西安交大射頻專題實(shí)驗(yàn)

1、射頻專題實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：班級：學(xué)號：實(shí)驗(yàn)一 匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與仿真一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握阻抗匹配共軛匹配的原理；2、 學(xué)習(xí)并掌握L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法；3、 掌握并（串）聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器、四分之波長阻抗變換器匹配原理；4、 學(xué)習(xí)并掌握微帶單枝短截線線匹配電路的設(shè)計(jì)方法；5、 學(xué)會(huì)使用射頻電路仿真軟件ADS進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和仿真。二、 實(shí)驗(yàn)原理基本阻抗匹配理論當(dāng)RL=Rs 時(shí)可獲得最大輸出功率,此時(shí)為阻抗匹配狀態(tài)。無論負(fù)載電阻大于還是小于信號源內(nèi)阻,都不可能使負(fù)載獲得最大功率,且兩個(gè)電阻值偏差越大,輸出功率越小。阻抗匹配概念可以推廣到交流電路。,當(dāng)負(fù)載阻抗ZL與信號源阻抗Zs共軛時(shí),即ZL=Z*s

2、,能夠?qū)崿F(xiàn)功率的最大傳輸,稱作共軛匹配或廣義阻抗匹配。如果負(fù)載阻抗不滿足共軛匹配條件,就要在負(fù)載和信號源之間加一個(gè)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)N,將負(fù)載阻抗變換為信號源阻抗的共軛,實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、分立器件LC匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)：設(shè)計(jì)L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使Zs=（25-j*15）Ohm信號源與ZL=（100-j*25）Ohm的負(fù)載匹配，頻率為50MHz。2、微帶單枝短截線線匹配電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)：設(shè)計(jì)微帶單枝短截線匹配網(wǎng)絡(luò)，使Zs=（55-j*40）Ohm信號源與ZL=（30+j*50）Ohm的負(fù)載匹配，頻率為1.5GHz。四、練習(xí)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使Zs=（46-j*124）Ohm信

3、號源與ZL=20+j*100Ohm的負(fù)載匹配，頻率為2400MHz。思考：在一個(gè)傳輸系統(tǒng)中，反射系數(shù)越小越好，傳輸系數(shù)越大越好，這樣該系統(tǒng)的傳輸效率越高，系統(tǒng)性能越好。該仿真實(shí)驗(yàn)中，S參數(shù)的S11代表反射系數(shù)，S21代表傳輸系數(shù)。仿真結(jié)果如上圖，在中心頻率處及2.5GHz處，S21最大，S11最小，即此時(shí)反射最小，這是由于網(wǎng)絡(luò)得到很好的匹配，故而使得傳輸系數(shù)增大，反射系數(shù)減小，也就是系統(tǒng)的傳輸損失減小。所以中心頻率處系統(tǒng)的性能最好也就是傳輸效率最高。2、設(shè)計(jì)微帶單枝短截線線匹配電路，使MAX2660的輸出阻抗Zs=（126-j*459）Ohm與ZL=50Ohm的負(fù)載匹配，頻率為900MHz。微

4、帶線板材參數(shù)：相對介電常數(shù)：2.65 相對磁導(dǎo)率：1.0導(dǎo)電率：1.0e20 損耗角正切：1e-4基板厚度：1.5mm 導(dǎo)帶金屬厚度：0.01mm思考：S22為傳輸系數(shù)，S21是反射系數(shù)，由仿真結(jié)果圖可以得出，在中心頻率附近處，當(dāng)S22最大時(shí)，S21最小，故利用微帶單枝短截線，可以使阻抗匹配得到匹配，降低損耗。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)傳輸系數(shù)越大越好，反射系數(shù)越小越好，此時(shí)，系統(tǒng)傳輸中的損耗減小并且提高了性能，使得利用效率盡可能提高。實(shí)驗(yàn)中損耗系數(shù)不可能完全為零，因?yàn)榇嬖谝欢ǖ膶?shí)驗(yàn)誤差，有儀器本身的誤差還有一些人為操作引起的誤差。這讓我們想到實(shí)際中也是如此，損耗系數(shù)不能無盡小，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)性能幾乎接近完

