ADS課程設(shè)計(jì)移相器的設(shè)計(jì)

1、燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)題目：射頻控制電路移相器的設(shè)計(jì)學(xué)院（系）：理學(xué)院年級(jí)專業(yè)：10電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：教師職稱：講師 副教授院（系）： 理學(xué)院基層教學(xué)單位：10電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)號(hào)16學(xué)生姓名專業(yè)（班級(jí)）10-微波設(shè)計(jì)題目射頻控制電路移相器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)1 .設(shè)一個(gè)移相器2 .工作頻帶為 3-5 GHz,中心頻段為 4 GHz3 .采用并聯(lián)電容形式時(shí)，4GHz處兩端口間的相位差為101。4 .采用并聯(lián)電感形式時(shí)，4GHz處兩端口間的相位差為 78。設(shè) 計(jì) 要 求1 .熟練掌握ADS軟件及其使用方法2 .學(xué)會(huì)利用ADS軟件進(jìn)行電路仿真和模

2、擬3 .掌握移相器的基本原理工 作 量?jī)芍芄ぷ魅兆笥颐總€(gè)工作日六到八小時(shí)左右工 作 計(jì) 劃2013/12/17-2013/12/19實(shí)驗(yàn)選題2013/12/20-2013/12/24實(shí)驗(yàn)操作2013/12/25-2013/12/28實(shí)驗(yàn)論文2013/12/29 2013/12/30論文檢查和修飾參 考 資 料1徐興福.ADS2008射頻仿真電路設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社.20092徐興福.ADS2008射頻仿真電路設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社.20093陳艷華李朝暉夏瑋.ADS應(yīng)用詳解一一射頻電路設(shè)計(jì)與仿真 人民郵電出版社指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部

3、各一份。年 月 日燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)評(píng)審意見(jiàn)表指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ):成績(jī)：指導(dǎo)教師：年 月 日答辯小組評(píng)語(yǔ)：成績(jī)：評(píng)閱人：年 月 日課程設(shè)計(jì)總成績(jī)：答辯小組成員簽字：年 月 日燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書射頻控制電路移相器的設(shè)計(jì)摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)改進(jìn)的負(fù)載型移相器，這類移相器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具有更 小的開(kāi)關(guān)時(shí)間和較低的激勵(lì)功率，同時(shí)可以使回波損耗得到改善。關(guān)鍵字：ADS移相器；軟件設(shè)計(jì)；EDADesigned of RF Phase Control CircuitAbstract: Improved design of a load type phase shifter, the phase shifter of s

4、uch a simple design, with a smaller excitation switching time and lower power, while the return loss can be improved.Keywords: ADS;phase;software design;EDA一、引言移相器是能夠?qū)Σǖ南辔贿M(jìn)行調(diào)整的一種裝置。廣泛應(yīng)用于微波通信、 雷達(dá)和測(cè)量系統(tǒng)中，它是一種二端口網(wǎng)絡(luò)，用于提高輸出和輸入信號(hào)之間的 相位差，由控制信號(hào)（電流偏置）來(lái)控制。微波移相器是相陣控雷達(dá)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信設(shè)備中的核心組件，它 的工作它的工作頻帶、插入損耗直接影響著這些設(shè)備

5、的抗干擾能力和靈敏度, 以及系統(tǒng)的重量、體積和成本，因此寬帶、低插損的移相器在軍事上和民用 衛(wèi)星通信領(lǐng)域具有重要的意義。電控移相器有足夠的移相精度，移相穩(wěn)定性 高，不隨溫度、信號(hào)電平等變化；插入損耗小，端口駐波小，移相速度快， 所需控制功率小。二、原理移相器的分類比較復(fù)雜，不同種類的移相器的工作原理也有很大差別。移相器是一種用來(lái)校正傳輸相位的微博組件，它一般被分為數(shù)字移相器和模 擬移相器。數(shù)字移相器的相位移差值只能通過(guò)一些預(yù)定的離散值進(jìn)行改變； 而模擬移相器的相位差值可以通過(guò)相應(yīng)的控制信號(hào)的連續(xù)變化以連續(xù)方式改 變。數(shù)字移相器在相控陣天線系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。相位控制信號(hào)加到真 累的各個(gè)單元，

