微波电路EDA实验指导书

目录实验1微波滤波器设计 11.1实验设置的意义 11.2实验目的 11.3实验原理 21.4实验内容 31.4.1实验设备 31.4.2实验内容 31.4.3实验步骤 31.5结果分析和实验报告 3实验2微波匹配双T仿真 52.1实验设置的意义 52.2实验目的 52.3实验原理 52.3.1软件介绍 52.3.2微波匹配双T 62.4实验内容 72.4.1实验设备 72.4.2实验内容 72.4.3实验步骤 72.5结果分析和实验报告 7实验3功分器设计 83.1实验设置的意义 83.2实验目的 83.3实验原理 83.4实验内容与测试 93.4.1实验设备 93.4.2实验内容 93.4.3实验步骤 103.5结果分析和实验报告 10实验4低噪声放大器综合与仿真 114.1实验设置的意义 114.2实验目的 114.3实验原理 114.4实验内容 144.4.1实验仪器 144.4.2实验内容 144.4.3实验步骤 154.5结果分析和实验报告 15实验5天线的设计仿真 165.1实验设置的意义 165.2实验目的 165.3实验原理 165.4实验内容 185.4.1实验仪器 185.4.2实验内容 185.4.3实验步骤 185.5结果分析和实验报告 19实验1微波滤波器设计1.1实验设置的意义微波滤波器是一个二端口网络，它通过在滤波器通带频率内提供信号传输并在阻带内提供衰减的特性，用以控制微波系统中某处的频率响应。典型的频率响应包括低通、高通、带通和带阻特性。微波滤波器实际上已经应用与各类型的微波通信、雷达测试或测量系统中。微波滤波器的理论和实践始于第二次世界大战前几年。滤波器设计的镜像参量法是20世纪30年代后期开发的。使用镜像参量法设计的滤波器，由较简单的二端口滤波器节的级联构成，以便提供所希望的截止频率和衰减特性，但不能提供在整个工作范围内频率响应的具体性质。所以用镜像参量法设计滤波器虽然程序是相对简单的，但为了到达所希望的结果，常常必须迭代屡次。一种更现代的过程成为插入损耗法，该方法采用网络综合技术设计出有完整的特定频率响应的滤波器。AgilentADS(AdvancedDesignSystem)是在HPEESOF系列EDA软件根底上开展完善起来的基于矩量法仿真的大型综合设计，是美国安捷伦公司开发的大型综合设计软件，其强大的仿真设计大大提高了复杂电路的设计效率，使之成为设计人员的有效工具。该实验采用插入损耗法，使用ADS软件中传输线分析综合工具计算微带线的宽度和长度，最终实现滤波器的综合和仿真。通过这种具有普遍性的实验方法的学习和实践，可把书本的理论知识与工程实际相结合，加深对理论知识的理解，对培养实践动手能力、观察发现问题和解决问题的能力以及培养学生工程研究能力具有一定的现实意义。1.2实验目的●了解微波滤波电路的原理及设计方法。●学习使用ADS软件进行微波电路的设计，优化，仿真。●掌握微带滤波器的制作及调试方法。1.3实验原理1.微波滤波器概述在微波波段的滤波器可以通过多种方式来实现，包括同轴线，波导，介质谐振器，微带线等。在平面电路中最常用的是微带型滤波器，微带线滤波器具有小尺寸，用光刻技术易于加工易与其他有源电路元件(如MMIC)集在一起；另外，它能通过采用不同的衬底材料在很大的频率范围内(从几MHz到几十GHz)应用。下面是几种常见结构的滤波器：平行耦合微带线滤波器、交指型滤波器、发夹型滤波器。其中半波长平行耦合微带线带通滤波器是微波集成电路中广为应用的带通滤波器形式，其结构紧凑，第二寄生通带的中心频率位于主通中心频率的3倍处，适应频率范围大、，适用于宽带滤波器时相对带宽达20％。其缺点为插损较大，同时，谐振器在一个方向依次摆开，造成滤器在一个方向上占用了较大空间。2.滤波器的技术指标滤波器的指标形象地描述了滤波器的频率响应特性。下面对这些技术指标做一简单介绍。(1)工作频率：滤波器的通带频率范围,有两种定义方式：①3dB带宽：由通带最小插入损耗点〔通带传输特性的最高点〕向下移3dB时所测的通带宽度。这是经典的定义,没有考虑插入损耗,易引起误解,工程中较少使用。②插损带宽：满足插入损耗时所测的带宽。这个定义比拟严谨,在工程中常用。