電磁場及微波實(shí)驗(yàn)2011-3修改

1、Copyright By 杭州電子科技大學(xué)光纖通信網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室 2011電磁場與微波實(shí)驗(yàn)仿真部分Page 2實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)三分布參數(shù)濾波器設(shè)計(jì)分布參數(shù)濾波器設(shè)計(jì)Page 3注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：1、電子課件位于電腦、電子課件位于電腦E盤盤“第三節(jié)課第三節(jié)課”目錄下目錄下3、MWO軟件通過桌面快捷方式可以打開軟件通過桌面快捷方式可以打開Page 4教學(xué)內(nèi)容安排教學(xué)內(nèi)容安排實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟Page 5n 熟悉熟悉微帶線電路微帶線電路和和帶狀線電路帶狀線電路的仿真過程和注意事的仿真過程和注意事項(xiàng)，理解微帶線、帶狀線的特性和各種參數(shù)指標(biāo)，熟項(xiàng)，理解微帶線、帶狀線的

2、特性和各種參數(shù)指標(biāo)，熟悉悉微帶線、帶狀線的各種分布參數(shù)元件的使用。微帶線、帶狀線的各種分布參數(shù)元件的使用。 本次實(shí)驗(yàn)我們需要用到本次實(shí)驗(yàn)我們需要用到MWO2008的優(yōu)化和的優(yōu)化和Tune等工等工具，要求熟練掌握具，要求熟練掌握MWO提供的這些工具的使用方法和提供的這些工具的使用方法和技巧。技巧。本次實(shí)驗(yàn)我們需要用到本次實(shí)驗(yàn)我們需要用到TX Line工具，需要熟練掌握工具，需要熟練掌握MWO提供提供TX Line的使用方法和技巧的使用方法和技巧Page 6設(shè)計(jì)一個(gè)分布參數(shù)低通濾波器設(shè)計(jì)一個(gè)分布參數(shù)低通濾波器要求：要求： 1.使用微帶線電路或者帶狀線電路實(shí)現(xiàn)。使用微帶線電路或者帶狀線電路實(shí)現(xiàn)。 2

3、.指標(biāo)：指標(biāo)： 截止頻率為截止頻率為3GHz， 通帶內(nèi)增益大于通帶內(nèi)增益大于-5dB； 阻帶內(nèi)阻帶內(nèi)4.5GHz以上增益小于以上增益小于-50dB; 通帶內(nèi)反射系數(shù)要求小于通帶內(nèi)反射系數(shù)要求小于-25dB。Page 71.集總元件與頻率關(guān)系集總元件與頻率關(guān)系使用集總元件設(shè)計(jì)的濾波器，在低頻時(shí)能正常工作，使用集總元件設(shè)計(jì)的濾波器，在低頻時(shí)能正常工作，但在微波電路時(shí)卻不能。原因有：但在微波電路時(shí)卻不能。原因有： Lump元件，如電感電容的值都是對應(yīng)于低頻的，當(dāng)頻元件，如電感電容的值都是對應(yīng)于低頻的，當(dāng)頻率很高超過其諧振頻率時(shí)，率很高超過其諧振頻率時(shí)，lump元件的寄生效應(yīng)非常明顯元件的寄生效應(yīng)非常

4、明顯：一者元件求值變得非常復(fù)雜；二者電感電容會(huì)改變自身特一者元件求值變得非常復(fù)雜；二者電感電容會(huì)改變自身特性，如電容性變成電感性，而電感性變成電容性。性，如電容性變成電感性，而電感性變成電容性。 在微波頻率時(shí)，在微波頻率時(shí)，在微波電路中，電容值通常很小在微波電路中，電容值通常很?。ㄖ挥校ㄖ挥辛泓c(diǎn)幾個(gè)零點(diǎn)幾個(gè)pf），一般的），一般的lump元件根本無法做到如此小的值，元件根本無法做到如此小的值，只有用微帶傳輸線制作才行。只有用微帶傳輸線制作才行。Page 82.微帶電路微帶電路n分布參數(shù)元件中，以微帶線和帶狀線最為常用，在分布參數(shù)元件中，以微帶線和帶狀線最為常用，在MMIC中，為便于制板，常用的

