微波课程设计报告.doc

第一章 简介 韦伯滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号, 使其不能通过滤波器, 只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一，因此本次设计是对微带滤波器的学习，以及熟悉ADS软件的使用，与此同时加深对微波的理解。 滤波器是一种选择装置，他对输入信号进行加工和处理，从中选出某些特定的信号进行输出，主要任务是对输入信号进行选频加权传输。微波技术与应用实训是通信类课程中为微波技术与应用开设的一门实践课。本课程强调以实践教学为主，在软件分析实践教学过程中要求学生把在微波技术课程中学到的基础内容贯穿起来，以软件方式实现微波器件的性能参数设置和分析。使学生通过实践能较好地掌握基本微波器件的设计和应用，更深层地掌握微波技术教材的内容。第二章 微波计内容及要求2.1 设计内容运用微波的相关知识利用Microwave office软件设计一个集总（或分布）参数滤波器。2.2技术要求集总参数：设计一个七级集总参数低通滤波器1）截止频率：200MHz；3）通带增益大于-5dB；4）阻带内300MHz以上增益：小于-35dB；5）通带内反射系数：小于-20dB。分布参数：设计分布参数的低通滤波器，使用微带线或者线状电路实现。术要求：1） 截止频率：3GHz；2） 通带增益大于-5dB;3） 阻带增益：在4.5GHz以上小于-50dB;4） 通带反射系数：小于-35dB。第三章 滤波器设计原理3.1 滤波器低通滤波器根据定义应该是：在通带内滤波器的变换器损耗LA为零, 而在止带内LA应该无穷大。低通滤波器是指车载功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通过的电路，其作用主要有两个，一是滤去信号中的中频和高频成分，使滤波器输出的低频有用信号成分尽可能强；二是抑制信号带外噪声，使滤波器输出噪声的成分尽可能小，减小噪声对信号的影响。微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。3.2 滤波器的分类及原理图 滤波器是最基本的信号处理器件，是一种选频器件。滤波器按照传输性可分为：低通，高通带通，带阻滤波器；按照设计方法可分为：巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器。椭圆函数滤波器等；按照所用元件可分为：集总参数滤波器和分布参数滤波器；无源滤波器和有源滤波器；等等。滤波器的主要技术参数有：截止频率、带宽、通带传输系数（传递函数、插入损耗）、带内波纹（纹波系数）、反射损耗、形状系数（矩形系数）。集总参数滤波器中元件： 电容、电感、电阻等；使用频率不是很高，（小于1GHz）；一般为电感与电容级联，以元件的个数来定义级别。理论级别越高（元件个数愈多），滤波性能越好，但相应的系统稳定性能降低，成本增加，插入损耗增大，因此要根据需要选择滤波器的级数。随着这工作频率的升高，集总元件设计的滤波器在低频时能正常工作，但在微波电路中往往却不能不能。其原因有：功能元件模块如电容电感值都是对应低频的，当频率很高，超过其谐振频率时，元件模块的寄生效应非常明显，这使一方面元件值特性变得复杂；另一方面电感电容的自身特性会发生改变。往往电容性变成电感性，电感性变为电容性。而在微波电路中，电容值很小(只有零点几个pf)，一般的元件模块根本无法做到如此小的值，只有用微带传输线制作，需要用分布参数方法来设计。本次设计的原理图如图 1 所示：图 1 七级集总参数低通滤波器原理图3.3滤波器的网络分析计算大部分微波滤波器和滤波元件可通过一个二端口网络来表示，如下图2所示.图2滤波器二端口网络其中V，I是端口电流（在微波频段很难测量）；，a，b表示归一化的入射波与反射波（容易测量）。其关系为：这个二端口网络的传输特性可用散射矩阵（S矩阵）表示为 参数S11、S22即为反射系数；S12、S21为传输系数。