射頻電路基礎實驗指導書

前百

與更早時期定位與波導與場論相比，現代微波工程中占支配地位的內容是分

布電路分析。當今大多數微波工程師從事平面結構元件和集成電路設計，無需直

接求助于電磁場分析。當今微波工程師所使用的基本工具是微波CAD（計算機

輔助設計）軟件和網絡分析儀，而微波技術的教學必須對此給出回應，把重點轉

移到網絡分析、平面電路和元器件以及有源電路設計方面。微波技術仍總離不開

電磁學（許多較為復雜的CAD軟件包要使用嚴格的電磁場理論求解），而學生

仍將從揭示事物的本質中受益（諸如波導模式和通過小孔耦合），但是把重點改

變到微波電路分析和設計上這一點是不容置疑的。

微波與射頻（RF）技術已蔓延到了各個方面。在商業(yè)等領域，更是如此，

其現代應用包括蜂窩電話、個人通信系統、無線局域數據網、車載毫米波防撞雷

達、用于廣播和電視的直播衛(wèi)星、全球定位系統（GPS）、射頻識別標識

（identificationtagging）＞超寬頻帶無線通信和雷達系統以及微波環(huán)境遙感系統。

防衛(wèi)系統繼續(xù)大量地依靠微波技術用于無源和有源測向、通信以及武器操控系

統。這樣的業(yè)務發(fā)展態(tài)勢意味著，在可預見的將來，在射頻和微波工程方面不存

在缺少挑戰(zhàn)性的課題；同時對于工程師們，顯然需要領悟微波技術的基本原理，

同樣需要把這些知識應用于實際感興趣問題的創(chuàng)造能力。

本射頻教學實驗的設置，就是為了使學生通過實驗更多地獲得有關射頻系統

的基本構成、工作原理、模擬分析、測試儀器和測量技能方面的理性和感性認識，

真正掌握時域和頻域、傳輸線、電波傳播、天線、波導、射頻模塊、及射頻通信

等基本的概念，并學會使用重要的射頻測試儀器。

目錄

實驗一網絡分析儀和頻譜儀的原理及其操作

實驗二射頻EDA軟件ADS的使用方法

實驗三射頻濾波器實驗

實驗四射頻功率分配器實驗

實驗五GSM可調增益放大器實驗

實驗六CDMA頻段平衡式放大器實驗

實驗七射頻PLL鎖相環(huán)實驗

實驗八射頻天線實驗

實驗二射頻EDA軟件ADS的使用方法

-實驗目的

1.簡單了解射頻EDA軟件的原理及構成。

2.初步掌握使用射頻電路仿真軟件ADS進行基本射頻電路設計與仿真的方法。

二實驗原理

1.ADS簡介

ADS(軟件全稱為AdvancedDesignSystem)是美國安捷倫(Agilent)公司

開發(fā)的電子設計自動化軟件。ADS功能十分強大，包含時域電路仿真(SPICE-like

Simulation)、頻域電路仿真(HarmonicBalance、LinearAnalysis)三維電磁仿真

(EMSimulation)>通信系統仿真(CommunicationSystemSimulat沁n)和數字信號處

理仿真設計(DSP),支持射頻和系統設計工程師開發(fā)所有類型的RF設計，從簡

單到復雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國防的集成MMIC,是當

今國內各大學和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統仿真軟件軟件。最

新版本為ADS2006Ao

ADS軟件可以供電路設計者進行模擬、射頻與微波等電路和通信系統設計,

其提供的仿真分析方法可分為時域仿真、頻域仿真、系統仿真和電磁仿真四大類。

ADS軟件包含的具體仿真分析方法如下：

?高頻SPICE分析和卷積分析(Convolution)

?線性分析

?諧波平衡分析(HarmonicBalance)

?電路包絡分析(CircuitEnvelope)

?射頻系統分析

?拖勒密分析(Ptolemy)

?電磁仿真分析(Momentum)

