微波课程核心技术与实践优秀课程设计.docx

课程设计题目
微波技术及应用实践
学院
通信工程
专业
通信工程
年级
级
设计要求：
1、 微带低通滤波器 2、微带功分器
通带频率：2.2GHz 工作中心频率：2.2GHz
止带频率：4.3GHz
通带波纹：0.5dB
输入输出阻抗：50Ω
衰减>40 dB
3、微带带通滤波器 4、射频放大器
带内波纹：0.1dB 工作频率：2.7GHz
中心频率：3GHz 增益：>15dB
下边频：2.5GHz 带宽：>150MHz
上边频：3.5GHz 噪声系数：<3dB
在4.5GHz频率点衰减>30dB
学生应完成工作：
分别完成微带低通滤波器、功率分配器、带通滤波器和放大器一系列工作
1）电路原理图设计；
2）进行对应仿真和调试；
3）进行对应Layout图设计；
4）进行电磁能量图仿真
参考资料：
《微波技术基础》廖承恩 编著 西安电子科技大学出版社
《微波技术及光纤通信试验》韩庆文 主编 重庆大学出版社
《射频电路设计——理论和应用》Reinhold Ludwig Pavel Bretchko 编著 电子工业出版社
课程设计工作计划：

设计分两周进行：
第一周完成切比雪夫低通滤波器和威尔金森功分器设计
第二周完成微带滤波器和放大器设计
任务下达日期 年 月 日 完成日期 年 月 日
指导老师 （署名） 学生 （署名）

摘要
此次关键包含了低通滤波器，功分器，放大器和带通滤波器，用到了AWR，MATHCAD和ADS软件。
低通滤波器：依据设计要求利用MATHCAD得到阶数N=5，并得到原型中元件值g和串L并C型电容电感值。然后用ADS软件进行理论电路原理图仿真和分析，然后用Kuroda规则进行微带线串并联交换，反归一化得出各段微带线特征阻抗，以后在ADS软件中用LineCalc算出各条微带线长宽，进而画出微带线电路图并进行仿真分析和EM板仿真和验证。
功分器：依据威尔金森功率分配器结构原理和所要求功率分配比，计算出各部分阻抗值，染个设置合理微带线基板参数再利用ADS软件中用LineCalc就能够求出各微带线实际长宽值。以后利用ADS进行微带线电路图仿真分析并结合EM版图分析验证功率分配情况，经验证设计是满足设计要求。
放大器：一是依据要求，选择适宜管子，需在选定频率点满足增益，噪声放大系数等要求。二是设计匹配网络，采取了单项化射界和双边放大器设计两种方法。具体是用ADS中Smith圆图工具SmitChaitUtility来辅助设计，得到了微带显得电长度，再选定基板，用ADS中LineCalc计算微带线长和宽。最终在ADS中画出原理图并进行仿真，关键是对S参数仿真。为了达成所要求增益，采取两级放大。
带通滤波器：首先依据要求选定低通原型，算出耦合传输线奇模，偶模阻抗，再选定适宜基板参数，用ADSLineCalc计算耦合微带线长和宽，最终画出微带线原理图并进行仿真分析和验证。
关键词：低通原型，Kuroda规则，功率分配比，匹配网络，微带线

课程设计正文

1. 切比雪夫低通滤波器设计
1.1 设计要求：
五阶微带低通滤波器：
截止频率2.2GHZ
止带频率：4.3GHZ
通带波纹：0.5dB
止带衰减大于40dB
输入输出阻抗：50欧

1.2 设计原理：
切比雪夫低通滤波器含有陡峭通带——阻带过渡特征，且陡峭程度和带内波纹相关。通常来说波纹越大，通带——阻带过渡越陡峭。在通带外，切比雪夫低通滤波器衰减特征较其它低通滤波器提升很多倍。切比雪夫低通滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器衰减快，但频率响应幅频特征不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器频率响应曲线之间误差最小，不过在通频带内存在幅度波动。为了将低通原型截止频率从1变换到wC，需要乘以因子1/wC来确定滤波器频率，这是经过w/wC来替换w。
= =
对于低通原型中串联电感j，并联电容j变换为低通滤波器中感抗，容抗，可经过下面公式来计算：

