射頻電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

前言與更早時(shí)期定位與波導(dǎo)與場論相比，現(xiàn)代微波工程中占支配地位的內(nèi)容是分布電路分析。當(dāng)今大多數(shù)微波工程師從事平面結(jié)構(gòu)元件和集成電路設(shè)計(jì)，無需直接求助于電磁場分析。當(dāng)今微波工程師所使用的基本工具是微波CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件和網(wǎng)絡(luò)分析儀，而微波技術(shù)的教學(xué)必須對此給出回應(yīng)，把重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)分析、平面電路和元器件以及有源電路設(shè)計(jì)方面。微波技術(shù)仍總離不開電磁學(xué)（許多較為復(fù)雜的CAD軟件包要使用嚴(yán)格的電磁場理論求解），而學(xué)生仍將從揭示事物的本質(zhì)中受益（諸如波導(dǎo)模式和通過小孔耦合），但是把重點(diǎn)改變到微波電路分析和設(shè)計(jì)上這一點(diǎn)是不容置疑的。微波與射頻（RF）技術(shù)已蔓延到了各個(gè)方面。在商業(yè)等領(lǐng)域，更是如此，其現(xiàn)代應(yīng)用包括蜂窩電話、個(gè)人通信系統(tǒng)、無線局域數(shù)據(jù)網(wǎng)、車載毫米波防撞雷達(dá)、用于廣播和電視的直播衛(wèi)星、全球定位系統(tǒng)（GPS）、射頻識別標(biāo)識（identificationtagging）、超寬頻帶無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)以及微波環(huán)境遙感系統(tǒng)。防衛(wèi)系統(tǒng)繼續(xù)大量地依靠微波技術(shù)用于無源和有源測向、通信以及武器操控系統(tǒng)。這樣的業(yè)務(wù)發(fā)展態(tài)勢意味著，在可預(yù)見的將來，在射頻和微波工程方面不存在缺少挑戰(zhàn)性的課題；同時(shí)對于工程師們，顯然需要領(lǐng)悟微波技術(shù)的基本原理，同樣需要把這些知識應(yīng)用于實(shí)際感興趣問題的創(chuàng)造能力。本射頻教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，就是為了使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)更多地獲得有關(guān)射頻系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作原理、模擬分析、測試儀器和測量技能方面的理性和感性認(rèn)識，真正掌握時(shí)域和頻域、傳輸線、電波傳播、天線、波導(dǎo)、射頻模塊、及射頻通信等基本的概念，并學(xué)會(huì)使用重要的射頻測試儀器。目錄實(shí)驗(yàn)一網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜儀的原理及其操作實(shí)驗(yàn)二射頻EDA軟件ADS的使用方法實(shí)驗(yàn)三射頻濾波器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四射頻功率分配器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五GSM可調(diào)增益放大器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)六CDMA頻段平衡式放大器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七射頻PLL鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)八射頻天線實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二射頻EDA軟件ADS的使用方法一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.簡單了解射頻EDA軟件的原理及構(gòu)成。2.初步掌握使用射頻電路仿真軟件ADS進(jìn)行基本射頻電路設(shè)計(jì)與仿真的方法。二實(shí)驗(yàn)原理1.ADS簡介ADS（軟件全稱為AdvancedDesignSystem）是美國安捷倫（Agilent）公司開發(fā)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件。ADS功能十分強(qiáng)大，包含時(shí)域電路仿真(SPICE-likeSimulation)、頻域電路仿真(HarmonicBalance、LinearAnalysis)、三維電磁仿真(EMSimulation)、通信系統(tǒng)仿真(CommunicationSystemSimulation)和數(shù)字信號處理仿真設(shè)計(jì)（DSP），支持射頻和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師開發(fā)所有類型的RF設(shè)計(jì)，從簡單到復(fù)雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國防的集成MMIC，是當(dāng)今國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件軟件。最新版本為ADS2006A。ADS軟件可以供電路設(shè)計(jì)者進(jìn)行模擬、射頻與微波等電路和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其提供的仿真分析方法可分為時(shí)域仿真、頻域仿真、系統(tǒng)仿真和電磁仿真四大類。ADS軟件包含的具體仿真分析方法如下：高頻SPICE分析和卷積分析（Convolution）線性分析諧波平衡分析(HarmonicBalance)電路包絡(luò)分析（CircuitEnvelope）射頻系統(tǒng)分析拖勒密分析（Ptolemy）電磁仿真分析(Momentum)隨著電路結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜和工作頻率的提高，在電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程中，EDA軟件已經(jīng)成為不可缺少的重要工具。EDA軟件所提供的仿真分析方法的速度、準(zhǔn)確與方便性便顯得十分重要，此外該軟件與其他EDA軟件以及測量儀器間的連接，也是現(xiàn)在的龐大設(shè)計(jì)流程所必須具備的功能之一。Agilent公司推出的ADS軟件以其強(qiáng)大的功能成為現(xiàn)今國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。2.ADS常用仿真控制器介紹為了增加仿真分析的方便性，ADS軟件提供了仿真模板功能，讓使用者可以將經(jīng)常重復(fù)使用的仿真設(shè)定制定成一個(gè)模板，直接使用，避免了重復(fù)設(shè)定所需的時(shí)間和步驟。仿真控制器就是模板的一種，其中S參數(shù)仿真控制器和諧波平衡仿真控制器是射頻電路仿真常用的兩個(gè)控制器。基于將要仿真的設(shè)計(jì)類型和想要分析的種類，給設(shè)計(jì)添加一個(gè)或多個(gè)仿真控制器。S參數(shù)仿真控制器S參數(shù)控制器用來確定一個(gè)n端口電子器件在給定頻率下的響應(yīng)信號波形。它是典型的小信號AC仿真通常被用來描述無源RF元件的特性及確定一個(gè)元件在特定偏壓和溫度下的小信號特性。

使用S參數(shù)控制器可以：

獲得器件或電路的散射參數(shù)（S參數(shù)）并且將該參數(shù)轉(zhuǎn)換為Y參數(shù)或Z參數(shù)

繪圖。如考慮其他改變的變量的掃頻S參數(shù)的變化

仿真群延遲

仿真線性噪聲

仿真頻率改變對小信號的影響

使用混頻器的電路的S參數(shù)S參數(shù)仿真通常在一個(gè)噪聲分析中只考慮電源頻率。如果你要考慮混頻器的上邊帶或下邊帶頻率可以使用EnableACFrequencyConversion選項(xiàng)。諧波平衡仿真控制器諧波平衡控制器很適合仿真模擬RF和微波電路。它是一種仿真非線性電路和系統(tǒng)失真的頻域分析方法。與高頻電路和系統(tǒng)仿真有關(guān)，諧波平衡提供下面的優(yōu)于時(shí)域瞬時(shí)分析的優(yōu)點(diǎn)：

它直接獲取穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)