6、使得輻射波束受控于電子掃面方向。在微波頻段設(shè)計(jì)數(shù)字移 相器有兩種不同方法。第一種方法利用鐵氧化磁性材料的可開(kāi)關(guān)移相性能； 另一種方法主要是采用半導(dǎo)體活 MEM潴件。一般來(lái)說(shuō)，采用半導(dǎo)體活 MEMS 器件的移相器與鐵氧體移相器相比更緊湊，具有更小的開(kāi)關(guān)時(shí)間和較低的激 勵(lì)功率。采用半導(dǎo)體器件的移相器可以分為反射型移相器和傳輸型移相器。在反 射型移相器中，基本的設(shè)計(jì)單元是一端口網(wǎng)絡(luò)，且其反射信號(hào)相移由控制信 號(hào)產(chǎn)生變化。這種基本單端口移相器可用環(huán)流器，也可以用混合橋來(lái)變換成 兩端口原件。由于容易集成，混合電橋耦合的反射型移相器更為常用。至于第4頁(yè)共22頁(yè)燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書單端口反射型移相器的設(shè)計(jì)

7、，可以采用開(kāi)關(guān)長(zhǎng)度型和開(kāi)關(guān)電抗型設(shè)計(jì)。對(duì)于傳輸型半導(dǎo)體移相器，大致可以分為三類，即開(kāi)關(guān)線型移相器，負(fù)載線型移 相器和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)型移相器。下面我們將進(jìn)行一個(gè)改進(jìn)的負(fù)載線型移相器的設(shè)計(jì)。在電長(zhǎng)度為90。的傳輸線兩端并聯(lián)電納負(fù)載，可以使負(fù)載型移相器的回波損耗得到顯著改善。等效均勻線的長(zhǎng)度為 Be。設(shè)歸一化電納b=0.2,由電 磁理論可得-1心二 cos （一b）Ze= ；Z0 2 1b|11-b第11頁(yè)共22頁(yè)于是可得COS- = bon = 02eon= 101.5COS-offboff = 0.21offn= 78.46所以有LB50- .92 410 0.2=9.9nH- B0.2 八/C =9

8、= 0.159pF2丁 N 2二 4 10 50三、設(shè)計(jì)要求1 .工作頻帶為3-5 GHz,中心頻段為4 GHz2 .采用并聯(lián)電容形式時(shí),3 .采用并聯(lián)電感形式時(shí),4GHzft兩端口間白相位差為101 4GHzft兩端口間白相位差為78四、仿真過(guò)程1 .新建ADSCt程，新建原理圖，在“ TLines-Microstrip ”元器件面板列 表中選擇微帶線“ MLIN和MSUB添加到原理圖中。如圖1 MLIN TL2-SubsHMSubW.W=C _625 mmL=2.5 mmMSuOMSUBMSub2 HR.625 mmEr =9 6Cond=1.0E+50 .Hu=1 Qe+033 mmT=

9、0 mm TanD=O -Rough=0 mmj J2.雙擊“MSub按照?qǐng)D2修改“MSUB的參數(shù)。圖23.在工具欄菜單中調(diào)出【LineCale 對(duì)話框，計(jì)算微帶線的數(shù)據(jù)。如圖3圖3在左側(cè)【Substrate Parameters 中填入上一步中“ MSub的數(shù)據(jù)，注意單 位改為 mm Component Parameters】中 Freq 改為 4GHz Electrical 中 Z)=50 Ohm E_Eff=90 deg。設(shè)置完成后，單擊“ Syntheseze”按鈕。微帶線 的參數(shù)就被軟件計(jì)算出來(lái)，在Physical 中。W=0.600379mmL=7.398350mm 注意單位為mr

