射频电路实验报告.docx

射频电路实验报告学院:信息学部班级：150273姓名：于书伟学号：15027321指导老师:金冬月时间:2018年6月图2-13设置微带线自动设计模块和微带参数设置控件选中模块，完成匹配网络的生成。此时返回原理图，选中模块，单击工具栏上的按钮, 可以看到生成的匹配电路，单击返回原电路图。PortMTEETeelMLINH<2>PortP2 . Num=2TL2Subst'MSubl" W1 =9.914 milW2=9.914 milW3=9.914 milSubst="MSub1"W=9.914milL=77.546 milq MLEF ,TLT -'工I Subst="MSub1"毛 W=9.914mil=L=252.68 mil图2-14生成的匹配电路对原理图进行仿真，可以看到输入匹配后S11的仿真结果。m5freq=2.400GHzdB(S(1,1)=-39.597-30-40-0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0freq. GHz图2-16完成匹配后S11仿真结果在输入匹配完成的电路基础上，进行仿真，在数据显示窗口中添加列表，显示Zin2, 得到输出阻抗的仿真结果。freqZin20 0000 Hz1 528E3/-126 855100 0MHz549 371 /-73 2912000MHz300 660 / -62 255300 0 MHZ230 623/-56 136400 0 MHz192 676/61 7515000MHz174 374/-47 1 95600 0 MHZ159 970/-44 219700 0 MHz151 421 /-43 530800 0 MHZ143 203/-42 789900 0MHZ137 341 7-42 9391 000 GHz133 845/ -42 0331 100 GHZ128 304/-41.7901 200 GHZ124 921 /-42 2871 300 GHZ120 175/-41.5711 400 GHZ116 086/-40 7601 500GHZ114 126/-40 6871 600 GHZ112 717/-40 6121 700GHZ110 394/-39 6331 800 GHZ110 049/-39 7361 900 GHZ107 020/-39 7312 000GHz107 276 / -40 2802 100 GHz107 544/-41 1722 200 GHZ106 519/-41 3622 300 GHz104 539/-43 409?的9 GHz"3 堂/Q更2 600GHZ97 477/-48 0252 700 GHZ94 705/-49 5522 800 GHz89 607/-50 1642 900 GHz86 285 / -50 961图2-17输出阻抗的仿真结果图2T7显示的阻抗数据为r/。形式，将2. 4GHz频点处的输出阻抗换算为3取M形式， 换算公式为：a rcos0, b = rsin0查表 2.4GHz 处L 103.686,。=-45. 0860,计算得到 a=73. 210hm,73. 430hm。将Simth圆图匹配模块放置到原理图中并连接于晶体管和输出端口之间，如下列图所示。, ' Starts GHz '''1 , Stop=5 GHz. . . Slep=O 1 GHz;同：画 I.Zh IMSublH=1O.O mil E9.6 ' . , Mur=1 Cond-1.0E+50 Hu=3,9e+034 mil T=0 mil lanDiO-Rough=0 milZin1 ,Zin2 ,Zin1=zin(S11,PoflZ1)Zin2=zin(S22,RortZ2) . 昌：；：.DA_3SMatcJ)1 Jipei , ' .DA_SSMatch1Term' ,'SubstMSubl"',sp_ ipjAT-41511：2_19%0125-feHTd F=24GHz , ',SNf*1 'Num=1- Zin=50 Ohm -Bia ="Bjt Vce=2.7V.lc=6mA"Z=50 Obm. Zload.=(19.3+j*12.3) Qhnf® uency="0.10 -5.10 GHz".Zslub=50 OhmZline=50 OhmDA_SmithChartMatch j»| ei.DA_SmithChartl»tatch23 lerm -fe(m2 Num=2 2=50 OhmZfeed=50 Onm-Stub1ype=0pen Circuit NefType=Au<omatie Delta =0 mil图 2-18 在输出端使用 Simth Chart Matching双击模块，将Fp设置为2. 