微波课程技术与实践--课程设计.docx

微波技术及应用实践

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：4.3GHz
通带波纹：0.5dB
输入输出阻抗：50Ω
衰减>40 dB
3、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》Reinhold Ludwig Pavel Bretchko 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）

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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

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。
= =
对于低通原型中的串联电感j，并联电容j变换为低通滤波器中的感抗，容抗，可通过下面的公式来计算：

1.3 设计流程图：
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

1.4 设计步骤：
步骤1：利用MATHCAD进行参数计算：

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50 Ohm，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：

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
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：

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：

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：

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：
=
=
=
=

2.553
1.644
0.442
1.644
0.372

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:
=
=
=
=

127.675
82.185
22.12
82.545
18.58
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。

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）
Z0
50
9.766840
1.396250
Z1=Z5
127.675
10.593400
0.128161
=
82.185
10.178500
0.518202
=
22.12
9.230900
4.492130
=
82.545
10.182300
0.512720

18.58
9.140290
5.580870
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：

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：

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：

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：50 Ohm
2.2 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，其他两个输出端(PORT-2及PORT-3)的输出功率分别为P及P。由能量守恒定律知= P+ P。

功分器大致可分为等分型（P= P）和比例型（P=K* P）。
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：

根据功率关系可求得如下设计方程：
=70.7
=70.7
=100
R1=R2=50
其中K=1，Z0=50 Ohm ；
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）
Z0
50
19.391400
3.034320
Z02/Z03
70.7
19.932900
1.602830

根据威尔金森功分器的结构绘制相应的原理图：

步骤三：对威尔金森功分器进行仿真

1. S参数仿真

从图中可以看出：在频率为2。2GHZ的时候，S11达到最小为-44.024dB，即在工作频率时输入端的反射系数最小，同时S21=S31左右，可以知道，设计的功分器刚刚好达到1：1的功分比，故设计初步达到要求。
2.Smith圆图仿真：

从图中可以观察到：在频率为2GHz的时候，输入输出端口刚好达到匹配。
步骤四：绘制EM图
1.用快捷键layout，得到EM板的平面图。

点击快捷键或选择在两个端口加上箭头，为使电磁能量能在输入输出端口流动。
选择适当的仿真范围，在EM板上加端口，仿真得出EM板电磁流图如下图所示：

蓝色部分表示电磁能量的分布。上面是动图的某一瞬间的截图。从图中可以清楚的观察到，功分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功分器中流通，说明了成功的设计了功分器。
点击3D view得出EM板立体图。可得EM板参数如下图所示：

3.转弯头威尔金森功分器的设计

3.1 设计指标：
等功分器：P1:P2=1,即K=1;
工作频率为：2GHz 。

3.2 设计原理：
本着节省原料为原则设计的弯曲的威尔金森功分器，其基本原理与等功分器的设计一样，都是用微带线的设计来实现，不同在于隔离电阻用的是有长宽参数的电阻进行设计。

3.3 设计步骤：
步骤一：根据阻抗值来求得功分器的参数并画出原理图：
1.本次设计的为转弯头的威尔金森等功分器。

根据功率关系可求得如下设计方程：
=70.7
=70.7
=100
R1=R2=50

1. 选取材料为copper，H=3000um，T=35um，介电常数=4的基板，用Txline计算出下表的值（其中中心频率为2GHZ）：

图一 利用Txline计算微带线的长与宽

阻抗值（Ohm）
微带线宽度（um）
微带线长度（um）
Z0/R2/R3
50
6399.7
20856
Z02/Z03
70.7
3413.1
21457

3用AWR软件画出原理图，设计时将Z02，Z03，R2,R3,对应的微带线分成若干，总长度要保持不变，宽度不变，转弯头宽度和微带线保持一致，得到原理图如下图所示：

图二 转弯头威尔金森功分器的原理图
步骤二：对威尔金森功分器进行参数仿真
1. 对功分器进行S参数仿真：
2.

图三 S参数曲线图
由图中可以看出：在频率为1.43GHZ的时候，S11达到最小，即在工作频率的时候反射系数达到最小。同时传输到2，3的传输系数分别为S21，S31,二者重合，达到威尔金森功分器等功率比的要求。同时可以观察到S23在工作频率的视乎达到最小，隔离度最小。从而可以看出电阻达到匹配。
注意薄膜电阻的计算方式RS*L/W=R来实现100欧姆的值。

2.对威尔金森功分器进行Smith圆图仿真：

图四 史密斯圆图仿真
由图中可以观察到在工作频率时，电阻达到匹配，而在其他频率时，S11的衰减比较大，基本上符合设计的要求。

步骤三：绘制EM图：

用快捷键view layout，得到EM板的平面图。在用view layout得到平面图后，通常有未连接的地方或者排列混乱，在点击edit下的select all后，再点击edit下的snap together，可以得到排列整齐并且各处连接正常的图形如下：

步骤四：EM板导入导出及仿真：
1）点击layout/export layout 导出project1.gds；
2）点击project/Add EM structure/Import EM structure 导入project1.gds得到EM结构图如下：

调节y尺寸使得元件置于中间位置，上下留出空间。
点击快捷键或选择在两个端口加上箭头，为使电磁能量能在输入输出端口流动，加上箭头后上图所示。
3）Option/project option 选择适当的仿真范围，在EM板上加端口，仿真得出EM板电磁流图如下图所示：
从图中可以清楚的观察到，功分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功分器中流通，说明了成功的设计了等功分器

4) 点击3D view得出EM板立体图。可得EM板参数如下图所示：
5)

