射频电路实验报告

射频电路实验报告学院:信息学部班级:150273姓名:于书伟学号:15027321指导老师:金冬月时间:2018年6月目录实验一低通滤波器设计 31.实验目的 32.实验原理 33.实验内容 3实验二、偏置电路和匹配电路设计训练 51.实验目的 52.实验原理 53.实验内容 5实验三、低噪声放大器设计训练 141.实验目的 142.实验原理 143.实验内容 14心得体会 16实验一低通滤波器设计实验目的设计一款应用于2.4GHz的低通滤波器，该低通滤波器的主要性能指标包括：在低频通带的插入损耗（S21）大于-1dB；-3dB截止频率小于3GHz；在低频通带的输入反射系数（S11）小于-10dB。给出该低通滤波器中各元件值及S参数频响曲线。实验原理低通滤波(Low-passfilter)是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序（目的）而改变。它有的时候也被叫做高频去除过滤（high-cutfilter）或者最高去除过滤（treble-cutfilter)。低通过滤是高通过滤的对立。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。3.实验内容(1)原理图设计按照实验要求在ADS上添加电容元件C1、C2，电感元件L1、L2,在元件模型下拉框中选择Simulation-S_Param，将模拟控制器和端口添加到原理图中，并对它们进行连接，如图1-6所示。双击S参数控件，将Start设置为0、Stop设置为5、Step-size设置为0.1，单击ok完成设置。搭建原理图如图1-1所示。图1-1低通滤波器电路图（2）模拟仿真单击【Simulate】/【Simulate】进行仿真，弹出数据显示窗口，选择要显示的S(2,1)参数S(1,1)参数，并在原理图中单击电容、电感元件，改变电感值与电容值的最大值与最小值，上下滑动调节滑块，观察数据显示窗口中S21，S11曲线的变化。最终得到满足要求的电路。仿真结果如下：图1-2仿真参数设置图1-3仿真结果可以看出在低频通带的插入损耗dB(S(2,1))=-0.062dB>-1dB，-3dB截止频率为2.7GHz<3GHz；在低频通带的输入反射系数dB(S(1,1))=-18.500<-10dB。满足实验要求。实验二、偏置电路和匹配电路设计训练实验目的请为编号为pb_hp_AT32033_19950105的晶体管设计偏置电路和匹配电路，使得S11、S22均小于-40dB，并给出具体的偏置电路和匹配电路及S参数频响曲线。实验原理偏置电路晶体管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大，就必须保证晶体管的发射结正偏、集电结反偏。即应该设置它的工作点。所谓工作点就是通过外部电路的设置使晶体管的基极、发射极和集电极处于所要求的电位（可根据计算获得）。这些外部电路就称为偏置电路。阻抗匹配（impedancematching）信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。实验内容晶体管直流工作点扫描新建以BJT_curve_tracer为原理图的模板，并插入晶体管pb_hp_AT32033_19950105，添加元件，连线后得到下图所示电路：图2-1电路原理图接下来进行仿真，仿真完成后弹出数据显示窗口。在数据显示窗口中可以看出设计模板已经预先设置好了静态工作点，并可以显示出在静态工作点时器件的集电极电流、基极电流、集电极-发射极电压以及静态功耗，如图2-2所示。同时，为了在保证一定增益的情况下，使得BJT的噪声系数较小，我们选取静态工作点为：基极电流IB为50μA，集电极电流IC为5mA，集电极-发射极电压Vce为2.7V。图2-2完成仿真的数据显示窗口再次新建原理图，类似的，插入元件模型pb_hp_AT41511_19950125；添加各种元件后，将他们放置于电路图设计窗口中，设置得到电路图如图2-3所示：图2-3连接完成的电路图进行仿真，选择要显示的IB.i参数，得到BJT的基极电流随基极电压的变化曲线。选择当基极电流IB约为50μA的点，以获取对应的基极-发射极电压Vbe（约为0.81V），如图2-4所示。图2-4基极电流随基极电压的变化曲线再次新建原理图，添加元件并连线如图所示其中，Vdc设置为5V，R1=（Vdc-Vce）/（基极电流+集电极电流）=（5V-2.7V）/（5mA+50μA）≈455Ω；R2=（Vce-Vbe）/IB=（2.7V-0.8V）/50μA≈38KΩ。图2-5偏置电路的搭建进行仿真，关闭弹出的窗口，回到电路图设计窗口，得到电路各节点的电压与电流如图2-6所示。图2-9电路各个节点的电压以及电流可以看出，采用电阻实现的偏置电路所提供的静态工作点与最初所选择的BJT静态工作点基本吻合。