微带滤波器的设计制作与调试
HFSS3微带滤波器教程
HFSS3微带滤波器教程
HFSS是一种强大的电磁仿真软件，用于设计和分析微波和射频电路。
本文将介绍如何使用HFSS设计和优化微带滤波器。
微带滤波器是一种常
见的射频和微波电路，用于选择性地传输或阻塞特定频率的信号。
下面是
设计微带滤波器的详细步骤。
第一步是确定所需的滤波器规格。
这包括中心频率、带宽、滤波器类
型和阻带衰减等参数。
根据这些参数，我们可以选择适当的滤波器结构。
第二步是建立HFSS模型。
首先，我们需要绘制滤波器的布局，包括
微带线、电容器和电感器等元件。
然后，根据需要调整元件的物理尺寸和
位置。
在HFSS中，我们可以使用其建模工具来完成这些任务。
第三步是设置HFSS模拟器。
我们需要选择仿真的频率范围和分辨率，并设置适当的激励条件。
通常，我们会使用端口激励来激励滤波器的输入端，并设置合适的端口阻抗。
第四步是运行仿真。
一旦设置好模拟器，我们可以运行仿真以计算滤
波器的S参数和其他性能指标。
在HFSS中，我们可以使用不同的分析工
具和图表来查看结果，例如频率响应图和阻带衰减图。
第五步是优化滤波器性能。
如果滤波器的性能不满足需求，我们可以
尝试不同的设计参数或结构，然后重新运行仿真来评估其性能。
通过多次
迭代优化，我们可以得到满足要求的滤波器设计。
最后，我们还可以进行进一步的分析，例如模拟温度效应、探索器件
的灵敏度和稳定性等。
这些分析可以帮助我们更好地理解滤波器的性能和
行为。
基于HFSS的微带滤波器设计与应用
基于HFSS的微带滤波器设计与应用随着通信技术的不断发展，无线通信系统变得越来越普遍。
为了保证通信质量，必须对无线信号进行有效的过滤，因此滤波器成为了无线通信中最关键的组成部分之一。
基于微带技术的滤波器在无线通信中应用广泛，由于其体积小、重量轻、成本低、工艺简单的特点，在现代无线通信系统中依然扮演着不可替代的角色。
本文将基于HFSS软件，介绍微带滤波器的设计原理、设计流程、实现方法及其在无线通信中的应用。
一、微带滤波器的基本原理微带滤波器（Microstrip Filter）是一种基于微带线和附加衬底的元器件。
它通过在一条微带线（或几个相互交错的微带线）上挂载电容、电感和电阻等元件来实现滤波功能。
微带滤波器的基本结构如图1所示。
图1 微带滤波器基本结构图微带线的特性阻抗通常为50欧米，而微带滤波器需要特定的阻抗、通带和截止频带。
为了实现这些要求，滤波器需要在微带线模型上添加附加的元件来调整频率响应。
元件的安装可以使用多种方法，如串联、并联、交替安装等。
二、基于HFSS的微带滤波器设计流程首先需要明确滤波器的指标要求，包括通带和阻带的带宽、通带和阻带的中心频率、阻带衰减和通带波纹等参数。
这些指标根据具体应用需求而定，对于不同的应用场景可能存在较大差异。
2. 设计微带线结构在得到了所需的指标要求之后，需要根据这些要求设计微带线结构。
常用的方法是采用已有的文献或实验数据资料作为参考模板，进行修改和优化。
设计微带线时需要确定线宽、线距、衬底材料和厚度等参数，以实现所需的过渡阻抗和其他指标。
3. 添加补充元器件为了实现所需的频率响应，需要在微带线模型上添加各种补充元器件。
这些元器件包括电容、电感和电阻等，具体安装方式根据所需指标而定。
4. 模拟仿真使用HFSS软件进行微带滤波器的模拟仿真，得到滤波器的频率响应图和其他重要参数。
常规方法是在仿真软件中建立微带滤波器的三维模型，在模拟中通过修改材料参数、添加元器件、调整参数等方式进行仿真分析。
2024版ADS设计实验教程微波滤波器的设计制作与调试
•引言•微波滤波器基本原理•ADS 软件在微波滤波器设计中的应用•微波滤波器制作工艺流程•调试技巧与常见问题解决方案•实验案例分析与讨论•总结与展望目录01引言微波滤波器概述微波滤波器是一种用于控制微波频率响应的二端口网络，广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
微波滤波器的主要功能是允许特定频率范围内的信号通过，同时抑制其他频率范围的信号，从而实现信号的选频和滤波。
微波滤波器的性能指标包括插入损耗、带宽、带内波动、带外抑制等，这些指标直接影响着通信系统的性能。
设计制作与调试重要性设计是微波滤波器制作的首要环节，良好的设计能够确保滤波器的性能指标满足系统要求。