1.3 设计步骤图：
性能指标分析
Mathcad参数计算
绘制集总元件图

集总元件性能仿真

分布参数计算

绘制微带线图

参数修改
性能仿真
绘制EM图

电磁仿真
验证修改
成功

1.4 设计步骤：
步骤1：利用MATHCAD进行参数计算：

画出归一化低通原型电路图图一所表示：

图一 集总参数模型图
步骤2：集总元件绘制和仿真
因为输入输出阻抗为50 Ohm，用原型值进行阻抗变换，得到各组件真实值，用ADS软件画出对应电路图图二所表示：

图二 集总参数原理图
得到对应S参数仿真图：

图三 低通原型S参数仿真图
从s11参数仿真图能够看出，0到1GHZ左右范围内衰减为0，在频率为2.2GHZ处，其衰减刚好为3dB.在止带频率4.3GHZ处，其衰减靠近40dB，通带——阻带过渡陡峭，低通特征良好，满足设计要求。
Smith圆图仿真：

从图中能够看到：仿真轨迹最终抵达匹配点Z=1，可知输入输出带到了匹配。
步骤3： 分布元件参数计算
用图二中开路，短路并联，串联微带线替换图一中电容和电感，只需直接利用Richards变换即可得到微带线特征阻抗和特征导纳为：

图四 用串联并联微带线替换电感器和电容器
为了在信号端和负载端达成匹配并使滤波器轻易实现，需要引入单元组件方便能够应用第一和第二个Kuroda规则，从而将全部串联线段变为并联线段。因为这是一个五阶低通滤波器，我们必需配置总共4个单位组件方便将全部串联短路线变为并联开路线段。
首先，在滤波器输入，输出端口引入两个单位元件：

图五 配置第一套单位元件
因为单位元件和信号源及负载阻抗全部是匹配，所以引入它们并不影响滤波器特征。对于第一个并联短线和最终一个并联短线应用Kuroda准则后结果图所表示：

图六 将并联线变换为串联线
因为这个电路有四个串联短线，所以仍然无法实现。假如要将它们变换成并联形式，还必需再配置两个单位元件。图七所表示：

图七 配置第二套单元元件
因为单元元件和信号源及负载阻抗相匹配，所以引入她们并不影响滤波器特征。对于图七中电路应用Kuroda法则，则能够得到图八所表示电路，真正能够实现滤波器设计结果：

图八 利用Kuroda法则将串联短路线变为并联短路线滤波器电路

对应阻抗值为：
经计算后得到各个值为：
=
=
=
=

2.553
1.644
0.442
1.644
0.372

步骤四：反归一化。将单位元件输入，输出阻抗变成50欧百分比变换。得到实际阻抗值。
反归一化后得到值:
=
=
=
=

127.675
82.185
22.12
82.545
18.58
经过使用ADS软件对所设计滤波器微带线尺寸进行调整，最终基础达成设计要求。
利用ADSLineCalc工具计算出微带线长度和宽度。

在基板参数设置为：Er=4.000，H=1.5mm，T=35.000um，Freq=2.2GHz，E_Eff=45.000deg条件下，计算后得到长度,宽度值：

阻抗值（Ohm）
L微带线长度（mm）
W微带线宽度（mm）
Z0
50
9.766840
1.396250
Z1=Z5
127.675
10.593400
0.128161
=
82.185
10.178500
0.518202
=
22.12
9.230900
4.492130
=
82.545
10.182300
0.512720

18.58
9.140290
5.580870
步骤五：绘制微带线原理图并仿真
1. 用ADS软件画出微带线原理图以下图：

2. 对微带线原理图进行仿真得到S参数仿真图：

从s参数仿真图能够看出，0到2GHZ范围内衰减为0，因为是用微带线设计滤波器，在截止频率为2.2GHZ处，其衰减为23dB.在止带频率4.3GHZ处，其衰减大于134dB，其衰减大于40dB。通带——阻带过渡陡峭，低通特征良好，满足设计要求。然后对微带线原理图用Smith圆图进行仿真，以下图：