5、美的時(shí)候，其設(shè)備代價(jià)也就增大了。五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與反思通過本次試驗(yàn)，我初步掌握了ADS軟件的使用方法，同時(shí)學(xué)會(huì)了如何設(shè)計(jì)L型匹配網(wǎng)絡(luò)，以及利用微帶單枝短截線設(shè)計(jì)匹配電路的原理及方法，另外，也能夠通過自己的分析得到什么樣的系統(tǒng)性能可以達(dá)到最優(yōu)。一方面了解到平時(shí)微波課程里面散射參數(shù)所對應(yīng)的物理意義，另一方面也充分了解到Smith圓在阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的重要作用，作為阻抗匹配的一種重要的方法，也相對應(yīng)用比較簡單，不用經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算即可得到阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。通過實(shí)驗(yàn)，可以在Smith圓圖上分析系統(tǒng)匹配情況，得到系統(tǒng)一些有效參數(shù)，在今后的學(xué)習(xí)中，要更加重視對Smith圓圖的學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)二 衰減器的設(shè)計(jì)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

6、、了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作原理2、掌握用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量待測元件的回波損耗和插入損耗的原理方法。 3、了解功率衰減器的原理及其應(yīng)用4、了解無源功率衰減器的基本設(shè)計(jì)方法5、了解PIN電子功率衰減器的原理及基本設(shè)計(jì)方法二、 實(shí)驗(yàn)原理功率衰減器是一種能量損耗性射頻/微波元件，元件內(nèi)部含有電阻性材料。 衰減器廣泛用于需要功率電平調(diào)整的各種場合。（1）衰減器的技術(shù)指標(biāo)：1.工作頻帶：衰減器的工作頻帶是指在給定頻率范圍內(nèi)使用衰減器,衰減量才能達(dá)到指標(biāo)值。由于射頻/微波結(jié)構(gòu)與頻率有關(guān),不同頻段的元器件,結(jié)構(gòu)不同,也不能通用。現(xiàn)代同軸結(jié)構(gòu)的衰減器使用的工作頻帶相當(dāng)寬,設(shè)計(jì)或使用中要加以注意。2.衰減量：衰減

7、量描述功率通過衰減器后功率的變小程度。衰減量的大小由構(gòu)成衰減器的材料和結(jié)構(gòu)確定。衰減量用分貝作單位,便于整機(jī)指標(biāo)計(jì)算。3.功率容量：衰減器是一種能量消耗元件,功率消耗后變成熱量?？梢韵胂?材料結(jié)構(gòu)確定后,衰減器的功率容量就確定了。如果讓衰減器承受的功率超過這個(gè)極限值,衰減器就會(huì)被燒毀。設(shè)計(jì)和使用時(shí),必須明確功率容量。4.回波損耗：回波損耗就是衰減器的駐波比,要求衰減器兩端的輸入輸出駐波比應(yīng)盡可能小。我們希望的衰減器是一個(gè)功率消耗元件,不能對兩端電路有影響,也就是說,與兩端電路都是匹配的。設(shè)計(jì)衰減器時(shí)要考慮這一因素。（2）衰減器的基本構(gòu)成構(gòu)成射頻/微波功率衰減器的基本材料是電阻性材料。通常的電阻

8、是衰減器的一種基本形式,由此形成的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)就是集總參數(shù)衰減器。通過一定的工藝把電阻材料放置到不同波段的射頻/微波電路結(jié)構(gòu)中就形成了相應(yīng)頻率的衰減器。如果是大功率衰減器,體積肯定要加大,關(guān)鍵就是散熱設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,在許多場合要用到快速調(diào)整衰減器。這種衰減器通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式,一是半導(dǎo)體小功率快調(diào)衰減器,如PIN管或FET單片集成衰減器；二是開關(guān)控制的電阻衰減網(wǎng)絡(luò),開關(guān)可以是電子開關(guān), 也可以是射頻繼電器。（3）衰減器的主要用途1.控制功率電平: 在微波超外差接收機(jī)中對本振輸出功率進(jìn)行控制,獲得最佳噪聲系數(shù)和變頻損耗,達(dá)到最佳接收效果。在微波接收機(jī)中,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制,改善動(dòng)態(tài)范