制作是将设计转化为实物的过程，制作精度和质量直接影响着滤波器的最终性能。
调试是对制作完成的滤波器进行性能调整和优化，使其达到最佳工作状态的过程。
本教程旨在介绍微波滤波器的设计、制作与调试过程，帮助读者掌握相关知识和技能。
教程内容包括微波滤波器的基本原理、设计方法、制作流程和调试技巧等。
通过本教程的学习，读者将能够独立完成微波滤波器的设计、制作与调试，为实际工程应用打下基础。
教程目的和内容02微波滤波器基本原理低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器微波滤波器分类工作原理及性能指标工作原理性能指标常见类型微波滤波器特点集总参数滤波器分布参数滤波器陶瓷滤波器晶体滤波器03ADS软件在微波滤波器设计中的应用ADS软件简介及功能模块ADS（Advanced Design System）是一款领先的电子设计自动化软件，广泛应用于微波、射频和高速数字电路的设计、仿真与优化。
ADS软件包含多个功能模块，如原理图设计、版图设计、电磁仿真、系统级仿真等，可满足不同设计阶段的需求。
ADS软件支持多种微波滤波器类型的设计，如低通、高通、带通、带阻等，具有强大的设计能力和灵活性。
微波滤波器设计流程确定滤波器类型和性能指标根据实际需求选择合适的滤波器类型，并确定滤波器的性能指标，如中心频率、带宽、插入损耗、带外抑制等。
微带低通滤波器的设计1
微带低通滤波器的设计一、题目低通滤波器的设计技术参数：f < 900MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm。
仿真软件：HFSS二、设计过程1、参数确定：设计一个微带低通滤波器，其技术参数为f < 900MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm 。
2、设计方法：用高、底阻抗线实现滤波器的设计，高阻抗线可以等效为串联电感，低阻抗线可以等效为并联电容，计算各阻抗线的宽度及长度，确保各段长度均小于λ/8（λ为带内波长）。
3、设计过程：（1）确定原型滤波器：选择切比雪夫滤波器，Ώs = fs/fc = 1.82，Ώs -1 = 0.82及Lr = 0.2dB，Ls >= 30，查表得N=5，原型滤波器的归一化元件参数值如下：g1 = g5 = 1.3394，g2 = g4 = 1.3370，g3 = 2.1660，gL= 1.0000。
该滤波器的电路图如图1所示：图1（2）计算各元件的真实值：终端特性阻抗为Z0=50Ώ，则有C1 = C5 =g1/(2*pi*f0*Z0) = 1.3394/(2*3.1416*9*10^8*50) = 4.7372 pF，C3 = g3/(2*pi*f0*Z0) = 2.1660/(2*3.1416*9*10^8*50) = 7.6606 pF，L2 = L4 = Z0*g2/(2*pi*f0) = 50*1.3370/(2*3.1416*9*10^8) = 11.8277 nH。
（3）计算微带低通滤波器的实际尺寸：设低阻抗（电容）为Z0l = 15Ώ。
经过计算可得W/d = 12.3656，ε e = 2.4437，则微带宽度 W1 = W3 = W5 = W = 1.000*12.3656 = 12.3656mm，各段长度 l1 = l5 = Z0l*Vpl*C1 =15*3*10^11/sqrt(2.4437)*4.7372*10^-12 = 13.6370mm，l3 = Z0l*Vpl*C3 =15*3*10^11/sqrt(2.4437)*7.6606*10^-12= 22.0526mm，带内波长λ = Vpl/f =3*10^11/(sqrt(2.4437)9*10^8) = 213.23780mm，λ/8 = 26.654725mm，可知各段均小于λ/8，符合要求。
微带滤波器的设计制作与调试
S参数测试框图
噪声系数测试框图
低噪声放大器的调试（续）
? 需要测试的参数主要有以下几个 ?S11，S22：输入、输出端的反射系数 ?S21：传输系数，由此可测得放大器的增益 ?噪声系数
? 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。
? 噪声系数
? 定义 ? 意义是信号通过放大 ?ê è?