5、是微帶線。中，為便于制板，常用的是微帶線。n微帶電路是近幾十年發(fā)展起來的新型微波系統(tǒng)，它使微帶電路是近幾十年發(fā)展起來的新型微波系統(tǒng)，它使微波系統(tǒng)的體積、重量、生產(chǎn)成本等大幅度降低，使微波系統(tǒng)的體積、重量、生產(chǎn)成本等大幅度降低，使微波個(gè)人通訊系統(tǒng)普及成為現(xiàn)實(shí)。微波個(gè)人通訊系統(tǒng)普及成為現(xiàn)實(shí)。n微帶電路包括：單片微波集成電路（微帶電路包括：單片微波集成電路（MMIC）、微帶傳）、微帶傳輸線、微帶元件等。輸線、微帶元件等。Page 93.微帶傳輸系統(tǒng)微帶傳輸系統(tǒng)微帶線微帶線n微帶線是由介質(zhì)基片一邊導(dǎo)體接地板和介質(zhì)基片另一微帶線是由介質(zhì)基片一邊導(dǎo)體接地板和介質(zhì)基片另一邊的帶狀導(dǎo)體構(gòu)成。邊的帶狀導(dǎo)體構(gòu)成。

6、n可視為沿中心線剖開并展平的同軸線：可視為沿中心線剖開并展平的同軸線：n同軸線內(nèi)一般只有金屬介質(zhì)界面，而微帶傳輸線內(nèi)同軸線內(nèi)一般只有金屬介質(zhì)界面，而微帶傳輸線內(nèi)既有金屬既有金屬-介質(zhì)界面，也有介質(zhì)介質(zhì)界面，也有介質(zhì)-空氣界面，正是由空氣界面，正是由于這一差別造成了微帶傳輸線的傳輸特性不同于同于這一差別造成了微帶傳輸線的傳輸特性不同于同軸線。軸線。Page 104.由微帶傳輸線構(gòu)成的微波電路具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：由微帶傳輸線構(gòu)成的微波電路具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：n體積小，重量輕，加工成本低，加工重復(fù)性好，材料成體積小，重量輕，加工成本低，加工重復(fù)性好，材料成本低，可構(gòu)成薄膜或厚膜微波集成電路；本低，可構(gòu)成

7、薄膜或厚膜微波集成電路；n損耗較大，功率容量小，電路參數(shù)調(diào)整困難，工作頻率損耗較大，功率容量小，電路參數(shù)調(diào)整困難，工作頻率低（相對于其它微波傳輸系統(tǒng)）；低（相對于其它微波傳輸系統(tǒng)）；n微帶傳輸線是雙導(dǎo)體傳輸系統(tǒng)，但不能傳輸微帶傳輸線是雙導(dǎo)體傳輸系統(tǒng)，但不能傳輸TEM模，是模，是準(zhǔn)準(zhǔn)TEM。Page 115.實(shí)際微帶傳輸線的特性阻抗、傳播常數(shù)都是工作實(shí)際微帶傳輸線的特性阻抗、傳播常數(shù)都是工作頻率的函數(shù)：頻率的函數(shù)：n當(dāng)微帶傳輸線工作頻率升高時(shí)，其色散增大，但在小當(dāng)微帶傳輸線工作頻率升高時(shí)，其色散增大，但在小于于4GHz時(shí)，可以忽略色散效應(yīng)；時(shí)，可以忽略色散效應(yīng)；n當(dāng)工作頻帶較寬時(shí)，特性阻抗、傳播

