射頻實(shí)驗(yàn)報告

1、西安交通大學(xué)射頻專題實(shí)驗(yàn)報告 姓名：堯文斌 學(xué)號：2010052074 班級：信息03（一）匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與仿真 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.掌握阻抗匹配、共軛匹配的原理 2.掌握集總元件L型阻抗抗匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配機(jī)理 3.掌握并(串)聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器、/4阻抗變換器匹配機(jī)理 4.了解ADS軟件的主要功能特點(diǎn) 5.掌握Smith原圖的構(gòu)成及在阻抗匹配中的應(yīng)用 6.了解微帶線的基本結(jié)構(gòu) 基本阻抗匹配理論 信號源的輸出功率取決于Us、Rs和RL。在信號源給定的情況下，輸出功率取決于負(fù)載電阻與信號源內(nèi)阻之比k。當(dāng)RL=Rs時可獲得最大輸出功率，此時為阻抗匹配狀態(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

2、最大功率，且兩個電阻值偏差越大，輸出功率越小。 匹配包括：共軛匹配，阻抗匹配，并(串)聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器。 練習(xí) 1.設(shè)計L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使Zs=(46j×124) Ohm信號源與ZL=(20+j×100) Ohm的負(fù)載匹配，頻率為2400MHz. 仿真電路圖 2. 設(shè)計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 仿真電路圖 仿真

3、結(jié)果 思考題 1. 常用的微波/射頻EDA仿真軟件有哪些？ 2. ADS, Ansoft Designer，Ansoft HFSS，Microwave Office， CST MICROWAVE STUDIO 2.用ADS軟件進(jìn)行匹配電路設(shè)計和仿真的主要步驟有哪些？ 放置元件，連接電路圖，參數(shù)設(shè)定，計算仿真。 3. 給出兩種典型微波匹配網(wǎng)絡(luò)，并簡述其工作原理。 L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) 在RF理論中，微波電路和系統(tǒng)的設(shè)計（包括天線，雷達(dá)等），不管是無源電路還是有源電路，都必須考慮他們的阻抗匹配（impedance matching）問題。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是設(shè)計微波電路和系統(tǒng)時采用最多的電路

4、元件。其根本原因是微波電路傳輸?shù)氖请姶挪ǎ黄ヅ鋾饑?yán)重的反射，致使嚴(yán)重?fù)p耗。所以在設(shè)計時，設(shè)計一個好的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。 根據(jù)最大功率傳輸定理，要獲得信號源端到負(fù)載端的最大傳輸功率，需要滿足信號源阻抗與負(fù)載阻抗互為共軛的條件。此定理表現(xiàn)在高頻電路上，則是表示無反射波，即反射系數(shù)為0.值得注意的是，要得到最佳效率的能量傳輸并不需要負(fù)載匹配，此條件只是避免能量從負(fù)載端到信號

5、源端形成反射的必要條件。當(dāng)RL=Rs 時可獲得最大輸出功率,此時為阻抗匹配狀態(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,且兩個電阻值偏差越大,輸出功率越小. 阻抗匹配是無線電技術(shù)中常見的一種工作狀態(tài)，它反映了輸人電路與輸出電路之間的功率傳輸關(guān)系。當(dāng)電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配時，將獲得最大的功率傳輸。反之，當(dāng)電路阻抗失配時，不但得不到最大的功率傳輸，還可能對電路產(chǎn)生損害。阻抗匹配常見于各級放大電路之間、放大器與負(fù)載之間、測量儀器與被測電路之間、天線與接收機(jī)或發(fā)信機(jī)與天線之間，等等。 為了使信號和能量有效地傳輸，必須使電路工作在阻抗匹配狀態(tài)，即信號源或功率源的內(nèi)阻等于電路的輸人阻抗，

