微波电路课程设计报告.doc

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1、微波电路课程设计报告重庆大学本科学生课程设计指导教师评定成绩表学 号学生姓名 叶汉霆学 院通信工程专 业通信工程指导教师陈世勇课程设计题目典型射频电路设计指导教师评语课程设计成绩指导教师签名： 年 月 日说明：1、学院、专业、年级均填全称。 2、本表除评语、成绩和签名外均可采用计算机打印。重庆大学本科学生课程设计任务书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：2.5GHz 工作中心频率：2.5GHz止带频率：5GHz 通带波纹：0.5dB输入输出阻抗：50衰减40 dB3、微带带通滤波器 4、射频放大器带内波纹：

2、0.01dB 工作频率：3.2GHz中心频率：5GHz 增益：10dB下边频：4.5GHz 带宽：100MHz上边频：5.5GHz 噪声系数：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：

3、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2016年9月5日 完成日期2016年9月18日指导教师 （签名） 学生 （签名）说明：1、学院、专业、年级均填全称。 2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。摘要本次主要涉及了低通滤波器，功分器，带通滤波器和放大器，用到了AWR，MATHCAD和ADS软件。在低通滤波器的设计中，采用了两种方法：第一种是根据设计要求，选择了合适的低通原型，利用了RICHARDS法则用传输线替代电感和电容，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

4、抗，组后在AWR软件中用Txline算出微带线的长宽，画出原理图并仿真，其中包括S参数仿真，Smith圆图仿真和EM板仿真。第二种是利用低通原型，设计了高低阻抗低通滤波器，高低阻抗的长度均由公式算得出。在功分器的设计中，首先根据要求的工作频率和功率分配比K，利用公式求得各段微带线的特性阻抗1，2，3端口所接电阻的阻抗值，再用AWR软件确定各段微带线的长度和宽度，设计出原理图，然后仿真，为了节省材料，又在原来的基础上设计了弯曲的功分器。同时通过对老师所给论文的学习，掌握到一种大功率比的分配器的设计，其较书上的简单威尔金森功分器有着优越的性能。对于带通滤波器，首先根据要求选定低通原型，算出耦合传输

5、线的奇模，偶模阻抗，再选定基板，用ADS的LineCalc计算耦合微带线的长和宽，组图后画出原理图并进行仿真。设计放大器时，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。其中第一级放大为低噪声放大，第二级放大为双共轭匹配放大。由于在微波领域，很多时候要用

6、经验值，而不是理论值，来达到所要求的元件特性，因此在算出理论值之后，常常需要进行一些调整来达到设计要求。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2.5GHZ 止带频率：5GHZ 通带波纹：0.5dB止带衰减大于42dB 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，

7、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

8、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AWR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Ku

9、roda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

10、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： Z1 Z2 Z3 Z4 Z5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：= = =2.6251.6140.4891.7890.372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= = =131.2580.724.4589.4518.6通过使用AWR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。在基板H=1000，T=20um，介质常量Er=2.2的情况下，在

11、ADS的软件中选择LineCalc选项，用LineCalc来计算出微带线长度，频率=2.5GHZ,计算出微带线的长度与宽度。用LineCalc计算后得到的长度,宽度值电阻值()50127.6782.18522.6882.9118.58长(um)10913.511406.711178.810565.711183.610496.8宽(um)3074.5482.21330.788291308.311218.1步骤四：绘制微带线原理图并仿真：1. 根据Txline计算出来的各元件对应的微带线的长度和宽度，用AWR软件画出微带线原理图如下图：注意事项：需要在三端口的转接头与微带线连接时需要接一个二端口的

12、转接头。运用Kuroda准则是要注意（1）：用G值带入计算（2）：如果用C L值计算是需要再用c=g*z0/（2*3.14*f） l=g/z0（2*3.14*f）带入求出相关的值2. 对微带线原理图进行仿真得到S参数仿真图：从s11参数仿真图可以看出，0到1.8GHZ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2.5GHZ处，其衰减刚好为3dB.在止带频率4GHZ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。3. 对微带线原理图用Smith圆图进行仿真：在04GHZ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.

