西安交大射频专题实验报告.pdf

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1、 .1/44 射频电路设计专题实验 ：班级：学号：学院：.2/44（一）匹配网络的设计与仿真 实验目的 1.掌握阻抗匹配、共轭匹配的原理 2.掌握集总元件L型阻抗抗匹配网络的匹配机理 3.掌握并(串)联单支节调配器、/4阻抗变换器匹配机理 4.了解ADS软件的主要功能特点 5.掌握Smith原图的构成与在阻抗匹配中的应用 6.了解微带线的基本结构 基本阻抗匹配理论 .3/44 信号源的输出功率取决于Us、Rs和RL。在信号源给定的情况下，输出功率取决于负载电阻与信号源阻之比k。当RL=Rs时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配状态。无论负载电阻大于还是小于信号源阻，都不可能使负载获得最大功率，且

2、两个电阻值偏差越大，输出功率越小。匹配包括：共轭匹配，阻抗匹配，并(串)联单支节调配器。练习 1.设计L型阻抗匹配网络，使Zs=(46j124)Ohm信号源与ZL=(20+j 100)Ohm的负载匹配，频率为2400MHz.仿真电路图 .4/44 2.设计微带单枝短截线线匹配电路，使MAX2660的输出阻抗ZS=（126-j*459）Ohm与ZL=50Ohm的负载匹配，频率为900MHz.微带线板材参数：相对介电常数：2.65 相对磁导率：1.0 导电率：1.0e20 损耗角正切：1e-4 基板厚度：1.5mm 导带金属厚度：0.01mm 仿真电路图 .5/44 仿真结果 .6/44 思考题

3、1.常用的微波/射频EDA仿真软件有哪些？.7/44 2.ADS,Ansoft Designer，Ansoft HFSS，Microwave Office，CST MICROWAVE STUDIO 2.用ADS软件进行匹配电路设计和仿真的主要步骤有哪些？放置元件，连接电路图，参数设定，计算仿真。3.给出两种典型微波匹配网络，并简述其工作原理。L 型阻抗匹配网络，型阻抗匹配网络 在 RF 理论中，微波电路和系统的设计（包括天线，雷达等），不管是无源电路还是有源电路，都必须考虑他们的阻抗匹配（impedance matching）问题。阻抗匹配网络是设计微波电路和系统时采用最多的电路元件。其根本原

4、因是微波电路传输的是电磁波，不匹配会引起严重的反射，致使严重损耗。所以在设计时，设计一个好的阻抗匹配网络是非常重要的。阻抗匹配是指负载阻抗与激励源部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。根据最大功率传输定理，要获得信号源端到负载端的最大传输功率，需要满足信号源阻抗与负载阻抗互为共轭的条件。此定理表现在高频电路上，则是表示无反射波，即反射系数为0.值得注意的是，要得到最正确效率的能量传输并不需要负载 .8/44 匹配，此条件只是避免能量从负载端到信号源端

5、形成反射的必要条件。当RL=Rs 时可获得最大输出功率,此时为阻抗匹配状态。无论负载电阻大于还是小于信号源阻,都不可能使负载获得最大功率,且两个电阻值偏差越大,输出功率越小.阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，它反映了输人电路与输出电路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。反之，当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发信机与天线之间，等等。为了使信号和能量有效地传输，必须使电路工作在阻抗匹配状态，即信号源或功率源的阻等于电路的输人阻抗，电路的输出阻

6、抗等于负载的阻抗。在一般的输人、输出电路中常含有电阻、电容和电感元件，由它们所组成的电路称为电抗电路，其中只含有电阻的电路称为纯电阻电路。L型匹配网络通常不用于高频电路中，以与如果在窄带射频中选用了L型匹配网络，也应该注意他的匹配禁区，在这个禁区中，无法在任意负载阻抗中和源阻抗之间实现预期的匹配，即应选择恰当的L型匹配网络以避开其匹配禁区。4.画出微带线的结构图，若导带宽度w、r增大，其特征阻抗Z0如何变化？减小 .9/44 5.实验体会和建议 通过本次实验，我初步掌握了 ads 软件，了解了大概的功能，也知道了如何利用 smith 圆图和单支短截线设计匹配网络 .10/44 实验二 衰减器的

