微波電路課程實(shí)踐.ppt

1 設(shè)計(jì)任務(wù)一 微波低通濾波器的設(shè)計(jì) 階梯阻抗低通濾波器設(shè)計(jì)近似理論 對(duì)于長(zhǎng)度為l l 0 25 特性阻抗為Z0的傳輸線 其負(fù)載阻抗為ZL 則輸入阻抗公式為 對(duì)于負(fù)載阻抗為ZL 特性阻抗為Z0的傳輸線 則輸入阻抗公式為 由上式可以看出 當(dāng)負(fù)載阻抗遠(yuǎn)小于傳輸線特性阻抗的時(shí)候 傳輸線端接以負(fù)載阻抗 近似于一個(gè)電感和負(fù)載ZL串聯(lián) 對(duì)于負(fù)載阻抗為ZL 特性阻抗為Z0的傳輸線 則輸入阻抗公式為 對(duì)應(yīng)的輸入導(dǎo)納為 由上式可以看出 當(dāng)負(fù)載阻抗遠(yuǎn)大于傳輸線特性阻抗的時(shí)候 傳輸線端接以負(fù)載阻抗 近似于一個(gè)電容和負(fù)載ZL并聯(lián) 綜上所述 低通濾波器可以由級(jí)聯(lián)的微帶高 低阻抗線構(gòu)成 通常高阻抗線取大于100歐 低阻抗線取小于20歐 阻抗在設(shè)計(jì)的時(shí)候是首先自選定 電感段 電容段微帶線的長(zhǎng)度可以通過(guò)下面的公式近似求得 通過(guò)linecalc工具求出對(duì)應(yīng)高低阻抗微帶線的有效介電常數(shù) 根據(jù)上面的公式求出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)播波長(zhǎng) 以及相應(yīng)的高低阻抗線的長(zhǎng)度 電感段微帶線的長(zhǎng)度 電容段微帶線的長(zhǎng)度 其中Ro為阻抗阻抗變換值 通常選擇50歐系統(tǒng) L C為低通原型參數(shù)值 微帶線的導(dǎo)波波長(zhǎng) 設(shè)計(jì)的流程1 確定設(shè)計(jì)的指標(biāo)2 選擇合適的低通原型3 根據(jù)選擇的基板 計(jì)算對(duì)應(yīng)的微帶高 低阻抗線的寬度 長(zhǎng)度4 建立濾波器仿真模型 仿真 例子 設(shè)計(jì)一個(gè)階梯阻抗低通濾波器 其通帶波紋為0 5dB 截止頻率為2GHz 要求在4GHz頻率處插入損耗小于 30dB 濾波器的特性阻抗為50歐 高阻抗線取120歐 低阻抗線取20歐 基板的高度h 1 58mm 相對(duì)介電常數(shù)為4 2 微帶厚度為0 5mil 解 1 根據(jù)指標(biāo) 選擇合適的低通原型 由 及下面的圖可以知道 濾波器的階數(shù)為5 通帶波紋為0 5dB低通原型的衰減和歸一化頻率的關(guān)系 2 根據(jù)Linecalc工具可以知道20歐 120歐微帶線的寬度分別為 11 27mm 0 4mm 120歐微帶線對(duì)應(yīng)的有效介電常數(shù)為2 84 20歐微帶線對(duì)應(yīng)的有效介質(zhì)常數(shù)為3 65 lincal工具求解 實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中 一般是采用軟件工具來(lái)求微帶線的寬度 3 對(duì)應(yīng)的5階濾波器的低通原型參數(shù)為 g0 g6 1 g1 g5 1 7058 g2 g4 1 2296 g3 2 5408 4 選擇低通原型的第一個(gè)元件為串聯(lián)電感 求對(duì)應(yīng)高 低阻抗線的長(zhǎng)度 gC 300 2 3 650 5 78 53mm gL 300 2 2 840 5 89 02mm 由 由 Moumentum結(jié)果 電流分布 3 濾波器的Moumentum仿真 2 5D電磁仿真 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)奇數(shù)階的低通濾波器 截止頻率自選 階數(shù)自選 選擇的基板 介電常數(shù)2 2 厚度1mm 或介電常數(shù)9 8 厚度1mm 設(shè)計(jì)任務(wù)2 微帶帶通濾波器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方程 1 求解導(dǎo)納變換器的值 2 求出導(dǎo)納變換器的值后 可以根據(jù)下面的公式計(jì)算奇模 偶模阻抗 3 根據(jù)lincalc工具計(jì)算耦合微帶線的尺寸 1 考慮到微帶線本身的損耗選擇的低通原型為通帶波紋為0 2dB的5階低通原型 其值如下 例子 濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)為 通帶5000MHz 6000MHz 帶內(nèi)波紋小于0 5dB 帶外頻率4500MHz以及6500MHz處衰減大于30dB 基片介電常數(shù)為2 8 厚度為1mm 3 計(jì)算導(dǎo)納變換器的值 2 確定分?jǐn)?shù)帶寬 4 計(jì)算奇模 偶模阻抗 L1 9 03mm L2 8 93mm L3 8 9mms1 0 188mm s2 0 635mm s3 0 863mmw1 0 935mm w2 1 345mm w3 1 404mm 5 綜合微帶線的尺寸 根據(jù)上面計(jì)算的耦合微帶線的奇模 偶模阻抗 利用Lincalc工具得到第一級(jí)的線寬W 1 682mm 縫隙S 0 092mm 太細(xì)了不能保證加工的精度 因此將特性導(dǎo)納變?yōu)? 