射頻電路實(shí)驗(yàn)

射頻電路實(shí)驗(yàn)第1頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)一、微帶低通濾波器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解微帶低通濾波器之設(shè)計(jì)方法。2、學(xué)會(huì)使用微波軟件設(shè)計(jì)低通濾波器的流程，并分析結(jié)果。第2頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b)波紋：描述通帶內(nèi)信號(hào)響應(yīng)的平坦度c)3dB帶寬：定義為通帶內(nèi)衰減3dB處上邊帶頻率和下邊帶頻率之間的差值(分?jǐn)?shù)帶寬)d)帶外抑制（阻帶抑制):在理想的情況下，希望濾波器在阻帶中具有無(wú)窮大的衰減量，但實(shí)際中只能使用有限的元件數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器，因此通常將60dB作為阻帶計(jì)算的設(shè)計(jì)值2.技術(shù)指標(biāo)a)插入損耗：定量描述功率響應(yīng)幅度和0dB基準(zhǔn)的差值第3頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3歸一化低通原型:兩種歸一化低通濾波器的實(shí)現(xiàn)方式如下圖所示，其中串聯(lián)電感和并聯(lián)電容交替出現(xiàn)。g0為電路的源電阻或電導(dǎo)，gi為串聯(lián)電感或并聯(lián)電容，gN+1為負(fù)載電阻或電導(dǎo)等波紋切比雪夫低通原型的值可以通過(guò)下面的公式來(lái)求取第4頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月階梯阻抗低通濾波器設(shè)計(jì)近似理論對(duì)于長(zhǎng)度為l，特性阻抗為Z0的傳輸線(xiàn)，其負(fù)載阻抗為ZL,則輸入阻抗公式為：對(duì)于負(fù)載阻抗為ZL<<特性阻抗為Z0的傳輸線(xiàn)，則輸入阻抗公式為：由上式可以看出，當(dāng)負(fù)載阻抗遠(yuǎn)小于傳輸線(xiàn)特性阻抗的時(shí)候，傳輸線(xiàn)端接以負(fù)載阻抗，近似于一個(gè)電感和負(fù)載ZL串聯(lián)。第5頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于負(fù)載阻抗為ZL>>特性阻抗為Z0的傳輸線(xiàn)，則輸入阻抗公式為：對(duì)應(yīng)的輸入導(dǎo)納為：由上式可以看出，當(dāng)負(fù)載阻抗遠(yuǎn)大于傳輸線(xiàn)特性阻抗的時(shí)候，傳輸線(xiàn)端接以負(fù)載阻抗，近似于一個(gè)電容和負(fù)載ZL并聯(lián)。第6頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月綜上所述，低通濾波器可以由級(jí)聯(lián)的微帶高、低阻抗線(xiàn)構(gòu)成。通常高阻抗線(xiàn)取大于100歐，低阻抗線(xiàn)取小于20歐。電感段、電容段微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度可以通過(guò)下面的公式近似求得：通過(guò)linecalc工具求出對(duì)應(yīng)高低阻抗微帶線(xiàn)的有效介電常數(shù)，根據(jù)上面的公式求出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)播波長(zhǎng),以及相應(yīng)的高低阻抗線(xiàn)的長(zhǎng)度.電感段微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度電容段微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度其中Ro為阻抗阻抗變換值，L，C為低通原型參數(shù)值微帶線(xiàn)的導(dǎo)波波長(zhǎng):第7頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、設(shè)計(jì)的流程

1、確定設(shè)計(jì)的指標(biāo)