而S参数一般是复数，可用幅值与相位来表示： 它们的幅值一般以单位dB给出：，滤波器特性参数中LA，LR，分别并表示为： 其中：LA表示在由端口n到端口m的插入损耗（即设计要求中的增益相关）；LR表示由端口n返回损耗（即设计要求中的反射系数相关）。微波滤波器设计 滤波器的响应是用传递函数来描述的。对于一个无源无耗的二端口滤波器网络其传递函数是S21，即有： 式中：是波纹常数，是特性函数，是频率变量（单位为rad/s）。式中，如果是取截止频率，就是一个低通原型滤波器。滤波器设计思路：按照给定的技术指标设计得到低通原型滤波器，然后通过频率变换，把它变成实际低通、高通、带通或带阻滤波器。3.4 微带电路在微波电路中，常用分布参数元件，而以微带线和带状线最为常用，在MMIC中，为了便于制版，常用的是微带线。微带电路是近几十年发展起来的新型微波系统，它使微波系统的体积、重量、生产成本等大幅度降低，使微波个人通信系统的普及成为现实。微带电路包括：单片微波集成电路（MMIC）、微带传输线、微带元件等。工程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通带的输入电压驻波比、通带内相移与群时延、寄生通带。前两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类(高通、低通、带通、带阻等)；输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；群时延是指网络的相移随频率的变化率，定义为 dU/df ，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真；寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。3.5 微带线而微带传输系统即微带线，是有介质基片的一边接地板和介质基片另一边的带状导体构成。实际上可视为沿中心线剖开并展平的同轴线。由于介质的不同，微带传输线构成的微波电路具有以下几个特点： 1） 体积小，重量轻，成本低，可构成薄膜或厚膜微波集成电路。2）损耗大，功率容量小，电路参数调整困难。3）微带传输线是双导体传输系统，但不能传输TEM模，是准TEM。实际微带传输线的特征阻抗、传播常数都是工作频率的函数，并且微带线工作频率升高时，其色散增大，但在小于4GHz时，可以忽略色散效应。但当工作频率带宽较宽时，特性阻抗、传播常数的频率响应不可忽略。工作频率升高时，其等效介电常数增大。由于微带传输线的相速度、群速度、等效介电常数、等效波长都是微带传输线结构参数W（导体带宽度）、h(介质厚度)的函数。在介质基板厚度确定的前提下，可调节微带线参数有两个即线宽W和线长L，但微带线特性参数决定要线宽W，而与线长无关，在其他条件不变的情况下，为带向越宽其特性阻抗越小。3.6 微带电容和微带电感 利用微带传输线导体的宽度变化，可以直接在微带电路中形成等效微带电容或等效微带电感。 图3用串联微带传输线构成的串联微带电感，左为实际电路，右为等效电路。图3 中间导体变窄，是一段高阻串联微带线。由终端方程的阻抗表达式，在传输线长度d小于工作波长时，可计算其输入阻抗：由于大于，可知X大于0。可见，这段串联的高阻微带线等效为一个串联电感。 图4由并联开路微带传输线构成的等效微带电容微带线滤波器设计时要根据需要选取元件及其基板材料。图4就是用微带线设计的一款低通滤波器。 图5分布参数低通滤波器第四章 滤波器设计步骤4.1 微波设计器材PC机一台。microwave office 软件一套4.2 微波设计预习要求复习微波器件中关于微带线，滤波器等相关章节复习S散射矩阵4.3 微波设计步骤1.写下设计记录（设计项目名称，设计者，设计时间等等） 打开Wicrowave office软件，新建一个空白页，并保存。单击左边的窗口列表里的Design Notes图标，弹出如图6所示的编辑框，输入项目名称，设计者，设计地点，设计时间，方便日后查询。图 62. 