10、4.更改微帶線“ MLIN有關(guān)參數(shù)，在“ Simulation-S_Param ”元器件面 板列表里選擇S參數(shù)仿真控制器添加到原理圖中。在“ Lumped-Components 元器件面板列表里選擇兩個(gè)電容“ C”以及兩個(gè)電感“ L”添加到原理圖中。 用導(dǎo)線將各元器件鏈接起來(lái)，并且加入接地點(diǎn)。如圖4。從工具欄窗口中選擇“Var”控件，添加到原理圖中，并設(shè)置兩個(gè)參數(shù)“L”與C且L=9.9 , C=0.159S-PARAMETERSS_Param SP1Start=3 GHz- Slop-5 GH JSlep=78.399L=7 399 mm -燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書m2freq=4 000GHz

11、 dBiS(2,1)=-0.002圖9第13頁(yè)共22頁(yè)0 00-S。工(=0巴也P與05圖8五、誤差分析及更改S11參數(shù)如下，圖9關(guān)閉電感，電容通路的時(shí)候，仿真回波損耗mlfreq=3.760GH2 dB(S(1T1)=-82.358 m4 freq=4.000GHz dB(S(1.1)=-33.877燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書關(guān)閉電容，電感通路的時(shí)候，仿真回波損耗 S11參數(shù)如下，圖10mlfreq=4 244GHz dB(S(l1)=-84.995m4freq=4 000GHz1)尸田3 758(二)巴黑第29頁(yè)共22頁(yè)結(jié)論：可見(jiàn)兩種方式的仿真結(jié)果中心頻率都不在 4GHz#。參數(shù)計(jì)算都是 正確

12、的?？赡艿脑蚴擒浖姹镜牟煌?jì)算機(jī)計(jì)算的方式不同。調(diào)整：調(diào)整參數(shù)：更改微帶線 L=6.92 mm,如下圖11Termi Num=1 2=50 OhmIL1 - PSutostWSublW=0.600 mmL=6,&2 mm -:修TT1Term 2Mum=2-Z-5C- Otirn仿真結(jié)果如下，圖12mlfreq=4 000GHz dBS(1J)=-79 595-20-3040-50-7u-M-123 4353 84.04 2freq, GHz圖12由圖可看出：更改參數(shù)后根據(jù) S21參數(shù)來(lái)看，本移相器基本符合要求, 中心頻率為4GHz但是此參數(shù)下另外兩個(gè)參數(shù)的情況卻不太符合條件，如下 圖1

13、3m3freq =4 000GHz phase(S(2.i?)=-95 590m2freq=4 OOOGHz dB(S(2 1)尸4 76花田0.014度3 03.2 3j 3.B3.84 04.24 4freq. GHz圖13且，在此參數(shù)下，關(guān)閉電容的仿真結(jié)果如下圖 14mlfreq=4 000GHzciBiSr 11- 紅 /正4.850m4freq=4 52口GHz dB(S(1J)=-92.895I-I_-J-I-I-J-I-j-I-J-I-33.23,43 53$4,04.24,4freq, GFt圖14另外兩個(gè)參數(shù)如下圖15m2freq=4 000GHz1)尸。00713eq=4

14、000GHz gse(S(2.1)=-7Z473(二包/電a圖15由上圖可看到插入損耗與4GHz處的相位差不符合要求。至此，我們小組耗費(fèi)了大量時(shí)間與精力，嘗試了多種數(shù)據(jù)組合，找到了 比較符合要求的參數(shù)組合。1 .電感型移相器（關(guān)閉電谷）微帶線參數(shù) W=0.6 mm, L=8.33 mm, L=5 nH,此情況下不考慮電容 C的 參數(shù)。如下圖16XKTerm . lernnl Num=1 Z=50 OhmMUNTL1Subst=MSub10W=0.60 mmL=8.33 mm -ferin 7erm2 -Num=2 - Z=50 Ohm.L-5L .L1L=LnHR=C=0.159圖16在此參數(shù)