隨著電路結構的日趨復雜和工作頻率的提高，在電路與系統設計的流程中,

EDA軟件已經成為不可缺少的重要工具。EDA軟件所提供的仿真分析方法的速

度、準確與方便性便顯得十分重要，此外該軟件與其他EDA軟件以及測量儀器

間的連接，也是現在的龐大設計流程所必須具備的功能之一。Agilent公司推出

的ADS軟件以其強大的功能成為現今國內各大學和研究所使用最多的軟件之

0

2.ADS常用仿真控制器介紹

為了增加仿真分析的方便性，ADS軟件提供了仿真模板功能，讓使用者可以

將經常重復使用的仿真設定制定成一個模板，直接使用，避免了重復設定所需的

時間和步驟。仿真控制器就是模板的一種，其中S參數仿真控制器和諧波平衡仿

真控制器是射頻電路仿真常用的兩個控制器?；趯⒁抡娴脑O計類型和想要分

析的種類，給設計添加一個或多個仿真控制器。

S參數仿真控制器

S參數控制器用來確定一個n端口電子器件在給定頻率下的響應信號波形。

它是典型的小信號AC仿真通常被用來描述無源RF元件的特性及確定一個元件

在特定偏壓和溫度下的小信號特性。

S-PARAMETERS|

Par0m

SP1

Start=1.0GHz

Siap=10.0GHz

Step=1.0GHz

使用s參數控制器可以：

?獲得器件或電路的散射參數（S參數）并且將該參數轉換為Y參數或Z

參數

?繪圖。如考慮其他改變的變量的掃頻S參數的變化

?仿真群延遲

?仿真線性噪聲

?仿真頻率改變對小信號的影響

?使用混頻器的電路的S參數

S參數仿真通常在一個噪聲分析中只考慮電源頻率。如果你要考慮混頻器的

上邊帶或下邊帶頻率可以使用EnableACFrequencyConversion選項。

諧波平衡仿真控制器

諧波平衡控制器很適合仿真模擬RF和微波電路。它是一種仿真非線性電路

和系統失真的頻域分析方法。與高頻電路和系統仿真有關，諧波平衡提供下面的

優(yōu)于時域瞬時分析的優(yōu)點：

|HARMONICBALANCE

HarmonicBoIonce

HB1

Freq[1]=1.DGHz

Order[1]=3

?它直接獲取穩(wěn)態(tài)頻率響應

?許多線性模型在高頻可以很好地在頻域描述

?頻率積分需要瞬時分析，這在很多實際應用中是禁止的

使用諧波平衡控制器可以：

?確定電流或電壓的頻譜成分

?計算參數，如：三階截取點、總諧波失真及交調失真分量

?執(zhí)行電源放大器負載激勵回路分析

?執(zhí)行非線性噪聲分析

諧波平衡允許對電路進行多頻聲仿真，可以展示包括諧波間頻率轉換的交調

頻率轉換。這是一個迭代法。它假定對于一個給定的正弦激勵有一個可以被逼近

到滿意精度的穩(wěn)態(tài)解。

三實驗內容及步驟

1.ADS電路仿真基礎

1.1概要

本節(jié)包括ADS的基礎界面、ADS文件、原理圖、仿真和數據顯示等內容。

另外還有一個簡單的例子。

1.2目標

?建立一個新的項目和原理圖設計;

?設置并執(zhí)行S參數仿真；

?顯示模擬數據和儲存

?在模擬過程中調整電路參數

?使用例子文件和節(jié)點名稱

1.3開始

(1)運行ADS

很簡單，在開始菜單選擇圖標，運行后界面如下:

;,囁.AgilentTechnologies

AdvancedDesignSystem

2004A

Ti?cllwiniMM,HclrcttliiNwiiidowMIKIpre**E”c

Copyright?AgilentTk-ehn?logieN1983-2004AgilentEEsofEDA

(2)建立新項目

a.在主窗口，點擊圖標：ViewStartupDirector。會顯示你所定缺省目錄

的ADS項目文件夾。(一般安裝時缺省目錄是C:\user\default,你可以修

改，但是注意不能用中文名稱或放到中文名稱的目錄中，因為那樣在仿

真時會引起錯誤)

b.然后在主窗口，點擊圖標：CreataNewProject會彈出如下對話框

項目名稱為lablo

下面的下拉菜單主要是設定單位的，在微帶線布局時有用，我們選擇mil。

c.點擊OK建立新項目，并且會出現原理圖窗口。

(3)檢查你的新項目內的文件

a.看左邊的文件瀏覽窗口。目前顯示你在labl項目內。

b.在主窗口，雙擊networks目錄,目前里面沒有原理圖文件。

FileBrowser

日…-(&O33R20

..弋“..

ffi-C)data

由亡Imom_dsn

B&networks

t....