8、常數(shù)的頻率響應(yīng)當(dāng)工作頻帶較寬時(shí)，特性阻抗、傳播常數(shù)的頻率響應(yīng)不可忽略。不可忽略。n工作頻率升高時(shí)，其等效介電常數(shù)增大；工作頻率升高時(shí)，其等效介電常數(shù)增大；Page 126.微帶傳輸線的相速度、群速度、等效介電系數(shù)、微帶傳輸線的相速度、群速度、等效介電系數(shù)、等效波長都是微帶傳輸線結(jié)構(gòu)參數(shù)等效波長都是微帶傳輸線結(jié)構(gòu)參數(shù)W（導(dǎo)體帶寬（導(dǎo)體帶寬度）、度）、h（介質(zhì)厚度）的函數(shù)。（介質(zhì)厚度）的函數(shù)。n在基板介質(zhì)（包括厚度）確定的前提下，可調(diào)節(jié)的微在基板介質(zhì)（包括厚度）確定的前提下，可調(diào)節(jié)的微帶線參數(shù)有兩個(gè)：線寬帶線參數(shù)有兩個(gè)：線寬W和線長。和線長。n但此時(shí)微帶線的特性參數(shù)只由線寬但此時(shí)微帶線的特性參數(shù)只

9、由線寬W決定，與線長無決定，與線長無關(guān)：關(guān)：n如微帶線的特性阻抗與線寬如微帶線的特性阻抗與線寬W相關(guān)，與線長無關(guān)：相關(guān)，與線長無關(guān)：在其他條件不變情況下，微帶線越寬其特性阻抗越在其他條件不變情況下，微帶線越寬其特性阻抗越小小.Page 137.微帶電容和微帶電感微帶電容和微帶電感n 利用微帶傳輸線導(dǎo)體帶寬度變化，可以直接在微帶電路中形成等效的利用微帶傳輸線導(dǎo)體帶寬度變化，可以直接在微帶電路中形成等效的微帶電容或等效的微帶電感。微帶電容或等效的微帶電感。n 1）用串聯(lián)微帶傳輸線構(gòu)成的串聯(lián)微帶電感）用串聯(lián)微帶傳輸線構(gòu)成的串聯(lián)微帶電感輸入輸出dZC bZC bWZC bZi中間導(dǎo)體帶變窄，是一高阻串

10、聯(lián)微帶線。中間導(dǎo)體帶變窄，是一高阻串聯(lián)微帶線。由終端方程的阻抗表達(dá)式，在傳輸線長度由終端方程的阻抗表達(dá)式，在傳輸線長度d小于工作波長時(shí)，可計(jì)算其小于工作波長時(shí)，可計(jì)算其輸入阻抗輸入阻抗Zi：由于由于Zc大于大于Zc，可知，可知X大于零。可見地段串聯(lián)高阻微帶線可大于零?？梢姷囟未?lián)高阻微帶線可等效為一等效為一個(gè)串聯(lián)電感。個(gè)串聯(lián)電感。2() 1ciccccZZZjZdZjXZb輸入串聯(lián)電感jX輸出Page 14n 2）并聯(lián)開路微帶傳輸線構(gòu)成等效并微帶電容）并聯(lián)開路微帶傳輸線構(gòu)成等效并微帶電容輸入輸出YCbYc bYc bYiYijB輸入輸出中間導(dǎo)體帶變寬，可等效為一個(gè)并聯(lián)電容中間導(dǎo)體帶變寬，可等效

11、為一個(gè)并聯(lián)電容Page 158.由微帶線構(gòu)造分布參數(shù)低通微波濾波器由微帶線構(gòu)造分布參數(shù)低通微波濾波器一定要注意：這里一定要注意：這里0.001Page 16n 關(guān)于元件的選取關(guān)于元件的選取n 微帶線微帶線：在：在microstrip下下n開路微帶線：開路微帶線：MLEF;n線性微帶線：線性微帶線：MLIN；n 基板：基板：n它在元件庫中位置為：它在元件庫中位置為：substratesMSUB;n本實(shí)驗(yàn)用本實(shí)驗(yàn)用RT/Duroid，其介電常數(shù)為，其介電常數(shù)為2.16n 端口端口n 關(guān)于等效電感電容的微帶線關(guān)于等效電感電容的微帶線n 可通過改變線長和線寬可通過改變線長和線寬W可改變電感電容量，可改