4GHz,Zg设置为之前计算得到的输出阻抗数值(53.4-j*75.2),单位为Ohm, ZL设置为500hm,如下列图所示:图2-19设置Simth匹配模块参数File Edit View Circles KelpaletteVS佩Gxca 0. OOOOO(GHz)Z0 (Ohf»s)50J Morral:xeCurrent Sch4ftzicRF de»>cn prj ： 15S».ftrtCa»pon«nttbChartMatchlDefine Source/Lod Metwork Temin4tions .Lock Source lepedan”Lock Load Inpedance0 ooooo1.00000 +J0.00000rococot. ooooo *j0.00000Network SchematicS-l“gd Component Zo¥0“Loss.图2-20 Simth匹配设置窗口单击 DefineSource/Load Network terminations 按钮，选中 Enable Source Termination 和 Enable Load Termination, 在 Source Impedance 和 Load Impedance 下的下拉菜单中选 择Complex Impedance,完成后单击ok按钮。Enable Source TerminationV Enable Load TerminationSource ImpedanceComplex ImpedanceLoad ImpedanceComplex ImpedanceInfoSelecting “Enable“ for either Load or Source termination will use the impedance as in this dialog, and lock the manual entry of source/load on the Smith Chart. The s or load lock checkbox on the main window will also be set. The “Network Response“ * include broadband effects due to the terminating network.OK图2-21输入输出阻抗设置在左侧的面板中添加电容电感元件进行阻抗匹配。完成匹配后单击Build ADS Circuit,返回原理图选中模块，单击工具栏上的按钮，可以看到生成的匹配电路，单击返回原电路图。Ie Edit View Circles Help图2-22完成匹配后的Simth模块.L .L1L=4.912445 nHR=Te-12 Ohmy, Port ,- P1.Num=1C-C1 , . ,C=33.O82194 fFPortP2Num =2图2-23生成的匹配电路此时对原理图进行仿真，可以看到输出匹配后S22的仿真结果。m2 freq=2.400GHz dB(S(2,2)户-59034-50-11-601| | | | |0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0freq, GHz图2-17完成匹配后的S22仿真结果可以看出dB (S (2, 2) =-59. 034dB<-40dB,满足实验要求。实验三、低噪声放大器设计训练1 .实验目的使用编号为sp_hp_AT-32033_6_19950105的晶体管设计低噪声放大器，使得该低噪声放 大器在2.4GHz处S21大于5dB, Su小于-10dB,大小于TOdB,噪声系数小于2dB,在2-5GHz 频带内稳定系数大于1。2 .实验原理低噪声放大器，噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置 放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪 声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。3 .实验内容新建一个模版为S_params的原理图，插入型号为sp_hp_AT-32033_6_19950105的晶体管(静态工作点为：Vce=2.7V, Ic=5mA),再插入各种所需的电路元件，得到的原理图如下：SIOPOHZMSu»l图3-1低噪声放大器原理图其中，PCB板材选用FR-4板材，单击Tools/LineCalc,在弹出的选项中选择Start LineCalc,将其参数设置为:Freq=2. 4GHz,Z0=50Q ,H=0. 8mm,ErM. 3,Mur=l,Cond=5. 88E+7, Hu=l. 0e+033mm, T=0. 03mmo 计算得到微带线宽度约为 60nli1 (即 L 524mm)。接下来设置各段传输线，在对话框中单击Optimization选项卡，将Optimization Status设置为Enable,最小值设置为lOmil,最大值设置为2000mil；宽度W设置为60nli1。然后添加控件Optim将Number of iteration值设置为200。随后添加优化目标模块Goal, 其设置如上图所示。