田亡)synthesis

EBClverification

(4)建立一個低通濾波器設計

a.在主窗口，點擊NewSchematicWindow圖標，也可以使用剛才

自動打開的原理圖窗口。

b.儲存原理圖。點擊圖標，取名Ipf?，F在network目錄中會出現Ipf.dsn

文件。

c.在元件模型列表窗口中選擇Lumped-Components(集總參數元件)項。

示意圖如下

E<BEdt金日堂?坐a*ApihnsJcwkSimdare

二唱制昌i目:MI剛210dHi,:卡

Lumped-ComponentsB.

Lumped-WlthArtwork

Source5-Controllcd

Sources-FreqDomain

Sources-Noise

SourcesTimeUomoin

Simulation-DC

SimiilatlorvAC

Simulation-S_Param

d.從該選項左邊面板中選擇電容capacitorC

￡1

Rotate

tl

±xC

TT

rC2ED-

_i

NOTEsomeboxeditems(R.LandL)

aremodels-notcomponents.

可以用Rotate圖標旋轉，放好以后，再放入另一個電容。

，用線＞!把他們連起來。

e.然后放入電感地性I

f.在元件模型列表窗口選擇Simulation—S_Param項，在該項面板中選擇

S-parameter模擬控制器（象個齒輪）和端口Term放到圖上。用ESC結

束命令。使用圖標圖調整這些元件的參數如下圖所示：

|Simulation-S_Param

Term1ClLITemu

Nirm-10=10pFL=1OrHNu*2

Z^OChnR=2=50Ohm

Torni

SP1

0GHzSimulation

Slop=10DGHzController

Sie產1.0GHz

（5）設置S參數仿真

a.雙擊齒輪打開配置窗口，把Step—size改成0.5GHz,選擇ok。

b.在上面的窗口點擊display標簽,會顯示所有可以顯示在原理圖中的項目。

（6）開始仿真并顯示數據

a.點擊原理圖窗口上方的Simulate圖標I,開始模擬。

b.然后就會彈出狀態(tài)窗口，顯示模擬的相關信息。

Status/Summary

Simulation￡inished;dataset'Ipf'writtenin;

、C:\usersXdefault\labl_prjXdata1.

Resourceusage:

Totalstopwatchtime:4.23seconds

CroatingHevDisplayWindow

PleaseWait..

WindowCreated

c.模擬完成以后，如果沒有錯誤，會自動顯示數據顯示窗口，可以看到窗

口左上方的名稱為Ipf。

NOTE:Anasterisknexttoawindowname(Ipf*)meansitisnotsaved.

S?pf”[pdge1];0

FileEdit丫后帆InsertMarkerPageOptionsHelp

口國闿邕IE回9?:d閩我國網/|創(chuàng)眾口|O|A|

麻3JLM圖I畫圖畫g|

73

Thedefault

4匾DATASETnameThesebuttonsareusedtozoom

appearshere.orscrollthroughlistsofdata.

j

iii:iRectangularPlot

I11II

||口|

Thispaletteiswhereyou

chooseaplottype,list

Htable,orequationtoinsert.

上圖的NOTE說明，Ipf右上角的*代表還沒有儲存。

在這個窗口中可以以表格、圓圖或等式的形式顯示數據。

d.點擊RectangularPlot圖標，把一個方框放到數據顯示窗口中去，會自動

彈出對話框，選擇要顯示的S(2,1)參數，點擊Add按鈕，選擇dB為

單位，點擊Ok。

PlotTypeJPlotOptions|

□TTT111111

LTXLJ11111

FFFR

ComplexData!:5區(qū)1

Youareaddingcomplexdatatoaplot

thatonlysupportsscalardata.

