微波课程设计.docx

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715微波技术及应用实践实验报告课程设计题目：微波技术及应用实践学 号：20104683 20104715学生姓名：顾少翔 方超指导教师：李勇明学 院：通信工程学院专 业：通信工程重庆大学本科学生课程设计指导教师评定成绩表学号20104683、20104715学生姓名顾少翔、方超学院通信工程专业通信工程指导教师李勇明课程设计题目微波技术及应用实践指导教师评语课程设计成绩指导教师签名：年 月 日说明：1、学院、专业、年级均填全称。 2、本表除评语、成绩和签名外均可采用计算机打印。重庆大学本科学生课程设计任务书课程设计题目微波技术及应用实践学院通信工程专业通信工程年级2010级设计要求：1、 微带低通滤波器 2、微带功分器通带频率：2.2GHz 工作中心频率：3.2GHz止带频率：4.4GHz 通带波纹：0.5dB输入输出阻抗：50衰减40 dB3、微带带通滤波器 4、射频放大器带内波纹：0.1dB 工作频率：3.2GHz中心频率：5GHz 增益：20dB下边频：4.5GHz 带宽：100MHz上边频：5.5GHz 噪声系数：30dB 学生应完成的工作：分别完成微带低通滤波器、功率分配器、带通滤波器和放大器的一系列工作 1）电路原理图设计； 2）进行相应的仿真和调试； 3）进行相应的Layout图的设计； 4）进行电磁能量图仿真参考资料：微波技术基础廖承恩编著西安电子科技大学出版社微波技术及光纤通信实验韩庆文主编重庆大学出版社射频电路设计理论与应用Reinhold Ludwig Pavel Bretchko 编著电子工业出版社课程设计工作计划：设计分两周进行：第一周完成切比雪夫低通滤波器和威尔金森功分器的设计第二周完成微带滤波器和放大器的设计任务下达日期2013年9月3日完成日期2013年9月14日指导教师（签名）学生（签名）说明：1、学院、专业、年级均填全称。2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。摘要关键词：低通原型 Kuroda规则功率分配比匹配网络微带线本次主要涉及了低通滤波器，功分器，放大器和带通滤波器，用到了AWR，MATHCAD和ADS软件。微波滤波器是一种用来分离不同频率信号的元件。他的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，而只让需要的信号通过。实际上许多微波元件都具有一定的频率响应特性，都可以用滤波器的理论进行分析。因为集总元件参数滤波器的理论比较成熟，所以，尽管微波滤波器在很多方面有他自己的特点，但在一定频率范围内，在分析微波滤波器的特性时，仍可采用与它相应的集总参数的等效电路来进行分析，并根据所得的分析结果，在具体的微波结构上加以实现。低通滤波器允许低频信号以很小的衰减量从输入端口传输到输出端口，当信号频率超过特定的介质频率后，信号则以很少的衰减量从输入端口传输到输出端口。切比雪夫滤波器： 切比雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的，其幅频响表达式为： 是决定通带波纹大小的系数，波纹的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件；Tn是第一类切贝雪夫多项式。在低通滤波器的设计中，根据设计要求，选择了合适的低通原型，利用了RICHARDS法则用传输线替代电感和电容，然后用Kuroda规则进行微带线串并联互换，反归一化得出各段微带线的特性阻抗，组后在AWR软件中用Txline算出微带线的长宽，画出原理图并仿真，其中包括S参数仿真，Smith圆图仿真和EM板仿真。威尔金森功分器是功分器的一种，可以做到完全匹配而且输出端口之间具有完全隔离的三端口网络，它可以实现任意的功分配比。可以很方便的用微带线或带状线来做，广泛应用于阵列天线馈电网络，固态发射机放大链等装置中。在功分器的设计中，首先根据要求的工作频率和功率分配比K，利用公式求得各段微带线的特性阻抗1，2，3端口所接电阻的阻抗值，再用AWR软件确定各段微带线的长度和宽度，设计出原理图，然后仿真，为了节省材料，又在原来的基础上设计了弯曲的功分器。设计放大器时，一是根据要求，选择合适的管子，需在选定的频率点满足增益，噪声放大系数等要求。二是设计匹配网络，采用了单项化射界和双边放大器设计两种方法。具体是用ADS中的Smith圆图工具SmitChaitUtility来辅助设计，得到了微带显得电长度，再选定基板，用ADS中的LineCalc计算微带线的长和宽。最后在ADS中画出原理图并进行仿真，主要是对S参数的仿真。