7、仿真设计 一、练习：设计 10dB 型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰减器。仿真电路：.11/44 仿真结果：二、衰减器的测量AV36580A 矢量网络分析仪 (一)测失配负载在6002600MHz 的驻波比（S11、回损）S11 对数幅度 .12/44 .13/44 .14/44 .15/44 三、思考题 1、用矢网测元件的回波损耗时为什么要做开路、短路和匹配三 项校正？待测元件特性=全体特性-测定系统特性 进行开路、短路、匹配三次校正称为 solt 法，在测量两端口器件的反射测量时可以消除反射测量中三项系统误差（方向性，源配性和反射跟踪）.16/44 2、画出PIN的正、反向偏置等效电路

8、3、给出P33仿真结果的等效电路，并说明衰减原理 由 rs 和 r 构成分压器，由于二极管正向偏压时的阻抗随偏执电压而变，可起自动衰减作用。4、举例说明衰减器的应用 控制电平，去耦元件，用于雷达抗干扰中的控制衰减器。5、实验体会和建议。通过本次实验我知道了衰减器设计方法和理论仿真的步骤；用SOLT法测定二端口器件的参数，对二端口器件的回波损耗，隔离度，插损的物理意义有了更进一步的了解。.17/44（三）威尔金森功分器的设计与仿真 一、设计指标要求：中心频率：2.45GHz 带宽：60MHz 频带输入端口的回波损耗：S11-20dB，S22-3.1dB,S31-3.1dB 隔离度：S32-25d

9、B，没有达到指标要求，还需进一步优化。（5）版图仿真结果：.20/44 （6）优化仿真结果：.21/44 五、结果分析：优化之后结果达到指标要求：S11-20dB，S22-20dB S21-3.1dB，S32-25dB。功分器的测量用PNA网络分析仪 驻波图像 .22/44 各支路幅相特性 各支路隔离度测量 功分器参数测量记录表 频率 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 .23/44 回损-21.89-28.66-40.11-28.78-24.76-22.11-22.10-22.89 驻波 1.175 1.007 1.018 1.074 1.112 1.155 1.

10、666 1.155 支 路1损耗-25.33-35.99-34.54-27.00-24.67-23.88-23.77-24.89 支 路一 相移-147.6-168.5 172.9 154.8 133.9 113.0 100.9 85.0 支 路2损耗-3.89-3.45-3.40-3.30-3.29-3.20-3.19-3.03 支 路2相移-148.9-169.9 170.9 154.7 120.9 112.9 90.99 85.00 隔 离度-25.45-33。7-34.78-27.00-24.99-23.99-23.65-23.11 六、思考题 1.给出四种用ADS微带线计算工具Lin

11、Calc可计算、设计的微带线 .24/44 耦合微带线，微带滤波器，微带定向耦合器，微带开路电感。2.微带圆弯头与最优弯头有什么区别？微带线弯曲处存在电荷积聚效应，相当于弯曲处电容增大，引起传输特性的不连续性，圆弯头是扫掠弯头，可以减少不连续性的影响，但最优弯头是指具有最正确斜切率的直角弯曲 45外斜切弯头。3.威尔金森功分器中的电阻R理论取值是多大？起什么作用？R=2Zc，起到使两个输进端口相互隔离的作用。4.比较电阻功分器与威尔金森功分器的特点。电阻功分器 优点：频宽大，布线面积小，设计简单 缺点：功率衰减较大 威尔金森功分器 优点：隔离性好 缺点：频宽较小，设计复杂。5.实验体会和建议。