器后，信噪比恶化的
Sin ￠ ? 2¨?·′ ó ?÷ Sout ?ê 3?
Nin
Nout
倍数。
低噪声放大器的技术指标（续）
? 稳定系数
定义 ?
K
1? ?
S 11 2 ?
S 22
2?
D2
2 S 12 S 21
式中S11，S22，S21，S12是晶体管的S参数，
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
?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。
HFSS高性能平行耦合微带带通滤波器设计与仿真攻略
HFSS高性能平行耦合微带带通滤波器设计与仿真攻略HFSS（High Frequency Structural Simulator）是一款广泛应用于高频电磁场仿真的软件工具，具有高效准确的计算能力，广泛应用于微波通信、天线设计、微带滤波器设计等领域。
在微带带通滤波器设计中，HFSS软件可以帮助工程师快速准确地设计出性能优异的滤波器，提高设计效率和准确性。
本文将介绍HFSS软件在高性能平行耦合微带带通滤波器设计与仿真中的一般步骤和攻略。
一、平行耦合微带带通滤波器原理平行耦合微带带通滤波器是一种结构简单、性能良好的微带滤波器，通常由一组垂直耦合微带谐振器和几个开路微带谐振器组成。
通过合理设计电路结构中的微带谐振器的长度、宽度和耦合间隔等参数，可以实现所需的滤波特性。
平行耦合微带带通滤波器通常具有较低的插入损耗、较高的带宽和较好的阻带衰减等性能。
二、HFSS平行耦合微带带通滤波器设计步骤1.确定滤波器的工作频率和性能指标，如通带中心频率、通带带宽、阻带衰减等；2.设计滤波器的电路拓扑结构，包括微带谐振器的种类和数量、耦合方式等；3.利用HFSS软件建立滤波器的三维模型，并设置仿真参数，如工作频率、网格精度等；4.通过HFSS软件进行电磁场仿真，分析滤波器的传输特性和谐振器的工作状态，调整设计参数以满足性能指标；5.优化滤波器的结构设计，如微带谐振器的长度、宽度和耦合间隔等参数；6.在HFSS软件中进行频域和时域仿真，验证滤波器的性能指标是否满足设计要求；7.在满足性能指标的前提下，进一步优化滤波器的结构设计，以降低损耗和提高性能；8.导出最终的滤波器设计文件，用于制作和验证实际器件性能。
1.合理选择HFSS软件版本和许可证类型，确保软件功能和性能满足设计需求；2.熟练掌握HFSS软件的操作界面和基本功能，包括建模、设置仿真参数、网格划分、分析结果等；3.在建立滤波器的三维模型时，注意设计精度和模型简化，提高仿真效率和准确性；4.在仿真过程中，结合HFSS软件的参数优化功能，快速有效地调整设计参数，实现滤波器性能的优化；5.结合HFSS软件的频域和时域仿真功能，全面分析滤波器的传输特性和动态响应，确保性能指标的准确性；6.在滤波器设计的不同阶段，及时保存和备份仿真文件和结果，方便后续验证和分析；8.最终，通过HFSS软件的仿真和验证结果，确定滤波器的结构设计方案，并导出制作文件进行实际器件的制作和测试。
微带滤波器设计(II)
摘要摘要微带滤波器以其尺寸小、成本低、加工方便等优点，在现代移动通信和无线通信中应用越来越广泛。
本文主要讨论了微带滤波器中常用的平行耦合微带线带通滤波器。
文章结合滤波器设计的基本理论和平行耦合线的基本理论，给出平行耦合微带线带通滤波器的两种设计方法，即：变形低通原型使用K变换器的设计公式和使用J变换器的设计公式，总结了平行耦合线的综合公式。
为了验证设计给出了一个设计实例，通过仿真证明了设计的可行性，并对设计过程中常遇到的耦合间隙太小，很难实现的问题做了探讨。
制作了两种滤波器的实物，分别是用本文给出的方法设计的滤波器和用仿真工具设计的滤波器，对其进行测量并作了比较。
关键词:微带滤波器变形低通原型等效电路平行耦合线带通滤波器ABSTRACTABSTRACTMicrostrip filters have been applied more and more extensively in modern mobile communication and wireless communication due to the advantages such as small size, low cost and easy fabrication. Parallel-coupled microstrip bandpass filter, which is one of the most widely used microstrip filters, is mainly discussed in this paper. Based on the theories of filter design and parallel-coupled microstrip lines, this paper presents two design methods, which are method with K convertor used in the