4.带通滤波器的设计
4.1 设计要求：
带内波纹：0.1dB
中心频率：3.0GHz
下边频：2.5GHz
上边频：3.5GHz
在4.5GHz频率点衰减>30dB
4.2 设计原理：
带通滤波器的设计是用带通滤波器单元级联构成的，级联时需要是每个单元的两个端口都与下一个元件匹配。
4.3 设计步骤：
步骤一：选择适当的低通滤波器原型
根据通带波纹，截止频率和衰减特性的要求，用MATHCAD软件计算出低通滤波器原型值，如下所示：

步骤二：求解带通滤波器的奇偶模阻抗值与其微带线参数，画出原理图
1. 根据分数带宽，低通原型计算出导纳变换的值：

2. 求出导纳变换值后，可以根据下面的公式计算出奇偶模阻抗：

3.根据奇偶模阻抗值，选定基板的参数H=1500um，T=30um，介电常数Er=4，确定微带耦合线的尺寸以及耦合间距。
i

o奇模特性阻抗（Ohm）
e偶模特性阻抗（Ohm）
0
0.6778
39.08
106.86
1
0.4417
37.67
81.84
2
0.3428
38.74
73.02
3
0.3428
38.74
73.02
4
0.4417
37.67
81.84
5
0.6778
39.08
106.86

4.再用LinCalc计算出各段微带线的W,S,L参数，如下表所示：
o奇模特性阻抗（Ohm）
e偶模特性阻抗（Ohm）
W(mil)
S(mil)
L（mil）
39.08
106.86
865.833
212.976
15107
37.67
81.84
1406.93
314.574
14698
38.74
73.02
1657.35
456.12
14514
步骤三：对带通滤波器的原理图进行参数仿真：

图一 微带线原理图

图二 S参数仿真

图三 Simith圆图
由S参数曲线图可以看出：通带范围为2.5 GHZ到3.5GHZ，即带宽为1000MHZ,在4.5GHZ处衰减为40 dB左右，满足衰减大于30 dB的要求。
步骤四：绘制EM平面图图：
图四 带通滤波器EM板的平面图
步骤五：E M板导入导出及仿真
在EM板上加端口，仿真得出EM板电磁流图如下图所示：
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。

图五 带通滤波器的能量图

能量不能通过的情形：

4) 3D view得出EM板立体图。可得EM板参数如下图所示：

图六：带通滤波器的立体图

5.射频放大器
3.1 设计要求
中心频率： 2.7 GHZ
增益： >15 dB
带宽： >150 MHZ
噪声系数： <3dB

3.2第一级放大器设计
1.建立原理图，对电路仿真。

2.最小噪声仿真。

3.S参数仿真。

从图中可以观察到在频率点为2.7GHZ时，可以得到输入输出端口的电阻匹配值：输入端口匹配电阻Zs=Z0*(0.311+j*0.111)，输出端口匹配电阻Zl=Z0*(1.192-j*1.053)。
从图中可以观察到在2.7GHZ的时候第一级放大管的放大倍数为2.333dB。

3.3第二级放大器设计
1.建立原理图，对电路仿真。

2.放大倍数仿真。

3.S参数仿真。

从图中可以观察到在频率点为2.7GHZ时，可以得到输入输出端口的电阻匹配值。在2.7GHZ的时候第二级放大管的放大倍数为15.2dB。

3.4理想器件设计的放大器
1.建立原理图，对电路仿真。

2.仿真结果。

3.5微带线设计的放大器
1.建立原理图，对电路仿真。

2.仿真结果

可以看到，微带线的仿真结果与理想时电路仿真结果很接近，而且就微带线的仿真分析来看，各项设计要求都已达到，所以微带线设计是符合设计要求的。

总结
经过两周的课程设计，按照要求设计了切比雪夫型低通滤波器、威尔金森功分器、带通滤波器、射频放大器，并对其原理图进行改进及其参数仿真，并制成实用的EM图对其进行能量流图的仿真。同时，对低通滤波器还采用了高低阻抗的设计，对威尔金森功分器实现了转弯头的设计，使其能更好的适应工业上的实用，对带通滤波器同时使用了ADS 软件，得到了比较好的设计效果。在设计中无法避免地遇到了很多问题，但是正是在解决这些问题的过程中使我们对于课程知识有了更透彻深入的理解和掌握。
在做微带低通滤波器的时候，我通过将集总元件变换到微带线时，由于变换公式是近似的，所以从集总元件到微带线的变换时有误差，仿真时的误差偏大，通过调整基板厚度，相对介电常数，修正了相对误差，获得了较好的结果。在我在这次的实验的过程中，遇到了很多的问题，在老师和同学们的热心帮助下，最终顺利的完成了这次实验，也感谢老师和同学们的热心帮助。这次实验也让我意识到，在实验的过程中，遇到各种各样的问题是不可避免的，在遇到问题的时候，首先要冷静思考分析，运用平时所学的各种理论知识和分析方法，逐步排查问题，查阅相关资料，最终解决问题。实验室将理论运用于实际的一门课，需要动脑和动手相互协作，相互配合，最终才能取得良好的效果。
本次课程设计对我们来说是一个很好的体验，对自己而言也是受益匪浅。这次课程设计通过自己的亲手实践，不仅锻炼了我们的动手能力和独立思考分析解决的能力，勇于尝试和大胆挑战。对我们进入社会、处理问题的能力上进行了一次很好的演练。从而我们认为这次课程设计无论是从哪个方面讲都是十分成功的。