許多線性模型在高頻可以很好地在頻域描述

頻率積分需要瞬時(shí)分析，這在很多實(shí)際應(yīng)用中是禁止的使用諧波平衡控制器可以：

確定電流或電壓的頻譜成分

計(jì)算參數(shù)，如：三階截取點(diǎn)、總諧波失真及交調(diào)失真分量

執(zhí)行電源放大器負(fù)載激勵(lì)回路分析

執(zhí)行非線性噪聲分析諧波平衡允許對電路進(jìn)行多頻聲仿真，可以展示包括諧波間頻率轉(zhuǎn)換的交調(diào)頻率轉(zhuǎn)換。這是一個(gè)迭代法。它假定對于一個(gè)給定的正弦激勵(lì)有一個(gè)可以被逼近到滿意精度的穩(wěn)態(tài)解。三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.ADS電路仿真基礎(chǔ)1.1概要本節(jié)包括ADS的基礎(chǔ)界面、ADS文件、原理圖、仿真和數(shù)據(jù)顯示等內(nèi)容。另外還有一個(gè)簡單的例子。1.2目標(biāo)建立一個(gè)新的項(xiàng)目和原理圖設(shè)計(jì)；設(shè)置并執(zhí)行S參數(shù)仿真；顯示模擬數(shù)據(jù)和儲存在模擬過程中調(diào)整電路參數(shù)使用例子文件和節(jié)點(diǎn)名稱1.3開始（1）運(yùn)行ADS很簡單，在開始菜單選擇圖標(biāo)，運(yùn)行后界面如下：（2）建立新項(xiàng)目在主窗口，點(diǎn)擊圖標(biāo)：ViewStartupDirectory。會(huì)顯示你所定缺省目錄的ADS項(xiàng)目文件夾。（一般安裝時(shí)缺省目錄是C:\user\default，你可以修改，但是注意不能用中文名稱或放到中文名稱的目錄中，因?yàn)槟菢釉诜抡鏁r(shí)會(huì)引起錯(cuò)誤）然后在主窗口，點(diǎn)擊圖標(biāo)：CreataNewProject會(huì)彈出如下對話框項(xiàng)目名稱為lab1。下面的下拉菜單主要是設(shè)定單位的，在微帶線布局時(shí)有用，我們選擇mil。c．點(diǎn)擊OK建立新項(xiàng)目，并且會(huì)出現(xiàn)原理圖窗口。（3）檢查你的新項(xiàng)目內(nèi)的文件看左邊的文件瀏覽窗口。目前顯示你在lab1項(xiàng)目內(nèi)。在主窗口，雙擊networks目錄,目前里面沒有原理圖文件。（4）建立一個(gè)低通濾波器設(shè)計(jì)在主窗口，點(diǎn)擊NewSchematicWindow圖標(biāo)，也可以使用剛才自動(dòng)打開的原理圖窗口。儲存原理圖。點(diǎn)擊圖標(biāo)，取名lpf?，F(xiàn)在network目錄中會(huì)出現(xiàn)lpf.dsn文件。在元件模型列表窗口中選擇Lumped－Components（集總參數(shù)元件）項(xiàng)。示意圖如下從該選項(xiàng)左邊面板中選擇電容capacitorC可以用Rotate圖標(biāo)旋轉(zhuǎn)，放好以后，再放入另一個(gè)電容。然后放入電感，地，用線把他們連起來。在元件模型列表窗口選擇Simulation－S_Param項(xiàng)，在該項(xiàng)面板中選擇S－parameter模擬控制器（象個(gè)齒輪）和端口Term放到圖上。用ESC結(jié)束命令。使用圖標(biāo)調(diào)整這些元件的參數(shù)如下圖所示：（5）設(shè)置S參數(shù)仿真雙擊齒輪打開配置窗口，把Step－size改成0.5GHz，選擇ok。在上面的窗口點(diǎn)擊display標(biāo)簽，會(huì)顯示所有可以顯示在原理圖中的項(xiàng)目。（6）開始仿真并顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)擊原理圖窗口上方的Simulate圖標(biāo)，開始模擬。然后就會(huì)彈出狀態(tài)窗口，顯示模擬的相關(guān)信息。模擬完成以后，如果沒有錯(cuò)誤，會(huì)自動(dòng)顯示數(shù)據(jù)顯示窗口，可以看到窗口左上方的名稱為lpf。上圖的NOTE說明，lpf右上角的*代表還沒有儲存。在這個(gè)窗口中可以以表格、圓圖或等式的形式顯示數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊RectangularPlot圖標(biāo)，把一個(gè)方框放到數(shù)據(jù)顯示窗口中去，會(huì)自動(dòng)彈出對話框，選擇要顯示的S（2，1）參數(shù)，點(diǎn)擊Add按鈕，選擇dB為單位，點(diǎn)擊Ok。然后就會(huì)顯示一個(gè)合理的低通濾波器響應(yīng)。點(diǎn)擊Marker>New，可以把一個(gè)三角標(biāo)志放在圖上，可以用鍵盤和鼠標(biāo)控制它的位置。（7）儲存數(shù)據(jù)窗口儲存的缺省名稱為lpf，擴(kuò)展名為.dds，該文件會(huì)儲存在項(xiàng)目文件夾的根目錄中，而數(shù)據(jù)文件，即所有的.ds文件和數(shù)據(jù)設(shè)定，會(huì)儲存在data子目錄中。關(guān)上上述窗口，再通過點(diǎn)擊原理圖窗口的DataDisplay圖標(biāo)再次打開這個(gè)lpf.dds文件。（8）調(diào)整濾波器電路點(diǎn)擊原理圖窗口中的ViewAll圖標(biāo)，會(huì)自動(dòng)調(diào)整原理圖的顯示。現(xiàn)在，在lpf原理圖配合Shift和Ctrl鍵選擇C1和L1。點(diǎn)擊Tune圖標(biāo)開始調(diào)節(jié)電路。調(diào)節(jié)的結(jié)果會(huì)即時(shí)顯示在數(shù)據(jù)顯示窗口中，在TraceHistory中設(shè)定記錄的軌跡數(shù)量，線上的三角標(biāo)志會(huì)自動(dòng)調(diào)整到最新的線上。改變調(diào)節(jié)的范圍：在調(diào)節(jié)控制對話框中點(diǎn)擊Details圖標(biāo)，可以打開詳細(xì)的選項(xiàng)控制面板可以設(shè)置調(diào)節(jié)范圍，調(diào)節(jié)步長等參數(shù)。調(diào)節(jié)過程中，點(diǎn)擊Update按鈕，更新原理圖中相應(yīng)元件的參數(shù)，也可以點(diǎn)擊Component按鈕，增加更多的調(diào)整參數(shù)。調(diào)整滿意以后，點(diǎn)擊Cancel按鈕，數(shù)據(jù)顯示窗口會(huì)留下最后一條線，然后可以保存。則部分教程只是為了練習(xí)操作。四結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容、系統(tǒng)簡圖；簡述ADS軟件的基本使用步驟，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)；S參數(shù)的意義及影響S參數(shù)的因素有哪些。實(shí)驗(yàn)三射頻濾波器實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握射頻低通、帶通濾波器的工作原理2．學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真3．學(xué)會(huì)使用AV3620矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試濾波器的幅頻特性二實(shí)驗(yàn)原理1低通濾波器集總元件低通原型濾波器是設(shè)計(jì)微波濾波器的基礎(chǔ)。一般低通原型濾波器的兩種可行結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，它是個(gè)LC梯型網(wǎng)絡(luò)，兩端各接純電阻負(fù)載，（a）與（b）兩電路互為對偶，即串聯(lián)電感與并聯(lián)電容存在對換關(guān)系。圖3-1低通原型濾波器的電路低通原型的頻率響應(yīng)通常有最平坦響應(yīng)和等波紋響應(yīng)兩種。最平坦型濾波器的衰減曲線中沒有任何波紋，所以稱為最大平滑濾波器，也稱巴特沃斯濾波器。其衰減函數(shù)為（3-1）其中歸一化頻率。等波紋型濾波器的頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)有規(guī)律性的起伏，且幅度相等，故稱為等波紋型，也稱為切比雪夫響應(yīng)。其衰減函數(shù)為（3-2）與巴特沃斯低通原型相比較，對于給定的通帶衰減和濾波器節(jié)數(shù)，切比雪夫低通原型的阻帶衰減斜率陡峭得多。2帶通濾波器發(fā)卡式濾波器是半波長耦合微帶濾波器的一種變形結(jié)構(gòu)，是把半波長耦合諧振器折合成“U”字形構(gòu)成的。發(fā)卡式濾波器是由若干個(gè)發(fā)卡式諧振器并排排列組合而成，這些諧振器之間主要是通過其邊緣區(qū)域的電磁場相互交叉耦合的。因此，這部分區(qū)域決定了發(fā)卡式濾波器之間的耦合特性和耦合強(qiáng)度。在每個(gè)諧振器兩臂的開放端，電場強(qiáng)度分布達(dá)到最大；而在其兩臂的中間部分，磁場強(qiáng)度分布達(dá)到最大。如圖3-2所示，根據(jù)諧振器間的相對位置，發(fā)卡式諧振器可以分為四種基本耦合結(jié)構(gòu)：電耦合、磁耦合、第一及第二類混合耦合。圖中，a為諧振器臂長，b為臂間距，w為線寬，s為兩諧振器間距，d為兩諧振器偏移距離。圖3-2微帶型發(fā)卡式諧振器的4類基本耦合結(jié)構(gòu)對于相同的微帶線結(jié)構(gòu)，如果兩個(gè)諧振器的s和d減小，其耦合性能必定增強(qiáng)。此外，諧振器之間的耦合強(qiáng)度可以通過耦合系數(shù)來進(jìn)行分析。耦合系數(shù)越大，耦合性能越強(qiáng)；反之則耦合性能越弱。發(fā)卡式諧振器信號源的輸入輸出方式可采用抽頭方式或縫隙耦合方式。發(fā)卡式諧振器的諧振頻率主要由以下參數(shù)確定：發(fā)卡臂長a、線寬w以及兩臂之間的距離b。通常取發(fā)卡諧振器的臂長約為，為微帶介質(zhì)中的帶內(nèi)波長，，為所設(shè)計(jì)的帶通濾波器的通帶中心頻率，，式中和為濾波器通帶所對應(yīng)的頻率點(diǎn)。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置圖本實(shí)驗(yàn)主要是通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測試RF帶通及低通濾波器的散射參數(shù)（S11、S12、S21、S22）來熟悉濾波器的性能。連接圖如下，將網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口接到濾波器的輸入端口，將濾波器的輸出端口接到網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口。實(shí)驗(yàn)中使用的低通集總濾波器模塊，為11階電容輸入式LC梯形網(wǎng)絡(luò)；微帶帶通濾波器模塊，為5節(jié)發(fā)卡式濾波器，信號源輸入輸出采用抽頭線方式，兩端接以50歐姆匹配負(fù)載。其PCB圖分別如下所示。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟學(xué)習(xí)使用ADS軟件設(shè)計(jì)濾波器的方法及步驟。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測量微波帶通和低通濾波器的散射參數(shù)。1.使用ADS設(shè)計(jì)濾波器1.1低通濾波器啟動(dòng)ADS進(jìn)入主窗口，點(diǎn)擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱及存儲路徑，點(diǎn)擊LengthUnit設(shè)置長度單位為毫米，工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口中顯示出該工程，同時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口打開。ADS的FilterDesignGuide可以快速準(zhǔn)確的生成各種濾波器，此處我們用它來設(shè)計(jì)集總低通濾波器。（1）．確定設(shè)計(jì)指標(biāo)切比雪夫型低通濾波器，截止頻率450MHz，帶內(nèi)衰減小于1dB,阻帶480MHz以上衰減大于20dB。（2）.運(yùn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)在原理圖窗口點(diǎn)擊命令DesignGuide->Filter,彈出Filter對話框，選擇FilterControlWindow并點(diǎn)擊OK，彈出新窗口FilterDesignGuide，在原理圖中放置Smart元件后它將被激活。選擇命令View->ComponentPalette-All或在工具欄中點(diǎn)擊ComponentPalette-All圖標(biāo)，原理圖左側(cè)就會(huì)出現(xiàn)Smart元件面板?；蛘咴谠韴D設(shè)計(jì)窗口中選擇濾波器設(shè)計(jì)指導(dǎo)工具欄也可以打開Smart元件面板。（3）．放置Smart元件并設(shè)計(jì)濾波器在原理圖左側(cè)的FilterDG工具欄中選擇Smart元件放置在原理圖中，此時(shí)FilterDesignGuide窗口被激活。點(diǎn)擊FilterAssistant標(biāo)簽，設(shè)定濾波器的詳細(xì)參數(shù)，包括通帶和阻帶頻率及衰減、濾波器類型、源及匹配負(fù)載阻抗等。設(shè)置好濾波器的響應(yīng)后，點(diǎn)擊Redraw觀察響應(yīng)曲線的變化，若達(dá)不到指標(biāo)要求，可適當(dāng)更改參數(shù)。響應(yīng)曲線達(dá)到指標(biāo)要求后，點(diǎn)擊Design按鈕，進(jìn)行濾波器的自動(dòng)設(shè)計(jì)。原理圖中的Smart元件已具有所要求的濾波器特性，而且濾波器具體電路已經(jīng)創(chuàng)建好了。點(diǎn)擊工具欄中的PushIntoHierarchy圖標(biāo)可以進(jìn)入DT元件來檢驗(yàn)電路，點(diǎn)擊PopOut跳回到上層電路。