为了达到所要求的增益，采用两级放大。对于带通滤波器，首先根据要求选定低通原型，算出耦合传输线的奇模，偶模阻抗，再选定基板，用ADS的LineCalc计算耦合微带线的长和宽，组图后画出原理图并进行仿真。课程设计正文1. 切比雪夫低通滤波器的设计1.1 设计要求：五阶微带低通滤波器：截止频率:2.2GHZ 止带频率：4.4GHZ 通带波纹：0.5dB止带衰减As大于45dB 输入输出阻抗：50欧1.2 设计原理：切比雪夫低通滤波器具有陡峭的通带阻带过渡特性，且陡峭程度与带内波纹有关。一般来说波纹越大，通带阻带过渡越陡峭。在通带外，切比雪夫低通滤波器衰减特性较其他低通滤波器提高很多倍。切比雪夫低通滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。为了将低通原型的截止频率从1变换到wC，需要乘以因子1/wC来确定滤波器的频率，这是通过w/wC来代替w的。 = =对于低通原型中的串联电感j，并联电容j变换为低通滤波器中的感抗，容抗，可通过下面的公式来计算：1.3设计流程图：性能指标分析Mathcad参数计算绘制集总元件图集总元件性能仿真分布参数计算绘制微带线图参数修改性能仿真绘制EM图电磁仿真验证修改完成1.4 设计步骤：步骤1：利用MATHCAD进行参数计算：画出归一化低通原型的电路图如图一所示：图一 集总参数模型图步骤2：集总元件的绘制与仿真：由于输入输出阻抗为50 Ohm，用原型值进行阻抗变换，得到各组件的真实值，用WAR软件画出相应的电路图如图二所示：图二：集总参数原理图得到相应的S参数仿真图：图三 低通原型S参数仿真图Smith圆图仿真：从图中可以看到：仿真轨迹最终到达匹配点Z=1，可知输入输出带到了匹配。步骤3：分布元件参数的计算用图二中开路，短路的并联，串联微带线替换图一中的电容和电感，只需直接运用Richards变换即可得到微带线的特性阻抗和特性导纳为：图五 用串联并联微带线代替电感器和电容器为了在信号端和负载端达到匹配并使滤波器容易实现，需要引入单元组件以便能够应用第一和第二个Kuroda规则，从而将所有串联线段变为并联线段。由于这是一个五阶低通滤波器，我们必须配置总共4个单位组件以便将所有串联短路线变为并联开路线段。首先，在滤波器的输入，输出端口引入两个单位元件：图六 配置第一套单位元件因为单位元件与信号源及负载的阻抗都是匹配的，所以引入它们并不影响滤波器的特性。对于第一个并联短线和最后一个并联短线应用Kuroda准则后的结果如图所示： 图七 将并联线变换为串联线因为这个电路有四个串联短线，所以仍然无法实现。如果要将它们变换成并联形式，还必需再配置两个单位元件。如图八所示：图八 配置第二套单元元件因为单元元件与信号源及负载的阻抗相匹配，所以引入他们并不影响滤波器的特性。对于图七中的电路应用Kuroda法则，则可以得到如图九所示的电路 图九 利用Kuroda法则将串联短路线变为并联短路线的滤波器电路对应的阻抗值为：=127.6882.18526.12556.21518.58通过使用AWR软件对所设计的滤波器的微带线尺寸进行调整，最终基本达到设计的要求。 在基板H=2000，T=25um，介质常量Er=12.9，点长度为45的情况下，在AWR的软件中选择windows/Txline选项，用Txline来计算出微带线长度，选取copper作材料，频率=2.2GHZ,计算出各个微带线的长度与宽度。计算出的微带线长度及宽度如下：阻抗值（Ohm）微带线长度（um）微带线宽度（um）Z0 50190974199.3 Z1/Z5127.6820556429.36 Z2/Z426.125198681605.6 Z318.581821910770/82.185192753440.1/56.2151785016518步骤4.根据Txline计算出来的各元件对应的微带线的长度和宽度，用AWR软件画出微带线原理图如下图。对微带线原理图进行仿真得到S参数仿真图，如下：从s参数仿真图可以看出，0到2GHZ范围内衰减为0，由于是用微带线设计的滤波器，在截止频率为2.2GHZ处，其衰减为9dB.在止带频率4.4GHZ处，其衰减大于40dB，通带阻带过渡陡峭，低通特性良好，满足设计要求。然后对微带线原理图用Smith圆图进行仿真，如下图：对微带线原理图进行仿真得到S参数仿真图，如下：从s参数仿真图可以看出，0到2GHZ范围内衰减为0，由于是用微带线设计的滤波器，在截止频率为2.2GHZ处，其衰减为9dB.在止带频率4.4GHZ处，其衰减大于45dB，通带阻带过渡陡峭，低通特性良好，满足设计要求。