2.選擇合適的低通原型

3.根據(jù)選擇的基板,計(jì)算對(duì)應(yīng)的微帶高、低阻抗線(xiàn)的寬度、長(zhǎng)度

4.建立濾波器仿真模型/仿真第8頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例子：設(shè)計(jì)一個(gè)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(xiàn)取120歐，低阻抗線(xiàn)取20歐，基板的高度h=1.58mm,相對(duì)介電常數(shù)為4.2,微帶厚度為0.5mil.解:(1)根據(jù)指標(biāo)，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9頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通帶波紋為0.5dB低通原型的衰減和歸一化頻率的關(guān)系第10頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)根據(jù)Linecalc工具可以知道20歐，120歐微帶線(xiàn)的寬度分別為：11.27mm,0.4mm.120歐微帶線(xiàn)對(duì)應(yīng)的有效介電常數(shù)為2.84,20歐微帶線(xiàn)對(duì)應(yīng)的有效介質(zhì)常數(shù)為3.65(lincal工具求解)(實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，一般是采用軟件工具來(lái)求微帶線(xiàn)的寬度)(3)對(duì)應(yīng)的5階濾波器的低通原型參數(shù)為：g0=g6=1,g1=g5=1.7508,g2=g4=1.2296,g3=2.5408(4)選擇低通原型的第一個(gè)元件為串聯(lián)電感，求對(duì)應(yīng)高、低阻抗線(xiàn)的長(zhǎng)度：λgC=300/(2*3.650.5)=78.53mmλgL=300/(2*2.840.5)=89.02mm第11頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由由第12頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第13頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計(jì)任務(wù):設(shè)計(jì)一個(gè)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14頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chebyshev型附錄：低通原型值：第15頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)二、微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解微帶帶通濾波器之設(shè)計(jì)方法。2、學(xué)會(huì)使用微波軟件設(shè)計(jì)帶通濾波器的流程，并分析結(jié)果。第16頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、設(shè)計(jì)的流程