6、電路的輸出阻抗等于負(fù)載的阻抗。在一般的輸人、輸出電路中常含有電阻、電容和電感元件，由它們所組成的電路稱為電抗電路，其中只含有電阻的電路稱為純電阻電路。 L型匹配網(wǎng)絡(luò)通常不用于高頻電路中，以及如果在窄帶射頻中選用了L型匹配網(wǎng)絡(luò)，也應(yīng)該注意他的匹配禁區(qū)，在這個禁區(qū)中，無法在任意負(fù)載阻抗中和源阻抗之間實(shí)現(xiàn)預(yù)期的匹配，即應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)腖型匹配網(wǎng)絡(luò)以避開其匹配禁區(qū)。 4.畫出微帶線的結(jié)構(gòu)圖，若導(dǎo)帶寬度w、r增大，其特征阻抗Z0如何變化？ 減小5. 實(shí)驗(yàn)體會和建議通過本次實(shí)驗(yàn)，我初步掌握了ads軟件，了解了大概的功能，也知道了如何利用smith圓圖和單支短截線設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò) 實(shí)驗(yàn)二 衰減器的仿真設(shè)計 1、 練

7、習(xí)：設(shè)計10dB 型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰減器。 仿真電路： 仿真結(jié)果： 二、衰減器的測量AV36580A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (一)測失配負(fù)載在6002600MHz 的駐波比（S11、回?fù)p） S11 對數(shù)幅度 三、思考題 1、用矢網(wǎng)測元件的回波損耗時為什么要做開路、短路和匹配三項(xiàng)校正？ 待測元件特性=全體特性-測定系統(tǒng)特性 進(jìn)行開路、短路、匹配三次校正稱為solt法，在測量兩端口器件的反射測量時可以消除反射測量中三項(xiàng)系統(tǒng)誤差（方向性，源配性和反射跟蹤） 2、 畫出PIN的正、反向偏置等效電路 3、給出P33仿真結(jié)果的等效電路，并說明衰減原理 由rs和r構(gòu)成分壓器，由于二極管正向偏壓時的

8、阻抗隨偏執(zhí)電壓而變，可起自動衰減作用。 4、 舉例說明衰減器的應(yīng)用控制電平，去耦元件，用于雷達(dá)抗干擾中的控制衰減器。 5、 實(shí)驗(yàn)體會和建議。通過本次實(shí)驗(yàn)我知道了衰減器設(shè)計方法和理論仿真的步驟；用SOLT法測定二端口器件的參數(shù)，對二端口器件的回波損耗，隔離度，插損的物理意義有了更進(jìn)一步的了解。（三）威爾金森功分器的設(shè)計與仿真 一、設(shè)計指標(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 二、板材參數(shù)： H:基板

9、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(5.88E+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) 三、威爾金森功分器原理： 如下圖為威爾金森功分器的結(jié)構(gòu)圖，其輸入、輸出特性阻抗均為。若P2和P3所得功率平分，則在輸入口P1與輸出P2之間、輸入P1 與輸出P3之間的分支線上特性阻抗均為=，波長為四分之一其上波長。若在輸出P2和P3之間跨接阻值為2。當(dāng)P2與P3口接匹配負(fù)載時，P1無發(fā)射，且P1功率被平分至P2和P3，而且P

10、2與P3 口間隔離。 （3） 功分器原理圖仿真： S32>-25dB，沒有達(dá)到指標(biāo)要求，還需進(jìn)一步優(yōu)化。 （5） 版圖仿真結(jié)果： （6） 優(yōu)化仿真結(jié)果： 五、結(jié)果分析： 優(yōu)化之后結(jié)果達(dá)到指標(biāo)要求：S11<-20dB，S22<-20dB S21<-3.1dB，S32<-25dB。 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1.1751.0071.0181.0

11、741.1121.1551.6661.155支路1損耗-25.33-35.99-34.54-27.00-24.67-23.88-23.77-24.89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。7-34.78-27.00-24.99-23.99-23.65-23.11六、思考題 1.給出四種用ADS微帶線計算工具LinCalc可計算、設(shè)計的