（4）．檢驗(yàn)濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果點(diǎn)擊FilterDesignGuide窗口中的SimulationAssistant標(biāo)簽，設(shè)置掃描頻率范圍，例如從200MHz到700MHz，步長為10MHz，然后點(diǎn)擊Simulate按鈕觀察結(jié)果，一個(gè)模板會(huì)運(yùn)行S參數(shù)仿真并顯示結(jié)果。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，比較理想響應(yīng)曲線與實(shí)際曲線的差異，移動(dòng)MarkerM1、M2可以讀取曲線任意點(diǎn)處的數(shù)值，移動(dòng)MarkerA、B會(huì)比較該段內(nèi)的輸入?yún)?shù)和仿真結(jié)果。由圖可以看出，電路參數(shù)滿足設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。1.2發(fā)卡式帶通濾波器啟動(dòng)ADS進(jìn)入主窗口，點(diǎn)擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱及存儲路徑，點(diǎn)擊LengthUnit設(shè)置長度單位為毫米，工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口中顯示出該工程，同時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口打開。確定設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶1.0~1.4Ghz，帶內(nèi)衰減小于3dB，起伏小于1dB，0.6Ghz以下及1.8Ghz以上衰減大于50dB,端口反射系數(shù)小于-25dB。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行仿真。S12（S21）是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全部表現(xiàn)在S12（S21）隨頻率變化曲線的形狀上。S11（S22）是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。生成濾波器原理圖在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇微帶電路的工具欄；在工具欄中點(diǎn)擊選擇耦合線、彎頭以及T型接頭并在右側(cè)的繪圖區(qū)放置；選擇微帶線、開路短線以及控件MSUB分別放置在繪圖區(qū)中；選擇畫線工具將電路連接起來，連接方式如下圖所示。圖中四個(gè)Mcfil表示濾波器的四個(gè)耦合線節(jié)，MLIN和MSOBND表示耦合線節(jié)之間的連接線。設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)雙擊原理圖中的控件MSUB設(shè)置微帶線參數(shù)。也可以點(diǎn)擊MSUB下面的文字直接進(jìn)行修改，但要注意數(shù)字與單位之間有一個(gè)空格。H：介質(zhì)基板厚度（1mm）Er：介質(zhì)基板相對介電常數(shù)（4.6）Mur：磁導(dǎo)率（1）Cond：金屬電導(dǎo)率（銅5.88E+7）Hu：封裝高度（1.0E+33mm）T：金屬層厚度（0.02mm）TanD：損耗角正切（0）Rough：表面粗糙度（0mm）計(jì)算引出線寬度濾波器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線，它的寬度W可由微帶線計(jì)算工具得到，具體方法是點(diǎn)擊菜單欄Tools->LineCalc->StartLineCalc，出現(xiàn)一個(gè)新的窗口：在窗口的SubstrateParameters欄中填入與MSUB中相同的微帶線參數(shù)在ComponentParameters欄中填入中心頻率（本例中為1.2GHz）Physical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長；Electrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲；點(diǎn)擊Synthesize和Analyze欄中的箭頭，可以進(jìn)行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算填入50Ohm和90deg可以換算出微帶線的線寬1.82mm和長度33.68mm（四分之一波長）。另外打開的一個(gè)窗口顯示當(dāng)前運(yùn)算狀態(tài)以及錯(cuò)誤信息。設(shè)置微帶器件的參數(shù)雙擊濾波器兩邊的引出線，分別將其寬與長設(shè)為1.82mm和2.5mm（其中線長只是暫定，以后制作版圖時(shí)還會(huì)修改）。因?yàn)榘l(fā)卡式濾波器的結(jié)構(gòu)是對稱的，所以四個(gè)耦合線節(jié)中，第1、4及2、3節(jié)微帶線長L、寬W和間距S的尺寸是相同的。耦合線的這些參數(shù)是濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要參數(shù)。雙擊每個(gè)耦合線節(jié)設(shè)置其參數(shù)，W、L、S分別設(shè)為相應(yīng)的數(shù)值，其中的W1與W2參數(shù)代表該器件左右相鄰兩側(cè)的微帶器件的線寬，它們用來確定器件間的位置關(guān)系。S參數(shù)仿真電路設(shè)置在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄；選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2，點(diǎn)擊圖標(biāo)，放置兩個(gè)地，并如圖所示連接好電路；選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據(jù)濾波器的指標(biāo)確定（要包含通帶和阻帶的頻率范圍）。觀察仿真曲線點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后會(huì)出現(xiàn)圖形顯示窗口。點(diǎn)擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的按鈕，放置一個(gè)方框到圖形窗口中，這時(shí)會(huì)彈出一個(gè)設(shè)置窗口，在窗口左側(cè)的列表里選擇S（1，1）即S11參數(shù)，點(diǎn)擊Add按鈕會(huì)彈出一個(gè)窗口設(shè)置單位（這里選擇dB），點(diǎn)擊兩次OK后，圖形窗口中顯示出S11隨頻率變化的曲線。用同樣的方法依次加入S22，S21，S12的曲線，由于濾波器的對稱結(jié)構(gòu)，S11與S22，以及S21與S12曲線是相同的。為了準(zhǔn)確讀出曲線上的值，可以添加Marker，方法是點(diǎn)擊菜單中的Marker->New，出現(xiàn)InsertMarker的窗口，接著點(diǎn)擊要添加Marker的曲線，曲線上出現(xiàn)一個(gè)倒三角標(biāo)志，點(diǎn)擊拖動(dòng)此標(biāo)志，可以看到曲線上各點(diǎn)的數(shù)值。電路參數(shù)調(diào)諧在原理圖中，用Shift或Ctrl鍵來同時(shí)選中需要調(diào)諧的元件，點(diǎn)擊命令Simulate->Tuning或工具欄上的TuneParameters按鈕，打開調(diào)諧器，同時(shí)仿真圖形顯示窗口和調(diào)諧參數(shù)窗口會(huì)一同彈出。還可以在原理圖中點(diǎn)擊需要調(diào)諧的元件，彈出一個(gè)可調(diào)諧參數(shù)的選擇窗口后勾選相應(yīng)的參數(shù)值加入到調(diào)諧參數(shù)窗口中，并設(shè)置其當(dāng)前值、調(diào)諧范圍及調(diào)諧步長。在調(diào)諧參數(shù)窗口的Simulate欄的下拉列表中選擇AfterEachChange，這樣每次改變元件的參數(shù)值后就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行S參數(shù)仿真了。點(diǎn)擊元件欄中的箭頭或者滑動(dòng)滑塊來改變元件的參數(shù)值，觀察仿真曲線窗口中S11（S22）和S21（S12）曲線的即時(shí)變化情況。調(diào)節(jié)過程中，點(diǎn)擊UpdateSchematic按鈕可以更新原理圖中的相應(yīng)參數(shù)。當(dāng)仿真曲線已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求時(shí)，關(guān)閉調(diào)節(jié)窗口，即可進(jìn)行版圖仿真。版圖的仿真版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，需要較長的時(shí)間，在此作為對原理圖設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。首先要由原理圖生成版圖。生成版圖前先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個(gè)Term以及接地去掉，去掉的方法是使用按鈕，把這些元件打上紅叉。然后點(diǎn)擊菜單中的Layout->Generate/UpdateLayout，彈出一個(gè)設(shè)置窗口，確保SharingComponent是P1（原理圖中的Port1），這樣從左到右電路版圖才能正確形成。點(diǎn)擊OK，出現(xiàn)一個(gè)對話框顯示版圖窗口中產(chǎn)生的元件數(shù)目，點(diǎn)擊OK，完成版圖的生成，這時(shí)會(huì)打開一個(gè)顯示版圖的窗口。版圖生成后要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)（即原理圖中MSUB里的參數(shù)），方法是點(diǎn)擊版圖窗口菜單中的Momentum->Substrate->UpdateFromSchematic從原理圖中獲得這些參數(shù)，點(diǎn)擊Momentum->Substrate->Create/Modify可以驗(yàn)證和修改這些參數(shù)。為了進(jìn)行S參數(shù)仿真還要在濾波器兩側(cè)添加兩個(gè)端口，方法是點(diǎn)擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點(diǎn)擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點(diǎn)擊加上兩個(gè)port，將版圖放大后可以看到兩個(gè)端口P1、P2。點(diǎn)擊Momentum->Simulation->S-parameters彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的SweepType選擇Adaptive，起止頻率設(shè)為與原理圖中相同，采樣點(diǎn)數(shù)限制取10（因?yàn)榉抡婧苈渣c(diǎn)數(shù)不要取的太多）。然后點(diǎn)擊Update按鈕，將設(shè)置填入左側(cè)列表中，點(diǎn)擊Simulate按鈕開始進(jìn)行仿真。仿真過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)狀態(tài)窗口顯示仿真進(jìn)程。仿真運(yùn)算要進(jìn)行數(shù)分鐘，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)曲線顯示窗口，觀察S11和S21曲線，性能有不同程度的惡化。如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真，此時(shí)要先使打上紅叉的部件恢復(fù)有效才能進(jìn)行優(yōu)化，之后重復(fù)前面所述的過程，直到版圖仿真的結(jié)果達(dá)到要求為止。其他參數(shù)在進(jìn)行原理圖仿真時(shí)，還可以看到濾波器的群時(shí)延以及輸入的電壓駐波比等參數(shù)。雙擊S參數(shù)控件，在其設(shè)置窗口的Parameters選項(xiàng)卡中勾上Groupdelay選項(xiàng)，就會(huì)在仿真時(shí)計(jì)算群時(shí)延。把左側(cè)工具欄設(shè)為，并把VSWR控件放置在原理圖中，即可計(jì)算輸入駐波比。要觀察這兩個(gè)參數(shù)的曲線，只需在仿真后出現(xiàn)的圖形顯示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲線即可。2.使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量濾波器步驟一調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)步驟二測量低通濾波器設(shè)置頻率范圍：起始頻率200MHz，終止頻率700MHz。設(shè)置源功率：將功率電平設(shè)置為-10dBm。按照裝置圖連接待測器件；將測量點(diǎn)數(shù)改為101。選擇正向傳輸測量，觀察S21即濾波器的正向插入損耗曲線，讀出其3dB和20dB衰減處的頻率值，即為通帶截止頻率和阻帶起始頻率；同時(shí)讀出通帶內(nèi)的最大衰減。選擇反向傳輸測量，觀察S12即反向插入損耗曲線，比較與S21曲線的關(guān)系。選擇測量S11和S22，觀察并比較濾波器輸入輸出端口的反射系數(shù)。步驟三測量帶通濾波器設(shè)置頻率范圍：起始頻率600MHz，終止頻率1800MHz。設(shè)置源功率：將功率電平設(shè)置為-10dBm。按照裝置圖連接待測器件；將測量點(diǎn)數(shù)改為101。選擇正向傳輸測量，觀察S21曲線，分別讀出其上下邊帶3dB和50dB衰減處的頻率值，相應(yīng)的差值即為通帶和阻帶的頻率范圍；同時(shí)讀出通帶內(nèi)的最大衰減及此時(shí)的頻率值，即為濾波器的中心頻率。選擇測量S11和S22，觀察并比較濾波器輸入輸出端口的反射系數(shù)。