9、圍。2.去耦元件: 作為振蕩器與負(fù)載之間的去耦合元件。3.相對標(biāo)準(zhǔn): 作為比較功率電平的相對標(biāo)準(zhǔn)。4.用于雷達(dá)抗干擾中的跳變衰減器: 是一種衰減量能突變的可變衰減器,平時(shí)不引入衰減,遇到外界干擾時(shí),突然加大衰減。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）設(shè)計(jì)一個(gè)5dB T型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰減器。1.同阻式集總參數(shù)衰減器A=-5dB,由公式計(jì)算元件參數(shù):2.由上述計(jì)算結(jié)果畫出電路圖，利用ADS仿真衰減器特性。（2）設(shè)計(jì)一有源“T”型衰減器，具體指標(biāo)：工作頻帶：12GHz低衰減時(shí)頻帶內(nèi)的衰減小于1.1dB，1.4GHz處的衰減小于0.8dB高衰減時(shí)頻帶內(nèi)的衰減大于10dB，1.4GHz處的衰減大于12d

10、B 圖1.低衰減結(jié)果 圖2.高衰減結(jié)果四、 練習(xí)內(nèi)容練習(xí)：設(shè)計(jì)10dB 型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰減器。實(shí)驗(yàn)三 射頻功率分配/合成器設(shè)計(jì)、仿真與測試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解功率分配器的原理及基本設(shè)計(jì)方法2、掌握威爾金森功分器的結(jié)構(gòu)、工作原理及S參量3、了解利用ADS進(jìn)行電路優(yōu)化仿真的基本步驟及方法4、掌握利用ADS微帶線計(jì)算工具LinCalc計(jì)算、設(shè)計(jì)微帶線5、了解利用ADS在電路板級進(jìn)行電路仿真的方法與步驟。了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作原理二、 實(shí)驗(yàn)原理威爾金森功分器原理：圖1威爾金森功分器威爾金森功分器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其輸入線和輸出線的特性阻抗都是。對于功率平分的情況，輸入和輸出口間的

11、分支線特性阻抗=，線長為四分之一線上波長，在分支線末端跨接一個(gè)電阻R，其值為2。由微波理論可以證明，這種功分器當(dāng)2、3口接匹配負(fù)載時(shí)，1口的輸入無反射，反過來對2、3口也如此。由端口1輸入的功率被平分到端口2和3，且2、3端口間相互隔離。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)一微帶結(jié)構(gòu)的威爾金森功分器指標(biāo)要求：中心頻率：2.45GHz帶寬：60MHz頻帶內(nèi)輸入端口的回波損耗：S11-20dB，S22-20dB頻帶內(nèi)插入損耗：S21-3.1dB, S31-3.1dB隔離度：S32-25dB板材參數(shù)：H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相對介電常數(shù)(2.65)Mur:磁導(dǎo)率(1)， Cond:金屬電導(dǎo)率(5

12、.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)， T:金屬層厚度(0.035 mm)TanD:損耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm)原理圖和版圖仿真結(jié)果：仿真優(yōu)化：layout：2、功分器的測量 用PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀駐波圖像 各支路幅相特性 各支路隔離度測量 功分器參數(shù)測量記錄表 頻率0.80.91.01.11.21.31.41.5回?fù)p-21.89-28.66-40.11-28.78-24.76-22.11-22.10-22.89駐波1.1751.0071.0181.0741.1121.1551.6661.155支路1損耗-25.33-35.99-34.54-27.