在0——8GHZ范围内仿真结果，从图中能够看出，当0GHZ时，从匹配点开始反射系数组建增大，当频率在0到2.2GHZ改变过程中，仿真轨迹均在Z=1这个匹配点周围移动，所以，能量大部分能够传输出去。当频率大于2.2GHZ时，我们发觉轨迹点快速失配，移向Smith圆图最外圈，能量将不能以后滤波器传输出去，所以，该滤波器从总体上达成了设计上要求。
步骤五：绘制EM图

仿真得出EM板电磁流图以下图所表示：

从图中能够清楚观察到，滤波器中电磁能量在输入输出端口不停流动，表现为箭头不时向某个方向流动，由黄色部分能够看出电磁能量在整个滤波器中流通，说明了成功设计了低通滤波器。
使用3Dview，可得到：

2.功分器设计
2.1设计要求
工作频率： 2.2GHz
功率分配比：P1:P2=1:1
输入输出阻抗：50 Ohm
2.2 设计原理
1. 在微波系统中，有时需要将传输功率分几路传送到不一样负载中去，或将几路功率合成为一路功率，以取得更大功率。此时便需要应用三端口功率分配/合成元件。对这种元件基础要求是损耗小、驻波比小、频带宽。
2. 功分器是三端口网络，信号输入端(PORT-1)输入功率为，其它两个输出端(PORT-2及PORT-3)输出功率分别为P及P。由能量守恒定律知= P+ P。

功分器大致可分为等分型（P= P）和百分比型（P=K* P）。
常见功分器有：
通常型分叉型
环型
3． 威尔金森功分器是功分器一个，能够做到完全匹配而且输出端口之间含有完全隔离三端口网络，它能够实现任意功分配比。能够很方便用微带线或带状线来做，广泛应用于阵列天线馈电网络。

2.3 设计步骤：
步骤一：等分威尔金森功分器参数计算
等功分威尔金森功率分配器模型以下图所表示：

依据功率关系可求得以下设计方程：
=70.7
=70.7
=100
R1=R2=50
其中K=1，Z0=50 Ohm ；
步骤二：用ADS软件计算微带线长度和宽度，画出原理图
将图中R,Z02,Z03数据用LineCalc将对应电阻值等效为微带线。
Er=4.000，H=1.5mm，T=35.000um，Freq=2.2GHz，E_Eff=90.000deg

阻抗值（Ohm）
L微带线长度（mm）
W微带线宽度（mm）
Z0
50
19.391400
3.034320
Z02/Z03
70.7
19.932900
1.602830

依据威尔金森功分器结构绘制对应原理图：

步骤三：对威尔金森功分器进行仿真

1. S参数仿真

从图中能够看出：在频率为2。2GHZ时候，S11达成最小为-44.024dB，即在工作频率时输入端反射系数最小，同时S21=S31左右，能够知道，设计功分器刚刚好达成1：1功分比，故设计初步达成要求。
2.Smith圆图仿真：

从图中能够观察到：在频率为2GHz时候，输入输出端口刚好达成匹配。
步骤四：绘制EM图
1.用快捷键layout，得到EM板平面图。

点击快捷键或选择在两个端口加上箭头，为使电磁能量能在输入输出端口流动。
选择合适仿真范围，在EM板上加端口，仿真得出EM板电磁流图以下图所表示：

蓝色部分表示电磁能量分布。上面是动图某一瞬间截图。从图中能够清楚观察到，功分器中电磁能量在输入输出端口不停流动，表现为箭头不时向某个方向流动，由黄色部分能够看出电磁能量在整个功分器中流通，说明了成功设计了功分器。
点击3D view得出EM板立体图。可得EM板参数以下图所表示：

3.转弯头威尔金森功分器设计

3.1 设计指标：
等功分器：P1:P2=1,即K=1;
工作频率为：2GHz 。

3.2 设计原理：
本着节省原料为标准设计弯曲威尔金森功分器，其基础原理和等功分器设计一样，全部是用微带线设计来实现，不一样在于隔离电阻用是有长宽参数电阻进行设计。