步驟四網(wǎng)絡(luò)分析儀自動(dòng)測量網(wǎng)絡(luò)分析儀能自動(dòng)計(jì)算并顯示帶寬、中心頻率、品質(zhì)因子和被測器件在中心頻率下的損耗。這些值在光標(biāo)數(shù)據(jù)讀出區(qū)中顯示。按【MakerSearch】［SEARCH:MAX］：將光標(biāo)放在濾波器通帶中心的旁邊。如果希望帶寬相對最大，按［MARKER:ZERO］。按【MarkerSearch】[WIDTHSON]：將計(jì)算中心頻率值、帶寬和測量軌跡上某個(gè)通帶或阻帶的品質(zhì)因子。若要改變通帶的幅度值（默認(rèn)為-3dB），按[WIDTHVALUE]然后從前面板鍵區(qū)輸入新值。五結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告1．熟悉低通、帶通濾波器的響應(yīng)曲線。2．理解S參數(shù)的物理意義，比較S21與S12、S11與S22曲線的關(guān)系。3．記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，思考如何獲得平坦的帶內(nèi)衰減及陡峭的過渡帶。實(shí)驗(yàn)四射頻功率分配器實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解射頻功率分配器電路的原理及設(shè)計(jì)方法。2、學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行射頻功率分配器電路的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、仿真。3、掌握射頻功率分配器的制作及調(diào)試方法。二實(shí)驗(yàn)原理1.功率分配器的工作原理在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要將信號源的功率分別饋送給若干個(gè)分支電路（負(fù)載），就是說，進(jìn)行功率分配，實(shí)現(xiàn)這種功能的射頻器件就稱為功率分配器。由于功率分配器一般為滿足互易定理的無源網(wǎng)絡(luò)，所以功率分配器與合成器是等價(jià)的。根據(jù)輸出功率的比例，微波功率分配器有等分功率與不等分功率兩類。當(dāng)一個(gè)微波功率平均分成n路時(shí)，稱為n路等分功率分配器，反之，稱為n路不等分功率分配器。微波功率分配器在微波天線的饋線中和微波儀表中都得到了應(yīng)用。大功率微波功率分配器采用同軸線結(jié)構(gòu)，中小功率微波功率分配器采用帶狀線或微帶線結(jié)構(gòu)。功率分配器的具體結(jié)構(gòu)型式很多，最常用的是采用阻抗變換段的功率分配器，一般來說功率分配器都是相等的，圖4-1所示的是兩路微帶功率分配器的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)分支臂長都為，是完全對稱的結(jié)構(gòu)，對稱性保證輸入功率將平均分配于兩個(gè)輸出端，得到同相同模的輸出。兩分支臂之間接有隔離電阻R，是為了保證兩個(gè)輸出端口的隔離。當(dāng)兩個(gè)輸出端口均為良好匹配時(shí)，對稱性保證各個(gè)傳輸支路是同電位的，故無電流通過隔離電阻，隔離電阻上無功率損耗。但當(dāng)其中一輸出端失配，致使有反射波折回，則此反射功率將分拆開：一部分經(jīng)過隔離電阻到達(dá)另一輸出端；另一部分沿自己圖4-1兩路微帶功率分配器的結(jié)構(gòu)原理圖支路反射回輸入端，然后又反射回來，沿另一支路到達(dá)另一輸出端。如果隔離電阻尺寸很小而可視為集總元件時(shí)，則它的電長度可近似地認(rèn)為是零。由于各支路的長度為，電長度在中心頻率時(shí)為，因而往返二次的電長度是。因此到達(dá)另一輸出端的兩部分信號是反相的。可以證明，只要適當(dāng)選擇隔離電阻和支線的特征阻抗值，就可以使這兩部分信號幅度相等，因而彼此相消。這就是利用隔離電阻R達(dá)到各分支端口之間的隔離的原理。經(jīng)過對電路的分析計(jì)算，可以得到隔離電阻R和支線特征阻抗分別應(yīng)該為和其中為輸入端微帶傳輸線的特征阻抗，一般都為50。2.功率分配器的技術(shù)參數(shù)工作頻帶：工作頻帶就是功率分配器能夠正常工作的頻率范圍。插入損耗：在理想情況下，功率分配器不應(yīng)該引入任何功率損耗。然而實(shí)際中功率分配器都會(huì)有某種程度的功率損耗，插入損耗定量的描述了工作頻帶內(nèi)功率損耗的大小。如果是兩路功率分配器，設(shè)輸入功率為，每一端口輸出功率假設(shè)都相等為，則插入損耗。在實(shí)際測量中，常常用S參數(shù)來表征功率分配器的技術(shù)參數(shù)。插入損耗。各端口幅度偏差：理想情況下，兩端口輸出幅度應(yīng)該完全相同，但實(shí)際中兩端口輸出幅度都會(huì)存在某種程度的差異，就用幅度偏差來定量描述。設(shè)端口一輸出功率幅度為，端口二輸出功率幅度為，則幅度偏差。各端口隔離度：理想情況下，兩端口應(yīng)該是完全隔離的，即一端口的功率不會(huì)進(jìn)入到二端口，實(shí)際情況下總會(huì)存在某種程度的功率泄漏。隔離度就是描述端口隔離程度的參量。測量時(shí)，使輸入端口接匹配負(fù)載，從一端口輸入一信號，測量此時(shí)二端口的輸出功率，隔離度=。用S參量來表征，隔離度=。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置圖本實(shí)驗(yàn)主要是通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測試功率分配器的散射參數(shù)（、、、等）來得到其傳輸頻率響應(yīng)特性和插入損耗、各端口幅度偏差、端口隔離度等技術(shù)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置連接圖如圖4-2所示，功率分配器的輸入端口1接網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口，功率分配器的一個(gè)輸出端口2接網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口，功率分配器的另一個(gè)輸出端口3接匹配負(fù)載。圖4-2實(shí)驗(yàn)裝置連接圖實(shí)驗(yàn)時(shí)測量的對象是一個(gè)兩路微帶功率分配器，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。功率分配器的輸入/輸出阻抗為50Ω，兩個(gè)分支臂長都為，阻抗為，兩臂是完全對稱的結(jié)構(gòu)，隔離電阻。功率分配器的PCB圖如圖4-3所示，其中由端口1輸入的信號在端口2和端口3在等分輸出。圖4-3功率分配器模塊的PCB圖四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟使用ADS設(shè)計(jì)一個(gè)射頻功率分配器，指標(biāo)如下：工作頻率：935MHz端口反射系數(shù)：＜-15dB端口隔離度：＜-25dB傳輸損耗：＜-5dB端口幅度不平衡度：＜-0.3dB端口相位不平衡度：＜1°利用網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測量功率分配器的傳輸頻率響度特性。根據(jù)測量所得的數(shù)據(jù)計(jì)算出功率分配器的插入損耗、各端口幅度偏差、各端口隔離度等技術(shù)參數(shù)。1.射頻功率分配器的ADS設(shè)計(jì)我們以圖4-1所示的兩路微帶功率分配器為例來介紹一下在ADS軟件中如何設(shè)計(jì)功率分配器。圖4-1所示的是一個(gè)等功率分配器，它由兩段不同特性阻抗的微帶線組成，兩臂是對稱的。具體步驟如下：⑴啟動(dòng)ADS軟件，創(chuàng)建一個(gè)新的工程文件。雙擊桌面上的ADS應(yīng)用程序圖標(biāo)啟動(dòng)ADS軟件，在界面中點(diǎn)擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱（本例中為divider）及存儲路徑，點(diǎn)擊LengthUnit設(shè)置長度單位為毫米。同時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口打開，如圖4-4所示。圖4-4ADS中原理圖設(shè)計(jì)窗口⑵生成功率分配器的原理圖。在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇微帶電路的工具欄，在該工具欄上選擇微帶線、、和以及控件MSUB分別放在繪圖區(qū)，并用畫線工具連接成如圖4-5所示的形式。圖4-5功率分配器的原理圖⑶設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)。主要包括控件MSUB的參數(shù)設(shè)置、微帶線的尺寸等參數(shù)的設(shè)置?？丶﨧SUB的參數(shù)是根據(jù)所用的PCB板的材料性質(zhì)來確定的，雙擊原理圖中的MSUB圖標(biāo)就可以對其進(jìn)行修改，設(shè)置好的控件MSUB如右圖所示。其主要參數(shù)及其含義為：H:基板厚度(1mm)；Er:基板相對介電常數(shù)(4.5)；Mur:磁導(dǎo)率(1)；Cond:金屬電導(dǎo)率(1.0E+50)；Hu:封裝高度(1.0e+33mm)；T:金屬層厚度(0.02mm)；TanD:損耗角正切(0)；Roungh:表面粗糙度(0mm)。微帶線的尺寸可以通過ADS所帶的微帶線計(jì)算工具來得到，只要在微帶線計(jì)算工具中設(shè)置好工作的中心頻率和特性阻抗就可以計(jì)算出各段微帶線的長度和寬度。點(diǎn)擊Tools->LineCalc/StartLineCalc打開微帶線計(jì)算工具。功率分配器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線，它的寬度W可由微帶線計(jì)算工具得到。填入50Ohm、中心頻率935MHz就可以算出微帶線的線寬1.85mm，同樣，填入70.7Ohm和90deg可以算出微帶線的線寬0.96mm和長度44.86mm(四分之一波長)，微帶線計(jì)算工具如圖4-6所示。圖4-6微帶線計(jì)算工具⑷S參數(shù)仿真電路設(shè)置。在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄，將Term放置在功率分配器的三個(gè)端口上，用來定義端口1、2、3，并放置三個(gè)地與Term連接好。將S參數(shù)仿真控件SP放置在原理圖中，并設(shè)置好掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據(jù)功率分配器的指標(biāo)確定。在本例中掃描頻率起始頻率為500MHz，終止頻率1.5GHz,步長為10MHz。⑸S參數(shù)仿真。設(shè)置完仿真參數(shù)后最好先把原理圖存儲一下，然后就可以進(jìn)行S參數(shù)仿真了。點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行S參數(shù)仿真，觀察仿真曲線可以發(fā)現(xiàn)與我們的設(shè)計(jì)要求相差很大。因此，就要用到ADS所具有的強(qiáng)大的電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，下面幾步就是進(jìn)行優(yōu)化的過程。⑹單擊工具欄上的VAR圖標(biāo)把變量控件VAR放置在原理圖上，并依次添加W、L參數(shù)。中間微帶線的長度大約為四分之一波長(根據(jù)中心頻率用微帶線計(jì)算工具算出)，各個(gè)線寬的初始值可以用微帶線計(jì)算工具算出，微帶線的寬度最窄只能取0.2mm(最好取0.5mm以上)。在本例中變量有輸入/輸出微帶線線寬W1、W2、兩臂的線長L1。變量的初始值為微帶線計(jì)算工具計(jì)算出的值，最小值為0.2mm，最大值應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。⑺參數(shù)優(yōu)化電路設(shè)置。首先在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇優(yōu)化工具欄，放置優(yōu)化控件Optim并設(shè)置好優(yōu)化方法和優(yōu)化次數(shù)。常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī))、Gradient(梯度)等。隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。在本例中選擇優(yōu)化方法為Random(隨機(jī))，優(yōu)化次數(shù)為100。然后在原理圖中放置優(yōu)化目標(biāo)控件Goal，優(yōu)化目標(biāo)控件用來設(shè)置我們需要得到優(yōu)化目標(biāo),在本例中我們總共設(shè)置了四個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。由于電路的對稱性，S31和S33不用設(shè)置優(yōu)化。S11和S22分別用來設(shè)定輸入輸出端口的反射系數(shù)，S21用來設(shè)定功率分配器通帶內(nèi)的衰減情況，S23用來設(shè)定兩個(gè)輸出端口的隔離度。為了滿足設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求，將帶內(nèi)各端口反射系數(shù)S11和S22的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為小于-20dB，兩輸出端口隔離度S23的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為小于-25dB，傳輸損耗S21的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為小于5dB，經(jīng)過步驟⑷、⑸和⑹后的電路原理圖如圖4-7所示。