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西安交通大学射频专题实验报告 （一）匹配网络的设计与仿真 实验目的 1.掌握阻抗匹配、共轭匹配的原理 2.掌握集总元件L型阻抗抗匹配网络的匹配机理 3.掌握并(串)联单支节调配器、/4阻抗变换器匹配机理 4.了解ADS软件的主要功能特点 5.掌握Smith原图的构成及在阻抗匹配中的应用 6.了解微带线的基本结构 基本阻抗匹配理论 信号源的输出功率取决于Us、Rs和RL。在信号源给定的情况下，输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比k。当RL=Rs时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配状态。无论负载电阻大于还是小于信号源内阻，都不可能使负载获得最大功率，且两个电阻值偏差越大，输出功率越小。 匹配包括：共轭匹配，阻抗匹配，并(串)联单支节调配器。 练习 1.设计L型阻抗匹配网络，使Zs=(46j124) Ohm信号源与ZL=(20+j100) Ohm的负载匹配，频率为2400MHz. 仿真电路图 2. 设计微带单枝短截线线匹配电路，使MAX2660的输出阻抗ZS=（126-j*459）Ohm与ZL=50Ohm的负载匹配，频率为900MHz. 微带线板材参数： 相对介电常数：2.65 相对磁导率：1.0 导电率：1.0e20 损耗角正切：1e-4 基板厚度：1.5mm 导带金属厚度：0.01mm 仿真电路图 仿真结果 思考题 1. 常用的微波/射频EDA仿真软件有哪些？ 2. ADS, Ansoft Designer，Ansoft HFSS，Microwave Office， CST MICROWAVE STUDIO 2.用ADS软件进行匹配电路设计和仿真的主要步骤有哪些？ 放置元件，连接电路图，参数设定，计算仿真。 3. 给出两种典型微波匹配网络，并简述其工作原理。 L型阻抗匹配网络，型阻抗匹配网络 在RF理论中，微波电路和系统的设计（包括天线，雷达等），不管是无源电路还是有源电路，都必须考虑他们的阻抗匹配（impedance matching）问题。阻抗匹配网络是设计微波电路和系统时采用最多的电路元件。其根本原因是微波电路传输的是电磁波，不匹配会引起严重的反射，致使严重损耗。所以在设计时，设计一个好的阻抗匹配网络是非常重要的。阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。 根据最大功率传输定理，要获得信号源端到负载端的最大传输功率，需要满足信号源阻抗与负载阻抗互为共轭的条件。此定理表现在高频电路上，则是表示无反射波，即反射系数为0.值得注意的是，要得到最佳效率的能量传输并不需要负载匹配，此条件只是避免能量从负载端到信号源端形成反射的必要条件。当RL=Rs 时可获得最大输出功率,此时为阻抗匹配状态。无论负载电阻大于还是小于信号源内阻,都不可能使负载获得最大功率,且两个电阻值偏差越大,输出功率越小. 阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，它反映了输人电路与输出电路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。反之，当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发信机与天线之间，等等。 为了使信号和能量有效地传输，必须使电路工作在阻抗匹配状态，即信号源或功率源的内阻等于电路的输人阻抗，电路的输出阻抗等于负载的阻抗。在一般的输人、输出电路中常含有电阻、电容和电感元件，由它们所组成的电路称为电抗电路，其中只含有电阻的电路称为纯电阻电路。 L型匹配网络通常不用于高频电路中，以及如果在窄带射频中选用了L型匹配网络，也应该注意他的匹配禁区，在这个禁区中，无法在任意负载阻抗中和源阻抗之间实现预期的匹配，即应选择恰当的L型匹配网络以避开其匹配禁区。 4.画出微带线的结构图，若导带宽度w、r增大，其特征阻抗Z0如何变化？ 减小5. 实验体会和建议通过本次实验，我初步掌握了ads软件，了解了大概的功能，也知道了如何利用smith圆图和单支短截线设计匹配网络 实验二 衰减器的仿真设计 1、 练习：设计10dB 型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰减器。 仿真电路： 仿真结果： 二、衰减器的测量AV36580A 矢量网络分析仪 (一)测失配负载在6002600MHz 的驻波比（S11、回损） S11 对数幅度 三、思考题 1、用矢网测元件的回波损耗时为什么要做开路、短路和匹配三项校正？ 