12、變電感電容量，n但太長的微帶線會(huì)導(dǎo)致電路板過太，因而一般固定線長，但太長的微帶線會(huì)導(dǎo)致電路板過太，因而一般固定線長， 本實(shí)驗(yàn)線長取為本實(shí)驗(yàn)線長取為1/8波長；波長；n通過改變線寬來優(yōu)化濾波器，線寬就是要優(yōu)化的變量。通過改變線寬來優(yōu)化濾波器，線寬就是要優(yōu)化的變量。n 關(guān)于波長的選取：關(guān)于波長的選?。簄 取最大頻率點(diǎn)（對于低通就是截止頻率）對應(yīng)的波長取最大頻率點(diǎn)（對于低通就是截止頻率）對應(yīng)的波長Page 17n 關(guān)于輸入輸出端說明：關(guān)于輸入輸出端說明：n 在射頻微波電路中，上下級連接電路之間需要阻抗匹配，以達(dá)到較高的在射頻微波電路中，上下級連接電路之間需要阻抗匹配，以達(dá)到較高的傳輸功率。傳輸功率。

13、n 微波通信中一般以微波通信中一般以50歐特性阻抗為標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)器件均需匹配到歐特性阻抗為標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)器件均需匹配到50歐的傳歐的傳輸線上。輸線上。n 本實(shí)驗(yàn)左右兩端的本實(shí)驗(yàn)左右兩端的MLIN微帶線，其特征阻抗都為微帶線，其特征阻抗都為50歐，就是當(dāng)作傳輸線歐，就是當(dāng)作傳輸線用，用來進(jìn)行阻抗匹配。用，用來進(jìn)行阻抗匹配。n 因此該兩段傳輸線線寬因此該兩段傳輸線線寬W由由50歐特性阻抗所決定，線長取歐特性阻抗所決定，線長取1/8波長。波長。n 關(guān)于基板的選取關(guān)于基板的選取n 使用微帶線或帶狀線時(shí)，要有基板，它在元件庫中位置為：使用微帶線或帶狀線時(shí)，要有基板，它在元件庫中位置為：substratesMS

14、UB;n MSUB表示雙面板材的各種屬性，為仿真提供實(shí)際做電路板時(shí)使用的各表示雙面板材的各種屬性，為仿真提供實(shí)際做電路板時(shí)使用的各種參數(shù)：種參數(shù)：n 介電常數(shù)，介質(zhì)厚度，金屬線厚度，損耗正切角等。介電常數(shù)，介質(zhì)厚度，金屬線厚度，損耗正切角等。n 本實(shí)驗(yàn)所基板厚度取本實(shí)驗(yàn)所基板厚度取0.1mm；導(dǎo)體帶厚度取；導(dǎo)體帶厚度取0.001mm;導(dǎo)體材料為銀。導(dǎo)體材料為銀。Page 18n 在介質(zhì)選定后，對應(yīng)特性阻抗的微帶線導(dǎo)體寬度在介質(zhì)選定后，對應(yīng)特性阻抗的微帶線導(dǎo)體寬度W可用可用TXline計(jì)計(jì)算得到。對于輸入輸出端就是由它決定的。算得到。對于輸入輸出端就是由它決定的。Page 19已知某已知某PCB

15、板材介質(zhì)厚度為板材介質(zhì)厚度為1mm，上下鋪銅厚度為，上下鋪銅厚度為0.01mm，介，介電常數(shù)電常數(shù)2.1，損耗正切，損耗正切0.00045.求求1GHz特性阻抗特性阻抗50歐姆微帶線的歐姆微帶線的線寬和線寬和1/4波長的線長。波長的線長。Page 20n 關(guān)于工程屬性關(guān)于工程屬性Page 21n 關(guān)于優(yōu)化：關(guān)于優(yōu)化：n 線寬線寬W與介質(zhì)厚度與介質(zhì)厚度H的比值一定范圍：的比值一定范圍：0.05W/H-5dB.Page 314GHz以上以上,S21-50dB.Page 320-3GHz,S11-25dB.Page 339.優(yōu)化目標(biāo)的單位確認(rèn)（三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)都要確認(rèn)）優(yōu)化目標(biāo)的單位確認(rèn)（三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)都