圖4-7設(shè)置好仿真、優(yōu)化參數(shù)的最終原理圖⑻進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后最好先把原理圖存儲一下，然后就可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化了。點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，在一次優(yōu)化完成后，要點(diǎn)擊原理圖窗口菜單中的Simulate->UpdateOptimizationValues保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當(dāng)前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。⑼觀察仿真曲線。優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。方法是點(diǎn)擊原理圖工具欄中的按鈕，然后點(diǎn)擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經(jīng)被關(guān)掉。將優(yōu)化控件關(guān)閉后重新仿真一次，仿真結(jié)束后會(huì)出現(xiàn)圖形顯示窗口，如圖4-8所示。圖4-8圖形顯示窗口點(diǎn)擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的按鈕，放置一個(gè)方框到圖形窗口中，這時(shí)會(huì)彈出一個(gè)設(shè)置窗口，在窗口左側(cè)的列表里選擇S(1,1)即S11參數(shù)，點(diǎn)擊Add按鈕會(huì)彈出一個(gè)窗口設(shè)置單位(這里選擇dB)，點(diǎn)擊兩次OK后，圖形窗口中顯示出S11隨頻率變化的曲線。用同樣的方法依次加入S22，S21，S23的曲線。為了準(zhǔn)確讀出曲線上的值，可以添加Marker，方法是點(diǎn)擊菜單中的Marker->New，出現(xiàn)InstertMarker的窗口，接著點(diǎn)擊要添加Marker的曲線，曲線上出現(xiàn)一個(gè)倒三角標(biāo)志，點(diǎn)擊拖動(dòng)此標(biāo)志，可以看到曲線上各點(diǎn)的數(shù)值。圖4-9是原理圖仿真后的曲線圖。圖4-9原理圖仿真后的曲線圖觀察S參數(shù)曲線是否滿足指標(biāo)要求，如果已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，就可以進(jìn)行版圖的仿真了。如果沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求，就要重新設(shè)定優(yōu)化變量或優(yōu)化范圍進(jìn)行重新優(yōu)化，只到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)為止。⑽生成版圖。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計(jì)算，生成版圖前先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個(gè)Term以及接地去掉，不讓他們出現(xiàn)在生成的原理圖中，去掉的方法與前面關(guān)掉優(yōu)化控件的相同。點(diǎn)擊菜單中的Layout->Generate/UpdateLayout，彈出一個(gè)設(shè)置窗口，直接點(diǎn)OK，又出現(xiàn)一個(gè)窗口，再點(diǎn)OK，完成版圖的生成，這時(shí)會(huì)打開一個(gè)顯示版圖的窗口，里面有剛生成的版圖，如圖4-10所示。圖4-10生成的功率分配器的版圖然后在版圖上加上100Ω的薄膜電阻，版圖生成后要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)（即原理圖中MSUB里的參數(shù)），方法是點(diǎn)擊版圖窗口菜單中的Momentum->Substrate->UpdateFromSchematic從原理圖中獲得這些參數(shù)，點(diǎn)擊Momentum->Substrate->Create/Modify可以修改這些參數(shù)。為了進(jìn)行S參數(shù)仿真還要在功率分配器兩端添加三個(gè)端口，方法是點(diǎn)擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，分別設(shè)置為P1、P2、P3，點(diǎn)擊OK關(guān)閉該窗口。⑾進(jìn)行版圖仿真。點(diǎn)擊Momentum->Simulation->S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的SweepType選擇Adaptive，起止頻率設(shè)為與原理圖中相同，采樣點(diǎn)數(shù)限制取10(因?yàn)榉抡婧苈?，所以點(diǎn)數(shù)不要取得太多)。然后點(diǎn)擊Update按鈕，將設(shè)置填入左側(cè)列表中，點(diǎn)擊Simulate按鈕開始進(jìn)行仿真。仿真設(shè)置窗口如圖4-11所示。仿真運(yùn)算要進(jìn)行數(shù)分鐘，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)曲線顯示窗口，觀察S11和S21曲線，性能有不同程度的惡化。圖4-11版圖仿真設(shè)置窗口版圖仿真后的曲線圖如圖4-12所示。如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真，可以改變優(yōu)化變量的初值，也可根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化。圖4-12版圖仿真后的曲線圖⑿電路版圖繪制。仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件繪制電路版圖，所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路，下層整個(gè)作為接地。在繪制版圖時(shí)受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01mm即可，線寬和線間縫隙要大于0.2mm?？紤]到加工電路板時(shí)的側(cè)向腐蝕問題，微帶線的寬度和長度要適當(dāng)增加。版圖的大小要符合規(guī)定尺寸，功率分配器的兩個(gè)輸出端口的間距要符合規(guī)定值。2.功率分配器的測試?yán)檬噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620對功率分配器模塊進(jìn)行測試主要是測試其傳輸頻率響應(yīng)，及利用測得的數(shù)據(jù)計(jì)算出其各端口之間的插入損耗、幅度偏差、隔離度等技術(shù)參數(shù)。步驟一調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)校準(zhǔn)后的誤差標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)事前存儲在網(wǎng)絡(luò)分析儀中，只要調(diào)用一下即可。步驟二選擇測量參數(shù)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描頻率范圍為800MHz-1GHz，將功率電平設(shè)置為-10dBm。步驟三連接待測件進(jìn)行測量首先按照實(shí)驗(yàn)裝置連接圖4-11將功率分配器模塊與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接好，功率分配器的輸入端口1接網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口，功率分配器的一個(gè)輸出端口2接網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口，功率分配器的另一個(gè)輸出端口3接匹配負(fù)載。測量設(shè)置選擇為測量功率分配器模塊的參數(shù)的幅度的對數(shù)值和相位值，記下其曲線。在935MHz上記下幅值和相位，則插入損耗。然后將功率分配器的另輸出一端口2接匹配負(fù)載，輸出端口3接網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2。測量另一支路的參數(shù)，記下其曲線。同樣在935MHz上記下幅度的對數(shù)值和相位值，則另一支路的插入損耗。比較兩次記錄的的幅度值和相位值，并將兩者作差就可得出兩端口的幅度偏差和相位偏差。最后將功率分配器的端口1接匹配負(fù)載，功率分配器的端口2和端口3分別接網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1和端口2。測量此時(shí)的參數(shù)，記下其曲線。同樣在935MHz上記下幅值，則隔離度。步驟四進(jìn)行參數(shù)計(jì)算通過測量所得的數(shù)據(jù)計(jì)算出各端口之間的插入損耗、幅度偏差、隔離度等技術(shù)參數(shù)，計(jì)算公式在上面的步驟中已經(jīng)介紹過。五結(jié)果分析與實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.通過測量所得的數(shù)據(jù)計(jì)算出各端口之間的插入損耗、幅度偏差、隔離度等技術(shù)參數(shù)。2.比較兩個(gè)支路的傳輸頻響特性，說明不一致性產(chǎn)生的原因。3.分析功率分配器版圖仿真出來結(jié)果與原理圖仿真出來的結(jié)果的不同之處，并找出其產(chǎn)生的原因。4.分析功率分配器測試結(jié)果與用ADS仿真出來的結(jié)果不同之處，并分析其產(chǎn)生的原因。實(shí)驗(yàn)五GSM可調(diào)增益放大器實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馍漕l放大器的基本原理和主要技術(shù)參數(shù)掌握用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試放大器的方法學(xué)會(huì)使用微波仿真軟件對射頻放大器的設(shè)計(jì)和仿真，并分析結(jié)果二實(shí)驗(yàn)原理1.射頻放大器的基本概念射頻放大器是將信號放大到一定電平的器件，是射頻通信電路中最常用的器件。射頻放大器與常規(guī)低頻電路的設(shè)計(jì)方法完全不同，它需要考慮一些特殊的因素。尤其是入射電壓波和入射電流都必須與有源器件良好匹配，以便降低電壓駐波比、避免寄生振蕩。這樣才能使電路中的有源器件發(fā)揮出它的最佳性能。射頻放大器以射頻晶體放大管為核心，一般包括輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、直流偏置網(wǎng)絡(luò)。常規(guī)放大器系統(tǒng)如下。圖5-1常規(guī)放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似于低頻模擬放大器中用的晶體管，射頻晶體放大管一般也是以三極管和場效應(yīng)管為主，不過為了能夠在射頻頻段工作，必須在結(jié)構(gòu)和材料上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)在高頻段也能使用，最常用的是雙極三極管和砷化鎵場效應(yīng)管。要實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸和最小的反射，必須使負(fù)載阻抗和源阻抗相匹配。實(shí)現(xiàn)上述匹配的通常做法是在源和負(fù)載之間再插入一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)，這種無源網(wǎng)絡(luò)通常就被視為匹配網(wǎng)絡(luò)。然而它們的功能并不僅限于為實(shí)現(xiàn)理想功率傳輸而在源和負(fù)載之間進(jìn)行阻抗匹配。事實(shí)上，許多實(shí)際的匹配網(wǎng)絡(luò)并不是僅僅為減小反射而設(shè)計(jì)的，他們還具有其他功能，如減少噪聲干擾、提高功率容量和提高頻率響應(yīng)的線性度等。通常認(rèn)為，匹配網(wǎng)絡(luò)的作用就是實(shí)現(xiàn)阻抗變換，就是將給定的阻抗值變換成其他更合適的阻抗值。所有射頻放大器不可缺少的電路單元就是有源或無源偏置網(wǎng)絡(luò)。偏置的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，也就是直流偏置，并抑制晶體管參數(shù)的離散性以及溫度變化的影響從而保持恒定的工作特性。并要求偏置網(wǎng)絡(luò)對主電路的微波特性影響應(yīng)盡可能小，即不應(yīng)造成大的附加損耗、反射及高頻能量沿偏壓電路泄漏，結(jié)構(gòu)緊湊。一般射頻放大器只要求其增益，如果對放大器噪聲系數(shù)有特別高的要求就稱為低噪聲放大器；對放大器的工作帶寬如果有較高的要求就稱為寬帶放大器；對放大器的輸出功率有較高的要求稱為功率放大器。一般這些要求是相互矛盾的，要達(dá)到某一方面，只能犧牲其他方面的指標(biāo)。本電路模塊通過數(shù)字衰減器來控制放大器的增益衰減，可用在通信領(lǐng)域的很多場合。2.射頻放大器的技術(shù)參數(shù)射頻放大器主要的技術(shù)指標(biāo)有：工作頻率和帶寬：工作頻率就是放大器的能夠正常工作的頻率范圍，最大的工作頻率與最小的工作頻率之差就是放大器的帶寬。增益：增益是表示放大電路對有用信號的放大能力。通常用在中心頻率上功率增益兩種方法表示：功率增益，式中、分別為放大電路中心頻率上的輸出、輸入功率。通常增益用分貝(dB)表示。輸入輸出反射系數(shù)：表征放大器的輸入輸出端口對信號反射的大小，即失配程度，一般用放大器兩端口的S參數(shù)S11和來S22表示。噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)NF是用來描述放大器本身產(chǎn)生噪聲電平大小，定義如下。增益平坦度：指在一定溫度下，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，放大器增益變化的范圍。增益平坦度由下式表示：dB其中：增益平坦度Gmax：增益—頻率掃頻曲線的幅度最大值