12、通过本次实验我了解了功分器，尤其是威尔金森功分器的结构，以与利用微带线如何实现，从中知道微带线的特性阻抗与线宽的关系以与 1/4 波长的阻抗变换作用。.25/44 （四）微波射频滤波器设计与仿真 一实验目的 1.掌握低通原型滤波器的结构 2.掌握最平坦和等波纹型低通滤波器原型频率响应特性 3.了解频率变换法设计滤波器的原理与设计步骤 4.了解利用微带线设计低通、带通滤波器的原理方法 5.掌握用 ADS 进行微波滤波器优化仿真的方法与步骤。二滤波器原理 1 滤波器的技术指标 中心频率 通带最大衰减 阻带最小衰减 通带带宽 插入损耗、群时延 带纹波 回波损耗、驻波比 2.滤波器的设计步骤 （1）由

13、衰减特性综合出低通原型 （2）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型 （3）计算滤波器电路元件值(集总元件)（4）微波结构实现电路元件，并用微波仿真软件进行优化仿真。.26/44 三实验容 作业1：对下面结构的微带枝节低通滤波器的两种设计进行原理 图和版图仿真，并分析其特性。.27/44 版图与仿真结果 .28/44 作业2：设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带2.42.5GHz，带衰减小于2dB，起伏小于1dB，2.3GHz以下与2.7GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。板材参数：H:基板厚度(1.5 mm)，Er:基板相对介电常数(2.65)Mur:磁导率(

14、1)，Cond:金属电导率(5.88E+7)Hu:封装高度(1.0e+33 mm)T:金属层厚度(0.035 mm)TanD:损耗角正切(1e-4)Roungh:表面粗糙度(0 mm)原理图与优化结果 .29/44 2、版图与仿真结果 .30/44 基本达到设计要求。通带 2.42.5GHz，带衰减小于 2dB，起伏小于 1dB，2.3GHz 以下与 2.7GHz 以上衰减大于 40dB，端口反射系数小于-20dB。但由于优化并不能达到最优以与版图与原理图存在误差，因此优化结果并不非常理想。滤波器的测量AV36580A矢量网络分析仪 .31/44 支路1：3dB带宽f1=2.238GHz，f2

15、=2.295GHz，W=57MHz 支路 2：3dB 带宽 f1=2.435GHz，f2=2.487GHz，W=52MHz 思考题 1.频率变换法设计滤波器的准则是什么？变换后在对应频率点上衰减量不变，须对应的元件值在两种频率 下的具有相同的阻抗，即：2.比较微波滤波器与集总元件 L-C 的特点 微波滤波器的实现方式有集总元件 L-C型和传输线型,微波频率下的集总元件滤波器会出现两个问题：第一，集总元件如电感或电容仅 .32/44 有有限值可供选择，且在微波频率下会存在不可避免的寄生频率效应；第二，滤波器中各元件间的距离不可忽略。理查德变换可将集总元件变换成传输线段，而科洛达恒等关系可用传输线

16、段分割滤波器各元件，因添加的传输线段并不影响滤波器响应，所以这类设计称为冗余滤波器综合。3.微波滤波器中的、C是如何实现的？1、Richard 变换短截线实现 L、C 2、高、低阻抗线实现串联 L、并联 C，设计 LPF 4.微波滤波器中的串联元件通过什么变换可用并联元件实现？利用 Kuroda 恒等式(变换)设计 LPF 5.实验体会和建议。通过这次实验我了解了低通原型滤波器的结构与设计方法；为了方便可以直接用滤波器设计向导进行设计；知道了LC分立元件设 计的滤波器与用微带线设计的滤波器的各个特点。.33/44 实验五 微带天线设计、仿真、制作与测试 作业要求 设计、制作一中心频率为2.45

17、GHz的微带天线,天线采用50Ohm微带线馈电，扫频围：2.2GHz-2.7GHz。板材参数：H:基板厚度(1.5 mm)，Er:基板相对介电常数(2.65)Mur:磁导率(1)，Cond:金属电导率(5.88E+7)Hu:封装高度(1.0e+33 mm)，T:金属层厚度(0.035 mm)TanD:损耗角正切(1e-4)，Roungh:表面粗糙度(0 mm)微带天线工作原理 微带天线在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分 2 种：贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。贴片是一个面积单元