13、00-24.67-23.88-23.77-24.89支路一相移-147.6-168.5172.9154.8133.9113.0100.985.0支路2損耗-3.89-3.45-3.40-3.30-3.29-3.20-3.19-3.03支路2相移-148.9-169.9170.9154.7120.9112.990.9985.00隔離度-25.45-33。7-34.78-27.00-24.99-23.99-23.65-23.11實(shí)驗(yàn)四 射頻微波濾波器的設(shè)計(jì)與仿真與測試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握低通原型濾波器的結(jié)構(gòu)2、掌握最平坦和等波紋型低通濾波器原型頻率響應(yīng)特性3、了解頻率變換法設(shè)計(jì)濾波器的原理及設(shè)計(jì)

14、步驟4、了解利用微帶線設(shè)計(jì)低通、帶通濾波器的原理方法5、掌握用ADS進(jìn)行微波濾波器優(yōu)化仿真的方法與步驟二、 實(shí)驗(yàn)原理1、濾波器的基本概念 如圖所示的雙端口網(wǎng)絡(luò), 設(shè)從一個(gè)端口輸入一具有均勻功率譜的信號,信號通過網(wǎng)絡(luò)后,在另一端口的負(fù)載上吸收的功率譜不再是均勻的,也就是說,網(wǎng)絡(luò)具有頻率選擇性,這便是一個(gè)濾波器。通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性： Pin和PL分別為輸出端接匹配負(fù)載時(shí)的濾波器輸入功率和負(fù)載吸收功率。 三種濾波器函數(shù)：2、濾波器的技術(shù)指標(biāo)：（1）工作頻率：濾波器的工作頻率范圍（2）插入損耗：由于濾波器的介入,在系統(tǒng)內(nèi)引入的損耗（3）帶內(nèi)紋波：插入損耗的波動(dòng)范圍（4）帶外抑制:規(guī)

15、定濾波器在什么頻率上會(huì)阻斷信號,是濾波器特性的矩形度的一種描述方式。也可用帶外滾降來描述,就是規(guī)定濾波器通帶外每多少頻率下降多少分貝。（5）承受功率：在大功率發(fā)射機(jī)末端使用的濾波器要按大功率設(shè)計(jì),元件體積要大,否則,會(huì)擊穿打火,發(fā)射功率急劇下降。3、濾波器設(shè)計(jì)的經(jīng)典方法：低通原型綜合法步驟：（1）、由衰減特性綜合出低通原型（2）、再進(jìn)行頻率變換，變換成所設(shè)計(jì)的濾波器類型（3）、計(jì)算濾波器電路元件值（4）、微波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電路元件，并用微波微波仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真。4、濾波器的低通原型：濾波器低通原型為電感電容網(wǎng)絡(luò), 其中元件數(shù)和元件值只與通帶結(jié)束頻率、 衰減和阻帶起始頻率、 衰減有關(guān)。設(shè)計(jì)中都采用

16、表格而不用繁雜的計(jì)算公式。 巴特沃士、 切比雪夫的低通原型電路結(jié)構(gòu)巴特沃士：已知帶邊衰減為3dB處的歸一化頻率c=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率s,則元件數(shù)n由下式給出,元件值由下表給出。切比雪夫：已知帶內(nèi)衰減與波紋指標(biāo)LAr、歸一化頻率c=1、截止衰減LAs和歸一化截止頻率s,則元件數(shù)n由下式給出,元件值由下表給出。 濾波器的四種頻率變換： 由低通原型濾波器經(jīng)過頻率變換,就可得到低通、 高通、帶通、帶阻四種實(shí)用濾波器。定義阻抗因子為： 三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)五 微帶天線設(shè)計(jì)、仿真、制作與測試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解描述天線性能的主要參數(shù)及天線類型2、了解微帶天線的輻射機(jī)理和設(shè)計(jì)方法3、掌握用A

