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文檔簡介

微波電路課程實踐第1頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六1.設(shè)計任務(wù)一:微波低通濾波器的設(shè)計階梯阻抗低通濾波器設(shè)計近似理論對于長度為l(βl<<0.25),特性阻抗為Z0的傳輸線,其負載阻抗為ZL,則輸入阻抗公式為:對于負載阻抗為ZL<<特性阻抗為Z0的傳輸線,則輸入阻抗公式為:第2頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六由上式可以看出,當負載阻抗遠小于傳輸線特性阻抗的時候,傳輸線端接以負載阻抗,近似于一個電感和負載ZL串聯(lián)。對于負載阻抗為ZL>>特性阻抗為Z0的傳輸線,則輸入阻抗公式為:對應(yīng)的輸入導(dǎo)納為:由上式可以看出,當負載阻抗遠大于傳輸線特性阻抗的時候,傳輸線端接以負載阻抗,近似于一個電容和負載ZL并聯(lián)。第3頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六綜上所述,低通濾波器可以由級聯(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)計的時候是首先自選定)。電感段、電容段微帶線的長度可以通過下面的公式近似求得:通過linecalc工具求出對應(yīng)高低阻抗微帶線的有效介電常數(shù),根據(jù)上面的公式求出對應(yīng)的導(dǎo)播波長,以及相應(yīng)的高低阻抗線的長度.電感段微帶線的長度電容段微帶線的長度其中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:第4頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六設(shè)計的流程

1、確定設(shè)計的指標

2.選擇合適的低通原型

3.根據(jù)選擇的基板,計算對應(yīng)的微帶高、低阻抗線的寬度、長度

4.建立濾波器仿真模型/仿真第5頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六例子:設(shè)計一個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,相對介電常數(shù)為4.2,微帶厚度為0.5mil.解:(1)根據(jù)指標,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第6頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六通帶波紋為0.5dB低通原型的衰減和歸一化頻率的關(guān)系第7頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(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歐微帶線對應(yīng)的有效介電常數(shù)為2.84,20歐微帶線對應(yīng)的有效介質(zhì)常數(shù)為3.65(lincal工具求解)(實際的工程設(shè)計中,一般是采用軟件工具來求微帶線的寬度)(3)對應(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元件為串聯(lián)電感,求對應(yīng)高、低阻抗線的長度:λgC=300/(2*3.650.5)=78.53mmλgL=300/(2*2.840.5)=89.02mm第8頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六由由第9頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六第10頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六第11頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六Moumentum結(jié)果電流分布3.濾波器的Moumentum仿真(2.5D電磁仿真)第12頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六設(shè)計任務(wù):設(shè)計一個奇數(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.第13頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六設(shè)計任務(wù)2:微帶帶通濾波器設(shè)計設(shè)計方程(1)求解導(dǎo)納變換器的值第14頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(2)求出導(dǎo)納變換器的值后,可以根據(jù)下面的公式計算奇模、偶模阻抗(3)根據(jù)lincalc工具計算耦合微帶線的尺寸第15頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(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)計指標為: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。第16頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(3)計算導(dǎo)納變換器的值(2)確定分數(shù)帶寬第17頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(4)計算奇模、偶模阻抗:第18頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六

L1=9.03mm,L2=8.93mm,L3=8.9mm s1=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)上面計算的耦合微帶線的奇模/偶模阻抗,利用Lincalc工具得到第一級的線寬W=1.682mm,縫隙S=0.092mm,太細了不能保證加工的精度,因此將特性導(dǎo)納變?yōu)?/70來提高縫隙的寬度。(大家在設(shè)計的時候特性阻抗按50歐來設(shè)計就可以了)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:第19頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六電路仿真模型第20頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六電路仿真結(jié)果第21頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六5.濾波器的Moumentum仿真(2.5D電磁仿真)第22頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六低通原型參數(shù)表第23頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六設(shè)計任務(wù)3:微帶wilkinson功率分配器微帶wilkinson功率分配器設(shè)計公式第24頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六設(shè)計任務(wù):設(shè)計不等功率分配比的微wilkinson功率分配器第25頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六低噪聲放大器的設(shè)計放大器的技術(shù)指標:(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(主要針對功率放大器,采用P1dB的輸出功率來衡量一般低噪聲放大器這個指標不重要)(5)噪聲系數(shù)(LNA最重要的指標)第26頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六共扼匹配放大設(shè)計的近似原理第27頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(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穩(wěn)定的情況下,才能進行設(shè)計.晶體管絕對穩(wěn)定的充分比較條件:第28頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(2)近似設(shè)計(單向化設(shè)計)如果放大器的晶體管S12很小,可以近似認為為0,則放大器的增益可以采用下面的公式來描述:如果增益以對數(shù)表示,則有上面公式的1,3項表示輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的增益,由表達式可以知道其不大于1,因此不存在能量的放大,即沒有增益,這里稱為增益是由于設(shè)計了匹配網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致反射損耗減小,相對損耗而言是增益。第29頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六當晶體管的輸入、輸出阻抗分別和源以及負載呈共軛匹配的時候,源和負載匹配網(wǎng)絡(luò)均得到最大的單向增益。因此近似設(shè)計放大器的最大增益為:第30頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六放大器的共扼匹配設(shè)計流程(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穩(wěn)定(2)確定晶體管共扼匹配的輸入/輸出阻抗(3)設(shè)計輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)(4)S參數(shù)的仿真,查看噪聲系數(shù)和增益第31頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六五、設(shè)計實例采用AT-41511管子設(shè)計一個中心頻率為2GHz,帶寬100MHz的低噪聲放大器.(1)管子靜態(tài)工作點的確定:選擇FileNewDesign…進入下面的對話框在下面選擇BJT_curve_tracer,在上面給新建的Design命名,這里命名為BJTCurve點擊,打開元件庫,查詢ATF-41511元件第32頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六將元件按下圖加入,并對其進行仿真第33頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六從上面的伏安特性曲線,可以確定管子的工作電壓并對應(yīng)的設(shè)計直流偏置電路.第34頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(2)管子S參數(shù)掃描:(選擇一個工作電壓為2.7v,漏極電流為5mA的S參數(shù)管子模型)第35頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六可以看出管子在2GHz處處于絕對穩(wěn)定.第36頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六對應(yīng)的S參數(shù)為:第37頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六根據(jù)掃描的S參數(shù),利用Smith圓圖工具設(shè)計輸入,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)第38頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(2)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)第39頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(3)放大器器的特性第40頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六第41頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六第42頁,共45頁,2023年,2月20日,星期六(3)根

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