然后对微带线原理图用Smith圆图进行仿真，如下图： 在04GHZ范围内的仿真结果，从图中可以看出，当0GHZ时，从匹配点开始反射系数组建增大，当频率在0到1.5GHZ的变化过程中，仿真轨迹均在Z=1这个匹配点附近移动，移动幅度不大，因此，能量大部分可以传输出去。但各鬼几点都表现出向外失配的趋势，当频率大于1.5GHZ时，我们发现轨迹点迅速失配，移向Smith圆图的最外圈，能量将不能从此滤波器传输出去，因此，该滤波器从总体上达到了设计上的要求。步骤五：绘制EM图：用快捷键view layout，得到EM板的平面图。在用view layout得到平面图后，通常有未连接的地方或者排列混乱，在点击edit下的select all后，再点击edit下的snap together，可以得到排列整齐并且各处连接正常的图形如下：3D图为：步骤六：EM板导入导出及仿真：1）点击layout/export layout 导出project1.gds；2）点击project/Add EM structure/Import EM structure 导入project1.gds得到EM结构图如下：调节y尺寸使得元件置于中间位置，上下留出空间。点击快捷键或选择在两个端口加上箭头，为使电磁能量能在输入输出端口流动，加上箭头后上图所示。3）Option/project option 选择适当的仿真范围，在EM板上加端口，仿真得出EM板电磁流图如下图所示： 从图中可以清楚的观察到，滤波器中的电磁能量在输入输出端口不停的流动，表现为箭头不时的向某个方向流动，由黄色部分可以看出电磁能量在整个滤波器中流通，说明了成功的设计了低通滤波器。能量不能通过的情况：4）点击3D view得出EM板立体图。可得EM板参数如下图所示：2微带功分器的设计。2.1设计要求。威尔金森功分器是功分器的一种，可以做到完全匹配而且输出端口之间具有完全隔离的三端口网络，它可以实现任意的功分配比。可以很方便的用微带线或带状线来做，广泛应用于阵列天线馈电网络。此次设计较为简单的威尔金森功分器，分配比为1:1。 1.工作频率：3.2GHz 2.功率分配比：P1:P2=1:1 3.输入输出阻抗：50 Ohm2.2设计步骤。1.步骤一，微带参数计算。根据功率关系可求得如下设计方程：=70.7=70.7=100其中K=1，Z0=50 Ohm 2步骤二，用AWR软件计算微带线长度和宽度，画出原理图。将图中的R,Z02,Z03数据用WINDOWS中的Txline将相应的电阻值等效为微带线，其中电刻长度选取90度。基板参数：H=2000um,T=25um，介质常数=12.9，频率=3.2GHZ。计算得微带线参数如下图所示：阻抗值（Ohm）微带线长度（um）微带线宽度（um）Z0 50130204264 Z02/Z03 70.7134002268R 100 22291 706.84根据威尔金森功分器的结构绘制相应的原理图：3.步骤三，对威尔金森功分器进行仿真。1.S参数仿真如下图：从图中可以看出：在频率为32.9GHZ的时候，S11达到最小为26.39dB，即在工作频率时输入端的反射系数最小，同时S21=S31=3.71dB左右，可以知道，设计的功分器刚刚好达到1：1的功分比，故设计初步达到要求。2.Smith圆图仿真：从图中可以观察到：在频率为2GHz的时候，输入输出端口刚好达到匹配。4.步骤四：EM图仿真。EM结构图如下，调节y尺寸使得元件置于中间位置，上下留出空间，点击快捷键或选择在两个端口加上箭头，为使电磁能量能在输入输出端口流动，加上箭头后上图所示。最后得到能量仿真图：从图中可以清楚的观察到，功分器中的电磁能量在输入输出端口不停的流动，表现为箭头不时的向某个方向流动，由部分可以看出电磁能量在整个功分器中流通，说明了成功的设计了功分器。再点击3D view得出EM板立体图。可得EM板参数如下图所示：实验分析，虽然功分器设计简单，并且成功了，但是由于成型的样子不是很好看，要是可以修改美化就更好了，于是乎做了下面的尝试，将此设计改成转弯头的设计，让在满足要求的情况下尽量美观。3.美化后的功分器。1步骤一，前面的设计步骤和上面的一致。将上面的微带线长度分为几个部分，这是经过计算得出的，将两部分微带线设置成未知数，然后根据方程解出长度，右边微带显得长度为1105.5um，左边微带线的长度为13401um，这样必须保持左右两边的长度一致，才不会有空缺出现，才可以连通，使得总长度要保持不变，宽度不变，转弯头宽度和微带线保持一致，得到原理图如下，步骤二：对威尔金森功分器进行参数仿真。1. S参数仿真。2. Smith圆图3. 在用view layout得到平面图后，通常有未连接的地方或者排列混乱，在点击edit下的select all后，再点击edit下的snap together，可以得到排列整齐并且各处连接正常的图形如下所示：在仿真时存在链接间断点，虽然计算没有问题，但是间断点确实存在的，于是将该处放大，原来是y轴需要调整，于是我将y轴向上调整14个单位，刚刚好完美融合。