3.3 设计步骤：
步骤一：依据阻抗值来求得功分器参数并画出原理图：
1.此次设计为转弯头威尔金森等功分器。

依据功率关系可求得以下设计方程：
=70.7
=70.7
=100
R1=R2=50

1. 选择材料为copper，H=3000um，T=35um，介电常数=4基板，用Txline计算出下表值（其中中心频率为2GHZ）：

图一 利用Txline计算微带线长和宽

阻抗值（Ohm）
微带线宽度（um）
微带线长度（um）
Z0/R2/R3
50
6399.7
20856
Z02/Z03
70.7
3413.1
21457

3用AWR软件画出原理图，设计时将Z02，Z03，R2,R3,对应微带线分成若干，总长度要保持不变，宽度不变，转弯头宽度和微带线保持一致，得到原理图以下图所表示：

图二 转弯头威尔金森功分器原理图
步骤二：对威尔金森功分器进行参数仿真
1. 对功分器进行S参数仿真：
2.

图三 S参数曲线图
由图中能够看出：在频率为1.43GHZ时候，S11达成最小，即在工作频率时候反射系数达成最小。同时传输到2，3传输系数分别为S21，S31,二者重合，达成威尔金森功分器等功率比要求。同时能够观察到S23在工作频率视乎达成最小，隔离度最小。从而能够看出电阻达成匹配。
注意薄膜电阻计算方法RS*L/W=R来实现100欧姆值。

2.对威尔金森功分器进行Smith圆图仿真：

图四 史密斯圆图仿真
由图中能够观察到在工作频率时，电阻达成匹配，而在其它频率时，S11衰减比较大，基础上符合设计要求。

步骤三：绘制EM图：

用快捷键view layout，得到EM板平面图。在用view layout得到平面图后，通常有未连接地方或排列混乱，在点击edit下select all后，再点击edit下snap together，能够得到排列整齐而且各处连接正常图形以下：

步骤四：EM板导入导出及仿真：
1）点击layout/export layout 导出project1.gds；
2）点击project/Add EM structure/Import EM structure 导入project1.gds得到EM结构图以下：

调整y尺寸使得元件置于中间位置，上下留出空间。
点击快捷键或选择在两个端口加上箭头，为使电磁能量能在输入输出端口流动，加上箭头后上图所表示。
3）Option/project option 选择合适仿真范围，在EM板上加端口，仿真得出EM板电磁流图以下图所表示：
从图中能够清楚观察到，功分器中电磁能量在输入输出端口不停流动，表现为箭头不时向某个方向流动，由黄色部分能够看出电磁能量在整个功分器中流通，说明了成功设计了等功分器

4) 点击3D view得出EM板立体图。可得EM板参数以下图所表示：
5)

4.带通滤波器设计
4.1 设计要求：
带内波纹：0.1dB
中心频率：3.0GHz
下边频：2.5GHz
上边频：3.5GHz
在4.5GHz频率点衰减>30dB
4.2 设计原理：
带通滤波器设计是用带通滤波器单元级联组成，级联时需要是每个单元两个端口全部和下一个元件匹配。
4.3 设计步骤：
步骤一：选择合适低通滤波器原型
依据通带波纹，截止频率和衰减特征要求，用MATHCAD软件计算出低通滤波器原型值，以下所表示：

步骤二：求解带通滤波器奇偶模阻抗值和其微带线参数，画出原理图
1. 依据分数带宽，低通原型计算出导纳变换值：

2. 求出导纳变换值后，能够依据下面公式计算出奇偶模阻抗：

3.依据奇偶模阻抗值，选定基板参数H=1500um，T=30um，介电常数Er=4，确定微带耦合线尺寸和耦合间距。
i

o奇模特征阻抗（Ohm）
e偶模特征阻抗（Ohm）
0
0.6778
39.08
106.86
1
0.4417
37.67
81.84
2
0.3428
38.74
73.02
3
0.3428
38.74
73.02
4
0.4417
37.67
81.84
5
0.6778
39.08
106.86

