微波电路课程实践.ppt

1 设计任务一 微波低通滤波器的设计 阶梯阻抗低通滤波器设计近似理论 对于长度为l l 0 25 特性阻抗为Z0的传输线 其负载阻抗为ZL 则输入阻抗公式为 对于负载阻抗为ZL 特性阻抗为Z0的传输线 则输入阻抗公式为 由上式可以看出 当负载阻抗远小于传输线特性阻抗的时候 传输线端接以负载阻抗 近似于一个电感和负载ZL串联 对于负载阻抗为ZL 特性阻抗为Z0的传输线 则输入阻抗公式为 对应的输入导纳为 由上式可以看出 当负载阻抗远大于传输线特性阻抗的时候 传输线端接以负载阻抗 近似于一个电容和负载ZL并联 综上所述 低通滤波器可以由级联的微带高 低阻抗线构成 通常高阻抗线取大于100欧 低阻抗线取小于20欧 阻抗在设计的时候是首先自选定 电感段 电容段微带线的长度可以通过下面的公式近似求得 通过linecalc工具求出对应高低阻抗微带线的有效介电常数 根据上面的公式求出对应的导播波长 以及相应的高低阻抗线的长度 电感段微带线的长度 电容段微带线的长度 其中Ro为阻抗阻抗变换值 通常选择50欧系统 L C为低通原型参数值 微带线的导波波长 设计的流程1 确定设计的指标2 选择合适的低通原型3 根据选择的基板 计算对应的微带高 低阻抗线的宽度 长度4 建立滤波器仿真模型 仿真 例子 设计一个阶梯阻抗低通滤波器 其通带波纹为0 5dB 截止频率为2GHz 要求在4GHz频率处插入损耗小于 30dB 滤波器的特性阻抗为50欧 高阻抗线取120欧 低阻抗线取20欧 基板的高度h 1 58mm 相对介电常数为4 2 微带厚度为0 5mil 解 1 根据指标 选择合适的低通原型 由 及下面的图可以知道 滤波器的阶数为5 通带波纹为0 5dB低通原型的衰减和归一化频率的关系 2 根据Linecalc工具可以知道20欧 120欧微带线的宽度分别为 11 27mm 0 4mm 120欧微带线对应的有效介电常数为2 84 20欧微带线对应的有效介质常数为3 65 lincal工具求解 实际的工程设计中 一般是采用软件工具来求微带线的宽度 3 对应的5阶滤波器的低通原型参数为 g0 g6 1 g1 g5 1 7058 g2 g4 1 2296 g3 2 5408 4 选择低通原型的第一个元件为串联电感 求对应高 低阻抗线的长度 gC 300 2 3 650 5 78 53mm gL 300 2 2 840 5 89 02mm 由 由 Moumentum结果 电流分布 3 滤波器的Moumentum仿真 2 5D电磁仿真 设计任务 设计一个奇数阶的低通滤波器 截止频率自选 阶数自选 选择的基板 介电常数2 2 厚度1mm 或介电常数9 8 厚度1mm 设计任务2 微带带通滤波器设计 设计方程 1 求解导纳变换器的值 2 求出导纳变换器的值后 可以根据下面的公式计算奇模 偶模阻抗 3 根据lincalc工具计算耦合微带线的尺寸 1 考虑到微带线本身的损耗选择的低通原型为通带波纹为0 2dB的5阶低通原型 其值如下 例子 滤波器的设计指标为 通带5000MHz 6000MHz 带内波纹小于0 5dB 带外频率4500MHz以及6500MHz处衰减大于30dB 基片介电常数为2 8 厚度为1mm 3 计算导纳变换器的值 2 确定分数带宽 4 计算奇模 偶模阻抗 L1 9 03mm L2 8 93mm L3 8 9mms1 0 188mm s2 0 635mm s3 0 863mmw1 0 935mm w2 1 345mm w3 1 404mm 5 综合微带线的尺寸 根据上面计算的耦合微带线的奇模 偶模阻抗 利用Lincalc工具得到第一级的线宽W 1 682mm 缝隙S 0 092mm 太细了不能保证加工的精度 因此将特性导纳变为1 70来提高缝隙的宽度 大家在设计的时候特性阻抗按50欧来设计就可以了 由于主线的阻抗为50 所以滤波器中做要一段阻抗变换线来连接主线和滤波器 由于终端电容效应 L要减去大约0 33h 得到的滤波器微带耦合线的尺寸为 电路仿真模型 电路仿真结果 5 滤波器的Moumentum仿真 2 5D电磁仿真 低通原型参数表 设计任务3 微带wilkinson功率分配器 微带wilkinson功率分配器设计公式 设计任务 设计不等功率分配比的微wilkinson功率分配器 低噪声放大器的设计 放大器的技术指标 1 工作的中心频率以及带宽 2 输入 输出反射系数 驻波比 3 增益以及增益平坦度 4 输出功率 主要针对功率放大器 采用P1dB的输出功率来衡量一般低噪声放大器这个指标不重要 5 噪声系数 LNA最重要的指标 共扼匹配放大设计的近似原理 1 晶体管的稳定性判据 共轭匹配只有在晶体管处于绝对稳定的情况下 才能进行设计 晶体管绝对稳定的充分比较条件 2 近似设计 单向化设计 如果放大器的晶体管S12很小 可以近似认为为0 则放大器的增益可以采用下面的公式来描述 如果增益以对数表示 则有 上面公式的1 3项表示输入 输出匹配网络的增益 由表达式可以知道其不大于1 因此不存在能量的放大 即没有增益 这里称为增益是由于设计了匹配网络 导致反射损耗减小 相对损耗而言是增益 当晶体管的输入 输出阻抗分别和源以及负载呈共轭匹配的时候 源和负载匹配网络均得到最大的单向增益 因此近似设计放大器的最大增益为 放大器的共扼匹配设计流程 1 仿真晶体管的S参数 采取串联电阻的方式使得晶体管处于绝对稳定 2 确定晶体管共扼匹配的输入 输出阻抗 3 设计输入 输出匹配网络 4 S参数的仿真 查看噪声系数和增益 五 设计实例采用AT 41511管子设计一个中心频率为2GHz 带宽100MHz的低噪声放大器 1 管子静态工作点的确定 选择File NewDesign 进入下面的对话框在下面选择BJT curve tracer 在上面给新建的Design命名 这里命名为BJTCurve 点击 打开元件库 查询ATF 41511元件 将元件按下图加入 并对其进行仿真 从上面的伏安特性曲线 可以确定管子的工作电压并对应的设计直流偏置电路 2 管子S参数扫描 选择一个工作电压为2 7v 漏极电流为5mA的S参数管子模型 可以看出管子在2GHz处处于绝对稳定 对应的S参数为 根据扫描的S参数 利用Smith圆图工具设计输入 输出匹配网络 即将源反射系数匹配到50欧 这里的源反射系数为晶体管输入反射系数的共轭值 输出端口同理 1 输入匹配网络 2 输出匹