射频电路实验

射频电路实验第一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二实验一、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。第二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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基准的差值第三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二3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四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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：由上式可以看出，当负载阻抗远小于传输线特性阻抗的时候，传输线端接以负载阻抗，近似于一个电感和负载ZL串联。第五页，共六十四页，编辑于2023年，星期二对于负载阻抗为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。第六页，共六十四页，编辑于2023年，星期二综上所述，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:第七页，共六十四页，编辑于2023年，星期二四、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/仿真第八页，共六十四页，编辑于2023年，星期二例子：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第九页，共六十四页，编辑于2023年，星期二通带波纹为0.5dB低通原型的衰减和归一化频率的关系第十页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(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：λgC=300/(2*3.650.5)=78.53mmλgL=300/(2*2.840.5)=89.02mm第十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二由由第十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二第十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二设计任务:设计一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.第十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二Chebyshev型附录：低通原型值：第十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期二实验二、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。第十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期二二、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。第十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期二三、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十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(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十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(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5000MHz~6000MHz,带内波纹小于0.5dB，带外频率4500MHz以及6500MHz处衰减大于30dB，基片介电常数为2.8,厚度为1mm。第二十页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(3)计算导纳变换器的值(2)确定分数带宽第二十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(4)计算奇模、偶模阻抗：第二十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二

L1=9.03mm，L2=8.93mm，L3=8.9mm s1=0.188mm，s2=0.635mm，s3=0.863mmw1=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=1.682mm，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：第二十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二为了将70欧和50欧匹配，加入了一段宽为2mm,长为9.0mm的λ/4阻抗变换器。如图所示第二十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二第二十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期二设计任务: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<30%的微带奇数阶带通滤波器.第二十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期二第二十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期二实验三、微带低噪声放大器的设计一、实验目的1、了解微带低噪声放大器的设计方法。2、学会使用微波软件设计低噪声放大器的流程，并分析结果。第二十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期二三、共扼匹配放大设计的近似原理二、放大器的技术指标：(1)工作的中心频率以及带宽(2)输入/输出反射系数(驻波比)(3)增益以及增益平坦度(4)输出功率(主要针对功率放大器，采用P1dB的输出功率来衡量一般低噪声放大器这个指标不重要)(5)噪声系数(LNA最重要的指标)第二十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(1)晶体管的稳定性判据共轭匹配只有在晶体管处于绝对稳定的情况下,才能进行设计.晶体管绝对稳定的充分比较条件:第三十页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(2)近似设计(单向化设计)如果放大器的晶体管S12很小，可以近似认为为0，则放大器的增益可以采用下面的公式来描述：如果增益以对数表示，则有上面公式的1,3项表示输入、输出匹配网络的增益，由表达式可以知道其不大于1，因此不存在能量的放大，即没有增益，这里称为增益是由于设计了匹配网络，导致反射损耗减小，相对损耗而言是增益。第三十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二当晶体管的输入、输出阻抗分别和源以及负载呈共轭匹配的时候，源和负载匹配网络均得到最大的单向增益。因此近似设计放大器的最大增益为:第三十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二四、放大器的共扼匹配设计流程(1)仿真晶体管的S参数,采取串联电阻的方式使得晶体管处于绝对稳定(2)确定晶体管共扼匹配的输入/输出阻抗(3)设计输入/输出匹配网络(4)S参数的仿真,查看噪声系数和增益第三十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二五、设计实例采用AT-41511管子设计一个中心频率为2GHz,带宽100MHz的低噪声放大器.(1)管子静态工作点的确定:选择FileNewDesign…进入下面的对话框在下面选择BJT_curve_tracer，在上面给新建的Design命名，这里命名为BJTCurve点击，打开元件库,查询ATF-41511元件第三十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二将元件按下图加入,并对其进行仿真第三十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期二从上面的伏安特性曲线,可以确定管子的工作电压并对应的设计直流偏置电路.第三十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(2)管子S参数扫描:(选择一个工作电压为2.7v,漏极电流为5mA的S参数管子模型)第三十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期二可以看出管子在2GHz处处于绝对稳定.第三十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期二对应的S参数为:第三十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期二根据扫描的S参数,利用Smith圆图工具设计输入,输出匹配网络,即将源反射系数匹配到50欧,这里的源反射系数为晶体管输入反射系数的共轭值,输出端口同理.(1)输入匹配网络第四十页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(2)输出匹配网络第四十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(3)放大器器的特性第四十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二第四十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二(3)根据设计的匹配网络选择基板,确定电路尺寸.这里选择h=1mm,介电常数为2.7的基板.利用LineCalc工具计算微带线的尺寸.第四十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二第四十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期二第四十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期二设计任务:采用近似设计方法,利用AT-41511设计一个中心频率2~4GHz,的低噪声放大器.第四十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期二四、射频振荡器设计一、实验目的1、了解射频振荡器的设计方法。2、学会使用微波软件设计射频振荡器的流程，并分析结果。第四十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期二二、振荡器的技术指标：(1)工作的频率(2)输出功率(3)频率稳定度(4)相位噪声三、振荡器的类型：(1)反射放大型晶体管振荡器(2)介质振荡器(DRO)(3)压控振荡器(4)YIG振荡器第四十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期二四、振荡器的设计原理：晶体管振荡的条件该条件一个成立，则另一个对应也成立。对应的就是选择合适的TL，使得输入反射系数Tin的模>1,或选择合适的Ts，使得Tout的模>1第五十页，共六十四页，编辑于2023年，星期二设计实例：采用AT41411设计一个共基极的2GHz的振荡器。该管子工作在漏-发电压5V,基－发电压0.8V可以看出谐振端口的反射系数幅度较小。第五十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二基极串联一个6.5nH的电感的S11，对下面的电路进行1~3GHz频率扫描，得到S11的幅度信息第五十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二可以看出在频率为2GHz处振荡最强第五十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二对上面的电路进行定点扫描，得到2GHz情况下的S参数和K，如图所示第五十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二

将上面得到的基极串联电感的S参数，输入Smith原图，得到输入稳定性圆，并在圆图上将1/S(1,1)点表示出来，由于S11>1,因此稳定性圆内，所有的点均满足振荡条件.1、通常是源反射系数选择靠近1/S(1,1)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0，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1/S(1,1）容易导致振荡停止。2、为了使谐振电路没有电阻元件，因此将