射频电路实验 (2)幻灯片.ppt

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1、射频电路实验第1页，共64页，编辑于2022年，星期五实验一、微带低通滤波器设计一、实验目的1、了解微带低通滤波器之设计方法。2、学会使用微波软件设计低通滤波器的流程，并分析结果。第2页，共64页，编辑于2022年，星期五b)波纹：描述通带内信号响应的平坦度c)3dB带宽：定义为通带内衰减3dB处上边带频率和下边带频率之间的差值(分数带宽)d)带外抑制（阻带抑制):在理想的情况下，希望滤波器在阻带中具有无穷大的衰减量，但实际中只能使用有限的元件数目来实现滤波器，因此通常将60dB作为阻带计算的设计值2.技术指标a)插入损耗：定量描述功率响应幅度和0dB基准的差值第3页，共64页，编辑于2022

2、年，星期五3归一化低通原型:两种归一化低通滤波器的实现方式如下图所示，其中串联电感和并联电容交替出现。g0为电路的源电阻或电导，gi为串联电感或并联电容，gN+1为负载电阻或电导等波纹切比雪夫低通原型的值可以通过下面的公式来求取第4页，共64页，编辑于2022年，星期五阶梯阻抗低通滤波器设计近似理论对于长度为l，特性阻抗为Z0的传输线，其负载阻抗为ZL,则输入阻抗公式为：对于负载阻抗为ZL特性阻抗为Z0的传输线，则输入阻抗公式为：对应的输入导纳为：由上式可以看出，当负载阻抗远大于传输线特性阻抗的时候，传输线端接以负载阻抗，近似于一个电容和负载ZL并联。第6页，共64页，编辑于2022年，星期五

3、综上所述，低通滤波器可以由级联的微带高、低阻抗线构成。通常高阻抗线取大于100欧，低阻抗线取小于20欧。电感段、电容段微带线的长度可以通过下面的公式近似求得：通过linecalc工具求出对应高低阻抗微带线的有效介电常数，根据上面的公式求出对应的导播波长,以及相应的高低阻抗线的长度.电感段微带线的长度电容段微带线的长度其中Ro为阻抗阻抗变换值，L，C为低通原型参数值微带线的导波波长:第7页，共64页，编辑于2022年，星期五四、设计的流程1、确定设计的指标2.选择合适的低通原型3.根据选择的基板,计算对应的微带高、低阻抗线的宽度、长度4.建立滤波器仿真模型/仿真第8页，共64页，编辑于2022年

4、，星期五例子：设计一个阶梯阻抗低通滤波器，其通带波纹为0.5dB，截止频率为2GHz,要求在4GHz频率处插入损耗小于30dB，滤波器的特性阻抗为50欧，高阻抗线取120欧，低阻抗线取20欧，基板的高度h=1.58mm,相对介电 常数为4.2,微带厚度为0.5mil.解:(1)根据指标，选择合适的低通原型:由及下面的图可以知道，滤波器的阶数为5第9页，共64页，编辑于2022年，星期五通带波纹为0.5dB低通原型的衰减和归一化频率的关系第10页，共64页，编辑于2022年，星期五(2)根据Linecalc工具可以知道20欧，120欧微带线的宽度分别为：11.27mm,0.4mm.120欧微带线

5、对应的有效介电常数为2.84,20欧微带线对应的有效介质常数为3.65(lincal工具求解)(实际的工程设计中，一般是采用软件工具来求微带线的宽度)(3)对应的5阶滤波器的低通原型参数为：g0=g6=1,g1=g5=1.7508,g2=g4=1.2296,g3=2.5408(4)选择低通原型的第一个元件为串联电感，求对应高、低阻抗线的长度：gC=300/(2*3.650.5)=78.53mmgL=300/(2*2.840.5)=89.02mm第11页，共64页，编辑于2022年，星期五由由第12页，共64页，编辑于2022年，星期五第13页，共64页，编辑于2022年，星期五设计任务:设计一

6、个奇数阶的低通滤波器,截止频率自选,阶数自选,选择的基板:介电常数2.2,厚度1mm;或介电常数9.8,厚度1mm.第14页，共64页，编辑于2022年，星期五ChebyshevChebyshev型型附录：低通原型值：附录：低通原型值：第15页，共64页，编辑于2022年，星期五实验二、微带带通滤波器设计一、实验目的1、了解微带带通滤波器之设计方法。2、学会使用微波软件设计带通滤波器的流程，并分析结果。第16页，共64页，编辑于2022年，星期五二、设计的流程微带带通滤波器的设计步骤：(1)根据设计的指标选择合适的低通原型(2)确定归一化带宽、上边带和下边带。根据滤波器特性对上、下边带以及中心

7、频率的要求，可以确定其分数带宽为：(3)根据分数带宽、低通原型计算导纳变换器的值。第17页，共64页，编辑于2022年，星期五三、实验原理设计方程(1)求解导纳变换器的值使用0.25个导波波长耦合谐振器构成的微带带通滤波器第18页，共64页，编辑于2022年，星期五(2)求出导纳变换器的值后，可以根据下面的公式计算奇模、偶模阻抗(3)根据lincalc工具计算耦合微带线的尺寸第19页，共64页，编辑于2022年，星期五(1)考虑到微带线本身的损耗选择的低通原型为通带波纹为0.2dB的5阶低通原型，其值如下。例子：滤波器的设计指标为：通带5000MHz6000MHz,带内波纹小于0.5dB，带外