12、微帶線 耦合微帶線，微帶濾波器，微帶定向耦合器，微帶開路電感。 2.微帶圓彎頭與最優(yōu)彎頭有什么區(qū)別？ 微帶線彎曲處存在電荷積聚效應(yīng)，相當(dāng)于彎曲處電容增大，引起傳輸特性的不連續(xù)性，圓彎頭是掃掠彎頭，可以減少不連續(xù)性的影響，但最優(yōu)彎頭是指具有最佳斜切率的直角彎曲45°外斜切彎頭。 3.威爾金森功分器中的電阻R理論取值是多大？起什么作用？ R=2Zc，起到使兩個輸進(jìn)端口相互隔離的作用。 4.比較電阻功分器與威爾金森功分器的特點(diǎn)。 電阻功分器 優(yōu)點(diǎn)：頻寬大，布線面積小，設(shè)計簡單 缺點(diǎn)：功率衰減較大 威爾金森功分器 優(yōu)點(diǎn)：隔離性好 缺點(diǎn)：頻寬較小，設(shè)計復(fù)雜。 5.實(shí)驗(yàn)體會和建議。 通過本次實(shí)驗(yàn)

13、我了解了功分器，尤其是威爾金森功分器的結(jié)構(gòu)，以及利用微帶線如何實(shí)現(xiàn)，從中知道微帶線的特性阻抗與線寬的關(guān)系以及1/4波長的阻抗變換作用。（四）微波射頻濾波器設(shè)計與仿真 一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.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)計濾波器的原理及設(shè)計步驟 4.了解利用微帶線設(shè)計低通、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。 二濾波器原理 1 濾波器的技術(shù)指標(biāo) 中心頻率 通帶最大衰減 阻帶最小衰減 通帶帶寬 插入損耗、群時延 帶內(nèi)紋波 回波損耗、駐波比 2. 濾波器的設(shè)計步驟 （1）由衰減特性綜合出低通原型 （2

14、）再進(jìn)行頻率變換，變換成所設(shè)計的濾波器類型 （3）計算濾波器電路元件值(集總元件) （4）微波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電路元件，并用微波仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真。 三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 作業(yè)1：對下面結(jié)構(gòu)的微帶枝節(jié)低通濾波器的兩種設(shè)計進(jìn)行原理圖和版圖仿真，并分析其特性。 版圖及仿真結(jié)果 作業(yè)2：設(shè)計一平行耦合線帶通濾波器，其設(shè)計指標(biāo)為：通帶2.42.5GHz，帶內(nèi)衰減小于2dB，起伏小于1dB，2.3GHz以下及2.7GHz以上衰減大于40dB，端口反射系數(shù)小于-20dB。 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(5.88E+7) Hu:

15、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) 原理圖及優(yōu)化結(jié)果 2、 版圖及仿真結(jié)果 基本達(dá)到設(shè)計要求。通帶2.42.5GHz，帶內(nèi)衰減小于2dB，起伏小于1dB，2.3GHz以下及2.7GHz以上衰減大于40dB，端口反射系數(shù)小于-20dB。 但由于優(yōu)化并不能達(dá)到最優(yōu)以及版圖與原理圖存在誤差，因此優(yōu)化結(jié)果并不非常理想。 濾波器的測量AV36580A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 支路1：3dB帶寬f1=2.238GHz，f2=2.295GHz，W=57MHz 支路2：3dB帶寬f1=2.435GHz，f2=2.4

