝聚著他的血汗，教員嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神將對(duì)我今后的學(xué)習(xí)、生活、工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。感謝所有授我以業(yè)的教員，沒(méi)有這些年的知識(shí)的積淀，我沒(méi)有這么大的動(dòng)力和信心完成這篇論文。感謝我的父母，是他們這么多年來(lái)一直在背后默默的支持我，我的每一點(diǎn)進(jìn)步都與他們密切相關(guān)。感謝身邊關(guān)心幫助我的戰(zhàn)友們，

37、感謝你們這四年的陪伴。感謝之余，誠(chéng)懇的請(qǐng)各位教員對(duì)我的論文多加批評(píng)指正，使我及時(shí)的完善論文的不足之處。最后，我要向百忙之中抽時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行審閱的各位教員表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)1 LESZEK GOLONKA,PAWEL BEMBNOWICZ,DOMINIK JURKOW et a1.Low temperature co-fired ceramics (LTCC) microsystemsJ. Opticaapplicata, 2011,41(2):383-388.2 Takeshi YUASA,Yukihiro TAHARA,Naofumi YONEDA et al. AMillimeter

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