Gmin：增益—頻率掃頻曲線的幅度最小值輸出功率：輸出功率衡量放大器能夠輸出的功率大小。一般放大器的輸入－輸出功率曲線和輸入功率－增益曲線如下，由于晶體管的功率容量有限，當(dāng)輸入功率增大時(shí)，就會(huì)圖5-3放大器輸出功率曲線圖呈現(xiàn)出非線性，導(dǎo)致輸出功率不能和輸入功率保持線性同步增長，因此增益也會(huì)隨之下降，就如曲線所表示的那樣。當(dāng)然輸入功率增大到一定階段時(shí)，輸出功率基本不變，此時(shí)的輸出功率稱為飽和功率，即晶體管能輸出的極限功率，此時(shí)非線性失真已經(jīng)非常嚴(yán)重了。而一般能夠用到的最大功率是1dB壓縮點(diǎn)輸出功率，即當(dāng)功放增益比小信號線性增益G0下降1dB時(shí)，稱為“1dB壓縮點(diǎn)增益”G1dB，對應(yīng)的輸出、輸入功率稱為“1dB壓縮點(diǎn)輸出功率P1dB及“1dB壓縮點(diǎn)輸入功率”Pin《1dB》如圖所示。三階截點(diǎn)（IP3）：如果有兩個(gè)頻率相近的信號輸入到放大器，由于放大器的非線性作用，將產(chǎn)生交調(diào)產(chǎn)物，其中三階交調(diào)可能出現(xiàn)在輸出的通帶范圍內(nèi)，從而造成干擾。三階交調(diào)抑制度是指輸出端有用信號與三階交調(diào)信號的功率之比。該參數(shù)對于功率放大器放大多信號時(shí)非常重要，而且它與輸入功率成正比，當(dāng)輸入信號減小1dB時(shí)，三階交調(diào)抑制度增加2dB。

