微波课程技术与实践课程设计

微波技术及应用实践-1-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2013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：2.2GHz止带频率：4.3GHz1:1:32PP通带波纹：0.5dB输入输出阻抗：50Ω衰减40dB3、微带带通滤波器4、射频放大器带内波纹：0.1dB工作频率：2.7GHz中心频率：3GHz增益：15dB下边频：2.5GHz带宽：150MHz上边频：3.5GHz噪声系数：3dB在4.5GHz频率点衰减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》ReinholdLudwigPavelBretchko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年月日完成日期年月日指导教师（签名）学生（签名）微波技术及应用实践-1-摘要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。低通滤波器：根据设计的要求利用MATHCAD得到阶数N=5，并得到原型中的元件值g和串L并C型的电容电感值。然后用ADS软件进行理论电路原理图的仿真与分析，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，之后在ADS软件中用LineCalc算出各条微带线的长宽，进而画出微带线电路图并进行仿真分析以及EM板仿真与验证。功分器：根据威尔金森功率分配器的结构原理以及所要求的功率分配比，计算出各部分的阻抗值，染个设置合理的微带线基板参数再利用ADS软件中用LineCalc就可以求出各微带线的实际长宽值。之后利用ADS进行微带线电路图的仿真分析并结合EM版图分析验证功率分配情况，经验证设计是满足设计要求的。放大器：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。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，再选定合适的基板参数，用ADS的LineCalc计算耦合微带线的长和宽，最后画出微带线原理图并进行仿真分析与验证。关键词：低通原型，Kuroda规则，功率分配比，匹配网络，微带线微波技术及应用实践-2-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：4.3GHZ通带波纹：0.5dB止带衰减大于40dB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。=C=C对于低通原型中的串联电感jLX，并联电容jcX变换为低通滤波器中的感抗，容微波技术及应用实践-3-抗，可通过下面的公式来计算：ccLwLLjwLLwjjX`)(ccCwCCjwCCwwjjX`1)(11.3设计流程图：1.4设计步骤：步骤1：利用MATHCAD进行参数计算：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成功微波技术及应用实践-4-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50Ohm，用原型值进行阻抗变换，得到各组件的真实值，用ADS软件画出相应的电路图如图二所示：微波技术及应用实践-5-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123456708-60-40-20-800freq,GHzdB(S(1,1))dB(S(2,1))4.300G-43.76m12.200G-3.007m2m1freq=dB(S(2,1))=-43.7604.300GHzm2freq=dB(S(2,1))=-3.0072.200GHz微波技术及应用实践-6-从s11参数仿真图可以看出，0到1GHZ左右的范围内衰减为0，在频率为2.2GHZ处，其衰减刚好为3dB.在止带频率4.3GHZ处，其衰减接近40dB，通带——阻带过渡陡峭，低通特性良好，满足设计要求。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：freq(0.0000Hzto8.000GHz)S(1,1)S(2,1)微波技术及应用实践-7-图四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：图五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：微波技术及应用实践-8-图六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。如图七所示：图七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，则可以得到如图八所示的电路，真正能够实现的滤波器设计结果：微波技术及应用实践-9-图八利用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：经计算后得到的各个值为：1Z=5Z3UEZ=4UEZ2Z=4Z1UEZ=2UEZ3Z2.5531.6440.4421.6440.372步骤四：反归一化。将单位元件的输入，输出阻抗变成50欧的比例变换。得到实际阻抗的值。反归一化后得到的值:1Z=5Z3UEZ=4UEZ2Z=4Z1UEZ=2UEZ3Z127.67582.18522.1282.54518.58通过使用ADS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。利用ADS的LineCalc工具计算出微带线的长度与宽度。微波技术及应用实践-10-在基板参数设置为：Er=4.000，H=1.5mm，T=35.000um，Freq=2.2GHz，E_Eff=45.000deg条件下，计算后得到的长度,宽度值：阻抗值（Ohm）L微带线长度（mm）W微带线宽度（mm）Z0509.7668401.396250Z1=Z5127.67510.5934000.1281613UEZ=4UEZ82.18510.1785000.5182022Z=4Z22.129.2309004.4921301UEZ=2UEZ82.54510.1823000.5127203Z18.589.1402905.580870步骤五：绘制微带线原理图并仿真1.用ADS软件画出微带线原理图如下图：微波技术及应用实践-11-2.对微带线原理图进行仿真得到S参数仿真图：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23dB.在止带频率4.3GHZ处，其衰减大于134dB，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：m1freq=dB(S(2,1))=-23.6552.200GHzm2freq=dB(S(2,1))=-134.8274.300GHz1234506-120-100-80-60-40-200-14020freq,GHzdB(S(1,1))dB(S(2,1))2.200G-23.65m14.300G-134.8m2m1freq=dB(S(2,1))=-23.6552.200GHzm2freq=dB(S(2,1))=-134.8274.300GHz微波技术及应用实践-12-在0——8GHZ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2.2GHZ的变化过程中，仿真轨迹均在Z=1这个匹配点附近移动，因此，能量大部分可以传输出去。当频率大于2.2GHZ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图仿真得出EM板电磁流图如下图所示：freq(0.0000Hzto6.000GHz)S(1,1)S(2,1)微波技术及应用实践-13-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。使用3Dview，可得到：2.功分器的设计2.1设计要求工作频率：2.2GHz功率分配比：P1:P2=1:1输入输出阻抗：50Ohm2.2设计原理1.在微波系统中，有时需要将传输功率分几路传送到不同的负载中去，或将几路功率合成为一路功率，以获得更大的功率。此时便需要应用三端口功率分配/合成元件。对这种元件的基本要求是损耗小、驻波比小、频带宽。2.功分器是三端口网络，信号输入端(PORT-1)的输入功率为1p，其他两个输出端(PORT-2及PORT-3)的输出功率分别为P2及P3。由能量守恒定律知1p=P微波技术及应用实践-14-2+P3。功分器大致可分为等分型（P2=P3）和比例型（P2=K*P3）。常用的功分器有：一般型分叉型环型3．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。2.3设计步骤：步骤一：等分威尔金森功分器的参数计算等功分威尔金森功率分配器的模型如下图所示：微波技术及应用实践-15-根据功率关系可求得如下设计方程：320031KKZZ=70.7)1(2003202KKZZKZ=70.7)1(0KKZR=100R1=R2=50其中K=1，Z0=50Ohm；步骤二：用ADS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LineCalc将相应的电阻值等效为微带线。Er=4.000，H=1.5mm，T=35.000um，Freq=2.2GHz，E_Eff=90.000deg阻抗值（Ohm）L微带线长度（mm）W微带线宽度（mm）Z05019.3914003.034320Z02/Z0370.719.9329001.602830根据威尔金森功分器的结构绘制相应的原理图：微波技术及应用实践-16-步骤三：对威尔金森功分器进行仿真1.S参数仿真m1