70來(lái)提高縫隙的寬度 大家在設(shè)計(jì)的時(shí)候特性阻抗按50歐來(lái)設(shè)計(jì)就可以了 由于主線的阻抗為50 所以濾波器中做要一段阻抗變換線來(lái)連接主線和濾波器 由于終端電容效應(yīng) L要減去大約0 33h 得到的濾波器微帶耦合線的尺寸為 電路仿真模型 電路仿真結(jié)果 5 濾波器的Moumentum仿真 2 5D電磁仿真 低通原型參數(shù)表 設(shè)計(jì)任務(wù)3 微帶wilkinson功率分配器 微帶wilkinson功率分配器設(shè)計(jì)公式 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)不等功率分配比的微wilkinson功率分配器 低噪聲放大器的設(shè)計(jì) 放大器的技術(shù)指標(biāo) 1 工作的中心頻率以及帶寬 2 輸入 輸出反射系數(shù) 駐波比 3 增益以及增益平坦度 4 輸出功率 主要針對(duì)功率放大器 采用P1dB的輸出功率來(lái)衡量一般低噪聲放大器這個(gè)指標(biāo)不重要 5 噪聲系數(shù) LNA最重要的指標(biāo) 共扼匹配放大設(shè)計(jì)的近似原理 1 晶體管的穩(wěn)定性判據(jù) 共軛匹配只有在晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定的情況下 才能進(jìn)行設(shè)計(jì) 晶體管絕對(duì)穩(wěn)定的充分比較條件 2 近似設(shè)計(jì) 單向化設(shè)計(jì) 如果放大器的晶體管S12很小 可以近似認(rèn)為為0 則放大器的增益可以采用下面的公式來(lái)描述 如果增益以對(duì)數(shù)表示 則有 上面公式的1 3項(xiàng)表示輸入 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的增益 由表達(dá)式可以知道其不大于1 因此不存在能量的放大 即沒(méi)有增益 這里稱(chēng)為增益是由于設(shè)計(jì)了匹配網(wǎng)絡(luò) 導(dǎo)致反射損耗減小 相對(duì)損耗而言是增益 當(dāng)晶體管的輸入 輸出阻抗分別和源以及負(fù)載呈共軛匹配的時(shí)候 源和負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)均得到最大的單向增益 因此近似設(shè)計(jì)放大器的最大增益為 放大器的共扼匹配設(shè)計(jì)流程 1 仿真晶體管的S參數(shù) 采取串聯(lián)電阻的方式使得晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定 2 確定晶體管共扼匹配的輸入 輸出阻抗 3 設(shè)計(jì)輸入 輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 4 S參數(shù)的仿真 查看噪聲系數(shù)和增益 五 設(shè)計(jì)實(shí)例采用AT 41511管子設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為2GHz 帶寬100MHz的低噪聲放大器 1 管子靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 選擇File NewDesign 進(jìn)入下面的對(duì)話框在下面選擇BJT curve tracer 在上面給新建的Design命名 這里命名為BJTCurve 點(diǎn)擊 打開(kāi)元件庫(kù) 查詢(xún)ATF 41511元件 將元件按下圖加入 并對(duì)其進(jìn)行仿真 從上面的伏安特性曲線 可以確定管子的工作電壓并對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)直流偏置電路 2 管子S參數(shù)掃描 選擇一個(gè)工作電壓為2 7v 漏極電流為5mA的S參數(shù)管子模型 可以看出管子在2GHz處處于絕對(duì)穩(wěn)定 對(duì)應(yīng)的S參數(shù)為 根據(jù)掃描的S參數(shù) 利用Smith圓圖工具設(shè)計(jì)輸入 輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 即將源反射系數(shù)匹配到50歐 這里的源反射系數(shù)為晶體管輸入反射系數(shù)的共軛值 輸出端口同理 1 輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 2 輸出匹