微波電路綜合實驗

1、微波電路綜合實驗 2003.9微波的應(yīng)用領(lǐng)域n通常的微波是指分米波、厘米波和毫米波，其頻率范圍從300MHz300GHz，在整個無線電波波譜中占有重要的地位。n微波具有較高的輻射方向性和分辨率，在大氣中的傳播衰減比較小，并且能夠穿透電離層，因此在通信、雷達、遙感、遙控、遙測等方面都有廣泛的應(yīng)用。n由于微波的頻率高，頻帶寬，能夠承載大量的信息，所以微波電路已經(jīng)成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分。微波電路的實例n下圖是一個無線通信系統(tǒng)中接收機和發(fā)射機的系統(tǒng)框圖饋線饋線功分器上變頻器中頻BPSK調(diào)制器射頻振蕩器功率放大器中頻振蕩器發(fā)射天線1發(fā)射天線2基帶調(diào)制信號中頻濾波器中頻濾波器射頻濾波器1課程

2、目的n了解典型微波電路的原理及設(shè)計方法。n學(xué)習(xí)使用ADS軟件進行微波電路的設(shè)計，優(yōu)化，仿真。n掌握微波電路的制作及調(diào)試方法。課程內(nèi)容n本課程主要由以下三個實驗組成n一、微帶濾波器的設(shè)計、制作與調(diào)試n二、低噪聲放大器的設(shè)計、制作與調(diào)試n三、微帶功分器、分支線電橋的設(shè)計、制作與調(diào)試n實驗內(nèi)容是學(xué)習(xí)使用ADS軟件設(shè)計微波濾波器、低噪聲放大器、功分器等，并對其參數(shù)進行優(yōu)化、仿真。然后根據(jù)軟件設(shè)計的結(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板，最后對制作好的電路進行調(diào)試，使其滿足設(shè)計要求。微波元件的種類n微波電路的基本單元是傳輸線，根據(jù)傳輸線結(jié)構(gòu)的不同，可以把微波元件分為同軸、微帶、波導(dǎo)等幾大類。n由于微帶類元件體

3、積小，重量輕，制作方便，所以本實驗的內(nèi)容采用微帶結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。微帶電路的基本元件n微帶線n寬高比n有效介電常數(shù)n特性阻抗 Zcn微帶中的波長WHEh0=1介質(zhì)基片r51 . 0/hWre)8 . 05 . 0(eg0微帶電路的基本元件（續(xù)）n常用的介質(zhì)基片及其介電常數(shù)n聚四氟乙烯纖維 Teflon 2.5 2.8n氧化鋁陶瓷 Al2O3 9 9.9n人工復(fù)合介質(zhì) 3 - 20n高頻玻璃纖維 FR4 4.3 4.7微帶電路的基本元件（續(xù)）n微帶終端短路線段的特性)2(ltgjZZgCZ=jXZZg04gl4gl4glll微帶電路的基本元件（續(xù)）n微帶終端開路線段的特性)2(lctgjZZgCZ=j

4、XZ04gl4gl4glllZg微帶電路的基本元件（續(xù)）n微帶電路接地時通常采用打沉銅孔的方式，使上層的金屬與下層的地板相連。微波電路中各接地點都要就近接地，通過一段線再接地和直接接地的效果是不同的。微帶電路的基本元件（續(xù)）n集總參數(shù)元件n電容 - 貼片電容，陶瓷電容n電感 - 貼片電感，磁芯線圈n電阻 - 貼片電阻n晶體管 貼片封裝實驗一微帶濾波器的設(shè)計微帶濾波器的設(shè)計制作與調(diào)試制作與調(diào)試 微波濾波器簡介n微波濾波器是一種具有選頻功能的微波器件，它從頻率上分離與阻隔微波信號，使在特定頻帶內(nèi)的信號得以通過（通帶）或被抑制（阻帶）。由于這一特性，它的應(yīng)用極為廣泛，尤其是在多頻率工作的系統(tǒng)中，更是