8、频率4500MHz以及6500MHz处衰减大于30dB，基片介电常数为2.8,厚度为1mm。第20页，共64页，编辑于2022年，星期五(3)计算导纳变换器的值(2)确定分数带宽第21页，共64页，编辑于2022年，星期五(4)计算奇模、偶模阻抗：第22页，共64页，编辑于2022年，星期五 L1=9.03mm，L2=8.93mm，L3=8.9mms1=0.188mm，s2=0.635mm，s3=0.863mm w1=0.935mm，w2=1.345mm，w3=1.404mm(5)综合微带线的尺寸：根据上面计算的耦合微带线的奇模/偶模阻抗,利用Lincalc工具得到第一级的线宽W=1.682m

9、m，缝隙S=0.092mm，太细了不能保证加工的 精度，因此将特性导纳变为1/70来提高缝隙的宽度。由于主线的阻抗为50，所以滤波器中做要一段阻抗变换线来连接主线和滤波器 由于终端电容效应，L要减去大约0.33h，得到的滤波器微带耦合线的尺寸为：第23页，共64页，编辑于2022年，星期五为了将70欧和50欧匹配，加入了一段宽为2mm,长为9.0mm的/4阻抗变换器。如图所示第24页，共64页，编辑于2022年，星期五第25页，共64页，编辑于2022年，星期五设计任务:根据附录的低通原型,设计一个中心频率为4GHz,分数带宽自定1,或选择合适的Ts，使得Tout的模1第50页，共64页，编辑

10、于2022年，星期五设计实例：采用设计实例：采用AT41411AT41411设计一个共基极的设计一个共基极的2GHz2GHz的振的振荡器。该管子工作在漏荡器。该管子工作在漏-发电压发电压5V,5V,基发电压基发电压0.8V0.8V可以看出谐振端口的反射系数幅度较小。可以看出谐振端口的反射系数幅度较小。第51页，共64页，编辑于2022年，星期五基极串联一个基极串联一个6.5nH6.5nH的电感的的电感的S11S11，对下面的电路进行，对下面的电路进行13GHz13GHz频率扫描，频率扫描，得到得到S11S11的幅度信息的幅度信息第52页，共64页，编辑于2022年，星期五可以看出在频率为可以看

11、出在频率为2GHz2GHz处振荡最强处振荡最强 第53页，共64页，编辑于2022年，星期五 对上面的电路进行定点扫描，得到对上面的电路进行定点扫描，得到2GHz2GHz情况下的情况下的S S参数和参数和K K，如图所示，如图所示第54页，共64页，编辑于2022年，星期五 将上面得到的基极串联电感的将上面得到的基极串联电感的S S参数，输入参数，输入SmithSmith原图，得到输入稳定性圆，并在圆图原图，得到输入稳定性圆，并在圆图上将上将1/S(1,1)1/S(1,1)点表示出来，由于点表示出来，由于S111,S111,因此稳定性圆内，所有的点均满足振荡条件因此稳定性圆内，所有的点均满足振

12、荡条件.1 1、通常是源反射系数选择靠近、通常是源反射系数选择靠近1/S(1,1)1/S(1,1)的点，但不能等于，否则对应的负载端接应的点，但不能等于，否则对应的负载端接应该匹配即负载反射系数为该匹配即负载反射系数为0 0，而实际情况非常难做到完全匹配，因此源反射系数选择，而实际情况非常难做到完全匹配，因此源反射系数选择等于等于1/S(1,11/S(1,1）容易导致振荡停止）容易导致振荡停止 。2 2、为了使谐振电路没有电阻元件，因此将源反射系数取为为了使谐振电路没有电阻元件，因此将源反射系数取为1-451-450 0,其对应的阻抗为一其对应的阻抗为一个容抗，并且从后面的振荡测试可以看出选择

13、该点，可以使得其振荡频率为个容抗，并且从后面的振荡测试可以看出选择该点，可以使得其振荡频率为2GHz2GHz左右。如左右。如图所示图所示第55页，共64页，编辑于2022年，星期五 对于谐振器端，采用源反射系数为对于谐振器端，采用源反射系数为1-45111，相位等于，相位等于0 0，表明该电路在，表明该电路在2GHz2GHz处于振荡状态。处于振荡状态。第58页，共64页，编辑于2022年，星期五 3 3）谐波平衡仿真）谐波平衡仿真(加入加入HBHB控件，控件，HB noiseHB noise控件，以及控件，以及OSCportOSCport控件控件)第59页，共64页，编辑于2022年，星期五

14、相位噪声相位噪声第60页，共64页，编辑于2022年，星期五 4 4）瞬态仿真）瞬态仿真第61页，共64页，编辑于2022年，星期五采用该表达式采用该表达式vs(Vout,time)vs(Vout,time)，得到下面的时域，得到下面的时域瞬态波形瞬态波形第62页，共64页，编辑于2022年，星期五采用下面的表达式对时域进行采用下面的表达式对时域进行FFTFFT变换，得到频域的谱。变换，得到频域的谱。由于该电路没有涉及输出匹配网络的设计，因此其输出的功率较小。第63页，共64页，编辑于2022年，星期五设计任务：采用上面的管子，设计一个频率为设计任务：采用上面的管子，设计一个频率为1.51.52.5GHz2.5GHz中任意频点的振荡器。中任意频点的振荡器。第64页，共64页，编辑于2022年，星期五