写下设计记录配置全局参数1）Project option/Global Units 打开左边窗口的Project Options图标，弹出如图7所示窗口，选择Global Units 选项，按照要求设置参数，结果如图所示：图 72) Project option/Range & Opti Points 在同一窗口，选择Frequency Values 选项设置参数,频率范围设置为从0到1000MHZ，步长为10MHZ，频率单位为MHZ，然后单击 Apply按钮应用设置。结果如图 8 所示：图 83.新建电路图 在左侧列表栏右键单击Circurt Schematic，选择New Schematic,添加新的原理图。向图内添加端口和元器件。如图所示：图 9 在电路图中加入端口及元件（可以再左侧窗口里找到），接着选择设置变量，将L设为变量L1，再对L1赋初值40，C为40.以此类推。运行后得到未优化的结果，如图11所示图 10图 114 . Add Graph:右击左侧窗口的Graphs图标，选择Add Graph添加输出图型参量(如图12所示)，右击左侧窗口的Graphs图标下的Graph1图标，选择Add Measurement选项，设置测量的为S21的参量，单位为DB，添加到列表中，再改 变测量参量为S11参量，如图13,14 所示：图 12图 13 设定测量的参数为S21 图 14 改变测量的参数为S15. 添加选择优化目标：（1）右击左侧窗口里的Optimizer Goals图标，选择Add Opt Goal选项，然后修改参量，使S21参量的截止频率为200MHz，通带内增益大于-5dB设置过程如图 15，优化结果如图 16所示：图 15 优化目标一 图 16 优化目标一的结果 （2）同上，修改参量，阻带内300MHz以上增益小于-35dB，设置过程如图17，优化结果如图18所示：图 17 添加优化目标二 图 18优化目标二的结果（3）增加优化目标，参量S11的通带内反射系数要求小于-20dB，设置过程如图19，优化结果如图20所示：图 19添加优化目标三 图 20优化目标三的结果 6. 将其设置为可协调优化，这时变量会变成蓝色 单击左下角的Var 图标，将其设置为可协调优化如图 21所示，之后变量就会变成蓝色，如图22所示：图 20 设置可协调化 图 21 变量值和颜色的变化7. 单击菜单栏Simulate/Opimize,设置优化点数为5000，按Start按钮开始优化：图 22 一组优化结果.图 23优化结果8. 在Simulate下选Tune弹出一个工作窗修改参数，结果：、图 24 调试 1图 25 调试 2第五章 心得体会通过本次课程设计，我收获胜多！ 刚开始接到课题时，我在早几天前就开始参考我们的教材和实验指导书，把课程设计中一些相关的原理基本上弄懂了。等到实验室以后，我就给组员分配好了任务。刚开始的时候，我们都很迷茫，知道要做什么，但却不知道该从何动手，不过后来经过深入的研究和了解，最终我们还是完成了滤波器的设计。由于实验箱上只有带通滤波器，所以在条件有限的情况下，我们只测试了带通滤波的各种性能，不过与带通滤波器类似的其他滤波器的设计应该也是相似的。 这次课程设计在整整一个星期的日子里有苦有乐。可贵的是这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的只有理论知识是远远不够的只有把所学的理论知识与实践相结合起来从理论中得出结论才能从根本上提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题同时在设计的过程中发现了自己的不足之处这说明自己对所学过的知识理解得不够深刻掌握得不够牢固。总的来说这次课程设计我学到了不少知识而且锻炼了自己的能力使自己对以后的路有了更加清楚的认识。虽然这次的课程设计的时间比较短但在这段时间内学到了很多东西。把书本上学到的有关硬件结构设计语言和硬件与软件结合的方法应用到实际的操作中通过自己的探索和向老师请教的方法比较成功的实现实验目的。还有由于实验室的机器问题在实验过程中遇到很多问题所以就向其他同学请教在解决自己的问题的同时也加强了自己与他人的知识的巩固如果不能解决那就问老师在老师的帮助下解决。通过本次课程设计的学习，我加深了对微波技术与天线理论知识的理解，提高了手动能力和团队合作能力。在滤波器