測量放大器的非線性特性，最簡單的方法是測量1dB壓縮點(diǎn)功率電平P1dB。另一個(gè)頗為流行的方法是利用兩個(gè)相距5到10MHz的鄰近信號，當(dāng)頻率為f1和f2的這兩個(gè)信號加到一個(gè)放大器時(shí)，該放大器的輸出不僅包含了這兩個(gè)信號，而且也包含了頻率為mf1+nf2的互調(diào)分量（IM），這里，稱m+n為互調(diào)分量的階數(shù)。在中等飽和電平時(shí)，通常起支配作用的是最接近基音頻率的三階分量（見圖5-4）。

圖5-4頻率為f1和f2的信號及其互調(diào)分量頻譜

因?yàn)槿A項(xiàng)直到畸變十分嚴(yán)重的點(diǎn)都起著支配作用，所以常用三階截點(diǎn)（IP3）來表征互調(diào)畸變。三階截點(diǎn)是描述放大器線性程度的一個(gè)重要指標(biāo)。三階截點(diǎn)功率的典型值比P1dB高10-12dB。IP3可以通過測量IM3得到，計(jì)算公式為：IP3=PSCL+IM3/2；PSCL——單載波功率；如三階互調(diào)點(diǎn)已知，則基波與三階互調(diào)抑制比與三階互調(diào)點(diǎn)的雜散電平可由下式估計(jì)：基波與三階互調(diào)抑制比=2[IP3-（PIM+G）]三階互調(diào)雜散電平=3（PIM+G）-2IP3三實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置圖實(shí)驗(yàn)測量對象是一個(gè)使用Sirenza的SGA-4586放大管設(shè)計(jì)的放大器。SGA-4586是一種由雙極三極管構(gòu)成的MMIC放大管。整個(gè)放大器的原理圖如下所示。Cb是隔直電容，防止直流偏置電壓進(jìn)入前后級。偏置電路由偏置電阻Rbias和扼流圈RFC組成，Rbias為放大管提供合適的偏置電壓，RFC防止射頻信號進(jìn)入偏置網(wǎng)絡(luò)。由于SGA-4586是MMIC，內(nèi)部集成匹配網(wǎng)絡(luò)，所以電路上不需要匹配網(wǎng)絡(luò)。HMC273MS10G是一個(gè)五位數(shù)字衰減器芯片，可調(diào)范圍從1dB到32dB。放大器模塊上的五位撥碼開關(guān)1對應(yīng)1dB，2對應(yīng)2dB，3對應(yīng)4dB，4對應(yīng)8dB，5對應(yīng)16dB；撥動(dòng)開關(guān)可衰減相應(yīng)大小。放大器使用網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測試，將網(wǎng)絡(luò)分析儀與放大器的輸入、輸出端口連接，連接圖如下所示。圖5-5SGA-4586放大器的電路原理圖和電路板圖四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟使用網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620觀察射頻放大器的頻響特性，驗(yàn)證衰減功能。測量放大器的增益、帶內(nèi)增益波動(dòng)、輸出功率1dB壓縮點(diǎn)輸出功率及諧波測量。步驟一調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)校準(zhǔn)后的誤差標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)事前存儲在網(wǎng)絡(luò)分析儀中，只要調(diào)用一下即可。步驟二選擇測量參數(shù)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍為900MHz-1GHz，將功率電平設(shè)置為-40dBm。步驟三連接放大器并測量放大器的頻響特性和技術(shù)參數(shù)將電源調(diào)整到10V后關(guān)閉。將網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出和輸入端與模塊連接，并將電源輸出端接在模塊上的輸入端，接地端接在小彈片上。（！注意：接通電源之前一定要檢查設(shè)置是否正確，設(shè)置錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致儀器損壞。）打開電源，記錄網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示增益大小，及在頻帶內(nèi)的波動(dòng)。記錄960MHz頻點(diǎn)上的信號幅度，記為L（dB）放大器的增益。在900MHz至1GHz頻段內(nèi)，測量幅度曲線上的最大值，記為L1（dB）。然后測量幅度曲線上的最小值，記為L2（dB），則增益波動(dòng)為。在網(wǎng)絡(luò)分析儀上觀察模塊的輸入、輸出駐波比，記錄相應(yīng)頻點(diǎn)的結(jié)果。撥動(dòng)開關(guān)，驗(yàn)證衰減器功能是否達(dá)到要求。步驟四增益壓縮測量增益壓縮測量，通過執(zhí)行CW頻率的功率掃描來測量1dB壓縮點(diǎn)的輸入功率和壓縮點(diǎn)的絕對輸出功率。在頻帶上找出增益壓縮情況最差的點(diǎn)。a）將衰減器的衰減量打在-16dB（注意不要遺漏這一步），給待測放大器設(shè)置激勵(lì)和響應(yīng)參數(shù)，減小軌跡上的噪聲影響，按：【Avg】［IFBW］【1000】【×1】【Chan1】【MEAS】［Trans:FWDS21(B/R)］b）執(zhí)行下面步驟，得到歸一化軌跡：

