ADS设计电调衰减器
ADS设计电调衰减器
利用ADS设计电调衰减器马景民1 罗正祥2 羊恺3 曾成4 罗建5（电子科技大学光电信息学院，成都 610054）1、2、4、5（电子科技大学空天科学技术研究院，成都 610054）3摘要：本文利用ADS仿真软件高效快速的设计了S波段窄带电调衰减器，此衰减器主要分为3dB分支电桥和PIN二极管两部分，射频信号为2.3~2.4GHz，直流调谐电流范围为0.02~6.32mA，传输衰减范围为0.9 ~19.8dB，带内反射均优于16dB，基本达到了设计目标。
关键词：S波段；电调衰减器；3dB分支电桥；PIN二极管1 引言现代通信对整机动态范围要求越来越大，单用AGC电路来控制其动态范围已不能满足动态要求，因此衰减器得到广泛应用。
目前衰减器已发展有多种结构，除了电阻衰减网络以外，近年来又发展了PIN二极管构成的电调衰减器，GaAs MESFET T型衰减器，在此基础上发展了多位数控衰减器[1]。
有时为了固定传输系统内传输功率的功率电平，传输系统内必须接入衰减器，对微波产生一定量的衰减。
衰减量固定不变的称为固定衰减器；衰减量可在一定范围内调节的称为可变衰减器。
衰减器是一种双端口网络，双端口网络的衰减主要由以下两种原因引起：一种是由于网络内部有损耗，吸收了所通过的电磁波的一部分功率而造成衰减，这种衰减器称为“吸收衰减”；另一种是由于电磁波在网络输入端的反射而引起的衰减，这种衰减称为“反射衰减”。
应用这两种衰减原理制成的衰减器有吸收式衰减器和反射式衰减器[2]。
电调衰减器是一种控制射频信号输出功率的部件，它是自适应干扰抵消系统中的关键部件。
目前电调衰减器有两种结构：一种是机电式，它是通过伺服电机控制两个耦合线圈的耦合系数，从而达到幅度控制。
这种衰减器结构复杂，惰性大．跟踪性能差；另一种是全电子式，它利用PIN二极管的电导调制特性来达到幅度控制。
这种衰减器结构简单、响应时问短、跟踪特性好[3]。
本文针对中国自主开发的TD-SCDMA标准，设计实现了一款预失真系统中必不可少的关键部分：2.3~2.4GHz电调衰减器。
ADS信号完全性设计
ADS信号完全性设计首先，ADS信号的源头设计是信号完整性设计的基础。
在设计源头时，需要考虑信号的生成方式、传输方式以及引脚布局等。
其中，生成方式可以通过模拟电路设计或数字信号处理来实现，需要确保生成的信号稳定可靠。
传输方式可以选择有线传输或无线传输，根据实际需求来确定。
引脚布局需要遵循电路设计原则，确保信号通路的简洁和分离，减少电磁干扰。
其次，传输路径的设计是ADS信号完整性设计的关键。
传输路径可以包括线缆、连接器、传输线等。
在设计路径时，需要考虑信号的频率、功率以及传输距离等因素。
对于高频信号，需要选择低损耗的线缆和传输线，以减小信号衰减和失真。
对于高功率信号，需要选择能够承受高电流和高温的连接器和线缆。
传输距离较长的情况下，需要选择带有驱动器和接收器的信号放大器，以增强信号的幅度和稳定性。
最后，接收端的处理是ADS信号完整性设计的重要部分。
接收端的处理可以包括信号放大、滤波、采样和解码等。
信号放大可以通过放大器来实现，提高信号的幅度和稳定性。
滤波可以通过低通滤波器来实现，去除噪声和干扰信号。
采样可以通过模数转换器来实现，将连续信号转换为离散信号。
解码可以通过数字信号处理算法来实现，将采样信号恢复为原始信号。
为确保ADS信号的完整性，还需要进行信号的测试和验证。
测试可以通过示波器、频谱分析仪和网络分析仪等设备来实现，对信号的频谱、幅度和时域进行分析。
验证可以通过实际应用场景来实现，检测信号在实际环境中的性能和可靠性。
综上所述，ADS信号的完整性设计涉及信号源头设计、传输路径设计和接收端处理等多个方面。
合理设计和选择信号源、传输路径和接收端处理方式，可以确保ADS信号的完整性和可靠性。
通过信号的测试和验证，可以对设计方案进行检测和改进，提高信号的性能和稳定性。
一种基于ADS的电调谐滤波器的新设计