15、下關(guān)閉電容，仿真結(jié)果如下圖 17m3freq=4.00DGHz 兇日 5日90,1)=-78826freq, GHzm2freq=4.000GHz dB(SQJ)= 2 475E 7從圖17可以看到各項(xiàng)仿真結(jié)果已經(jīng)基本符合設(shè)計(jì)要求。2 .電谷型移相器（關(guān)閉電感）微帶線參數(shù) W=0.6 mm L=6.47 mm, C=0.318 pF,不考慮電感參數(shù)。如下 圖18圖18lean Term2 Num=2Z=50 Ohm此參數(shù)情況下的仿真結(jié)果如下圖19m3freq=4 000GHz:phd s%S 1）戶-101310(二m2freq-4.000GHz戶5 078E-757)四喝mlfreq=4 0

16、00GHzdB(S(1 321二L L)巴里圖19如圖所示，三個(gè)仿真結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。六.結(jié)論用軟件中的【LineCacl】計(jì)算出來(lái)的微帶線參數(shù)實(shí)際仿真結(jié)果出來(lái)后并不 符合設(shè)計(jì)要求，且相對(duì)應(yīng)的，電感與電容的參數(shù)也應(yīng)作更改。符合要求的參 數(shù)為：1 .電感型(關(guān)閉電容)移相器微帶線參數(shù) W=0.6 mm, L=8.33 mnrj且電感L=5 nH,此參數(shù)下的電感型移相 器仿真結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。2 .電容型(關(guān)閉電感)移相器微帶線參數(shù)為 W=0.6 mm L=6.47 mm,且電容C=0.318 pF,此參數(shù)下的電容 型移相器仿真結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。3 .在我們小組更改參數(shù)的時(shí)候微帶線參數(shù)

17、對(duì)結(jié)果的影響比電感、電容的影響大，且電容型移相器中微帶線 L參數(shù)與電容C參數(shù)，跟中心頻率成正相關(guān)， 跟phase(S(2,1)成負(fù)相關(guān)；電感型移相器中微帶線L參數(shù)與電感L參數(shù)，跟 中心頻率成負(fù)相關(guān)，跟phase(S(2,1)成正相關(guān)。7 .設(shè)計(jì)感想為期一個(gè)月的專業(yè)綜合訓(xùn)練終于落下帷幕， 一路走來(lái)磕磕碰碰，遇到了各 種困難，在摸索中緩慢爬行。由最初的遇到如此之大誤差后的不知所措到最 后慢慢開(kāi)始習(xí)慣，更改參數(shù)重新來(lái)。我學(xué)到了不少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)此次訓(xùn)練，我們真心體會(huì)到了理論與實(shí)踐的差別，以及實(shí)踐的重要性。 我們所有的設(shè)計(jì)都是通過(guò)軟件仿真出來(lái)的結(jié)果，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)，難免會(huì)有 誤差。通過(guò)此次訓(xùn)練，我深深體會(huì)到耐心與細(xì)心的重要性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于 軟件仿真不成功，吃了不少苦頭，原理圖一換再換，參數(shù)一改再改。上網(wǎng)查 找了許多資料，嘗試了多種參數(shù)組合。去圖書館借閱了些書籍，才整理出點(diǎn) 眉目。好不容易波形有些靠譜，卻總是相差那么一點(diǎn)點(diǎn)，每每?jī)?yōu)化后的圖形 都差強(qiáng)人意。日子如流水嘩啦啦流逝，可是我們的設(shè)計(jì)卻停滯不前，一再掙 扎，組后總算設(shè)計(jì)出符合要求的移相器。通過(guò)此次專業(yè)綜合訓(xùn)練我更加覺(jué)得團(tuán)隊(duì)合作的重要性，在我們的設(shè)計(jì)進(jìn)入 攻堅(jiān)階