按【Display】［DUAL︱QUADSETUP］并選擇［DUALCHANNELON］來同時(shí)觀察兩條通道。

按【Chan2】【MEAS】［Trans:FWDS21(B/R)］

對通道激勵(lì)去耦使通道功率非耦合，按：【SweepSetup】［COUPLEDCHOFF］這允許對通道2和通道1的功率分別做增加操作，使得在通道1保持不變的時(shí)候，能觀察通道2的增益壓縮。

在通道2上顯示通道2和通道1的數(shù)據(jù)比，按：【Chan2】［DISPLAY］［MORE］［D2/D1toD2ON］這樣就得到了僅僅代表增益壓縮的軌跡c）按【Marker】［MARKER1］，將光標(biāo)定位在近似的跨度的中點(diǎn)。d）按【ScaleRef】［SCALE/DIV］【×1】把刻度改為每格1dB。e）按【Power】f）用步進(jìn)鍵或前面板旋鈕提高功率，直到通道2上的壓縮近似為1dB為止。g）找出軌跡上最差的點(diǎn)，按：【MarkerSearch】［SEARCH:MIN］h)若選擇了［CUOPLEDCHOFF］，需重新耦合通道激勵(lì)，按：【SweepSetup】［COUPLEDCHON］i)要將光標(biāo)“恰好”放在測量點(diǎn)上，按：【MarkerFctn】［MARKERMODEMENU］［MARKERS:DISCRETE］j)在進(jìn)入功率掃描模式前設(shè)置中心頻率，按：【Seq】［SPECIALFUNCTIONS］［MARKER→CW］k)按【SweepSetup】［SWEEPTYPEMENU］［POWERSWEEP］l)輸入掃描的起始和終止功率電平?，F(xiàn)在通道1正顯示一條增益壓縮曲線。（此時(shí)不必關(guān)心通道2）m)按【Chan2】【Display】［DUAL︱QUADSETUP］［DUALCHANON］n)若已經(jīng)選擇了［D2/D1toD2ON］,按［MORE］［D2/D1toD2OFF］o)按【Meas】［INPUTPORTS］［B］，此時(shí)通道2顯示絕對輸出功率。p)按【ScaleRef】［SCALE/DIV］【10】【×1】把通道2的刻度改為每格10dB。q)按【Chan1】【1】【×1】把通道1的刻度改為每格1dB。r)按【MarkerFctn】［MARKERMODEMENU］［MARKERS:COUPLED］s)在通道1上找到1dB的壓縮點(diǎn)，按：【MarkerSearch】［SEARCH:MAX］【Marker】［MKRZERO］【MarkerSearch】［SEARCH:TARGET］【-1】【×1】注意通道2上的光標(biāo)跟蹤通道1上的光標(biāo)。t)按【Chan2】【Marker】［MKRMODEMENU］［MARKERS:UNCOUPLED］。u)將通道2上的光標(biāo)退出Δ模式，這樣就能讀出放大器的絕對輸出功率，按：【Marker】［ΔMODEMENU］［ΔMODEOFF］步驟五增益和隔離的同步測量。a)按【SweepSetup】［COUPLEDCHON］。使通道耦合能使通道1和通道2相同的頻率范圍。b)按【Power】［PORTPOWER[UNCOUPLED]］。使端口功率去耦后可在每個(gè)端口設(shè)置不同的功率，如在端口1做增益測量（S21），功率設(shè)為-25dBm；端口2做反向隔離測量（S12），功率設(shè)為0dBm。c)按【Chan1】【Meas】［Trans:FWDS21(B/R)］【Power】，設(shè)置端口1功率電平。d)按【Chan2】【Meas】［Trans:REVS12(A/R)］【POWER】，設(shè)置端口2功率電平。e)按【Display】［DUAL︱QUADSETUP］［DUALCHANON］用雙通道顯示模式可同步觀察兩通道。若兩端口的功率電平在不同功率范圍上，則顯示的測量之一將不再連續(xù)更新，并且在屏幕左側(cè)顯示“tsH”。五結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容、系統(tǒng)簡圖；步驟簡述，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理，算出射頻放大器的各技術(shù)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)六CDMA頻段平衡式放大器實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馄胶馐椒糯笃鞯幕驹韺W(xué)會(huì)使用AV3620矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量平衡式放大器微波電路的各技術(shù)參數(shù)二實(shí)驗(yàn)原理1.平衡式放大器基本原理實(shí)際的微波晶體管都是雙向器件，負(fù)載阻抗和源阻抗對輸入阻抗和輸出阻抗都有影響，由于輸入和輸出阻抗都是隨工作頻率而變化，難以使輸入、級間和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)與微波晶體管保持良好的匹配，也難以作到平坦的增益特性。平衡微波放大器則可以很好的克服上述不足。只要成對聯(lián)地選擇性能一致的晶體管，就容易實(shí)現(xiàn)單級標(biāo)準(zhǔn)化，以提供任意級級聯(lián)應(yīng)用;能同時(shí)較好地兼顧高增益匹配和低噪聲匹配;就可在放大級端口上得到良好的匹配，也能得到平坦的增益特性、良好的相位特性和互調(diào)特性，動(dòng)態(tài)范圍也比單端式放大器大3分貝，易于實(shí)現(xiàn)大范圍的自動(dòng)增益控制。平衡式放大器可靠性要比一般的單端式放大器要高，在一個(gè)平衡級中即使有一個(gè)微波晶體管損壞，除增益有所降低外，仍能正常工作。1.1平衡式放大器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單級平衡式微波放大方框圖如圖6-1所示。由兩個(gè)性能一致的微波晶體管和兩個(gè)3dB定向耦合器構(gòu)成。輸入MB定向耦合器起功率分配作用，將輸入信號功率平分，并將其電壓按一定的相位關(guān)系送至兩個(gè)晶體管。輸出3dB定向耦合器起功率合成作用，將經(jīng)由兩個(gè)晶體管放大的信號功率合并輸出。圖6-1電路結(jié)構(gòu)圖圖6-2信號放大原理圖1.2平衡式放大器的原理圖6-2示出信號在平衡放大器中的流通過程。當(dāng)端口I輸入信號波a時(shí)，輸入定向耦合器端口2和3各輸出信號波幅度為，在相位上，端口3輸出波與端口1輸入波同相，端口2輸出波比端口3輸出波相位超前90°。如圖中所示。這兩個(gè)信號分別被送到兩個(gè)微波晶體管MTa和MTb。當(dāng)兩個(gè)晶體管性能完全一致，即電壓增益都為,相移也都為φ時(shí)，則經(jīng)過兩個(gè)晶體管放大后輸出信號波增大了倍，相位仍相差90°。這兩個(gè)信號再分別經(jīng)過輸出定向耦合器分成兩個(gè)信號從端口2'和3’輸出。這時(shí)，由于兩個(gè)信號波在端口2’和3'是等幅反相的，因而相互抵消后無輸出;但在端口3'上兩信號疊加后輸出，其幅度為a。單級平衡式放大器的增益與相同單端放大器的增益相等，當(dāng)一個(gè)晶體管損壞，平衡放大器仍有輸出，但功率增益降低了6dB，因而可靠性比單端式放大器高;由于輸入定向耦合器功率分配的作用，平衡式放大器的最大輸入信號功率為單端式放大器的兩倍，通過分析可以看出其最小可測信號電平與單端式放大器相同，因而平衡放大器的動(dòng)態(tài)范圍比單端放大器增大了3dB。2.平衡式放大器的技術(shù)參數(shù)工作頻率和帶寬：工作頻率就是放大器的能夠正常工作的頻率范圍，最大的工作頻率與最小的工作頻率之差就是放大器的帶寬。增益：增益是表示放大電路對有用信號的放大能力。噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)NF是用來描述放大器本身產(chǎn)生噪聲電平大小，定義如下：增益平坦度：指在一定溫度下，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，放大器增益變化的范圍。輸入、輸出電壓駐波比:<-1.2:1（只要2支微波管完全一致，由于分功率器的移相作用，理想情況下輸入口駐波比應(yīng)該恒為1。）電路的穩(wěn)定性要求:絕對穩(wěn)定.輸出功率：輸出功率衡量放大器能夠輸出的功率大小。三階截止點(diǎn)IP3和1dB壓縮點(diǎn)輸出功率三實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置圖實(shí)驗(yàn)測量對象是使用Sirenza提供的的SGA3586放大管設(shè)計(jì)的放大器。SGA3586是一種由雙極三極管構(gòu)成的MMIC放大管。整個(gè)放大器的原理圖如下所示，上下對稱。Cb是隔直電容，防止直流偏置電壓進(jìn)入前后級。偏置電路由偏置電阻Rbias和扼流圈RFC組成，Rbias為放大管提供合適的偏置電壓，RFC防止射頻信號進(jìn)入偏置網(wǎng)絡(luò)。由于SGA3586是MMIC，內(nèi)部集成匹配網(wǎng)絡(luò)，所以電路上不需要匹配網(wǎng)絡(luò)。放大器使用網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測試，將網(wǎng)絡(luò)分析儀與放大器模塊的端口連接，接好電源，連接圖如下所示。圖6-4平衡式放大器的電路原理圖和電路板圖圖6-5網(wǎng)絡(luò)分析儀與放大器的連接圖6-6是在ADS軟件里仿真的原理圖，圖6-7將一個(gè)晶體管開路，仿真后我們可以看見輸出確實(shí)有減少6dB的特性，其結(jié)果比較如圖6-8和6-9所示。圖6-10則顯示了電路的S11和S22在870MHz有達(dá)到阻抗匹配的效果。以上各點(diǎn)證明了平衡式放大器確實(shí)有達(dá)到前述的各項(xiàng)電路優(yōu)點(diǎn)。圖6-6平衡式電路原理圖圖6-7斷開其中的一個(gè)晶體管圖6-8完整的電路增益圖6-9斷開后增益圖6-10S（1，1）和S（2，2）四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟使用網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620觀察電路的頻響特性。測量放大器的增益、帶內(nèi)波動(dòng)、1dB壓縮點(diǎn)輸出功率。步驟一調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)校準(zhǔn)后的誤差標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)事前存儲在網(wǎng)絡(luò)分析儀中，只要調(diào)用一下即可。步驟二選擇測量參數(shù)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍為800MHz-900MHz，將功率電平設(shè)置為-40dBm。步驟三連接放大器并測量放大器的頻響特性和技術(shù)參數(shù)將電源調(diào)整到10V后關(guān)閉。將網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出和輸入端與模塊連接，并將電源輸出端接在模塊上的輸入端，接地端接在小彈片上。（！注意：接通電源之前一定要檢查設(shè)置是否正確，設(shè)置錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致儀器損壞。）打開電源，記錄網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示增益大小，及在頻帶內(nèi)的波動(dòng)。記錄870MHz頻點(diǎn)上的信號幅度，記為L（dB）放大器的增益。在870MHz至880MHz頻段內(nèi)，測量幅度曲線上的最大值，記為L1（dB）。然后測量幅度曲線上的最小值，記為L2（dB），則增益波動(dòng)為。在網(wǎng)絡(luò)分析儀上觀察模塊的輸入、輸出駐波比，記錄相應(yīng)頻點(diǎn)的結(jié)果。步驟四增益壓縮測量通過執(zhí)行CW頻率的功率掃描來測量1dB壓縮點(diǎn)的輸入功率和壓縮點(diǎn)的絕對輸出功率。在頻帶上找出增益壓縮情況最差的點(diǎn)。a)若選擇了［CUOPLEDCHOFF］，需重新耦合通道激勵(lì)，按：【SweepSetup】［COUPLEDCHON］b)要將光標(biāo)“恰好”放在測量點(diǎn)上，按：【MarkerFctn】［MARKERMODEMENU］［MARKERS:DISCRETE］c)在進(jìn)入功率掃描模式前設(shè)置中心頻率，按：【Seq】［SPECIALFUNCTIONS］［MARKER→CW］d)按【SweepSetup】［SWEEPTYPEMENU］［POWERSWEEP］e)輸入掃描的起始和終止功率電平?，F(xiàn)在通道1正顯示一條增益壓縮曲線。（此時(shí)不必關(guān)心通道2）f)按【Chan2】【Display】［DUAL︱QUADSETUP］［DUALCHANON］g)若已經(jīng)選擇了［D2/D1toD2ON］,按［MORE］［D2/D1toD2OFF］h)按【Meas】［INPUTPORTS］［B］，此時(shí)通道2顯示絕對輸出功率。i)按【ScaleRef】［SCALE/DIV］【10】【×1】把通道2的刻度改為每格10dB。j)按【Chan1】【1】【×1】把通道1的刻度改為每格1dB。k)按【MarkerFctn】［MARKERMODEMENU］［MARKERS:COUPLED］l)在通道1上找到1dB的壓縮點(diǎn)，按：【MarkerSearch】［SEARCH:MAX］【Marker】［MKRZERO］【MarkerSearch】［SEARCH:TARGET］【-1】【×1】注意通道2上的光標(biāo)跟蹤通道1上的光標(biāo)。m)按【Chan2】【Marker】［MKRMODEMENU］［MARKERS:UNCOUPLED］。n)將通道2上的光標(biāo)退出Δ模式，這樣就能讀出放大器的絕對輸出功率，按：【Marker】［ΔMODEMENU］［ΔMODEOFF］步驟五增益和隔離的同步測量。a)按【SweepSetup】［COUPLEDCHON］。使通道耦合能使通道1和通道2相同的頻率范圍。b)按【Power】［PORTPOWER[UNCOUPLED]］。使端口功率去耦后可在每個(gè)端口設(shè)置不同的功率，在圖7-49中，端口1做增益測量（S21），功率設(shè)為-25dBm；端口2做反向隔離測量（S12），功率設(shè)為0dBm。c)按【Chan1】【Meas】［Trans:FWDS21(B/R)］【Power】，設(shè)置端口1功率電平。d)按【Chan2】【Meas】［Trans:REVS12(A/R)］【POWER】，設(shè)置端口2功率電平。e)執(zhí)行誤差修正，并把放大器連在分析儀上。參考第十一章“優(yōu)化測量結(jié)果”的過程。f)按【Display】［DUAL︱QUADSETUP］［DUALCHANON］用雙通道顯示模式可同步觀察兩通道。若兩端口的功率電平在不同功率范圍上，則顯示的測量之一將不再連續(xù)更新，并且在屏幕左側(cè)顯示“tsH”。五結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告步驟簡述，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理，算出平衡式放大器的各技術(shù)參數(shù)。證明平衡式放大器穩(wěn)定性判別系數(shù)恒大于1，及理想情況下輸入口駐波比應(yīng)該恒為1。實(shí)驗(yàn)七射頻PLL鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馍漕l鎖相環(huán)的基本工作原理和技術(shù)指標(biāo)學(xué)會(huì)使用頻譜儀測量射頻鎖相環(huán)參數(shù)鞏固頻譜儀實(shí)驗(yàn)操作二實(shí)驗(yàn)原理低頻電路產(chǎn)生頻率一般采用RC，LC振蕩，而到射頻頻段，出于高頻率，穩(wěn)定性的角度考慮，低頻的方法已經(jīng)不再適用。常用的射頻頻率產(chǎn)生方式為諧振腔或者鎖相環(huán)。而諧振腔體積大，頻率調(diào)諧不便，故更多場合使用鎖相環(huán)作為射頻頻率源。1.射頻鎖相環(huán)的工作原理典型的射頻鎖相環(huán)頻率合成器原理框圖如圖7－1所示。射頻鎖相環(huán)具有獨(dú)特的頻率跟蹤性能，能完成頻率合成，調(diào)制解調(diào)，同步提取，測速測距，微量頻率變換，窄帶濾波等功能。射頻鎖相環(huán)實(shí)質(zhì)是一個(gè)相位差自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它主要包括三個(gè)基本部件：壓控振蕩器(VCO)、鑒相器(PD)和環(huán)路濾波器(LF)。環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器(LPF)壓控振蕩器(VCO)鑒相器(PD)晶體振蕩器參考頻率圖7-1射頻鎖相環(huán)的基本原理當(dāng)兩個(gè)輸入信號和之間存在相位差時(shí)，鑒相器PD將輸出一個(gè)直流的誤差電壓，它隨著輸入信號和之間相位差的增大而增大。該誤差電壓通過環(huán)路濾波器(LF)后控制壓控振蕩器(VCO)的振蕩頻率。當(dāng)兩輸入信號的頻率不相等時(shí)，其相位差將會(huì)隨時(shí)間而改變，導(dǎo)致鑒相器輸出的誤差電壓隨之變化，壓控振蕩器(VCO)的振蕩頻率也會(huì)隨時(shí)間改變。只有當(dāng)振蕩頻率與參考頻率的頻率相等時(shí)，信號相位差才為一恒定值，鑒相器輸出的誤差電壓將保持不變，壓控振蕩器的振蕩頻率也會(huì)穩(wěn)定不變。此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)頻率的鎖定。簡單概括為：檢測相位誤差，產(chǎn)生控制信號；消除或者減小相位誤差。射頻鎖相環(huán)作為一種相位負(fù)反饋系統(tǒng)，它利用環(huán)路的窄帶跟蹤與同步特性，將鑒相器一端VCO的輸出相位與另一端晶振參考的相位保持同步，實(shí)現(xiàn)鎖定輸出頻率的功能，同時(shí)可以得到和參考源相同的頻率穩(wěn)定度；是否穩(wěn)定，準(zhǔn)確，快速是衡量射頻鎖相環(huán)特性的主要技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)射頻鎖相環(huán)的基本原理，再加入可編程分頻器，可以實(shí)現(xiàn)精確的頻率合成。當(dāng)參考頻率和輸出頻率的分別采用模M和模N的計(jì)數(shù)器來分頻時(shí)，當(dāng)頻率鎖定時(shí)有：，即輸出頻率：=。其中M和N分別為參考分頻器和主分頻器的分頻比，在外部設(shè)置并行或串行數(shù)據(jù)控制分頻比，就可以產(chǎn)生出所需要的頻率信號。用射頻鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率合成器具有頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲小、電路簡單易集成、易編程等特點(diǎn)。由于M，N的值可由程序控制，因此可以通過賦予M，N以不同的值來控制輸出信號的頻率。若本振=12MHz，M=24。則對于任何輸出頻率，其頻率控制字