13、5GHZ的变化过程中，仿真轨迹均在Z=1这个匹配点附近移动，移动幅度不大，因此，能量大部分可以传输出去。但各鬼几点都表现出向外失配的趋势，当频率大于4GHZ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：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：步骤六：EM板导入导出及仿真：1）点击l

14、ayout/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，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

15、在整个滤波器中流通，说明了成功的设计了低通滤波器。4）点击3D view得出EM板立体图。可得EM板参数如下图所示： 2.功分器的设计2.1设计要求 工作频率：2.5GHz 功率分配比：P2:P3=1:2 输入输出阻抗：50 Ohm2.2 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=

16、 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：不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： =51.5 =103 =106 =50其中K=，=50 Ohm ；步骤二：用AWR软件计算微带线长度和宽度，画出原理图将图中的R,数据用WINDOWS中的Txline将相应的电阻值等

17、效为微带线，其中电刻长度选取90度。基板参数：H=1000um,T=35um，介质常数=2.2，频率=2.5GHZ.计算得微带线参数如下图所示：阻抗值（Ohm）微带线长度（um）微带线宽度（um）50217253120.110322507848.1451.5217552984.810622537794.0970.71220941786.535.36213875079.6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2.5GHZ的时候，S11达到最小为39.9dB，即在工作频率时输入端的反射系数最小，同时S21=S31=4dB

18、左右，可以知道，设计的功分器刚刚好达到1：2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2.5GHz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：2. 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 str

19、ucture/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：

20、 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=1:2,即K=;工作频率为：2.5GHz 。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： =51.5=103 =106 =70.71 =35.361. 选取材料为copper，H=1000um，T=35um，介电常数=4.2的基板，用Txline计算出下表

21、的值（其中中心频率为2.5 GHZ）： 图一 利用Txline计算微带线的长与宽阻抗值（Ohm）微带线长度（um）微带线宽度（um）50165702019.310317454436.0351.5166071922.510617484401.6270.71170121072.835.36161573429.93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

22、中可以看出：在频率为2.3GHZ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：在是s11的值在中心频率2.5Ghz时未达到最小。次误差过大。隔离度S23不稳定但是DBS2320db，所以讲所有的微带线值进行调整是回波损耗10 dB 带宽： 100 MHZ 噪声系数： 3dB6.2 设计原理：放大器主要由晶体管，输入输出匹配电路以及直流馈电电路组成。晶体管起放大信号的作用，是放大电路的主要器件。输入输出

23、匹配电路是使放大器与前后级电路达到阻抗匹配。馈电电路给晶体管提供了合适的直流工作点。单级放大器的原理图如下图所示：本次放大器设计我们采用的是单项化设计，其忽略了有源器件S参数的S12，即S12=0 。所以：=S11 =S22单项化设计的误差可以用单项化因子来评估。在判断元件是否适合单边设计时，主要看它的评价因子是否足够小，当M0.03或-15dB时即可。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

24、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: 6.3 低噪声放大器设计步骤步骤一：建立原理图，对电路进行仿真：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)1. 建立原理图：选定所需要的放大器 ，设定放大器的工作频率与输入输出阻抗，一般设定为50欧。2观察StabFact 和StabMess可以看出管子在3.2GHz处处于绝对稳定.步骤二：S参数的仿真从图中可以观察到在频率点为3.2GHZ时，可以得到输入输出端口的电阻匹配值：

25、输入端口匹配电阻Zs=Z0*(0.319+j*0.251)，输出端口匹配电阻Zl=Z0*(1.118-j*1.000)。从图中可以观察到在3.2GHZ的时候放大管的放大倍数为8.237dB。步骤三：设计匹配网络 用2中得到的阻抗值设计匹配网络。用ADS里面的Smith Chart Utility来辅助设计。先将得到的阻抗值输入再利用串并联传输线匹配到原点，如图所示：A输入电阻匹配：B输出电阻匹配：由上图的匹配设计，可以得到输入输出匹配网络的等效微带线网络：输入端匹配网络：串联微带线电刻度：2.175Deg并联微带线电刻度：49.855 Deg输出端匹配网络：串联微带线电刻度：34.484Deg

26、并联微带线电刻度：34.632 Deg用微带线的电刻度计算出微带线的长与宽，所采用的基板为：H=1000um，T=35um，介电常数=2.2 。通过Tools/LineCalc计算出的微带线的W与L如下图所示：微带线电刻度（Deg）W(mm)L(mm)2.1753.075480.411849.8553.075489.439434.4843.075486.529134.6323.075486.5571步骤四：设计电路图并进行仿真：1. 得到相应的参数之后，可以设计总的电路图，如下：1）增益2）反射系数3）噪声系数经S参数仿真后发现，增益S12为9dB左右，不满足设计的要求，故采用了两级放大电路。