最后进行原理图仿真，在数据显示窗口添加SU、S22、nf(2)> StabFactl的矩形图， 得到电路的仿真结果，如果仿真结果不合格，那么点击Update Optimization Values进行优 化，直到最后的仿真结果满足实验要求。二)日力昌4 3E)R t> e .：+03 W剪悬名 行唔谥京KI只eowstMAa ua/wi旦学2 BS«tWOHLStOpeS SMh05OHe回圉2：-MSubLTtnuanceffofnea hrcarCM-'F*i3iAny»，Rjroetf«g 30*2 03noMM g SVCnarRxB*“，：二飞RRM9W*r”25OH：Kjnp<w*;*“ aura-Rare'MRMUeV«<MOpttHT1 Ooirn 口 k？ UaMl«*XC OesME/w* 市;nntar/W*D*RWWfl-XcT y/«K 皿Oitvm2M 96口日白与R t)e +®w，4±£03 Jd JJS-Parameters vs FrequencyyrAV -SHS心得体会这次实验总体来说不算难，按照指导书就能快速完成，因此本次试验是我单独完成的。 主要复习了 ADC软件使用以及smith圆图应用，巩固射频电路的相关知识。实验过程比拟快， 在做完例题以后再做习题就很快了。目录实验一低通滤波器设计31 ,实验目的32 .实验原理33 .实验内容3实验二、偏置电路和匹配电路设计训练51 .实验目的52 .实验原理53 .实验内容5实验三、低噪声放大器设计训练141 .实验目的142 .实验原理143 .实验内容14心得体会16实验一低通滤波器设计1 .实验目的设计一款应用于2.4GHz的低通滤波器，该低通滤波器的主要性能指标包括：在低频通 带的插入损耗(S21)大于TdB； -3dB截止频率小于3GHz；在低频通带的输入反射系数(S11) 小于-10dB。给出该低通滤波器中各元件值及S参数频响曲线。2 .实验原理低通滤波(Low-pass filter)是一种过滤方式，规那么为低频信号能正常通过，而超过设 定临界值的高频信号那么被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度那么会依据不同的频率以及不同 的滤波程序(目的)而改变。它有的时候也被叫做高频去除过滤(high-cut filter)或者 最高去除过滤(treble-cut filter)。低通过滤是高通过滤的对立。低通滤波器是容许低于 截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。3 .实验内容(1)原理图设计按照实验要求在ADS上添加电容元件Cl、C2,电感元件LI、L2,在元件模型下拉框中 选择Simulation-S.Param,将模拟控制器和端口添加到原理图中，并对它们进行连接，如 图1-6所示。双击S参数控件，将Start设置为0、Stop设置为5、Step-size设置为0. 1, 单击ok完成设置。搭建原理图如下图。S_Param - SP1Start=O GHzStop=5 GHzStep=0.1 GHzNum=1Z=50 OhmL=1.0nHC=1.0 pFL2 L=1.0nH R=- CC2C=1.0 pFTerm 1erm2 Num=2Z=50 Ohm图1-1低通滤波器电路图(2)模拟仿真单击【Simulate】/【Simulate】进行仿真，弹出数据显示窗口，选择要显示的S(2, 1) 参数S(l,l)参数，并在原理图中单击电容、电感元件，改变电感值与电容值的最大值与 最小值，上下滑动调节滑块，观察数据显示窗口中S21, S11曲线的变化。最终得到满 足要求的电路。仿真结果如下：笳 Tune Parameters图-2仿真参数设置图1-3仿真结果可以看出在低频通带的插入损耗dB(S(2, l)=-0. 062dB>-ldB, -3dB截止频率为2. 7GHz<3GHz；在低频通带的输入反射系数dB(S(l, 1)=-18. 500<-10dB。满足实验要求。实验二、偏置电路和匹配电路设计训练1 .实验目的请为编号为pb_hp_AT32033_l9950105的晶体管设计偏置电路和匹配电路， 使得Su、S22均小于-40dB,并给出具体的偏置电路和匹配电路及S参数频响曲 线。2 .实验原理偏置电路晶体管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大，就必须保证晶体管的发 射结正偏、集电结反偏。即应该设置它的工作点。所谓工作点就是通过外部电路的设置使晶 体管的基极、发射极和集电极处于所要求的电位(可根据计算获得)。这些外部电路就称为 偏置电路。阻抗匹配(impedance matching)信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相 位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输 入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。