西安交大射频专题实验

1、射频专题实验报告姓名：班级：学号：实验一 匹配网络的设计与仿真一、 实验目的1、 掌握阻抗匹配共轭匹配的原理；2、 学习并掌握L型阻抗匹配网络的设计方法；3、 掌握并（串）联单支节调配器、四分之波长阻抗变换器匹配原理；4、 学习并掌握微带单枝短截线线匹配电路的设计方法；5、 学会使用射频电路仿真软件ADS进行电路的设计和仿真。二、 实验原理基本阻抗匹配理论当RL=Rs 时可获得最大输出功率,此时为阻抗匹配状态。无论负载电阻大于还是小于信号源内阻,都不可能使负载获得最大功率,且两个电阻值偏差越大,输出功率越小。阻抗匹配概念可以推广到交流电路。,当负载阻抗ZL与信号源阻抗Zs共轭时,即ZL=Z*s

2、,能够实现功率的最大传输,称作共轭匹配或广义阻抗匹配。如果负载阻抗不满足共轭匹配条件,就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络N,将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭,实现阻抗匹配。三、实验内容1、分立器件LC匹配网络设计设计目标：设计L型阻抗匹配网络，使Zs=（25-j*15）Ohm信号源与ZL=（100-j*25）Ohm的负载匹配，频率为50MHz。2、微带单枝短截线线匹配电路的设计设计目标：设计微带单枝短截线匹配网络，使Zs=（55-j*40）Ohm信号源与ZL=（30+j*50）Ohm的负载匹配，频率为1.5GHz。四、练习内容1、设计L型阻抗匹配网络，使Zs=（46-j*124）Ohm信

3、号源与ZL=20+j*100Ohm的负载匹配，频率为2400MHz。思考：在一个传输系统中，反射系数越小越好，传输系数越大越好，这样该系统的传输效率越高，系统性能越好。该仿真实验中，S参数的S11代表反射系数，S21代表传输系数。仿真结果如上图，在中心频率处及2.5GHz处，S21最大，S11最小，即此时反射最小，这是由于网络得到很好的匹配，故而使得传输系数增大，反射系数减小，也就是系统的传输损失减小。所以中心频率处系统的性能最好也就是传输效率最高。2、设计微带单枝短截线线匹配电路，使MAX2660的输出阻抗Zs=（126-j*459）Ohm与ZL=50Ohm的负载匹配，频率为900MHz。微

4、带线板材参数：相对介电常数：2.65 相对磁导率：1.0导电率：1.0e20 损耗角正切：1e-4基板厚度：1.5mm 导带金属厚度：0.01mm思考：S22为传输系数，S21是反射系数，由仿真结果图可以得出，在中心频率附近处，当S22最大时，S21最小，故利用微带单枝短截线，可以使阻抗匹配得到匹配，降低损耗。在一个网络中，当传输系数越大越好，反射系数越小越好，此时，系统传输中的损耗减小并且提高了性能，使得利用效率尽可能提高。实验中损耗系数不可能完全为零，因为存在一定的实验误差，有仪器本身的误差还有一些人为操作引起的误差。这让我们想到实际中也是如此，损耗系数不能无尽小，当一个系统性能几乎接近完

5、美的时候，其设备代价也就增大了。五、实验总结与反思通过本次试验，我初步掌握了ADS软件的使用方法，同时学会了如何设计L型匹配网络，以及利用微带单枝短截线设计匹配电路的原理及方法，另外，也能够通过自己的分析得到什么样的系统性能可以达到最优。一方面了解到平时微波课程里面散射参数所对应的物理意义，另一方面也充分了解到Smith圆在阻抗匹配网络中的重要作用，作为阻抗匹配的一种重要的方法，也相对应用比较简单，不用经过复杂的计算即可得到阻抗匹配网络。通过实验，可以在Smith圆图上分析系统匹配情况，得到系统一些有效参数，在今后的学习中，要更加重视对Smith圆图的学习。实验二 衰减器的设计一、 实验目的1

6、、了解矢量网络分析仪的工作原理2、掌握用矢量网络分析仪测量待测元件的回波损耗和插入损耗的原理方法。 3、了解功率衰减器的原理及其应用4、了解无源功率衰减器的基本设计方法5、了解PIN电子功率衰减器的原理及基本设计方法二、 实验原理功率衰减器是一种能量损耗性射频/微波元件，元件内部含有电阻性材料。 衰减器广泛用于需要功率电平调整的各种场合。（1）衰减器的技术指标：1.工作频带：衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器,衰减量才能达到指标值。由于射频/微波结构与频率有关,不同频段的元器件,结构不同,也不能通用。现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽,设计或使用中要加以注意。2.衰减量：衰减