一种基于ADS的电调谐滤波器的新设计王燕君【摘要】设计了一种用于跳频通信系统接收机射频前端的UHF频段电调谐滤波器.使用安捷伦公司的微波仿真软件ADS对电调谐滤波器进行结构设计和参数优化.对制成品的实际测试表明,该调谐滤波器工作频段为225～400 MHz,3 dB带宽6.5～15 MHz,通带增益24～27 dB,矩形系数小于6.2,其性能指标完全达到设计要求,在不同的频点都具有良好的电参数指标.所提方法对电调滤波器的设计具有指导作用.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2012(052)003【总页数】4页(P367-370)【关键词】跳频通信;射频前端;电调谐滤波器;结构设计;参数优化【作者】王燕君【作者单位】中国西南电子技术研究所,成都610036【正文语种】中文【中图分类】TN713随着电子技术的飞速发展，各种军用、民用电子设备同时使用，电磁信号密集多样，工作频率相对集中，空间电磁环境越来越复杂。
跳频技术由于其出色的保密和抗干扰能力不仅在军事通信中大显身手，较好地满足了现代战争提出的电子对抗与反对抗的要求，而在民用通信中也展示了良好的应用前景。
应用在跳频通信系统中的电调谐滤波器是一种能快速跟踪频率变化的带通滤波器，它使调谐频率附近的信号顺利通过，而远离调谐频率的信号受到较大幅度的衰减。
这种调谐滤波器可有效地改善接收机的信噪比，并能有效地解决多部通信设备同时通信的干扰和电磁兼容问题。
本文运用ADS仿真软件，结合可靠的设计理论设计出了一种用于跳频通信系统接收机射频前端的UHF频段电调滤波器。
该电调滤波器工作于225～400 MHz频段范围，电路要求其增益范围为23～28 dB，3 dB带宽范围为6.5～15 MHz，矩形系数（30 dB／3 dB）小于7。
该电调谐滤波器采用参差调谐回路的设计方法，参差调谐回路不同于级联的单调谐回路，级联单调谐回路的谐振频率是相同的，而参差调谐回路的各级单调谐频率分别比整个调谐回路的中心频率高或低Δfd，参差调谐回路兼有单调谐回路电路简单、易调整和双调谐回路频带宽、矩形系数好的优点，同时克服了单调谐回路频带窄、选择性差和双调谐回路电路复杂、调整困难的缺点。
无线电射频系统综合实验
确性。
（二）设计指标：
中心频率：2.2GHz、2.4GHz、2.6GHz 共3种 1dB带宽：200MHz； 插损：≤ 2 dB； 抑制：≥ 30dB（±400MHz外）
（三）实验设备条件：
无线电射频收发系统、频谱分析仪、矢量网络分
语音 调制器 衰减器 滤波器
关 2.3~2.5GHz 关 放大器
频踪 1.7~2.3GHz
2.1~2.3GHz
二、收信平台实现电路框图
微带滤波器
混频器 波 段
2.5~2.7GHz 波 段
天线
图像 480MHz
AGC
LC
开
开 低噪声
语音 解调器 放大器 滤波器
关 2.3~2.5GHz 关 放大器
频踪 1.7~2.2GHz
无线电射频系统综合实验
实验内容
1、收发系统传输实验（射频发射、接收系统分 析实验）
2、射频模块测量实验 3、射频模块仿真设计实验 4、射频模块制作及替换验证实验
一、收发系统传输实验
了解该无线信息传输射频系统实现图像和语 音信号的信号传输流程，从整体角度了解 和掌握系统的原理和性能，深入理解信号 间的相互作用。
4、将收信平台和发信平台到摄像头或显示器的音 视频线、电源线都连接好（注意：白色接头为音 频线）；
5、将收信平台和发信平台上的电源总开关SW1分 别拨到ON状态，几分钟后在收信平台的液晶显示 器上应该显示出发信平台摄像头正在摄取的图像 （注意：此时液晶显示器、收信平台和发信平台 上所有开关（除SW15频率设置开关外）应该处于 ON状态）。
设置端口1输出功率为-20dBm，关闭【耦合】 由于矢网内部衰减器不变，为保证低噪放处于小信 号放大，校准前在端口1加接50~60dBm固定衰减；
ADS设计实验教程
耦合线节参数设置窗口
等效电路
微带滤波器的设计（续）
设计指标：通带3.0－3.1GHz，带内衰减小于2dB，起 伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰减大于 40dB，端口反射系数小于-20dB。
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)参数是输入、输出端口的反 射系数，由它可以换算出输入、输出端的电压驻波 比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并
点击Length Unit设置长度单位为毫米
创建新的工程文件（续）
工程文件创建完毕后主窗口变为下图
创建新的工程文件（续）
同时原理图设计窗口打开
微带滤波器的设计
平行耦合线带通滤波器的设计
下图是一个微带带通滤波器及其等效电路，它由平行的 耦合线节相连组成，并且是左右对称的，每一个耦合线 节长度约为四分之一波长(对中心频率而言)，构成谐振 电路。我们以这种结构的滤波器为例，介绍一下设计的 过程。