3 .实验内容(1) 晶体管直流工作点扫描新建以BJT_curve_tracer为原理图的模板，并插入晶体管pb_hp_AT32033_ 1995 0105, 添加元件，连线后得到下列图所示电路：图2-1电路原理图接下来进行仿真，仿真完成后弹出数据显示窗口。在数据显示窗口中可以看出设计模 板已经预先设置好了静态工作点，并可以显示出在静态工作点时器件的集电极电流、基极电 流、集电极-发射极电压以及静态功耗，如图2-2所示。同时，为了在保证一定增益的情况 下，使得BJT的噪声系数较小，我们选取静态工作点为：基极电流IB为50uA,集电极电 流IC为5mA,集电极-发射极电压Vee为2.7V。BJT DC Collector Current vs. Collector-Emitter VoltageUse with BJ-Lcurve_tracer Schematic Template23451IBB=1 200E.4 IBB=11 OOE-4IBB=1 000E-4 IBB=9 000E-5 IBB=8.000E-5 IBB=7000E-5IBB=6 000E-5 IBB=5.000E-5 IBB=4 000E-5 IBB=3000E-5 IBB=2000E-5VCEValues at bias point indicated by marker ml. Move marker to update.Device PowermlVCE=2.7000000000 IC.i=0.0049056166 IBB=0.000050VCEConsumption, Watts2.7000.013图2-2完成仿真的数据显示窗口Jv.DC SRC3 一 Vdc=VBEftLI Probe I8+1 V.DCSRC4-T Vdc«2.7Vpb_ 141511,19950125 Q2PARAMETER SWEEP |SwMp2SweepVar-VBE"尸 DC2"Simln$tanceNam»(2xSimlnstanceName(3|sSimlnstanceName4«Simlnstanc«Namt(5|BSimlnstanceName(QsStarfO VStop” VStep«0.01 Vrvn VAR妇 VAR2VBE =0VDC2SweepVaVBE-Start* 0Stop® 1Step=0.01再次新建原理图，类似的，插入元件模型pb_hp_AT415119950125；添加各种元件后, 将他们放置于电路图设计窗口中，设置得到电路图如图2-3所示：图2-3连接完成的电路图进行仿真，选择要显示的IB. i参数，得到BJT的基极电流随基极电压的变化曲线。选择 当基极电流IB约为50 口 A的点，以获取对应的基极-发射极电压Vbe （约为0.81V）,如图 2-4所示。图2-4基极电流随基极电压的变化曲线再次新建原理图，添加元件并连线如下图其中，Vdc设置为5V, R1二(Vdc-Vee) / (基 极电流+集电极电流)=(5V-2. 7V)/(5mA+50 u A) 455 Q ； R2= (Vce-Vbe)/IB= (2. 7V-0. 8V) /50uA38KQoR1R=455 Ohm1.VDC .十| SRC1Vdc=5V蠹dc|I - DC1 .I RJ> R2R =38 kOhm1、pb_ ip_AT41511_19950125Q2图2-5偏置电路的搭建进行仿真，关闭弹出的窗口，回到电路图设计窗口，得到电路各节点的电压与电流如图 2-6所示。DC-DC15.01. mA 5 vR1R=455 Ohm.-5.01 mA .：1. V=DC .十| SRC1Vdc=5 V2.72 V6。6 uA 2:72 V，'R ''''R299 mV.R=38 kOhm -4.96 mA -50.6 uA- 图2-9电路各个节点的电压以及电流Pb_ Q2悔第IF掰&11_19950125可以看出，采用电阻实现的偏置电路所提供的静态工作点与最初所选择的BJT静态工 作点基本吻合。（2）晶体管S参数的仿真spLtP2AT203316j199501(®SNIMSub2 HsIOOriirEu9.6 , MuE .CondPl.OEt5O.Hv=3,9e*034 mil T=0 nilStart=O GFt .，.Step=Q?GH:I * I L Z- I z«n. Zin4SPMSub建立新的Design原理图设计模板选择S_params,将器件加入到原理图中并仿真其S 参数，选择sp hp_AT-32033_6_1995 0105,右击选择Place Component,将元件模型（静态 工作点为：Vce=2.7V, Ic=5mA）添加到电路中并连接，原理图如图2-10所示 Zihl=zin(S11,PdrtZl)2in2=zin(S22.PortZ2) , TainD=0 'Rough=Omd.disptemp2."S Params Quad dB SmttT图2-10原理图图2-11仿真结果2 0 2 4(Ndsmp双击原理图中S参数控件，将Start设置为OxStop设置为5>Step-size设置为0. 