5、不可缺少的一類元件。微波濾波器的分類n根據(jù)功率衰減的頻率特性來分類，微波濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器。n隨著頻率的的提高，濾波器不能再用集總參數(shù)的電感和電容元件來組成，需要采用各類傳輸線為主體的分布參數(shù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)所用的傳輸線類型來分類，微波濾波器可分為波導(dǎo)、同軸線、微帶線濾波器等等。微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)n通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏 n阻帶邊界頻率與阻帶衰減 這些指標(biāo)是描述濾波器的衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等)。微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）n各端口的反射系數(shù)n描述了濾波器各端口反射損耗的大小，反射系數(shù)越小，端口的阻抗匹配就越

6、好，反射損耗也越小。n通帶內(nèi)的群時延n群時延是指信號的相移隨頻率的變化率，定義為 ，群時延為常數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會產(chǎn)生相位失真。dfd/微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）n寄生通帶n寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的 ，它是離設(shè)計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計時要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。微帶濾波器的結(jié)構(gòu)n微帶濾波器制作簡單，能夠直接做在電路板上，容易同電路的其他部分連接，以下就是幾種常見的微帶濾波器的結(jié)構(gòu)。n高低阻抗線低通濾波器微帶濾波器的結(jié)構(gòu)（續(xù)）n平行耦合線帶通濾波器n交指濾波器微帶濾波器的結(jié)構(gòu)（續(xù)） 微帶濾波器的設(shè)計n以平行耦合線帶通濾波器為例介紹一下使用ADS軟件設(shè)計濾波

7、器的方法，具體包括原理圖繪制，電路參數(shù)的優(yōu)化、仿真，版圖的仿真等步驟。n首先要根據(jù)所選濾波器的結(jié)構(gòu)畫出其原理圖，并設(shè)置各元件的參數(shù)。微帶濾波器的原理圖微帶濾波器的設(shè)計n對濾波器的電路參數(shù)進行優(yōu)化和仿真。n在進行設(shè)計時，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進行優(yōu)化仿真。S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化曲線的形狀上。S11(S22)參數(shù)反應(yīng)了輸入、輸出端口的反射系數(shù)，也是優(yōu)化的主要目標(biāo)。優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置 微帶濾波器的設(shè)計n在優(yōu)化時，軟件對于各個變量的值進行搜索，使得電路的S參數(shù)曲線逐步接近直至滿足優(yōu)化目標(biāo)。n在優(yōu)化過程中要根據(jù)實際情況

8、選擇合適的優(yōu)化方法和次數(shù)，對電路進行反復(fù)優(yōu)化。在優(yōu)化中還可能要對優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的初值及范圍進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。n當(dāng)電路參數(shù)完全滿足優(yōu)化目標(biāo)時，優(yōu)化過程結(jié)束，可以觀察仿真的曲線了。觀察仿真曲線 微帶濾波器的設(shè)計n版圖的仿真n版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計算比較復(fù)雜，一般作為對原理圖設(shè)計的驗證。版圖仿真的窗口 版圖仿真的曲線 電路版圖的繪制n仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件繪制電路版圖，繪制版圖時要注意以下幾點。n所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路，下層整個作為接地。n在繪制版圖時受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，線

9、寬和縫隙寬度要大于0.3mmn考慮到加工電路板時的側(cè)向腐蝕問題，微帶線的寬度和長度要適當(dāng)增加。n版圖的大小要符合規(guī)定尺寸，以便于安裝在測試架上。濾波器電路的調(diào)試n對照設(shè)計的版圖檢查、測量加工好的微帶電路板上各段微帶線以及縫隙的實際尺寸，并作記錄。n將電路板安裝到測試架上。n按下面的測試框圖用網(wǎng)絡(luò)分析儀對濾波器的各項指標(biāo)進行測試。濾波器電路的調(diào)試（續(xù)）n需要測試的參數(shù)主要有以下幾個nS11，S22：輸入、輸出端口的反射系數(shù)nS21，S12：正向、反向傳輸系數(shù)nGroup delay：群時延n觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的結(jié)果是否達到指標(biāo)要求并與前面仿真的結(jié)果做比較。n把實際測量的電路尺寸置于ADS軟件中進