待测元件特性=全体特性-测定系统特性 进行开路、短路、匹配三次校正称为solt法，在测量两端口器件的反射测量时可以消除反射测量中三项系统误差（方向性，源配性和反射跟踪） 2、 画出PIN的正、反向偏置等效电路 3、给出P33仿真结果的等效电路，并说明衰减原理 由rs和r构成分压器，由于二极管正向偏压时的阻抗随偏执电压而变，可起自动衰减作用。 4、 举例说明衰减器的应用控制电平，去耦元件，用于雷达抗干扰中的控制衰减器。 5、 实验体会和建议。通过本次实验我知道了衰减器设计方法和理论仿真的步骤；用SOLT法测定二端口器件的参数，对二端口器件的回波损耗，隔离度，插损的物理意义有了更进一步的了解。（三）威尔金森功分器的设计与仿真 一、设计指标要求： 中心频率：2.45GHz 带宽：60MHz 频带内输入端口的回波损耗：S11-20dB，S22-3.1dB, S31-3.1dB 隔离度：S32-25dB，没有达到指标要求，还需进一步优化。 （5） 版图仿真结果： （6） 优化仿真结果： 五、结果分析： 优化之后结果达到指标要求：S11-20dB，S22-20dB S21-3.1dB，S32-25dB。 功分器的测量用PNA网络分析仪 驻波图像 各支路幅相特性 各支路隔离度测量 功分器参数测量记录表 频率0.80.91.01.11.21.31.41.5回损-21.89-28.66-40.11-28.78-24.76-22.11-22.10-22.89驻波1.1751.0071.0181.0741.1121.1551.6661.155支路1损耗-25.33-35.99-34.54-27.00-24.67-23.88-23.77-24.89支路一相移-147.6-168.5172.9154.8133.9113.0100.985.0支路2损耗-3.89-3.45-3.40-3.30-3.29-3.20-3.19-3.03支路2相移-148.9-169.9170.9154.7120.9112.990.9985.00隔离度-25.45-33。7-34.78-27.00-24.99-23.99-23.65-23.11六、思考题 1.给出四种用ADS微带线计算工具LinCalc可计算、设计的微带线 耦合微带线，微带滤波器，微带定向耦合器，微带开路电感。 2.微带圆弯头与最优弯头有什么区别？ 微带线弯曲处存在电荷积聚效应，相当于弯曲处电容增大，引起传输特性的不连续性，圆弯头是扫掠弯头，可以减少不连续性的影响，但最优弯头是指具有最佳斜切率的直角弯曲45外斜切弯头。 3.威尔金森功分器中的电阻R理论取值是多大？起什么作用？ R=2Zc，起到使两个输进端口相互隔离的作用。 4.比较电阻功分器与威尔金森功分器的特点。 电阻功分器 优点：频宽大，布线面积小，设计简单 缺点：功率衰减较大 威尔金森功分器 优点：隔离性好 缺点：频宽较小，设计复杂。 5.实验体会和建议。 通过本次实验我了解了功分器，尤其是威尔金森功分器的结构，以及利用微带线如何实现，从中知道微带线的特性阻抗与线宽的关系以及1/4波长的阻抗变换作用。（四）微波射频滤波器设计与仿真 一实验目的 1.掌握低通原型滤波器的结构 2.掌握最平坦和等波纹型低通滤波器原型频率响应特性 3.了解频率变换法设计滤波器的原理及设计步骤 4.了解利用微带线设计低通、带通滤波器的原理方法 5.掌握用ADS进行微波滤波器优化仿真的方法与步骤。 二滤波器原理 1 滤波器的技术指标 中心频率 通带最大衰减 阻带最小衰减 通带带宽 插入损耗、群时延 带内纹波 回波损耗、驻波比 2. 滤波器的设计步骤 （1）由衰减特性综合出低通原型 （2）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型 （3）计算滤波器电路元件值(集总元件) （4）微波结构实现电路元件，并用微波仿真软件进行优化仿真。 三实验内容 作业1：对下面结构的微带枝节低通滤波器的两种设计进行原理图和版图仿真，并分析其特性。 版图及仿真结果 作业2：设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带2.42.5GHz，带内衰减小于2dB，起伏小于1dB，2.3GHz以下及2.7GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。 板材参数： H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电常数(2.65) Mur:磁导率(1)， Cond:金属电导率(5.88E+7) Hu:封装高度(1.0e+33 mm) T:金属层厚度(0.035 mm) TanD:损耗角正切(1e-4) Roungh:表面粗糙度(0 mm) 原理图及优化结果 2、 版图及仿真结果 基本达到设计要求。