7、量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。衰减量的大小由构成衰减器的材料和结构确定。衰减量用分贝作单位,便于整机指标计算。3.功率容量：衰减器是一种能量消耗元件,功率消耗后变成热量。可以想象,材料结构确定后,衰减器的功率容量就确定了。如果让衰减器承受的功率超过这个极限值,衰减器就会被烧毁。设计和使用时,必须明确功率容量。4.回波损耗：回波损耗就是衰减器的驻波比,要求衰减器两端的输入输出驻波比应尽可能小。我们希望的衰减器是一个功率消耗元件,不能对两端电路有影响,也就是说,与两端电路都是匹配的。设计衰减器时要考虑这一因素。（2）衰减器的基本构成构成射频/微波功率衰减器的基本材料是电阻性材料。通常的电阻

8、是衰减器的一种基本形式,由此形成的电阻衰减网络就是集总参数衰减器。通过一定的工艺把电阻材料放置到不同波段的射频/微波电路结构中就形成了相应频率的衰减器。如果是大功率衰减器,体积肯定要加大,关键就是散热设计。随着现代电子技术的发展,在许多场合要用到快速调整衰减器。这种衰减器通常有两种实现方式,一是半导体小功率快调衰减器,如PIN管或FET单片集成衰减器；二是开关控制的电阻衰减网络,开关可以是电子开关, 也可以是射频继电器。（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

9、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。三、 实验内容（1）设计一个5dB T型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰减器。1.同阻式集总参数衰减器A=-5dB,由公式计算元件参数:2.由上述计算结果画出电路图，利用ADS仿真衰减器特性。（2）设计一有源“T”型衰减器，具体指标：工作频带：12GHz低衰减时频带内的衰减小于1.1dB，1.4GHz处的衰减小于0.8dB高衰减时频带内的衰减大于10dB，1.4GHz处的衰减大于12d

10、B 图1.低衰减结果 图2.高衰减结果四、 练习内容练习：设计10dB 型同阻式（Z1=Z2=50）固定衰减器。实验三 射频功率分配/合成器设计、仿真与测试一、 实验目的1、了解功率分配器的原理及基本设计方法2、掌握威尔金森功分器的结构、工作原理及S参量3、了解利用ADS进行电路优化仿真的基本步骤及方法4、掌握利用ADS微带线计算工具LinCalc计算、设计微带线5、了解利用ADS在电路板级进行电路仿真的方法与步骤。了解矢量网络分析仪的工作原理二、 实验原理威尔金森功分器原理：图1威尔金森功分器威尔金森功分器的结构如图1所示，其输入线和输出线的特性阻抗都是。对于功率平分的情况，输入和输出口间的

11、分支线特性阻抗=，线长为四分之一线上波长，在分支线末端跨接一个电阻R，其值为2。由微波理论可以证明，这种功分器当2、3口接匹配负载时，1口的输入无反射，反过来对2、3口也如此。由端口1输入的功率被平分到端口2和3，且2、3端口间相互隔离。三、 实验内容1、设计一微带结构的威尔金森功分器指标要求：中心频率：2.45GHz带宽：60MHz频带内输入端口的回波损耗：S11-20dB，S22-20dB频带内插入损耗：S21-3.1dB, S31-3.1dB隔离度：S32-25dB板材参数：H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电常数(2.65)Mur:磁导率(1)， Cond:金属电导率(5

12、.88E+7)Hu:封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度(0.035 mm)TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm)原理图和版图仿真结果：仿真优化：layout：2、功分器的测量 用PNA网络分析仪驻波图像 各支路幅相特性 各支路隔离度测量 功分器参数测量记录表 频率0.80.91.01.11.21.31.41.5回损-21.89-28.66-40.11-28.78-24.76-22.11-22.10-22.89驻波1.1751.0071.0181.0741.1121.1551.6661.155支路1损耗-25.33-35.99-34.54-27.

13、00-24.67-23.88-23.77-24.89支路一相移-147.6-168.5172.9154.8133.9113.0100.985.0支路2损耗-3.89-3.45-3.40-3.30-3.29-3.20-3.19-3.03支路2相移-148.9-169.9170.9154.7120.9112.990.9985.00隔离度-25.45-33。7-34.78-27.00-24.99-23.99-23.65-23.11实验四 射频微波滤波器的设计与仿真与测试一、 实验目的1、掌握低通原型滤波器的结构2、掌握最平坦和等波纹型低通滤波器原型频率响应特性3、了解频率变换法设计滤波器的原理及设计