transmogrification low prototype and method with J convertor used in the transmogrification low prototype. The synthetic formulas of parallel-coupled are also included. A design example is given to validate the formulas. Simulation is done and it proves the design feasible .The problem that the coupling space is often too small and hard to realize is also discussed. Two filters are fabricated, one is the filter designed on the method proposed in this paper and the other using simulation tool. They are measured and compared.Keywords: microstrip filter transmogrification low prototypeequivalent circuit parallel-coupled microstrip bandpass filter目录i目录第一章绪论 (1)1.1 微带滤波器简介 (1)1.2 微波滤波器的发展 (1)1.3 微波滤波器的技术指标 (2)1.4 微带滤波器的设计方法 (3)1.5 本文的主要内容 (4)第二章滤波器的基本理论 (5)2.1 低通原型的设计理论 (5)2.1.1 最平坦型滤波器的基本理论 (6)2.1.2 切比雪夫滤波器的基本理论 (7)2.1.3 椭圆函数滤波器的基本理论 (8)2.2 滤波器的频率变换 (10)2.2.1 频率变换理论 (10)2.2.2 由低通到高通的频率变换 (10)2.2.3 低通到带通的频率变换 (12)2.2.4 由低通到带阻的频率变换 (13)2.3 变形低通原型理论 (15)第三章平行耦合线的奇偶模理论 (19)3.1 平行耦合线结构 (19)3.2 奇偶模法 (20)第四章平行耦合线带通滤波器的设计 (23)4.1 变形低通原型使用K变换器的设计公式 (23)4.2 变形低通原型使用J变换器的设计公式 (29)4.3 平行耦合微带线的综合 (33)4.3.1 计算耦合线的宽度和间隙 (33)4.3.2 计算耦合微带线 (34)第五章设计实例 (37)ii 目录5.1 用变形低通原型使用J变换器的设计公式进行设计 (37)5.2 用软件进行设计 (42)5.3 两种方法的对比 (44)第六章结论 (47)致谢 (49)参考文献 (51)第一章绪论 1第一章绪论1.1 微带滤波器简介微波滤波器是现代微波技术中许多设计问题的中心，利用它可以分离或组合各种不同频率的信号。
微带滤波器的设计
微带滤波器的设计微带滤波器（microstrip filter）是一种常用的电子滤波器，它具有结构简单、制作成本低、易于集成等优点，因此在无线通信、雷达系统、微波封装等领域得到广泛应用。
本文将介绍微带滤波器的设计流程和关键要点。
首先，微带滤波器的设计流程可以分为以下几个步骤：确定滤波器参数、选择滤波器类型、确定滤波器阶数、计算微带线宽度和长度、构造网络模型、优化设计。
第一步是确定滤波器的参数，包括中心频率、带宽、阻带衰减等。
这些参数直接影响着滤波器的性能和应用场景，因此需要根据具体需求进行合理设定。
第二步是选择滤波器类型，常见的微带滤波器类型有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
选择合适的滤波器类型可以更好地满足设计要求。
第三步是确定滤波器的阶数，阶数决定了滤波器的斜率和阻带衰减。
一般情况下，阶数越高，滤波器性能越好，但同时也会增加设计的复杂度。
第四步是计算微带线的尺寸，包括宽度和长度。
微带线的尺寸直接影响滤波器的中心频率和带宽，因此需要进行合理的计算和调整。
第五步是构造滤波器的网络模型，可以使用传统的电路模型或者仿真软件进行建模。
在模型中，需要将微带线和谐振器等元件进行合理的连接和布局。
最后一步是优化设计，通过调整微带线的长度、加入补偿电容电感器等措施，来达到更好的滤波器性能。
优化设计可以使用仿真软件进行参数调整和优化。
除了以上的设计流程，还有一些关键要点需要注意。
首先是微带线的制作工艺，微带线需要精确的制作技术，以确保滤波器的性能和稳定性。
其次是对滤波器的测试和调整，通过实验和测量，可以得到实际滤波器的性能参数，从而进行必要的调整和改进。
最后是设计的可行性和可靠性，滤波器设计需要符合实际应用需求，并且具备足够的抗干扰能力和稳定性。
总的来说，微带滤波器的设计是一项复杂而又重要的任务。