17、DS進(jìn)行微帶天線優(yōu)化仿真的方法與步驟二、 實(shí)驗(yàn)原理微帶天線工作原理：微帶貼片可看作為寬a長b的一段微帶傳輸線，其終端（a邊）處因?yàn)槌尸F(xiàn)開路，將形成電壓波腹。一般取，為微帶線上波長。于是另一端（a邊）處也呈電壓波腹。沿兩條a邊的磁流是同向的，故其輻射場在貼片法線方向（z軸）同相相加，呈最大值，且隨偏離此方向的角度的增大而減小，形成邊射方向圖。沿每條b邊的磁流都由反對稱的兩部分構(gòu)成，它們在H面（yz平面）上各處的輻射相互抵消；而兩條b邊的磁流又彼此呈反對稱分布，因而在E面（xz平面）上各處，它們的場也都相消，在其它平面上這些磁流的輻射不會(huì)完全相消，但與沿兩條a邊的輻射相比，都相當(dāng)弱。矩形微帶天線的

18、輻射主要由沿兩條a邊的縫隙產(chǎn)生，該二邊稱為輻射邊。由于接地板的存在，天線主要向上半空間輻射。對上半空間而言，接地板的效應(yīng)近似等效于引入磁流 的正鏡像。由于 ，因此它只相當(dāng)于將 加倍，輻射圖形基本不變。 三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)3GHz微帶天線，基板參數(shù)為er=2.2，h=0.762mm，cond=4.1e7，T=0.03mm，并用/4阻抗變換器實(shí)現(xiàn)與50饋線的匹配。四、 作業(yè)內(nèi)容設(shè)計(jì)、制作一中心頻率為2.45GHz的微帶天線,天線采用50Ohm微帶線饋電，掃頻范圍：2.2GHz-2.7GHz。板材參數(shù)：H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相對介電常數(shù)(2.65)Mur:磁導(dǎo)率(1)， Cond

19、:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)， T:金屬層厚度(0.035 mm)TanD:損耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm)截圖： 通過這次實(shí)驗(yàn)我了解了微帶天線如何利用版圖生成，如何輸入坐標(biāo)以確定矩形的位置與大小，當(dāng)設(shè)計(jì)的阻抗匹配電路不符合要求時(shí)，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)；知道了矩形微帶天線的簡略的計(jì)算公式。通過自己動(dòng)手制作微帶天線，對微帶電磁場有了更清晰客觀的理解。自己設(shè)計(jì)出來的天線與目標(biāo)參數(shù)及仿真參數(shù)誤差較大，通過討論分析，重新布板最終取得了不錯(cuò)的效果。實(shí)驗(yàn)六 射頻放大器的設(shè)計(jì)、仿真與測試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解描述射頻放大器的主要性能參數(shù)及類型2、掌

20、握放大器偏置電路設(shè)計(jì)方法3、了解最小噪聲、最大增益放大器的基本設(shè)計(jì)方法4、掌握放大器輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)類型5、掌握用ADS進(jìn)行放大器仿真的方法與步驟。二、實(shí)驗(yàn)原理 低噪聲放大器（LNA）的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，減小噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)。 當(dāng)今，人們對各種無線通信工具的要求越來越高，如功率輻射要小、作用距離要遠(yuǎn)、覆蓋范圍要廣等，這對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求。系統(tǒng)的接收靈敏度： 一旦系統(tǒng)帶寬BW和信噪比S/N確定，對系統(tǒng)的靈敏度其決定作用的就只有NF了，多級級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)： 第一級放大器的噪聲在接收機(jī)中處于重要地位。所以，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對于整個(gè)接收系統(tǒng)很重要，是提高靈敏度的關(guān)鍵手段之一。LNA的主要性能指標(biāo)：1）噪聲系數(shù)2）噪聲溫度3）增益實(shí)際功率增益：資用功率增益:轉(zhuǎn)換功率增益：放大器的設(shè)計(jì)步驟總結(jié)如下：步驟一： 在頻率、增益、噪聲指標(biāo)條件下選擇器件