微波电路综合实验课件.ppt

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功分器的结构
下图是一个三分贝微带功分器的结构示意图。它 的输入和输出线的线性阻抗Zc，两段长度为λ /4 的分支线的特性阻抗为2 Zc，分支线末端跨接一 个电阻R，其值为2Zc。这种结构的功分器具有以 下特性：当输入端口2和3接匹配负载时，输入端 口1无反射，从端口1输入的功率被平分到端口2和 3，且端口2和3相互隔离。
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观察仿真曲线
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微带滤波器的设计
版图的仿真
版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行 计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但 是它的计算比较复杂，一般作为对原理图设 计的验证。
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版图仿真的窗口
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版图仿真的曲线
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电路版图的绘制
仿真完成后要根据结果用Protel软件绘制电路 版图，绘制版图时要注意以下几点。
SP模型的优化仿真
将噪声系数、放大器增益、稳定系数都加入
优化目标中进行优化，并通过对带内放大器 增益的限制来满足增益平坦度指标，最终达 到各个要求指标。
如果电路稳定系数变得很小(低于0.9)，或
者S(1,1)的值在整个频带内的某些频点在 0dB以上，则需要加入负反馈，改善放大器 的稳定性。
所用电路板是普通的双层板，上层用来绘制电路， 下层整个作为接地。
在绘制版图时受加工工艺的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，线宽和缝隙宽度要大于0.3mm
考虑到加工电路板时的侧向腐蚀问题，微带线的宽 度和长度要适当增加。
版图的大小要符合规定尺寸，以便于安装在测试架 上。
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滤波器电路的调试
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微波滤波器的分类
根据功率衰减的频率特性来分类，微波滤波 器可分为低通、高通、带通和带阻滤波器。
随着频率的的提高，滤波器不能再用集总参 数的电感和电容元件来组成，需要采用各类 传输线为主体的分布参数结构。根据所用的 传输线类型来分类，微波滤波器可分为波导、 同轴线、微带线滤波器等等。
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首先要根据所选滤波器的结构画出其原 理图，并设置各元件的参数。
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微带滤波器的原理图
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微带滤波器的设计
对滤波器的电路参数进行优化和仿真。
在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化 目标进行优化仿真。S21(S12)是传输参数，滤波器 通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在 S21(S12)随频率变化曲线的形状上。S11(S22)参数反 应了输入、输出端口的反射系数，也是优化的主要 目标。
观察网络分析仪测量的结果是否达到指标要求 并与前面仿真的结果做比较。
把实际测量的电路尺寸置于ADS软件中进行仿 真，把结果与实际测量结果相比较。
如果测试结果与设计要求相差过多，则需对电 路进行调整，直至重新进行设计、制板。
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实验二 低噪声放大器的设计
制作与调试
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低噪声放大器电路的基本结构
低噪声放大器主要由晶体管、输入输出匹配电 路以及直流馈电电路（图中未画出）组成。
晶体管起放大信号的作用，是放大电路的主要 元件。输入输出匹配电路使放大器与前后级电 路达到阻抗匹配。馈电电路给晶体管提供了合 适的直流工作点。
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低噪声放大器的技术指标
工作频带
信号在工作频带内，放大器才能对它起放大作用。
通带内的群时延
群时延是指信号的相移随频率的变化率，定义
为 d / df ，群时延为常数时，信号通过网络才
不会产生相位失真。
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微波滤波器的技术指标（续）
寄生通带
寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率 特性引起的 ，它是离设计通带一定距离处又出 现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。
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SP模型的电路原理图
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低噪声放大器的设计步骤（续）
封装模型仿真设计
将sp模型替换为封装模型 选择直流工作点并添加偏置电压 替换为封装模型后各项参数会有所变化，如
果不满足技术指标的话可以对封装模型的原 理图再进行仿真优化。
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仿真结果曲线
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直流偏置电路的设计
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低噪声放大器的调试
实验内容是学习使用ADS软件设计微波滤波器、 低噪声放大器、功分器等，并对其参数进行优 化、仿真。然后根据软件设计的结果绘制电路 版图，并加工成电路板，最后对制作好的电路 进行调试，使其满足设计要求。
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微波元件的种类
微波电路的基本单元是传输线，根据传 输线结构的不同，可以把微波元件分为 同轴、微带、波导等几大类。
对照设计版图检查加工好的微波电路板，并按 照所用的电路元件表准备元器件。
按照电路原理图进行焊接，首先焊接放大器的 供电部分，通电检查电压正确后再焊接其他无 源器件，最后将晶体管按正确方式焊接。
在检查焊接无误后，将电路板安装到测试架上， 接通直流电源测量放大器的直流工作点，并进 行调整，使其满足设计要求。
馈线
发射 天线1
馈线
发射 天线2
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课程目的
了解典型微波电路的原理及设计方法。 学习使用ADS软件进行微波电路的设
计，优化，仿真。 掌握微波电路的制作及调试方法。
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课程内容
本课程主要由以下三个实验组成
一、微带滤波器的设计、制作与调试 二、低噪声放大器的设计、制作与调试 三、微带功分器、分支线电桥的设计、制作与调试
l)
l < g
l g
l > g
l
4
4
4
Z
Z=jX
Zg
0
l
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微带电路的基本元件（续）
微带终端开路线段的特性
Z