4. 然后到处导入，EM结构图如下：5. Option/project option 选择适当的仿真范围，在EM板上加端口，仿真得出EM板电磁流图如下图所示： 从图中可以清楚的观察到，功分器中的电磁能量在输入输出端口不停的流动，表现为箭头不时的向某个方向流动，由黄色部分可以看出电磁能量在整个功分器中流通，说明了成功的设计了等功分器6. 点击3D view得出EM板立体图。可得EM板参数如下图所示：4射频放大器。1 设计要求：中心频率： 3.2 GHZ 增益： 20 dB 带宽： 150 MHZ 噪声系数： 3dB2 设计步骤：1.建立原理图，对电路仿真。2观察StabFact 和StabMess。3.S参数仿真。从图中可以观察到在频率点为3.2GHZ时，可以得到输入输出端口的电阻匹配值：输入端口匹配电阻Zs=Z0*(0.311+j*0.111)，输出端口匹配电阻Zl=Z0*(1.192-j*1.053)。3.设计匹配网络用2中得到的阻抗值设计匹配网络。用ADS里面的Smith Chart Utility来辅助设计。先将得到的阻抗值输入再利用串并联传输线匹配到原点，如图所示：A输入电阻匹配：B输出电阻匹配：由上图的匹配设计，可以得到输入输出匹配网络的等效微带线网络：输入端匹配网络：串联微带线电刻度：28.12Deg并联微带线电刻度：45.77 Deg输出端匹配网络：串联微带线电刻度：12.40Deg并联微带线电刻度：51.68Deg用微带线的电刻度计算出微带线的长与宽，所采用的基板为：H=2500um，T=20um，介电常数=12.9 。通过Tools/LineCalc计算出的微带线的W与L如下图所示：微带线电刻度（Deg） W（um)L(um)28.121903.022453.1145.771903.024502.3212.401903.021091.0451.861903.024576.134.设计电路图并进行仿真：1. 得到相应的参数之后，可以设计总的电路图，如下：经S参数仿真后发现，增益S21为7dB左右，不满足设计的要求，故采用了三级放大电路。为了避免级间影响，我们在二级放大电路之前和三级放大电路之前各加入了一个电容值为100pF的隔离电容。得到S参数的仿真图：从图中可以发现：在频率为3.2GHZ左右的时候，S11和S22达到最小，故反射损耗值达到最小值。而增益S21达到11.187 dB左右，故设计初步达到要求。噪声系数仿真：双击，选中noise项，并选中calculate noise，单击确定。在对其进行扫描。可以发现nf（2）如下图所示：5.微带带通滤波器。1.设计要求。带内波纹：0.1 dB ； 中心频率：5 GHz； 下边频：4.5 GHz ； 上边频：5.5 GHz ； 在4GHz、6GHz的时候频率点衰减大于30 dB.2.设计步骤。 1.算出低通原型值。2.计算出五阶3求解带通滤波器的奇偶模阻抗值与其微带线参数，画出原理图 1. 根据分数带宽，低通原型计算出导纳变换的值：2. 求出导纳变换值后，可以根据下面的公式计算出奇偶模阻抗：3. 根据奇偶模阻抗值，选定基板的参数H=1500um，T=30um，介电常数Er=6，确定微带耦合线的尺寸以及耦合间距。 i奇模特性阻抗（Ohm）偶模特性阻抗（Ohm） 00.46337.56883.868 10.3823819676.396 20.30039.5069.5 30.30039.5069.5 40.3823819676.396 50.46337.56883.8684， 再用LinCalc计算出各段微带线的W,S,L参数，如下表所示：奇模特性阻抗（Ohm）偶模特性阻抗（Ohm） W(mil) S(mil) L（mil）37.56883.8681634.78685.5154995.6938.19676.3961898.96906.244931.8439.569.52158.851288.254873.95用AWR设计出带通滤波器的原理图：4对带通滤波器的原理图进行参数仿真：由S参数曲线图可以看出：通带范围为4.5 GHZ到5.5GHZ，即带宽为1000MHZ,在4GHZ处衰减为41 dB左右，满足衰减大于30 dB的要求。另外在通带内回波损耗均在10 dB以下，有良好的通带特性。由Smith圆图可以观察到，在5GHZ的时候，S11,S21达到了匹配点，可以说设计基本上符合要求。5、绘制EM图：用快捷键view layout，得到EM板的平面图。在用view layout得到平面图后，通常有未连接的地方或者排列混乱，