10、行仿真，把結(jié)果與實際測量結(jié)果相比較。n如果測試結(jié)果與設(shè)計要求相差過多，則需對電路進行調(diào)整，直至重新進行設(shè)計、制板。實驗二低噪聲放大器的設(shè)計制作與調(diào)試 低噪聲放大器電路的基本結(jié)構(gòu)n低噪聲放大器主要由晶體管、輸入輸出匹配電路以及直流饋電電路（圖中未畫出）組成。n晶體管起放大信號的作用，是放大電路的主要元件。輸入輸出匹配電路使放大器與前后級電路達到阻抗匹配。饋電電路給晶體管提供了合適的直流工作點。低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)n工作頻帶n信號在工作頻帶內(nèi)，放大器才能對它起放大作用。n輸入輸出的反射系數(shù)n放大器電路是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，S11和S22參數(shù)分別代表了輸入和輸出的反射系數(shù)。反射系數(shù)越小，信號的反射損耗

11、就越小，同時對于前后級電路的影響也減小。n放大器增益n放大器的增益有傳輸增益、最大增益、相關(guān)增益等多種定義方式。這里我們用放大器輸出功率與輸入功率的比值表示放大器的增益，可通過S21參數(shù)來表示增益的大小。n噪聲系數(shù)n定義n意義是信號通過放大器后，信噪比惡化的倍數(shù)。低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）ininNS微波放大器輸入輸出outoutNS低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）n穩(wěn)定系數(shù)n定義式中S11，S22，S21，S12是晶體管的S參數(shù)，D= S11S22S12S21nK1時系統(tǒng)是絕對穩(wěn)定的，K1時存在潛在不穩(wěn)定性，有自激振蕩的可能性。inLAC輸入匹配電路輸出匹配電路RoR0FETS12S11211

12、2222221121SSDSSK低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）n增益平坦度n是指放大器工作頻帶內(nèi)增益的起伏情況，增益越平坦，信號通過放大器所產(chǎn)生的幅度失真越小。低噪聲放大器的設(shè)計n設(shè)計時要注意的問題n晶體管模型的選擇nsp模型：屬于小信號線性模型，模型中已經(jīng)帶有了確定的直流工作點，和在一定范圍內(nèi)的S參數(shù)。n大信號模型：可以用來仿真大、小信號，需要自行選擇直流工作點，仿真時要加入饋電電路和電源。帶有封裝的大信號模型可以用來生成版圖。n集總參數(shù)元件的取值低噪聲放大器的設(shè)計步驟n直流工作點掃描n根據(jù)晶體管型號選擇合適的直流工作點。n晶體管S參數(shù)掃描n使用sp模型，可以得到晶體管的輸入、輸出阻抗。低噪聲

13、放大器的設(shè)計步驟（續(xù)）n輸入輸出阻抗匹配設(shè)計n匹配電路形式主要有并聯(lián)分支線和集總參數(shù)電容、電感兩種。低噪聲放大器的設(shè)計步驟（續(xù)）SP模型的優(yōu)化仿真將噪聲系數(shù)、放大器增益、穩(wěn)定系數(shù)都加入優(yōu)化目標(biāo)中進行優(yōu)化，并通過對帶內(nèi)放大器增益的限制來滿足增益平坦度指標(biāo)，最終達到各個要求指標(biāo)。如果電路穩(wěn)定系數(shù)變得很小(低于0.9)，或者S(1,1)的值在整個頻帶內(nèi)的某些頻點在0dB以上，則需要加入負(fù)反饋，改善放大器的穩(wěn)定性。SP模型的電路原理圖 低噪聲放大器的設(shè)計步驟（續(xù)）n封裝模型仿真設(shè)計n將sp模型替換為封裝模型n選擇直流工作點并添加偏置電壓n替換為封裝模型后各項參數(shù)會有所變化，如果不滿足技術(shù)指標(biāo)的話可以對