通过合理的设计流程和关键要点的注意，可以得到性能优良的微带滤波器，用于满足不同领域的需求。
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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)。
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。 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。
通带内的群时延
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。
微带滤波器的结构
微带滤波器制作简单，能够直接做在电 路板上，容易同电路的其他部分连接， 以下就是几种常见的微带滤波器的结构。
g
Z
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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 (
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g
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Zg
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。
e
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 氧化铝陶瓷 Al2O3 人工复合介质 高频玻璃纤维 FR4
2.5 9 3 4.3
– – –
2.8 9.9 20 4.7
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 (
l
2
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。
微波滤波器的技术指标
优化目标的设置
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。
观察仿真曲线
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。
版图仿真的窗口
版图仿真的曲线
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。
高低阻抗线低通滤波器
微带滤波器的结构（续）
平行耦合线带通滤波器
交指滤波器
微带滤波器的结构（续）
微带滤波器的设计
以平行耦合线带通滤波器为例介绍一下 使用ADS软件设计滤波器的方法，具体 包括原理图绘制，电路参数的优化、仿 真，版图的仿真等步骤。 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。
微波电路综合实验
2003.9
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。 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。
微带电路的基本元件（续）
集总参数元件
电容 -- 贴片电容，陶瓷电容 电感 -- 贴片电感，磁芯线圈 电阻 -- 贴片电阻 晶体管 – 贴片封装
实验一 微带滤波器的设计 制作与调试
波滤波器简介
微波滤波器是一种具有选频功能的微波器件， 它从频率上分离与阻隔微波信号，使在特定 频带内的信号得以通过（通带）或被抑制 （阻带）。由于这一特性，它的应用极为广 泛，尤其是在多频率工作的系统中，更是不 可缺少的一类元件。
微带滤波器的原理图
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。
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
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。
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。 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。
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 0 微带中的波长 g
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
射频 振荡器 馈线
发射 天线1
基带调制信号
中频 BPSK 调制器
中频 中频 滤波器 滤波器
上变频器
射频 滤波器1
功率 放大器
功分器 发射 天线2 馈线
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。