Howwouldyouliketohandlethisdata?

DatasetsandEquations

dBm

Magnitude

Phase

?AddVs...?Realpart

Imaginarypart

?Delet?

eTimedomainsignal

Cancel|

e.然后就會顯示一個合理的低通濾波器響應。

f.點擊Marker>New,可以把一個三角標志放在圖上，可以用鍵盤和鼠標控

制它的位置。

InsertMarker:0ml

Selecta(raceonwhichtoinsertmarkerfreq=6.000GHz

(Intunemode,selecttherecenttraceonly)dB(S(2,1))=-5.329

("Canceill

(

二Z

O

Q

P

-z'U

-25

12345678910

freq,GHz

（7）儲存數據窗口

a.儲存的缺省名稱為Ipf,擴展名為.dds,該文件會儲存在項目文件夾的根

目錄中，而數據文件，即所有的.ds文件和數據設定，會儲存在data子目

錄中。

Saveas:6?|x|

Savein:1Iab1_pr|3里]&\叵'知

二Jdata

_|nnonn_dsn

_|n&tworks

_Jsynthesis

二jverification

回Ipf.dds

Filename:

Saveaslype:|xdds色

b.關上上述窗口，再通過點擊原理圖窗口的DataDisplay圖標|s再

次打開這個Ipf.dds文件。

DataDisplayataDisplav/UntiUed[page11:0

FileEditViewInsertMarkerPageOptionsHelp

I四I-iQlQl/|釧

II,,，一

0pen:0L?lxl

Lookjn:|Qkb1_prj

Openan"3回可fisffll

existingdata_Jdata

display__|mom_dsn

□霽：OPENINGASAVED

出_lvesicationDISPLAYWINDOW

File口ame:

Filesoftype:

（8）調整濾波器電路

Al

a.點擊原理圖窗口中的ViewAH圖標會自動調整原理圖的顯示。

b.現在，在Inf原理圖配合Shift和Ctrl鍵選擇C1和L1。

c.點擊Tune圖標開始調節(jié)電路。

5TunoContiol:1回

Selectapaiaretertotunety>dickin。onii

Simulatemmchchmn丁3

TraceHistory

Eachtuningcreatesanother

trace.Themarkermovesto

themostrecentsimulated

(tuned)trace.Thistraceisthe

s_datadatasetwhichis

changedeachtimeyoutune

(simulate).

調節(jié)的結果會即時顯示在數據顯示窗口中，在TraceHistory中設定記錄的軌跡數

量，線上的三角標志會自動調整到最新的線上。

d.改變調節(jié)的范圍：在調節(jié)控制對話框中點擊Details圖標Itl,可

以打開詳細的選項控制面板

!IuneControlDetail:1

可以設置調節(jié)范圍，調節(jié)步長等參數。

e.調節(jié)過程中，點擊Update按鈕，更新原理圖中相應元件的參數，也

可以點擊Component按鈕，增加更多的調整參數。

f.調整滿意以后，點擊Cancel按鈕，數據顯示窗口會留下最后一條線,

然后可以保存。則部分教程只是為了練習操作。

四結果分析和實驗報告

1實驗目的、內容、系統簡圖；

2簡述ADS軟件的基本使用步驟，記錄有關數據;

3S參數的意義及影響S參數的因素有哪些。

實驗三射頻濾波器實驗

-實驗目的

1.掌握射頻低通、帶通濾波器的工作原理

2.學習使用ADS軟件進行濾波器的設計、優(yōu)化和仿真

3.學會使用AV3620矢量網絡分析儀測試濾波器的幅頻特性

二實驗原理

1低通濾波器

集總元件低通原型濾波器是設計微波濾波器的基礎。一般低通原型濾波器的

兩種可行結構如圖3T所示，它是個LC梯型網絡，兩端各接純電阻負載，（a）

與（b）兩電路互為對偶，即串聯電感與并聯電容存在對換關系。

圖37低通原型濾波器的電路

低通原型的頻率響應通常有最平坦響應和等波紋響應兩種。

最平坦型濾波器的衰減曲線中沒有任何波紋，所以稱為最大平滑濾波器，也

稱巴特沃斯濾波器。其衰減函數為

22z,

LA=101g(l+EQ)(3-1)