1, 单击ok完成设置。进行仿真，仿真完成后弹出数据显示窗口。在数据显示窗口中添加两个 矩形，分别显示S11与S22的仿真结果如图2-11。测试2.4GHz频点处晶体管的输入阻抗，添加两个阻抗控件Zinl、Zin2,双击第二个 端口输入阻抗控件Zin2,在弹出的对话框中将Function修改为Zin2=zin（S22,PortZ2）。然 后进行仿真，得到输入阻抗Zinl的仿真结果：freqZinl0 0000 Hz 100 0MHZ 200 0MHZ 3000 MHZ 400 0 MHZ 500 0 MHz 600 0 MHZ 700 0 MHz 800 0 MHZ 900 0 MHZ 1 000 GHZ 1.100GHZ 1 200GHZ 1 300 GHZ 1 400GHZ 1.500GHZ 1 600 GHz 1 700 GHZ 1 800GHZ 1 900 GHZ 2 000 GHz 2 100GHZ 2 200 GHZ 2 300 GHZ2 600 GHz 2 700 GHz 2 800 GHz 2 900 GHZ1 072E3/-48 408 250 910/-61 280 137 774/-60 36199219/-55 295 80264 / -49 142 69 124/-42 511 63 089/-37 67858814/-32 23355814/-28 520 533987-24.546 51 625/-21 442 51.100/-18 13949.556/-14 80549 062/-12 50848 773/-10 18848 342/-7 77348 322 7-5 38248 393/-2 88348 388/-1 31548 058/0 31948 838/1 85448 589 / 4 27849 057 / 5 62049 379/6 83050 871/11379 51.343/12 464 51 886/13523 52 502/14 553图2-12仿真结果上图显示的阻抗数据为r/。形式，将2.4GHz频点处的输入阻抗换算为己取动形式, 换算公式为：a = rcos0, b = rsin0查表 2.4GHz 处尸50.000,夕=8. 0080,计算得到的49. 510hm,炉6. 970hm。在原理图中的元件模型下拉框中选择Passive Circuit DG - Microstrip Circuits, 将微带线自动设计模块和微带参数设置控件放置于原理图中，将模块连接于输入端口和晶体 管之间，双击MSUB控件，设置其参数如下列图所示；双击模块，将F设置为2.4GHz, Zload 设置为之前计算得到的输入阻抗数值(49.15+j*6.97),单位为Ohm。如下所示：.S-PARAMETERSS ParamMSubMSUBSP1MSublH=10.0 mil Er=9.6 - Mur=1 -Start-0 GHzStop=5 GHzStep二 0 1 GHz|由 |r£Q|I 碗., . .ZinZin Sp_ ipjAT-4151112_19950125SNf1 Cond=1 0E+50DA_SSMatch1_pipeiHu=3.9e+034 mil T=0 mil 1anD=0 , Rough=0 milZin1Zin2Zin1=zin(S11,PortZ1.)Zin2=zin(S22,PortZ2)DA_SSMatch1-erm SubstMSubT1Term11 F=：2 4 GHz -'Num=1- Zin=50 OhmZ=50Ohm. Zload=(19.3+f12.3)OhmZstub=50 OhmBia< ="Bjt: Vce=2.7V lc=5mA".Free uency="0.10 -5.10 GHz".Zlme=50 OhmTermTefYn2 Num=2 -Z=50 OhmDelta=O mil图2-12添加微带线自动设计模块和微带参数设置控件窗 Single-Stub Match:10E：ADS2009Jin_prjnetworksDA_SSMatchl_pipeiInstance Name (name <start： stop>) DA_SSMatchlSelect Parameter Subst="MSubl"qF=2.4 GHzZin=50 OhmZload=(19.3+j*12.3) Ohm三Z$tub=50 OhmZline=50 OhmZfeed = 50 OhmStubType=Open Circuit NetTvoe=Automatic"AddCutPasteZload (Complex, e. g. 1.2+j*2.5)19.3+j*12.3| Ohm Equation Edi tor.Tune/Opt/Stat/DOE Setup./ Display parameter on schematicComponent Options.Zload ： Load Impedance to MatchOK