微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)步驟：(1)根據(jù)設(shè)計(jì)的指標(biāo)選擇合適的低通原型(2)確定歸一化帶寬、上邊帶和下邊帶。根據(jù)濾波器特性對(duì)上、下邊帶以及中心頻率的要求，可以確定其分?jǐn)?shù)帶寬為：(3)根據(jù)分?jǐn)?shù)帶寬、低通原型計(jì)算導(dǎo)納變換器的值。第17頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)方程(1)求解導(dǎo)納變換器的值使用0.25個(gè)導(dǎo)波波長(zhǎng)耦合諧振器構(gòu)成的微帶帶通濾波器第18頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)求出導(dǎo)納變換器的值后，可以根據(jù)下面的公式計(jì)算奇模、偶模阻抗(3)根據(jù)lincalc工具計(jì)算耦合微帶線(xiàn)的尺寸第19頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)考慮到微帶線(xiàn)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(jì)指標(biāo)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20頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)計(jì)算導(dǎo)納變換器的值(2)確定分?jǐn)?shù)帶寬第21頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(4)計(jì)算奇模、偶模阻抗：第22頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(xiàn)的尺寸：根據(jù)上面計(jì)算的耦合微帶線(xiàn)的奇模/偶模阻抗,利用Lincalc工具得到第一級(jí)的線(xiàn)寬W=1.682mm，縫隙S=0.092mm，太細(xì)了不能保證加工的精度，因此將特性導(dǎo)納變?yōu)?/70來(lái)提高縫隙的寬度。由于主線(xiàn)的阻抗為50，所以濾波器中做要一段阻抗變換線(xiàn)來(lái)連接主線(xiàn)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(xiàn)的尺寸為：第23頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為了將70歐和50歐匹配，加入了一段寬為2mm,長(zhǎng)為9.0mm的λ/4阻抗變換器。如圖所示第24頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第25頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計(jì)任務(wù):根據(jù)附錄的低通原型,設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為4GHz,分?jǐn)?shù)帶寬自定<30%的微帶奇數(shù)階帶通濾波器.第26頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第27頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)三、微帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解微帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法。2、學(xué)會(huì)使用微波軟件設(shè)計(jì)低噪聲放大器的流程，并分析結(jié)果。第28頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、共扼匹配放大設(shè)計(jì)的近似原理二、放大器的技術(shù)指標(biāo)：(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(duì)功率放大器，采用P1dB的輸出功率來(lái)衡量一般低噪聲放大器這個(gè)指標(biāo)不重要)(5)噪聲系數(shù)(LNA最重要的指標(biāo))第29頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(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(duì)穩(wěn)定的情況下,才能進(jìn)行設(shè)計(jì).晶體管絕對(duì)穩(wěn)定的充分比較條件:第30頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)近似設(shè)計(jì)(單向化設(shè)計(jì))如果放大器的晶體管S12很小，可以近似認(rèn)為為0，則放大器的增益可以采用下面的公式來(lái)描述：如果增益以對(duì)數(shù)表示，則有上面公式的1,3項(xiàng)表示輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的增益，由表達(dá)式可以知道其不大于1，因此不存在能量的放大，即沒(méi)有增益，這里稱(chēng)為增益是由于設(shè)計(jì)了匹配網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致反射損耗減小，相對(duì)損耗而言是增益。第31頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)晶體管的輸入、輸出阻抗分別和源以及負(fù)載呈共軛匹配的時(shí)候，源和負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)均得到最大的單向增益。因此近似設(shè)計(jì)放大器的最大增益為:第32頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、放大器的共扼匹配設(shè)計(jì)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(duì)穩(wěn)定(2)確定晶體管共扼匹配的輸入/輸出阻抗(3)設(shè)計(jì)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33頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、設(shè)計(jì)實(shí)例采用AT-41511管子設(shè)計(jì)一個(gè)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(diǎn)的確定:選擇FileNewDesign…進(jìn)入下面的對(duì)話(huà)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(diǎn)擊，打開(kāi)元件庫(kù),查詢(xún)ATF-41511元件第34頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月將元件按下圖加入,并對(duì)其進(jìn)行仿真第35頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從上面的伏安特性曲線(xiàn),可以確定管子的工作電壓并對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)直流偏置電路.第36頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)管子S參數(shù)掃描:(選擇一個(gè)工作電壓為2.7v,漏極電流為5mA的S參數(shù)管子模型)第37頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可以看出管子在2GHz處處于絕對(duì)穩(wěn)定.第38頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)應(yīng)的S參數(shù)為:第39頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)掃描的S參數(shù),利用Smith圓圖工具設(shè)計(jì)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40頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)第41頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)放大器器的特性第42頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第43頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)根據(jù)設(shè)計(jì)的匹配網(wǎng)絡(luò)選擇基板,確定電路尺寸.這里選擇h=1mm,介電常數(shù)為2.7的基板.利用LineCalc工具計(jì)算微帶線(xiàn)的尺寸.第44頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第45頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第46頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計(jì)任務(wù):采用近似設(shè)計(jì)方法,利用AT-41511設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率2~4GHz,的低噪聲放大器.第47頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、射頻振蕩器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解射頻振蕩器的設(shè)計(jì)方法。2、學(xué)會(huì)使用微波軟件設(shè)計(jì)射頻振蕩器的流程，并分析結(jié)果。第48頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、振蕩器的技術(shù)指標(biāo)：(1)工作的頻率(2)輸出功率(3)頻率穩(wěn)定度(4)相位噪聲三、振蕩器的類(lèi)型：(1)反射放大型晶體管振蕩器(2)介質(zhì)振蕩器(DRO)(3)壓控振蕩器(4)YIG振蕩器第49頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、振蕩器的設(shè)計(jì)原理：晶體管振蕩的條件該條件一個(gè)成立，則另一個(gè)對(duì)應(yīng)也成立。對(duì)應(yīng)的就是選擇合適的TL，使得輸入反射系數(shù)Tin的模>1,或選擇合適的Ts，使得Tout的模>1第50頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計(jì)實(shí)例：采用AT41411設(shè)計(jì)一個(gè)共基極的2GHz的振蕩器。該管子工作在漏-發(fā)電壓5V,基－發(fā)電壓0.8V可以看出諧振端口的反射系數(shù)幅度較小。第51頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基極串聯(lián)一個(gè)6.5nH的電感的S11，對(duì)下面的電路進(jìn)行1~3GHz頻率掃描，得到S11的幅度信息第52頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可以看出在頻率為2GHz處振蕩最強(qiáng)第53頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)上面的電路進(jìn)行定點(diǎn)掃描，得到2GHz情況下的S參數(shù)和K，如圖所示第54頁(yè)，課件共64頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

將上面得到的基極串聯(lián)電感的S參數(shù)，輸入Smith原圖，得到輸入穩(wěn)定性圓，并在圓圖上將1/S(1,1)點(diǎn)表示出來(lái)，由于S11>1,因此穩(wěn)定性圓內(nèi)，所有的點(diǎn)均滿(mǎn)足振蕩條件.1、通常是源反射系數(shù)選擇靠近1/S(1,1)的點(diǎn)，但不能等于，否則對(duì)應(yīng)的負(fù)載端接應(yīng)該匹配即負(fù)載反射系數(shù)為0，而實(shí)際情況非常難做到完全匹配，因此源反射系數(shù)選擇等于1/S(1,1）容易導(dǎo)致振蕩停止。2、為了使諧振電路沒(méi)