18、时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。微带天线的版图尺寸 .34/44 版图仿真结果 .35/44 天线实测结果 回波损耗：.36/44 驻波比：输入阻抗：天线在 2.45GHz 处的接收峰值：实验记录：.37/44 思考题：1、天线工作在中心频率时其输入阻抗有什么特点？其输入阻抗是实数，即为纯电阻 2、天线线极化和水平极化的概念与所设计的天线是哪种极化？线极化：电场矢量端点的轨迹是一条直线，该直线与坐标轴的夹角不随时间变化。水平极化：电波的电场方向与地面平行称之为水平极化。所设计的天线为线极化 3、实验体会和建议 通过这次实

19、验我了解了微带天线如何利用版图生成，如何输入坐标以确定矩形的位置与大小，当设计的阻抗匹配电路不符合要求时，如何优化设计；知道了矩形微带天线的简略的计算公式。.38/44 实验六射频放大器的设计与仿真 一、实验目的 1.了解描述射频放大器的主要性能参数与类型 2.掌握放大器偏置电路设计方法 3.了解最小噪声、最大增益放大器的基本设计方法 4.掌握放大器输入、输出网络的基本结构类型 5.掌握用ADS进行放大器仿真的方法与步骤 二、基本理论 常用的微波晶体管放大器有低噪声放大器、宽带放大器和功率放大器。目的是提高信号的功率和幅度。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，减小噪声干扰，

20、以供系统解调出所需的信息数据。功率放大器一般在系统的输出级，为天线提供辐射信号。三、低噪声放大器设计的依据与步骤 1、设计依据：满足规定的技术指标：噪声系数、功率增益、增益平坦度、工作频带、动态围等；.39/44 2、设计步骤：（1）依据具体要求选定放大器级数；（2）选择所用的晶体管；（3）确定电路拓朴结构；（4）电路具体结构的初步设计；（5）CAD软件实现设计；（6）在优先满足噪声小的前提下，提高电路增益。即根据输入等增益圆、等噪声圆，选取适宜的S，作为输入匹配电路的设计依据；（6）输出匹配电路设计以提高放大器增益为主；（7）满足稳定性条件。四、具体操作过程 以利用ATF-34143设计2.

21、4GHz低噪声放大器为例，设计步骤如下：步骤一：在频率、增益、噪声指标条件下选择器件，得到偏置条件下器件的S 参数。步骤二:满足稳定判据,则进入步骤三；不满足判据，在圆图中画出稳定区，必要时画出等增益圆和等噪声圆。步骤三：确定输入输出反射系数in与out 步骤四:设计输入输出匹配网络。1、晶体管直流工作点分析 .40/44 2、晶体管偏置电路设计 .41/44 3、稳定性分析查看稳定曲线 .42/44 通过在源级加小电感抑制负反馈修改后 .43/44 六 思考题 1.若放大器的稳定性k1，可否同时实现输入、输出网络共轭匹配？不能 2.放大器设计的具体步骤有哪些？放大器级数；晶体管选择；电路拓扑结构；电路初步设计；cad软件设计 流程图：选择器件选择工作点稳定分析选择阻抗源与负载阻抗匹配电路设计dc偏置优化电路 3.如何给仿真设计加噪声？对于给定噪声系数，可采用等噪声系数圆来设计。.44/44 4.实验体会和建议 通过本次实验我知道了低噪放的设计方法，比如利用ATF-34143设计2.4GHz低噪声放大器。六次实验总结：首先感老师不知厌烦的教我们实验，有错误的地方细心纠正。通过这几次实验我大概了解了天线的设计方法，理论计算然后原理图仿真，再版图仿真，若不满足要求再设置变量不断优化，最终达到目标。