16、87GHz，W=52MHz 思考題 1. 頻率變換法設(shè)計濾波器的準(zhǔn)則是什么？ 變換后在對應(yīng)頻率點(diǎn)上衰減量不變，須對應(yīng)的元件值在兩種頻率下的具有相同的阻抗，即： 2. 比較微波濾波器與集總元件L-C的特點(diǎn) 微波濾波器的實(shí)現(xiàn)方式有集總元件L-C型和傳輸線型,微波頻率下的集總元件濾波器會出現(xiàn)兩個問題：第一，集總元件如電感或電容僅有有限值可供選擇，且在微波頻率下會存在不可避免的寄生頻率效應(yīng)；第二，濾波器中各元件間的距離不可忽略。理查德變換可將集總元件變換成傳輸線段，而科洛達(dá)恒等關(guān)系可用傳輸線段分割濾波器各元件，因添加的傳輸線段并不影響濾波器響應(yīng)，所以這類設(shè)計稱為冗余濾波器綜合。 3.微波濾波器中的、C

17、是如何實(shí)現(xiàn)的？ 1、 Richard變換短截線實(shí)現(xiàn) L、C 2、 高、低阻抗線實(shí)現(xiàn)串聯(lián)L、并聯(lián)C，設(shè)計LPF 4.微波濾波器中的串聯(lián)元件通過什么變換可用并聯(lián)元件實(shí)現(xiàn)？ 利用Kuroda恒等式(變換)設(shè)計LPF 5.實(shí)驗(yàn)體會和建議。 通過這次實(shí)驗(yàn)我了解了低通原型濾波器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法；為了方便可以直接用濾波器設(shè)計向?qū)нM(jìn)行設(shè)計；知道了LC分立元件設(shè)計的濾波器與用微帶線設(shè)計的濾波器的各個特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)五 微帶天線設(shè)計、仿真、制作與測試 作業(yè)要求設(shè)計、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)，

18、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(5.88E+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) 微帶天線工作原理 微帶天線在一個薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電構(gòu)成的天線。微帶天線分2 種：貼片形狀是一細(xì)長帶條，則為微帶振子天線。貼片是一個面積單元時，則為微帶天線。如果把接地板刻出縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印制出微帶線時，縫隙饋電，則構(gòu)成微帶縫隙天線。微帶天

19、線的版圖尺寸 版圖仿真結(jié)果 天線實(shí)測結(jié)果 回波損耗： 駐波比： 輸入阻抗： 天線在2.45GHz處的接收峰值： 實(shí)驗(yàn)記錄： 思考題： 1、天線工作在中心頻率時其輸入阻抗有什么特點(diǎn)？ 其輸入阻抗是實(shí)數(shù)，即為純電阻 2、天線線極化和水平極化的概念及所設(shè)計的天線是哪種極化？ 線極化：電場矢量端點(diǎn)的軌跡是一條直線，該直線與坐標(biāo)軸的夾角不隨時間變化。 水平極化：電波的電場方向與地面平行稱之為水平極化。 所設(shè)計的天線為線極化 3、實(shí)驗(yàn)體會和建議通過這次實(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)計的阻抗匹配電路不符合要求時，如何優(yōu)化設(shè)計；知道了矩形微帶天線的簡略的計算公式

20、。實(shí)驗(yàn)六射頻放大器的設(shè)計與仿真一、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. 掌握放大器偏置電路設(shè)計方法 3. 了解最小噪聲、最大增益放大器的基本設(shè)計方法 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、基本理論常用的微波晶體管放大器有低噪聲放大器、寬帶放大器和功率放大器。目的是提高信號的功率和幅度。 低噪聲放大器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)。 功率放大器一般在系統(tǒng)的輸出級，為天線提供輻射信號。 三、低噪聲放大器設(shè)計的依據(jù)與步驟1、設(shè)計依據(jù)： 滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)：噪聲系數(shù)、功率增益、增益平坦度、工作頻帶、動態(tài)范圍等； 2、設(shè)計步驟： （1）依據(jù)具體要求選定放大器級數(shù)； （2）選擇所用的晶體管； （3）確定電路拓樸結(jié)構(gòu)； （4）電路具體結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計； （5）CAD