jZ
C
ctg
(
2 g
l)
l < g
l g
l
4
4
Z
l > g 4
Z=jX 0
l
Zg
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微带电路的基本元件（续）
微带电路接地时通常采用打沉铜孔的方式，使 上层的金属与下层的地板相连。微波电路中各 接地点都要就近接地，通过一段线再接地和直 接接地的效果是不同的。
微波滤波器的技术指标
通带边界频率与通带内衰减、起伏 阻带边界频率与阻带衰减
这些指标是描述滤波器的衰减特性的，是滤波器 的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类(高 通、低通、带通、带阻等)。
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微波滤波器的技术指标（续）
各端口的反射系数
描述了滤波器各端口反射损耗的大小，反射系 数越小，端口的阻抗匹配就越好，反射损耗也 越小。
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低噪声放大器的设计
设计时要注意的问题
晶体管模型的选择
sp模型：属于小信号线性模型，模型中已经 带有了确定的直流工作点，和在一定范围内 的S参数。
大信号模型：可以用来仿真大、小信号，需 要自行选择直流工作点，仿真时要加入馈电 电路和电源。带有封装的大信号模型可以用 来生成版图。
集总参数元件的取值
由于微带类元件体积小，重量轻，制作 方便，所以本实验的内容采用微带结构 来实现。
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微带电路的基本元件
微带线
W
h
H ε 0=1 E 介质基片ε r
宽高比 W / h 0.1~ 5
有效介电常数 e (0.5 ~ 0.8)r
特性阻抗 Zc

微带中的波长g
0 e
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由于微波的频率高，频带宽，能够承载大量的信息， 所以微波电路已经成为现代通信系统中必不可少的 组成部分。
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微波电路的实例
下图是一个无线通信系统中接收机和发射 机的系统框图
中频 振荡器
基带调制信号
中频 BPSK 调制器
射频 振荡器
中频 滤波中器频
滤波器
上变频器
射频 滤波器1
功率 放大器
功分器
微带电路的基本元件（续）
常用的介质基片及其介电常数
聚四氟乙烯纤维 Teflon 2.5 – 2.8
氧化铝陶瓷 Al2O3
9 – 9.9
人工复合介质
3 - 20
高频玻璃纤维 FR4
4.3 – 4.7
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微带电路的基本元件（续）
微带终端短路线段的特性
Z

jZ
C
tg
(
2 g
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优化目标的设置
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微带滤波器的设计
在优化时，软件对于各个变量的值进行搜索， 使得电路的S参数曲线逐步接近直至满足优 化目标。
在优化过程中要根据实际情况选择合适的优 化方法和次数，对电路进行反复优化。在优 化中还可能要对优化目标、优化变量的初值 及范围进行适当的调整。
当电路参数完全满足优化目标时，优化过程 结束，可以观察仿真的曲线了。
微波电路综合实验
2003.9
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微波的应用领域
通常的微波是指分米波、厘米波和毫米波，其频率 范围从300MHz～300GHz，在整个无线电波波谱中 占有重要的地位。
微波具有较高的辐射方向性和分辨率，在大气中的 传播衰减比较小，并且能够穿透电离层，因此在通 信、雷达、遥感、遥控、遥测等方面都有广泛的应 用。
将测试结果与仿真结果相比较，并看其是否满 足设计指标。
若不满足设计指标，则对结果进行分析后，通 过调整元器件的参数（电容，电感，电阻的 值），使其达到设计指标。
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实验三 功分器的设计、制作
与调试
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功分器简介
在微波系统中，功率分配器的作用是把 某一路的微波输入功率按规定比例分成 两路或多路输出；或者使用其逆过程， 把两路或多路微波功率迭加起来从一路 输出。
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低噪声放大器的调试（续）
按下面的测试框图对放大器的各项指标进行测试（网 络分析仪和噪声仪的使用参照仪器说明）。注意：在 测试前必须检查放大器的输入输出端是否已接耦合电 容，否则会造成仪器损坏。