实验一 微波滤波器的设计
制作与调试
（一）实验目的
了解微波滤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。 掌握微带滤波器的制作及调试方法。
（二）实验内容
使用ADS软件设计一个微带带通滤波 器，并对其参数进行优化、仿真。
衰减器设计
Lumped-components
Ctrl+R旋转 器件
Simulation-S_param
练习：设计10dB П型同阻式（Z1=Z2=50Ω）固定衰减器。
A 1010 1 Rs Z 0 2 1 R p1 R p 2 Z 0 1
3. T型异阻式
A 1010 R 2 Z1 Z 2 p 1 a 1 Rs1 Z1 Rp 1 Rs 2 Z 2 a 1 R p 1 1 Z1 Z 2 s 2 1 1 a 1 1 R p1 Z 1 R s 1 1 1 a 1 1 R p 2 Z 1 R 2 s
例子：测衰减器在30MHz-3198MHz的插损、驻波和回损。
（1）按《菜单》按钮，选择扫频方案1。 （2）在主菜单下设置初始频率（30MHz）、频率间隔（39.6MHz）和终止频率 (3198MHz)。 （3）在主菜单下按〖↓〗键将光标移到《测:A B》下, 按〖→〗或〖←〗键使A下为 《插损》,B下空白。 （4）接法如下图，为了衰减器能直接对接以减小测试误差，可先将两个衰减器对接 起来，再通过双阴与接到A口的电缆接上，然后按【执行】键完成直通校正。
3 衰减器的主要用途
(1)控制功率电平: 在微波超外差接收机中对本振输出 功率进行控制,获得最佳噪声系数和变频损耗,达到最佳 接收效果。在微波接收机中,实现自动增益控制,改善动 态范围。 (2) 去耦元件: 作为振荡器与负载之间的去耦合元件。 (3) 相对标准: 作为比较功率电平的相对标准。 (4) 用于雷达抗干扰中的跳变衰减器: 是一种衰减量能 突变的可变衰减器,平时不引入衰减,遇到外界干扰时, 突然加大衰减。
ADS、HFSS、CST 优缺点和应用范围详细教程
ADS、HFSS、CST 优缺点和应用范围详细教程
一、HFSS 与ADS 比较：
1、ADS 主要用来仿真电路（比如：微波射频电路、RFIC、通信电路），HFSS 主要用来仿真器件（比如：滤波器、天线等等）；
1、先说大的方向，如果你做电路，建议ADS。
如果天线、微波无源器件等建议HFSS 或CST。
2、从仿真结果来看，HFSS 是计算电硫场结果一般是可靠的，ADS 是计算电路或者两维半电磁场可以参考。
3、从电磁场性质来看，ADS 不能仿三维电磁场，适用于微波高速电路的设计，对于这种平面电路的电磁场仿真一般都是2.5 维的，HFSS 适用于三维电磁场分析；
4、从微波器件有源无源性来说，HFSS 不能仿有源器件，但是ADS 可以仿真有源器件；。
基于某ADS低噪声放大器设计与仿真
，
K称为稳定性判别系数，K大于1是稳定状态，只有当式中的三个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。实际设计时为了保证低噪声放大器稳定工作还要注意使放大器避开潜在不稳定区。
为改善微波管自身稳定性，有以下几种方式：
1〕串接阻抗负反应
在MESFET的源极和地之间串接一个阻抗元件，从而构成负反应电路。对于双极晶体管如此是在发射极经反应元件接地。在实际的微波放大器电路中，电路尺寸很小，外接阻抗元件难以实现，因此反应元件常用一段微带线来代替，它相当于电感性元件的负反应。
Te= T0( NF–1 )〔2-4〕
其中Te为放大器的噪声温度，T0=2900K，NF为放大器的噪声系数。
NF(dB) = 10LgNF〔2-5〕
2.2.2
放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值：
G=Pout/ Pin(2-6)
从(2-3)的计算公式中可见，提上下噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态X围。所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态X围等结合起来考虑。
1.1.2
随着通讯工业的飞速开展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖X围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下：