16、要確認(rèn)）Page 34Page 3510.設(shè)置變量為可優(yōu)化可調(diào)諧（設(shè)置變量為可優(yōu)化可調(diào)諧（5個(gè)變量都要設(shè)置個(gè)變量都要設(shè)置）選中變量，單擊右鍵，點(diǎn)擊選中變量，單擊右鍵，點(diǎn)擊屬性出現(xiàn)對話框?qū)傩猿霈F(xiàn)對話框Page 36注意要設(shè)定注意要設(shè)定w的范圍的范圍0.05W/H20,H=0.1mm勾選勾選Tune和和optimize和和constrain三項(xiàng)三項(xiàng)切記要對切記要對5個(gè)變量同樣操作個(gè)變量同樣操作Page 3711.分析分析檢查下面檢查下面5個(gè)變量是否變成藍(lán)色了，個(gè)變量是否變成藍(lán)色了， 藍(lán)色表示變量可優(yōu)化可調(diào)諧藍(lán)色表示變量可優(yōu)化可調(diào)諧Page 3812.運(yùn)行結(jié)果運(yùn)行結(jié)果Page 3913.優(yōu)化（注意優(yōu)

17、化范圍的確定，否則將會(huì)出錯(cuò)）優(yōu)化（注意優(yōu)化范圍的確定，否則將會(huì)出錯(cuò)）Page 40Page 41Page 42注意注意 優(yōu)化后優(yōu)化后cost可能無法達(dá)到可能無法達(dá)到0，這是指標(biāo)要求太高的，這是指標(biāo)要求太高的緣故。那么考慮適當(dāng)降低指標(biāo)，例如，使得通帶內(nèi)緣故。那么考慮適當(dāng)降低指標(biāo)，例如，使得通帶內(nèi)S11-20dB?？梢允沟脙?yōu)化后?？梢允沟脙?yōu)化后cost=0。Page 43 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1 1 1、使用使用TX Line工具練習(xí)工具練習(xí) 計(jì)算微帶線計(jì)算微帶線r2.55，t/h=0.01，分別計(jì)算，分別計(jì)算W/h=2.5、3、3.83.8、4.154.15時(shí)的特性阻抗值

18、，并與課本微帶線的特性阻抗時(shí)的特性阻抗值，并與課本微帶線的特性阻抗數(shù)據(jù)表對比檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)表對比檢驗(yàn)。 帶狀線帶狀線r r4.24.2，t/h=0.01t/h=0.01，分別計(jì)算，分別計(jì)算W/h=2.5W/h=2.5、3 3、3.83.8、4.154.15時(shí)的特性阻抗值。時(shí)的特性阻抗值。Page 442 2、設(shè)計(jì)分布參數(shù)低通濾波器（與上面練習(xí)的計(jì)算結(jié)果無關(guān)）、設(shè)計(jì)分布參數(shù)低通濾波器（與上面練習(xí)的計(jì)算結(jié)果無關(guān)）n 設(shè)計(jì)一個(gè)分布參數(shù)低通濾波器，使用微帶線電路或者帶狀設(shè)計(jì)一個(gè)分布參數(shù)低通濾波器，使用微帶線電路或者帶狀線電路實(shí)現(xiàn)線電路實(shí)現(xiàn) (介質(zhì)相對介電常數(shù)介質(zhì)相對介電常數(shù)2.16，H=0.1mm。T=0.002mm)n 要求截止頻率為要求截止頻率為3.5GHz3.5GHz，通帶內(nèi)增益大于，通帶內(nèi)增益大于5dB5dB，阻帶內(nèi)，阻帶內(nèi)5GHz5GHz以上增益小于以上增益小于-40dB-40dB。通帶內(nèi)反射系數(shù)要求小于。通帶內(nèi)反射系數(shù)要求小于- -20dB20dB（提示：頻率設(shè)置（提示：頻率設(shè)置08GHz08GHz）。 Page 45實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求2 2n 通過實(shí)驗(yàn)熟悉通過實(shí)驗(yàn)熟悉MWO2008MWO2008的各種基本操作，根據(jù)操作的各種基