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1、重庆大学本科学生课程设计指导教师评定成绩表学 号20134414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：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 23:1:2PP 通带波纹：0.5dB 输入输出阻抗：50 衰减40 dB 3、微带带通滤波
2、器 4、射频放大器 带内波纹：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
3、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 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：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K
4、uroda 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，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
5、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
6、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：低通原型关键词：低通原型 Kuroda 规则规则 功率分配比功率分配比 匹配网络匹配网络 微带线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
7、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。= = = =CC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，LXcX容抗，可通过下面的公式来计算：ccLwLLjwLLwjjX)(ccCwCCjwCCwwj
8、jX1)(11.3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！1.41.4 设计步骤：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步骤 2 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
9、终到达匹配点 Z=1，可知输入输出带到了匹配。步骤步骤 3 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
10、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：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：
11、=1Z5Z= 3UEZ4UEZ= 2Z4Z=1UEZ2UEZ3Z2.6251.6140.4891.7890.372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=1Z5Z= 3UEZ4UEZ= 2Z4Z=1UEZ2UEZ3Z131.2580.724.4589.4518.6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 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
12、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
13、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 2.5GHZ 的变化过程中，仿真轨迹
14、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：
15、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：21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