14、步骤4、了解利用微带线设计低通、带通滤波器的原理方法5、掌握用ADS进行微波滤波器优化仿真的方法与步骤二、 实验原理1、滤波器的基本概念 如图所示的双端口网络, 设从一个端口输入一具有均匀功率谱的信号,信号通过网络后,在另一端口的负载上吸收的功率谱不再是均匀的,也就是说,网络具有频率选择性,这便是一个滤波器。通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性： Pin和PL分别为输出端接匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。 三种滤波器函数：2、滤波器的技术指标：（1）工作频率：滤波器的工作频率范围（2）插入损耗：由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗（3）带内纹波：插入损耗的波动范围（4）带外抑制:规

15、定滤波器在什么频率上会阻断信号,是滤波器特性的矩形度的一种描述方式。也可用带外滚降来描述,就是规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝。（5）承受功率：在大功率发射机末端使用的滤波器要按大功率设计,元件体积要大,否则,会击穿打火,发射功率急剧下降。3、滤波器设计的经典方法：低通原型综合法步骤：（1）、由衰减特性综合出低通原型（2）、再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型（3）、计算滤波器电路元件值（4）、微波结构实现电路元件，并用微波微波仿真软件进行优化仿真。4、滤波器的低通原型：滤波器低通原型为电感电容网络, 其中元件数和元件值只与通带结束频率、 衰减和阻带起始频率、 衰减有关。设计中都采用

16、表格而不用繁杂的计算公式。 巴特沃士、 切比雪夫的低通原型电路结构巴特沃士：已知带边衰减为3dB处的归一化频率c=1、截止衰减LAs和归一化截止频率s,则元件数n由下式给出,元件值由下表给出。切比雪夫：已知带内衰减与波纹指标LAr、归一化频率c=1、截止衰减LAs和归一化截止频率s,则元件数n由下式给出,元件值由下表给出。 滤波器的四种频率变换： 由低通原型滤波器经过频率变换,就可得到低通、 高通、带通、带阻四种实用滤波器。定义阻抗因子为： 三、 实验内容实验五 微带天线设计、仿真、制作与测试一、 实验目的1、了解描述天线性能的主要参数及天线类型2、了解微带天线的辐射机理和设计方法3、掌握用A

17、DS进行微带天线优化仿真的方法与步骤二、 实验原理微带天线工作原理：微带贴片可看作为宽a长b的一段微带传输线，其终端（a边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取，为微带线上波长。于是另一端（a边）处也呈电压波腹。沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向（z轴）同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成，它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消，在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。矩形微带天线的

18、辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流 的正镜像。由于 ，因此它只相当于将 加倍，辐射图形基本不变。 三、 实验内容设计3GHz微带天线，基板参数为er=2.2，h=0.762mm，cond=4.1e7，T=0.03mm，并用/4阻抗变换器实现与50馈线的匹配。四、 作业内容设计、制作一中心频率为2.45GHz的微带天线,天线采用50Ohm微带线馈电，扫频范围：2.2GHz-2.7GHz。板材参数：H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电常数(2.65)Mur:磁导率(1)， Cond

19、:金属电导率(5.88E+7)Hu:封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度(0.035 mm)TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm)截图： 通过这次实验我了解了微带天线如何利用版图生成，如何输入坐标以确定矩形的位置与大小，当设计的阻抗匹配电路不符合要求时，如何优化设计；知道了矩形微带天线的简略的计算公式。通过自己动手制作微带天线，对微带电磁场有了更清晰客观的理解。自己设计出来的天线与目标参数及仿真参数误差较大，通过讨论分析，重新布板最终取得了不错的效果。实验六 射频放大器的设计、仿真与测试一、实验目的1、了解描述射频放大器的主要性能参数及类型2、掌

20、握放大器偏置电路设计方法3、了解最小噪声、最大增益放大器的基本设计方法4、掌握放大器输入、输出网络的基本结构类型5、掌握用ADS进行放大器仿真的方法与步骤。二、实验原理 低噪声放大器（LNA）的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，减小噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据。 当今，人们对各种无线通信工具的要求越来越高，如功率辐射要小、作用距离要远、覆盖范围要广等，这对系统的接收灵敏度提出了更高的要求。系统的接收灵敏度： 一旦系统带宽BW和信噪比S/N确定，对系统的灵敏度其决定作用的就只有NF了，多级级联放大器的噪声系数： 第一级放大器的噪声在接收机中处于重要地位。所以，低噪声放大器的设计对于整个接收系统很重要，是提高灵敏度的关键手段之一。LNA的主要性能指标：1）噪声系数2）噪声温度3）增益实际功率增益：资用功率增益:转换功率增益：放大器的设计步骤总结如下：步骤一： 在频率、增益、噪声指标条件下选择器件