通带2.42.5GHz，带内衰减小于2dB，起伏小于1dB，2.3GHz以下及2.7GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。 但由于优化并不能达到最优以及版图与原理图存在误差，因此优化结果并不非常理想。 滤波器的测量AV36580A矢量网络分析仪 支路1：3dB带宽f1=2.238GHz，f2=2.295GHz，W=57MHz 支路2：3dB带宽f1=2.435GHz，f2=2.487GHz，W=52MHz 思考题 1. 频率变换法设计滤波器的准则是什么？ 变换后在对应频率点上衰减量不变，须对应的元件值在两种频率下的具有相同的阻抗，即： 2. 比较微波滤波器与集总元件L-C的特点 微波滤波器的实现方式有集总元件L-C型和传输线型,微波频率下的集总元件滤波器会出现两个问题：第一，集总元件如电感或电容仅有有限值可供选择，且在微波频率下会存在不可避免的寄生频率效应；第二，滤波器中各元件间的距离不可忽略。理查德变换可将集总元件变换成传输线段，而科洛达恒等关系可用传输线段分割滤波器各元件，因添加的传输线段并不影响滤波器响应，所以这类设计称为冗余滤波器综合。 3.微波滤波器中的、C是如何实现的？ 1、 Richard变换短截线实现 L、C 2、 高、低阻抗线实现串联L、并联C，设计LPF 4.微波滤波器中的串联元件通过什么变换可用并联元件实现？ 利用Kuroda恒等式(变换)设计LPF 5.实验体会和建议。 通过这次实验我了解了低通原型滤波器的结构及设计方法；为了方便可以直接用滤波器设计向导进行设计；知道了LC分立元件设计的滤波器与用微带线设计的滤波器的各个特点。实验五 微带天线设计、仿真、制作与测试 作业要求设计、制作一中心频率为2.45GHz的微带天线,天线采用50Ohm微带线馈电，扫频范围：2.2GHz-2.7GHz。 板材参数： H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电常数(2.65) Mur:磁导率(1)， Cond:金属电导率(5.88E+7) Hu:封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度(0.035 mm) TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm) 微带天线工作原理 微带天线在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2 种：贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。微带天线的版图尺寸 版图仿真结果 天线实测结果 回波损耗： 驻波比： 输入阻抗： 天线在2.45GHz处的接收峰值： 实验记录： 思考题： 1、天线工作在中心频率时其输入阻抗有什么特点？ 其输入阻抗是实数，即为纯电阻 2、天线线极化和水平极化的概念及所设计的天线是哪种极化？ 线极化：电场矢量端点的轨迹是一条直线，该直线与坐标轴的夹角不随时间变化。 水平极化：电波的电场方向与地面平行称之为水平极化。 所设计的天线为线极化 3、实验体会和建议通过这次实验我了解了微带天线如何利用版图生成，如何输入坐标以确定矩形的位置与大小，当设计的阻抗匹配电路不符合要求时，如何优化设计；知道了矩形微带天线的简略的计算公式。实验六射频放大器的设计与仿真一、实验目的1. 了解描述射频放大器的主要性能参数及类型 2. 掌握放大器偏置电路设计方法 3. 了解最小噪声、最大增益放大器的基本设计方法 4. 掌握放大器输入、输出网络的基本结构类型 5. 掌握用ADS进行放大器仿真的方法与步骤 二、基本理论常用的微波晶体管放大器有低噪声放大器、宽带放大器和功率放大器。目的是提高信号的功率和幅度。 低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，减小噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据。 功率放大器一般在系统的输出级，为天线提供辐射信号。 三、低噪声放大器设计的依据与步骤1、设计依据： 满足规定的技术指标：噪声系数、功率增益、增益平坦度、工作频带、动态范围等； 2、设计步骤： （1）依据具体要求选定放大器级数； （2）选择所用的晶体管； （3）确定电路拓朴结构； （4）电路具体结构的初步设计； （5）CAD软件实现设计； （6）在优先满足噪声小的前提下，提高电路增益。即根据输入等增益圆、