14、封裝模型的原理圖再進行仿真優(yōu)化。仿真結(jié)果曲線 直流偏置電路的設(shè)計 低噪聲放大器的調(diào)試 對照設(shè)計版圖檢查加工好的微波電路板，并按照所用的電路元件表準(zhǔn)備元器件。 按照電路原理圖進行焊接，首先焊接放大器的供電部分，通電檢查電壓正確后再焊接其他無源器件，最后將晶體管按正確方式焊接。 在檢查焊接無誤后，將電路板安裝到測試架上，接通直流電源測量放大器的直流工作點，并進行調(diào)整，使其滿足設(shè)計要求。低噪聲放大器的調(diào)試（續(xù)） 按下面的測試框圖對放大器的各項指標(biāo)進行測試（網(wǎng)絡(luò)分析儀和噪聲儀的使用參照儀器說明）。注意：在注意：在測試前必須檢查放大器的輸入輸出端是否已接耦合電測試前必須檢查放大器的輸入輸出端是否已接耦合

15、電容，否則會造成儀器損壞。容，否則會造成儀器損壞。 S參數(shù)測試框圖 噪聲系數(shù)測試框圖低噪聲放大器的調(diào)試（續(xù)）n需要測試的參數(shù)主要有以下幾個S11，S22：輸入、輸出端的反射系數(shù)S21：傳輸系數(shù)，由此可測得放大器的增益噪聲系數(shù)n將測試結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，并看其是否滿足設(shè)計指標(biāo)。n若不滿足設(shè)計指標(biāo)，則對結(jié)果進行分析后，通過調(diào)整元器件的參數(shù)（電容，電感，電阻的值），使其達到設(shè)計指標(biāo)。實驗三功分器的設(shè)計、制作與調(diào)試 功分器簡介n在微波系統(tǒng)中，功率分配器的作用是把某一路的微波輸入功率按規(guī)定比例分成兩路或多路輸出；或者使用其逆過程，把兩路或多路微波功率迭加起來從一路輸出。功分器的結(jié)構(gòu)n下圖是一個三分貝微

16、帶功分器的結(jié)構(gòu)示意圖。它的輸入和輸出線的線性阻抗Zc，兩段長度為/4的分支線的特性阻抗為 Zc，分支線末端跨接一個電阻R，其值為2Zc。這種結(jié)構(gòu)的功分器具有以下特性：當(dāng)輸入端口2和3接匹配負(fù)載時，輸入端口1無反射，從端口1輸入的功率被平分到端口2和3，且端口2和3相互隔離。2技術(shù)指標(biāo)n工作頻帶n功分器能夠正常工作的頻率范圍。n功分比n兩輸出端口的輸出功率之比，是功分器的主要指標(biāo)。n各端口反射系數(shù)n描述了功分器各端口反射損耗的大小，反射系數(shù)越小，端口的阻抗匹配就越好，反射損耗也越小。技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）n兩輸出端口間的隔離度n隔離度是指信號從2端口輸入，3端口輸出所產(chǎn)生的衰減的大小，衰減越大，表明兩端

17、口的隔離度越好。n相位平衡度n兩輸出端口輸出信號的相位差。n傳輸損耗n信號通過功分器后產(chǎn)生的損耗。實驗的安排n本實驗要求每2人為一組，共同完成實驗。n實驗內(nèi)容中濾波器和低噪聲放大器部分為必做，要求完成從軟件設(shè)計到制作調(diào)試的全過程。n功分器的部分是選做，如果完成可獲得加分。實驗的安排（續(xù)）n實驗分為軟件仿真設(shè)計和電路制作、調(diào)試兩個階段。n軟件仿真設(shè)計n地點：東主樓11區(qū)222室n時間：第三周到第七周實驗的安排（續(xù)）n電路的制作與調(diào)試n每組要提交用protel設(shè)計好的電路版圖文件，以及電路中所用的元器件列表。以便進行電路板的加工和元器件的準(zhǔn)備。n電路制作與調(diào)試的地點是中央主樓9層919的微波實驗室，時間安排在第八周以后。實驗報告的要求n實驗報告要求每人寫一份，報告中要包括以下內(nèi)容。n軟件仿真的簡要步驟，仿真原理圖、版圖、結(jié)果曲線。