其中歸一化頻率。=o

等波紋型濾波器的頻率響應在通帶內有規(guī)律性的起伏，且幅度相等，故稱為

等波紋型，也稱為切比雪夫響應。其衰減函數為

22

L4=101g[l+87；,（Q）]（3-2）

與巴特沃斯低通原型相比較，對于給定的通帶衰減和濾波器節(jié)數，切比雪夫低通

原型的阻帶衰減斜率陡峭得多。

2帶通濾波器

發(fā)卡式濾波器是半波長耦合微帶濾波器的一種變形結構，是把半波長耦合諧

振器折合成“U”字形構成的。發(fā)卡式濾波器是由若干個發(fā)卡式諧振器并排排列

組合而成，這些諧振器之間主要是通過其邊緣區(qū)域的電磁場相互交叉耦合的。因

此，這部分區(qū)域決定了發(fā)卡式濾波器之間的耦合特性和耦合強度。在每個諧振器

兩臂的開放端，電場強度分布達到最大；而在其兩臂的中間部分，磁場強度分布

達到最大。如圖3-2所示，根據諧振器間的相對位置，發(fā)卡式諧振器可以分為四

種基本耦合結構：電耦合、磁耦合、第一及第二類混合耦合。圖中，a為諧振器

臂長，b為臂間距，w為線寬，s為兩諧振器間距，d為兩諧振器偏移距離。

（0第類混合耦合（d）第二類混合情合

圖3-2微帶型發(fā)卡式諧振器的4類基本耦合結構

對于相同的微帶線結構，如果兩個諧振器的s和d減小，其耦合性能必定增強。

此外，諧振器之間的耦合強度可以通過耦合系數來進行分析。耦合系數越大，耦

合性能越強；反之則耦合性能越弱。發(fā)卡式諧振器信號源的輸入輸出方式可采用

抽頭方式或縫隙耦合方式。

發(fā)卡式諧振器的諧振頻率主要由以下參數確定：發(fā)卡臂長a、線寬w以及兩

臂之間的距離b。通常取發(fā)卡諧振器的臂長約為4/4,4為微帶介質中的帶內波

人為所設計的帶通濾波器的通帶中心頻率，玲=瓦，式中

工和人為濾波器通帶所對應的頻率點。

三實驗設備及裝置圖

本實驗主要是通過使用矢量網絡分析儀AV3620測試RF帶通及低通濾波器

的散射參數（S”、S|2、S21、S22）來熟悉濾波器的性能。連接圖如下，將網絡分

析儀的1端口接到濾波器的輸入端口，將濾波器的輸出端口接到網絡分析儀的2

端口。

實驗中使用的低通集總濾波器模塊，為11階電容輸入式LC梯形網絡；微帶帶

通濾波器模塊，為5節(jié)發(fā)卡式濾波器，信號源輸入輸出采用抽頭線方式，兩端接

以50歐姆匹配負載。其PCB圖分別如下所示。

四實驗內容及步驟

■學習使用ADS軟件設計濾波器的方法及步驟。

■使用矢量網絡分析儀AV3620測量微波帶通和低通濾波器的散射參數。

1.使用ADS設計濾波器

1.1低通濾波器

啟動ADS進入主窗口，點擊File->NewProject設置工程文件名稱及存儲路

徑，點擊LengthUnit設置長度單位為毫米，工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口中顯示