S=-174+ NF+10㏒BW+S/N
由上式可见，在各种特定〔带宽、解调S/N已定〕的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。
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利用ADS设计电调衰减器
马景民1 罗正祥2 羊恺3 曾成4 罗建5
（电子科技大学光电信息学院，成都 610054）1、2、4、5（电子科技大学空天科学技术研究院，成都 610054）3
摘要：本文利用ADS仿真软件高效快速的设计了S波段窄带电调衰减器，此衰减器主要分为3dB分支电桥和PIN二极管两部分，射频信号为2.3~2.4GHz，直流调谐电流范围为0.02~6.32mA，传输衰减范围为0.9 ~19.8dB，带内反射均优于16dB，基本达到了设计目标。
关键词：S波段；电调衰减器；3dB分支电桥；PIN二极管
1 引言
现代通信对整机动态范围要求越来越大，单用AGC电路来控制其动态范围已不能满足动态要求，因此衰减器得到广泛应用。
目前衰减器已发展有多种结构，除了电阻衰减网络以外，近年来又发展了PIN二极管构成的电调衰减器，GaAs MESFET T型衰减器，在此基础上发展了多位数控衰减器[1]。
有时为了固定传输系统内传输功率的功率电平，传输系统内必须接入衰减器，对微波产生一定量的衰减。
衰减量固定不变的称为固定衰减器；衰减量可在一定范围内调节的称为可变衰减器。
衰减器是一种双端口网络，双端口网络的衰减主要由以下两种原因引起：一种是由于网络内部有损耗，吸收了所通过的电磁波的一部分功率而造成衰减，这种衰减器称为“吸收衰减”；另一种是由于电磁波在网络输入端的反射而引起的衰减，这种衰减称为“反射衰减”。
应用这两种衰减原理制成的衰减器有吸收式衰减器和反射式衰减器[2]。
电调衰减器是一种控制射频信号输出功率的部件，它是自适应干扰抵消系统中的关键部件。
目前电调衰减器有两种结构：一种是机电式，它是通过伺服电机控制两个耦合线圈的耦合系数，从而达到幅度控制。
这种衰减器结构复杂，惰性大．跟踪性能差；另一种是全电子式，它利用PIN二极管的电导调制特性来达到幅度控制。
这种衰减器结构简单、响应时问短、跟踪特性好[3]。
本文针对中国自主开发的TD-SCDMA标准，设计实现了一款预失真系统中必不可少的关键部分：2.3~2.4GHz电调衰减器。
电调衰减器的主要指标有：工作频带、输入输出反射、起始衰减量、衰减量和衰减量的变化规律等。
2 工作原理
PIN二极管由两层高掺杂半导体材料夹了一层高阻本征半导体I层组成，其等效阻抗随着不同的偏压条件而变化[4]。
当微波信号和直流偏置同时作用到PIN管时，二极管的工作状态还主要取决于其直流偏置状态。
如PIN二极管处于正向偏压时，由于正向电流己使i层中存储电荷，所以不管微波信号的正负极性如何，都可以维持导通状态。
而反向偏置时，微波信号频率足够高，其正半周信号来不及将载流子注入到i层，因此二极管处于截止态。
这样，PIN二极管所呈现的阻抗大小，只取决于直流偏置，而与微波信号无关。
因此，我们就可以用较小的直流功率来控制PIN二极管的工作状态，从而控制较大的微波功率[5]。
PIN管电调衰减器的电路结构形式有很多，如环行器的单管衰减器，3dB定向耦合器的双管衰减器，多管反射式或吸收式衰减器等[1]。
本文所设计的电调衰减器为3dB分支电桥电调衰减器，原理图如图1所示[5]
图1 3dB分支电桥电调衰减器原理图
由上图可知，分支电桥端口1作为输入，则端口2为隔离端，端口3、4为等幅IQ输出端；当分支电桥的端口1加入功率时，端口3、4为等幅正交信号，如果端口3、4存在反射信号，则在端口2叠加，而在端口1相互抵消。
利用此关系可构成输入输出端口具有良好匹配性能的电调衰减器。
图1中在端口3、4接PIN二极管，加正偏压时，PIN等效为电阻R f，再串联50Ω电阻R，用微带短路器进行微波接地。
则
在3、4端口的反射系数是
0f f 00f 00f Z 2R R Z Z R Z Z R +=++−+=Γ）（）（
两只PNI管(Vj1和Vj2)的反射波在2口叠加，因此由
1端口到2端口的衰减量是
)21lg(202R lg(
201l 100
f 2
f
f
R Z R Z g
+
=+=Γ
=α
当正偏流由小变大时，R f 随之减少，衰减量也由小到大。