4.再用LinCalc计算出各段微带线W,S,L参数，以下表所表示：
o奇模特征阻抗（Ohm）
e偶模特征阻抗（Ohm）
W(mil)
S(mil)
L（mil）
39.08
106.86
865.833
212.976
15107
37.67
81.84
1406.93
314.574
14698
38.74
73.02
1657.35
456.12
14514
步骤三：对带通滤波器原理图进行参数仿真：

图一 微带线原理图

图二 S参数仿真

图三 Simith圆图
由S参数曲线图能够看出：通带范围为2.5 GHZ到3.5GHZ，即带宽为1000MHZ,在4.5GHZ处衰减为40 dB左右，满足衰减大于30 dB要求。
步骤四：绘制EM平面图图：
图四 带通滤波器EM板平面图
步骤五：E M板导入导出及仿真
在EM板上加端口，仿真得出EM板电磁流图以下图所表示：
从图中能够清楚观察到，滤波器中电磁能量在输入输出端口不停流动，表现为箭头不时向某个方向流动。

图五 带通滤波器能量图

能量不能经过情形：

4) 3D view得出EM板立体图。可得EM板参数以下图所表示：

图六：带通滤波器立体图

5.射频放大器
3.1 设计要求
中心频率： 2.7 GHZ
增益： >15 dB
带宽： >150 MHZ
噪声系数： <3dB

3.2第一级放大器设计
1.建立原理图，对电路仿真。

2.最小噪声仿真。

3.S参数仿真。

从图中能够观察到在频率点为2.7GHZ时，能够得到输入输出端口电阻匹配值：输入端口匹配电阻Zs=Z0*(0.311+j*0.111)，输出端口匹配电阻Zl=Z0*(1.192-j*1.053)。
从图中能够观察到在2.7GHZ时候第一级放大管放大倍数为2.333dB。

3.3第二级放大器设计
1.建立原理图，对电路仿真。

2.放大倍数仿真。

3.S参数仿真。

从图中能够观察到在频率点为2.7GHZ时，能够得到输入输出端口电阻匹配值。在2.7GHZ时候第二级放大管放大倍数为15.2dB。

3.4理想器件设计放大器
1.建立原理图，对电路仿真。

2.仿真结果。

3.5微带线设计放大器
1.建立原理图，对电路仿真。

2.仿真结果

能够看到，微带线仿真结果和理想时电路仿真结果很靠近，而且就微带线仿真分析来看，各项设计要求全部已达成，所以微带线设计是符合设计要求。

总结
经过两周课程设计，根据要求设计了切比雪夫型低通滤波器、威尔金森功分器、带通滤波器、射频放大器，并对其原理图进行改善及其参数仿真，并制成实用EM图对其进行能量流图仿真。同时，对低通滤波器还采取了高低阻抗设计，对威尔金森功分器实现了转弯头设计，使其能愈加好适应工业上实用，对带通滤波器同时使用了ADS 软件，得到了比很好设计效果。在设计中无法避免地碰到了很多问题，不过正是在处理这些问题过程中使我们对于课程知识有了更透彻深入了解和掌握。
在做微带低通滤波器时候，我经过将集总元件变换到微带线时，因为变换公式是近似，所以从集总元件到微带线变换时有误差，仿真时误差偏大，经过调整基板厚度，相对介电常数，修正了相对误差，取得了很好结果。在我在这次试验过程中，碰到了很多问题，在老师和同学们热心帮助下，最终顺利完成了这次试验，也感谢老师和同学们热心帮助。这次试验也让我意识到，在试验过程中，碰到多种多样问题是不可避免，在碰到问题时候，首先要冷静思索分析，利用平时所学多种理论知识和分析方法，逐步排查问题，查阅相关资料，最终处理问题。试验室将理论利用于实际一门课，需要动脑和动手相互协作，相互配合，最终才能取得良好效果。
此次课程设计对我们来说是一个很好体验，对自己而言也是受益匪浅。这次课程设计经过自己亲手实践，不仅锻炼了我们动手能力和独立思索分析处理能力，勇于尝试和大胆挑战。对我们进入社会、处理问题能力上进行了一次很好演练。从而我们认为这次课程设计不管是从哪个方面讲全部是十分成功。