出該工程，同時原理圖設計窗口打開。ADS的FilterDesignGuide可以快速準確

的生成各種濾波器，此處我們用它來設計集總低通濾波器。

(1).確定設計指標

切比雪夫型低通濾波器，截止頻率450MHz,帶內衰減小于IdB,阻帶480MHz

以上衰減大于20dB。

(2).運行設計指導

在原理圖窗口點擊命令DesignGuide->Filter,彈出Filter對話框，選擇Filter

ControlWindow并點擊OK,彈出新窗口FilterDesignGuide,在原理圖中放置

Smart元件后它將被激活。選擇命令View->ComponentPalette-All或在工具欄中

點擊ComponentPalette-AH圖標,原理圖左側就會出現Smart元件面板?；?/p>

者在原理圖設計窗口中選擇濾波器設計指導工具欄

印terDG-AIINetworksJ也可以打開Smart元件面板。

(3).放置Smart元件并設計濾波器

＞在原理圖左側的FilterDG工具欄中選擇Smart元件甲I放置在原理圖中,

此時FilterDesignGuide窗口被激活。點擊FilterAssistant標簽，設定濾波器

的詳細參數，包括通帶和阻帶頻率及衰減、濾波器類型、源及匹配負載阻抗

等。

＞設置好濾波器的響應后，點擊Redraw觀察響應曲線的變化，若達不到指標

要求，可適當更改參數。響應曲線達到指標要求后，點擊Design按鈕，進行

濾波器的自動設計。

FilterDesignGuide仁]歸]儀]

FileToolsView

41例啕白卜川x|省I

CurrentSchematicSmartComponent

I[untitled_pri]:10▼||DA_LCLowpa$$DT1

OverviewFilterAssistant|SimulationAssistant]SensitivityAssistant]DisplayAssistant|

ImpedancesResponseTypeAp(dB)

|Chebyshev

SourceLoad三[i—

[50-As(dB)

[20

FirstElement

IParalleldB/square

Order(N)

Realizations

DesignInformation「ViewAll

Order:F

11

MinimumInsertionLoss:

0.0000

DesignI|Redraw|Help

＞原理圖中的Smart元件已具有所要求的濾波器特性，而且濾波器具體電路已

經創(chuàng)建好了。點擊工具欄中的PushIntoHierarchy圖標圜可以進入DT元件

來檢驗電路，點擊PopOut跳回到上層電路。

（4）.檢驗濾波器的S參數仿真結果

＞點擊FilterDesignGuide窗口中的SimulationAssistant標簽，設置掃描頻率范

圍，例如從200MHz至l」700MHz,步長為10MHz,然后點擊Simulate按鈕觀

察結果，一個模板會運行S參數仿真并顯示結果。

FilterDesignGuide

fileloolsView

㈣口卜川x|Jll

CurrentSchematicSmartComponent

|[untitledj3rj]:7|DA_LCLowpa$$DT1F

Overview|FilterAssistantSimulationAssistantSensitivityAssistant|DisplayAssistant|

AutomatedSmarlComponerrtSimulation

SimulationFrequencySweep

Start[200|MHz二|歹AutomaticalyDisplayResults

St8[700|MHz二]Automatic通SetFrequenciesI

0廊fW|MHz

Num.ofPoints回

SimulateICreateTemplatedateFiomTemplateI

Helps

"Simuiate"automaticallysimulatesselectedSmartComponent

"CreateTemplate"createsasimulationtemplateformanualSmartComponentsimulation

"UpdateFromTemplate"closesthemanualtemplateandupdatesSmartComponentpatamelefs

＞檢驗數據顯示，比較理想響應曲線與實際曲線的差異，移動MarkerMl、M2

可以讀取曲線任意點處的數值，移動MarkerA、B會比較該段內的輸入參數

和仿

FileEditViewInsertMarkerPageOptionsToolsHelp

口日曲博I困13制現知卻曾同|wiai區(qū)|

DoublyTerminatedLowpassFilterNeedHelp?Pleafeth?FA?rDesignGwteUxrManual

torcompletenjtructlonjonujtngthisDifptayAulstamTheDisplay

DisplayAssistantAssistantChapterprovidesgeneral-useinsxnjctions,andspecifics

FilterDesignGuideforthisDisplayAssistantarefoundinthecomponentdooHnentation.

1FpFtAs|

InputParameters4.500BBI4.800B11D00I20.000I

1PBEdgeSBEdgeGainDe?(dB)DelayDev(ns)|

Performance700.0MHzI200.0MH:I1000I18,1311

1FS11(dB)S21(<JB)Delay(ns)1

htarkerM1450.MHz|-6.87I-1.00I21.70I

Miri<?rM2480.MH:I-0H2I-22.83I2.66|

P0Edge:ZttualPassbandComer

SBEdge: