电磁场与微波实验2011-3修改

电磁场与微波实验2011-3修改第一页，共47页。实验三分布参数滤波器设计第二页，共47页。注意事项：1、电子课件位于电脑E盘“第三节课”目录下3、MWO软件通过桌面快捷方式可以打开第三页，共47页。教学内容安排实验目的实验原理实验内容实验步骤一二三四第四页，共47页。熟悉微带线电路和带状线电路的仿真过程和注意事项，理解微带线、带状线的特性和各种参数指标，熟悉微带线、带状线的各种分布参数元件的使用。本次实验我们需要用到MWO2008的优化和Tune等工具，要求熟练掌握MWO提供的这些工具的使用方法和技巧。本次实验我们需要用到TXLine工具，需要熟练掌握MWO提供TXLine的使用方法和技巧一、实验目的第五页，共47页。设计一个分布参数低通滤波器要求：

1.使用微带线电路或者带状线电路实现。

2.指标：

□截止频率为3GHz，

□通带内增益大于-5dB；

□阻带内4.5GHz以上增益小于-50dB;

□通带内反射系数要求小于-25dB。二、实验要求第六页，共47页。三、实验原理1.集总元件与频率关系※使用集总元件设计的滤波器，在低频时能正常工作，但在微波电路时却不能。原因有：

■Lump元件，如电感电容的值都是对应于低频的，当频率很高超过其谐振频率时，lump元件的寄生效应非常明显：一者元件求值变得非常复杂；二者电感电容会改变自身特性，如电容性变成电感性，而电感性变成电容性。

■在微波频率时，在微波电路中，电容值通常很小（只有零点几个pf），一般的lump元件根本无法做到如此小的值，只有用微带传输线制作才行。第七页，共47页。2.微带电路分布参数元件中，以微带线和带状线最为常用，在MMIC中，为便于制板，常用的是微带线。微带电路是近几十年发展起来的新型微波系统，它使微波系统的体积、重量、生产成本等大幅度降低，使微波个人通讯系统普及成为现实。微带电路包括：单片微波集成电路（MMIC）、微带传输线、微带元件等。第八页，共47页。3.微带传输系统—微带线微带线是由介质基片一边导体接地板和介质基片另一边的带状导体构成。可视为沿中心线剖开并展平的同轴线：同轴线内一般只有金属介质界面，而微带传输线内既有金属-介质界面，也有介质-空气界面，正是由于这一差别造成了微带传输线的传输特性不同于同轴线。第九页，共47页。4.由微带传输线构成的微波电路具有以下几个特点：体积小，重量轻，加工成本低，加工重复性好，材料成本低，可构成薄膜或厚膜微波集成电路；损耗较大，功率容量小，电路参数调整困难，工作频率低（相对于其它微波传输系统）；微带传输线是双导体传输系统，但不能传输TEM模，是准TEM。第十页，共47页。5.实际微带传输线的特性阻抗、传播常数都是工作频率的函数：当微带传输线工作频率升高时，其色散增大，但在小于4GHz时，可以忽略色散效应；当工作频带较宽时，特性阻抗、传播常数的频率响应不可忽略。工作频率升高时，其等效介电常数增大；第十一页，共47页。6.微带传输线的相速度、群速度、等效介电系数、等效波长都是微带传输线结构参数W（导体带宽度）、h（介质厚度）的函数。在基板介质（包括厚度）确定的前提下，可调节的微带线参数有两个：线宽W和线长。但此时微带线的特性参数只由线宽W决定，与线长无关：如微带线的特性阻抗与线宽W相关，与线长无关：在其他条件不变情况下，微带线越宽其特性阻抗越小.第十二页，共47页。7.微带电容和微带电感利用微带传输线导体带宽度变化，可以直接在微带电路中形成等效的微带电容或等效的微带电感。1）用串联微带传输线构成的串联微带电感输入输出dZC

bZC

bWZ’C

b’Zi中间导体带变窄，是一高阻串联微带线。由终端方程的阻抗表达式，在传输线长度d小于工作波长时，可计算其输入阻抗Zi：由于Zc’大于Zc，可知X大于零。可见地段串联高阻微带线可等效为一个串联电感。输入串联电感jX输出第十三页，共47页。2）并联开路微带传输线构成等效并微带电容输入输出Y‘CbYcbYcbYiY’ijB输入输出中间导体带变宽，可等效为一个并联电容第十四页，共47页。8.由微带线构造分布参数低通微波滤波器一定要注意：这里0.001第十五页，共47页。关于元件的选取微带线：在microstrip下开路微带线：MLEF;线性微带线：MLIN；基板：它在元件库中位置为：substratesMSUB;本实验用RT/Duroid，其介电常数为2.16端口关于等效电感电容的微带线可通过改变线长和线宽W可改变电感电容量，但太长的微带线会导致电路板过太，因而一般固定线长，

本实验线长取为1/8波长；通过改变线宽来优化滤波器，线宽就是要优化的变量。关于波长的选取：取最大频率点（对于低通就是截止频率）对应的波长第十六页，共47页。关于输入输出端说明：在射频微波电路中，上下级连接电路之间需要阻抗匹配，以达到较高的传输功率。微波通信中一般以50欧特性阻抗为标准，各个器件均需匹配到50欧的传输线上。本实验左右两端的MLIN微带线，其特征阻抗都为50欧，就是当作传输线用，用来进行阻抗匹配。因此该两段传输线线宽W由50欧特性阻抗所决定，线长取1/8波长。关于基板的选取使用微带线或带状线时，要有基板，它在元件库中位置为：substratesMSUB;MSUB表示双面板材的各种属性，为仿真提供实际做电路板时使用的各种参数：介电常数，介质厚度，金属线厚度，损耗正切角等。本实验所基板厚度取0.1mm；导体带厚度取0.001mm;导体材料为银。第十七页，共47页。在介质选定后，对应特性阻抗的微带线导体宽度W可用TXline计算得到。对于输入输出端就是由它决定的。第十八页，共47页。已知某PCB板材介质厚度为1mm，上下铺铜厚度为0.01mm，介电常数2.1，损耗正切0.00045.求1GHz特性阻抗50欧姆微带线的线宽和1/4波长的线长。第十九页，共47页。关于工程属性第二十页，共47页。关于优化：线宽W与介质厚度H的比值一定范围：0.05<W/H<20;对于H=0.1mm，W的范围应是：0.005~2因此优化时给定这个约束范围，否则容易出错第二十一页，共47页。四、实验步骤步骤：

※设计说明；

※设置工程属性；

※画原理图，选择优化变量；

※添加输出界面图及测量参量；※选择优化目标，进行优化目标设定；※运行结果，对结果进行优化及tune。第二十二页，共47页。1.新建一个project和一个新的电路原理图，设置仿真的频率范围和间隔，设置全局变量的单位。第二十三页，共47页。2.创建一个原理图，在原理图中放置5个MLEF，然后使用MLIN对开路线进行连接，MLIN为线性微带线。线性微带线开路线第二十四页，共47页。3.添加一个MSUB元件微带线元件名称都是以“M”开头

带状线元件名称都是以“S”开头

第二十五页，共47页。4.确定MSUB（基板）参数，在tools下拉菜单中点击txline21345八分之一波长MSUBT设置和Thickness一致第二十六页，共47页。L的值可以任取5.确定MLIN的宽度w和MLEF的长度L第二十七页，共47页。6.设置优化变量（w1,w2,w3,w4,w5）

直接点击X=Y按钮或者在draw下拉菜单中点击addequationMSUBT设置和Thickness一致，设置0.001第二十八页，共47页。7.添加测量参数第二十九页，共47页。8.设置优化目标参量

0-3GHz,S21>-5dB.第三十页，共47页。4GHz以上,S21<-50dB.第三十一页，共47页。0-3GHz,S11<-25dB.第三十二页，共47页。9.优化目标的单位确认（三个优化目标都要确认）第三十三页，共47页。第三十四页，共47页。10.设置变量为可优化可调谐（5个变量都要设置）选中变量，单击右键，点击属性出现对话框第三十五页，共47页。注意要设定w的范围0.05<W/H<20,H=0.1mm勾选Tune和optimize和constrain三项※切记要对5个变量同样操作第三十六页，共47页。11.分析检查下面5个变量是否变成蓝色了，蓝色表示变量可优化可调谐第三十七页，共47页。12.运行结果第三十八页，共47页。13.优化（注意优化范围的确定，否则将会出错）第三十九页，共47页。第四十页，共47页。第四十一页，共47页。注意

优化后cost可能无法达到0，这是指标要求太高的缘故。那么考虑适当降低指标，例如，使得通带内S11<-20dB。可以使得优化后cost=0。第四十二页，共47页。

实验内容及实验报告要求1

1、使用TXLine工具练习计算微带线εr＝2.55，t/h=0.01，分别计算W/h=2.5、3、3.8、4.15时的特性阻抗值，并与课本微带线的特性阻抗数据表对比检验。

带状线εr＝4.2，t/h=0.01，分别计算W/h=2.5、3、3.8、4.15时的特性阻抗值。第四十三页，共47页。2、设计分布参数低通滤波器（与上面练习的计算结果无关）设计一个分布参数低通滤波器，使用微带线电路或者带状线电路实现

(介质相对介电常数2.16，H=0.1mm。T=0.002mm)要求截止频率为3.5GHz，通带内增益大于－5dB，阻带内5GHz以上增益小于-40dB。通带内反射系数要求小于-20dB（提示：频率设置0~8GHz）。

第四十四页，共47页。实验内容及实验