微波电路课程实践

微波电路课程实践第一页，共四十五页，2022年，8月28日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(βl<<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：第二页，共四十五页，2022年，8月28日由上式可以看出，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。第三页，共四十五页，2022年，8月28日综上所述，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:第四页，共四十五页，2022年，8月28日设计的流程

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/仿真第五页，共四十五页，2022年，8月28日例子：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第六页，共四十五页，2022年，8月28日通带波纹为0.5dB低通原型的衰减和归一化频率的关系第七页，共四十五页，2022年，8月28日(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：λgC=300/(2*3.650.5)=78.53mmλgL=300/(2*2.840.5)=89.02mm第八页，共四十五页，2022年，8月28日由由第九页，共四十五页，2022年，8月28日第十页，共四十五页，2022年，8月28日第十一页，共四十五页，2022年，8月28日Moumentum结果电流分布3.滤波器的Moumentum仿真(2.5D电磁仿真)第十二页，共四十五页，2022年，8月28日设计任务: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.第十三页，共四十五页，2022年，8月28日设计任务2:微带带通滤波器设计设计方程(1)求解导纳变换器的值第十四页，共四十五页，2022年，8月28日(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第十五页，共四十五页，2022年，8月28日(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。第十六页，共四十五页，2022年，8月28日(3)计算导纳变换器的值(2)确定分数带宽第十七页，共四十五页，2022年，8月28日(4)计算奇模、偶模阻抗：第十八页，共四十五页，2022年，8月28日

L1=9.03mm，L2=8.93mm，L3=8.9mm s1=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：第十九页，共四十五页，2022年，8月28日电路仿真模型第二十页，共四十五页，2022年，8月28日电路仿真结果第二十一页，共四十五页，2022年，8月28日5.滤波器的Moumentum仿真(2.5D电磁仿真)第二十二页，共四十五页，2022年，8月28日低通原型参数表第二十三页，共四十五页，2022年，8月28日设计任务3:微带wilkinson功率分配器微带wilkinson功率分配器设计公式第二十四页，共四十五页，2022年，8月28日设计任务：设计不等功率分配比的微wilkinson功率分配器第二十五页，共四十五页，2022年，8月28日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)第二十六页，共四十五页，2022年，8月28日共扼匹配放大设计的近似原理第二十七页，共四十五页，2022年，8月28日(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:第二十八页，共四十五页，2022年，8月28日(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。第二十九页，共四十五页，2022年，8月28日当晶体管的输入、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:第三十页，共四十五页，2022年，8月28日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第三十一页，共四十五页，2022年，8月28日五、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FileNewDesign…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元件第三十二页，共四十五页，2022年，8月28日将元件按下图加入,并对其进行仿真第三十三页，共四十五页，2022年，8月28日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.第三十四页，共四十五页，2022年，8月28日(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)第三十五页，共四十五页，2022年，8月28日可以看出管子在2GHz处处于绝对稳定.第三十六页，共四十五页，2022年，8月28日对应的S参数为:第三十七页，共四十五页，2022年，8月28日根据扫描的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)输入匹配网络第三十八页，共四十五页，2022年，8月28日(2)输出匹配网络第三十九页，共四十五页，2022年，8月28日(3)放大器器的特性第四十页，共四十五页，2022年，8月28日第四十一页，共四十五页，2022年，8月28日第四十二页，共四十五页，2022年，8月28日(3)