27、第二级采用双共轭匹配实现最大增益6.4 双共轭匹配放大器设计步骤（其中步骤一与低噪声放大器相同）步骤二：S参数的仿真：从图中可以观察到在频率点为3.2GHZ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*(0.319+j*0.251)，输出端口匹配电阻Zl=Z0*(1.118-j*1.000)。从图中可以观察到在3.2GHZ的时候放大管的放大倍数为8.993dB。步骤三：设计匹配网络同理，通过史密斯圆图工具可以得到输入输出匹配网络的等效微带线网络：输入端匹配网络：串联微带线电刻度：135.492 Deg并联微带线电刻度：20.454 Deg输出端匹配网络：串联微带线电刻度：4

28、1.542Deg并联微带线电刻度：22.725 Deg用微带线的电刻度计算出微带线的长与宽，所采用的基板为：H=1000um，T=35um，介电常数=2.2 。通过Tools/LineCalc计算出的微带线的W与L如下图所示：微带线电刻度（Deg）W(mm)L(mm)135.4923.0754825.653620.4543.075483.872741.5423.075487.805422.7253.075484.3027步骤四：设计电路图并进行仿真：1. 得到相应的参数之后，可以设计总的电路图，如下：1）增益2）反射系数3）噪声系数从图中可以发现：在频率为3.2GHZ左右的时候，S11和S22

29、达到最小，实现深度匹配。6.5总二级放大器为了避免级间影响，我们在二级放大电路之前加入了一个电容值为100pF的隔离电容。得到S参数的仿真图：从图中可以发现：在频率为3.2GHZ左右的时候，S11和S22达到最小，故反射损耗值达到最小值。而增益S21达到17.23 dB左右，故设计初步达到要求。噪声系数仿真：双击，选中noise项，并选中calculate noise，单击确定。在对其进行扫描。可以发现nf（2）如下图所示： 从图中可以清楚的观察到在工作频率3.2GHZ的时候，噪声系数为2.111dB。其小于3dB，故满足设计的要求。总结经过本次的课程设计，按照要求设计了低通滤波器，威尔金森功

30、分器，带通滤波器，射频放大器，并对其原理图进行改进及其仿真，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，也实现了老师提供论文中的高功率分配比的功分器，即功率比10：1与20：1，使其能更好的适应工业上的实用，对带通滤波器使用了ADS软件，也得到了比较好的效果。在设计的过程中，我学会使用了新的软件microwave，并熟练掌握了ADS软件的使用方法，使得我们对微波的设计软件更加的熟悉，对未来在微波技术方面的发展奠定了基础。在本次课程设计中遇到了许多的困难。比如说在转弯头威尔金森功分器设计的时候，在保证各为带线总长不变的情

31、况下，snap together有些端口总是不能连接上，在通过同学之间的讨论与老师的帮助下，通过调整微带线的长度使得snap together的时候微带线没有重叠和分离开来的，然后对它进行总的调整，结果便准确了。在ADS的EM结构能量仿真的时候，发现能量总是通不过，后来发现由于器件贴着background的边界，对它进行调整之后，能量通过输出端，得到了较好的效果。这只是在设计中遇到的一部分的问题，但是经过讨论和老师的帮助，所有的问题迎刃而解，是我们通过运用书本里学到的知识解决现实中碰到问题的能力有了进一步的提高。本次课程设计对我们来说是一个很好的体验。这次课程设计通过自己的亲手实践，不仅锻炼了

32、我们的动手能力，还对我们解决问题的能力有了进一步的提升，发现问题，解决问题，多尝试几次，采用不同的方案，都会得到很好的效果。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。附录1.lowpass文件夹为切比雪夫低通滤波器工程文件夹（使用AWR软件）；2.divider文件夹为不等分威尔金森功分器工程文件夹（使用AWR软件、功率分配比为1：2）； 其中论文中所提及的功分器在yyy4_prj工程文件夹中divider10文件（使用ADS软件、功率分配比为1：10）；3.yyy1_prj文件夹为带通滤波器工程文件夹（使用ADS软件、shepin2_1为理想七阶带通滤波器、shepin2_2为微带七阶带通滤波器）；4.yyy3_prj文件夹为采用双共轭匹配法设计放大器工程文件夹（使用ADS软件、shepin5为理想双共轭匹配放大器、shepin6为微带双共轭匹配放大器，中心频率皆为3.2GHz）；5.yyy4_prj文件夹为采用低噪声设计放大器工程文件夹（使用ADS软件、shepin3为理想低噪声放大器、shepin2为总的二级放大器，中心频率皆为3.2GHz）；61 / 61