此结构只要两只PIN二极管的性能一致，分支电桥设计合理，就可以获得良好的衰减特性。
3 电路设计
本文的设计目标为S波段窄带电调衰减器，其工作频率范围为2.3~2.4GHz。
利用仿真软件ADS设计得到了系统整体的电路，此设计主要有分支电桥和PIN二极管构成。
由于各个组成部分的指标均会影响电路的整体性能，因此，本文利用ADS仿真软件进行了整体电路的仿真设计，大大减小了各部分不连续性对整体电路的影响。
本设计所用介质基片的相对介电常数为9.6，厚度为0.8mm。
3.1 3dB 分支电桥的设计
根据设计要求，本文采用了3dB分支电桥作为正交耦合电桥，其特点是具有良好的幅度和相位平衡性。
利用ADS软件中Passive Couplers的综合功能（模型见Passive Circuit DG –
Couplers/BLCplr，如图2（1）），可直接得到3dB 分支电桥。
综合分支电桥的电路结构图见图2（2）、
仿真结果见图2（3）。
（1）3dB
分支电桥综合模型
（2）3dB
分支电桥电路结构
（3）3dB 分支电桥综合结果 图2 3dB 分支电桥的综合
为了便于电调衰减器的整体设计，须将端口略作调整，然后对各个线段的长度与宽度进行细微的调整和优化优化，最终的电路结构和仿真结果如图
3所示。
（1）电路结构
（2）仿真结果
图3 最终电路结构与仿真结果
由图可知，此3dB分支电桥在2.35GHz处的传输损耗小于3.5dB，输出幅度相差0.6dB，输出相位相差89.994°，且表现出良好的反射系数和输出端口的隔离度。
3.2 PIN二极管偏置电压的确定
本文选用的PIN二极管是Agilent公司的HSMS-3810，此二极管是专门为低失真衰减器而设计的，其特性参数见表1、等效电路及直流偏置状态见图4
表1 HSMS-3810
的特性参数
图4 HSMS-3810等效电路及直流偏置状态
根据等效电路模型，在ADS中对其建模及仿真结果见图5所示，其中横坐标为电流（单位：A）、纵坐标为电阻（单位：Ω）
图5 HSMS-3810在ADS中的建模与仿真结果 由上图可知，ADS中对HSMS-3810建立模型的偏置状态与资料所给参数基本吻合，在0.01~100mA 的偏置电流范围内，等效电阻范围为1800~10Ω，并且电阻值随着电流的增大而减小。
3.3 电调衰减器的实现
根据上文设计的3dB分支电桥，以及建立的HSMS-3810模型，得到电调衰减器的仿真结果如图6，其中（1）电路原理图、（2）直流仿真、（3）射频衰减、（4）带内反射。
整体结构设计时，要充分考虑直流通道中的射频隔离和射频通路中的直流隔离问题。
（1）电路原理图
（2）直流仿真结果
（3）射频衰减仿真
（4）带内反射仿真
图6 电调衰减器的仿真结果
图6（2）为直流偏置中电流（单管）与电压的关系，图6（3）、（4）为单管直流扫描电流为ii=0.01~10mA 时的，射频仿真结果。
由图6（3）、（4）可知，此分支电桥衰减器带内最小衰减为0.88±0.06dB，此时带内反射优于16.8dB，直流电流为0.01mA（单管）；带内最大衰减为19.84±0.70 dB，此时带内反射优于25dB，直流电流为3.16mA。
此电调衰减器在衰减量在0.9~19.8dB范围内，直流偏置电流（单管）的调谐范围为0.01~3.16mA，由图6（2）可知，对应的偏压调谐范围为26~212mV，并且其衰减量随着偏置电压（电流）的增大而增大。
4 结论
本文设计了一个工作于2.3~2.4GHz频率范围
内的3dB分支电桥电调衰减器。
该衰减器主要有3dB 分支电桥电和PIN二极管组成。
本文利用Agilent公司的ADS仿真软件先分别设计仿真了3dB分支电桥电和PIN二极管，然后对此设计做了整体性仿真。
仿真结果表明，在射频信号2.3~2.4GHz范围内，该电调衰减器在衰减量、衰减范围、传输平坦度、带内反射等方面均表现出了良好的性能，基本符合设计要求。
参考文献： 1 刘建更.电调衰减器及其应用.半导体情报.1995.8. 32,4:27-30
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3
马广义.大功率电调衰减器的分析与设计.西安电子科技大学学报.1992.12.19,4:81-87 4 侯世谆.0.5～1OGHz 小型微波电调衰减器:89-91 5
吴加荣.基于预失真方法的线性功率放大器设计.南京理工大学硕士论文.2006.6。