（2）晶体管S参数的仿真建立新的Design原理图设计模板选择S_params,将器件加入到原理图中并仿真其S参数,选择sp_hp_AT-32033_6_19950105，右击选择PlaceComponent，将元件模型（静态工作点为：Vce=2.7V，Ic=5mA）添加到电路中并连接,原理图如图2-10所示图2-10原理图双击原理图中S参数控件，将Start设置为0、Stop设置为5、Step-size设置为0.1，单击ok完成设置。进行仿真，仿真完成后弹出数据显示窗口。在数据显示窗口中添加两个矩形，分别显示S11与S22的仿真结果如图2-11。图2-11仿真结果测试2.4GHz频点处晶体管的输入阻抗，添加两个阻抗控件Zin1、Zin2，双击第二个端口输入阻抗控件Zin2，在弹出的对话框中将Function修改为Zin2=zin(S22,PortZ2)。然后进行仿真，得到输入阻抗Zin1的仿真结果：图2-12仿真结果上图显示的阻抗数据为r/θ形式，将2.4GHz频点处的输入阻抗换算为a+j*b形式，换算公式为：查表2.4GHz处r=50.000，θ=8.008º，计算得到a=49.51Ohm，b=6.97Ohm。在原理图中的元件模型下拉框中选择PassiveCircuitDG-MicrostripCircuits，将微带线自动设计模块和微带参数设置控件放置于原理图中，将模块连接于输入端口和晶体管之间，双击MSUB控件，设置其参数如下图所示；双击模块，将F设置为2.4GHz，Zload设置为之前计算得到的输入阻抗数值（49.15+j*6.97），单位为Ohm。如下所示：图2-12添加微带线自动设计模块和微带参数设置控件图2-13设置微带线自动设计模块和微带参数设置控件选中模块，完成匹配网络的生成。此时返回原理图，选中模块，单击工具栏上的按钮，可以看到生成的匹配电路，单击返回原电路图。图2-14生成的匹配电路对原理图进行仿真，可以看到输入匹配后S11的仿真结果。图2-16完成匹配后S11仿真结果在输入匹配完成的电路基础上，进行仿真，在数据显示窗口中添加列表，显示Zin2，得到输出阻抗的仿真结果。图2-17输出阻抗的仿真结果图2-17显示的阻抗数据为r/θ形式，将2.4GHz频点处的输出阻抗换算为a+j*b形式，换算公式为：查表2.4GHz处r=103.686，θ=-45.086º，计算得到a=73.21Ohm，b=-73.43Ohm。将Simth圆图匹配模块放置到原理图中并连接于晶体管和输出端口之间，如下图所示。图2-18在输出端使用SimthChartMatching双击模块，将Fp设置为2.4GHz，Zg设置为之前计算得到的输出阻抗数值（53.4-j*75.2），单位为Ohm，ZL设置为50Ohm，如下图所示：图2-19设置Simth匹配模块参数图2-20Simth匹配设置窗口单击DefineSource/LoadNetworkterminations按钮，选中EnableSourceTermination和EnableLoadTermination，在SourceImpedance和LoadImpedance下的下拉菜单中选择ComplexImpedance，完成后单击ok按钮。图2-21输入输出阻抗设置在左侧的面板中添加电容电感元件进行阻抗匹配。完成匹配后单击BuildADSCircuit，返回原理图选中模块，单击工具栏上的按钮，可以看到生成的匹配电路，单击返回原电路图。图2-22完成匹配后的Simth模块图2-23生成的匹配电路此时对原理图进行仿真，可以看到输出匹配后S22的仿真结果。图2-17完成匹配后的S22仿真结果可以看出dB(S(2,2))=-59.034dB<-40dB，满足实验要求。

实验三、低噪声放大器设计训练1.实验目的使用编号为sp_hp_AT-32033_6_19950105的晶体管设计低噪声放大器，使得该低噪声放大器在2.4GHz处S21大于5dB，S11小于-10dB，S22小于-10dB，噪声系数小于2dB，在2-5GHz频带内稳定系数大于1。2.实验原理低噪声放大器，噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。3.实验内容新建一个模版为S_params的原理图，插入型号为sp_hp_AT-32033_6_19950105的晶体管（静态工作点为：Vce=2.7V，Ic=5mA），再插入各种所需的电路元件，得到的原理图如下：图3-1低噪声放大器原理图其中，PCB板材选用FR-4板材，单击Tools/LineCalc，在弹出的选项中选择StartLineCalc，将其参数设置为：Freq=2.4GHz，Z0=50Ω，H=0.8mm，Er=4.3，Mur=1，Cond=5.88E+7，Hu=1.0e+033mm，T=0.03mm。计算得到微带线宽度约为60mil（即1.524mm）。接下来设置各段传输线，在对话框中单击Optimization选项卡，将OptimizationStatus设置为Enable，最小值设置为10mil，最大值设置为2000mil；宽度W设置为60mil。然后添加控件Optim将Numberofiteration值设置为200。随后添加