(2)插入损耗：由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗。滤波器通带内的最大损耗包括构成滤波器的所有元件的电阻性损耗。插入损耗限定了工作频率,也限定了使用场合的两端阻抗。(3)带内纹波：插入损耗的波动范围。带内纹波越小越好,否那么,会增加通过滤波器的不同频率信号的功率起伏。(4)带外抑制：规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。滤波器的寄生通带损耗越大越好,也就是谐振电路的二次、三次等高次谐振峰越低越好。(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,否那么,会击穿打火,发射功率急剧下降。3.滤波器的衰减特性因通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性,即式中,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。随着频率的不同其数值不同，这就是滤波器的衰减特性。根据衰减特性,滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种。这四种微波滤波器的特性都可由低通原型特性变换而来。上式仅表示某个频率的衰减。为了描述衰减特性与频率的相关性,通常使用数学多项式来逼近滤波器特性。最平坦型用巴特沃士(Butterworth),等波纹型用切比雪夫(Tchebeshev),陡峭型用椭圆函数型(Elliptic)，等延时用高斯多项式〔Gaussian〕。下表给出这四种类型滤波器的根本特性。对于微波应用，集总元件电路必须变更到由传输线段组成的分布元件，理查德〔Richard〕变换和科洛达〔Kuroda〕恒等关系提供了这个手段。1.4实验内容1.4.1实验设备PC机，ADS软件，AutoCAD软件，MATLAB软件。1.4.2实验内容学习微波滤波器设计原理与流程，使用ADS软件中传输线分析综合工具计算微带线的宽度和长度，最终实现滤波器的综合和仿真。设计指标：通带2.3－2.5GHz，带内衰减小于1.5dB，起伏小于0.1dB，2GHz以下及2.8GHz以上衰减大于30dB，端口反射系数小于-15dB。1.4.3实验步骤●先由衰减特性综合出低通原型●再进行频率变换●最后用微波结构实现电路元件。●利用微波仿真软件ADS仿真优化，主要以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。●利用微波仿真软件ADS生成幅员，并仿真优化。1.5结果分析和实验报告●绘制低通原型电路图。●滤波器S参数仿真结果曲线图。●使用MATLAB软件编程绘制滤波器衰减特性。●滤波器生成幅员。●使用AutoCAD软件绘制滤波器加工电路图和腔体图。●测试加工好的滤波器频率特性。

实验2微波匹配双T仿真2.1实验设置的意义在微波系统中,往往需将一路微波功率按比例分成几路,这就是功率分配问题。实现这一功能的元件称为功率分配元器件,主要包括:定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。将微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器,它是微波功率分配器件的一种,常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。微波系统的设计越来越复杂,对电路的指标要求越来越高,电路的功能越来越多,电路的尺寸要求越做越小,而设计周期却越来越短。传统的设计方法已经不能满足微波电路设计的需要,使用微波eda软件工具进行微波元器件与微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。本实验利用HFSS软件仿真微波匹配双T可以使学生掌握先进的微波仿真软件，并加深对微波元件结构以及内部电磁场的分布等根底理论知识的理解，这对以后分析设计微波波导元件和系统有重要的实际意义。2.2实验目的●掌握微波匹配双T的工作原理。●掌握利用HFSS软件仿真微波匹配双T的内部场分布。2.3实验原理2.3.1软件介绍ansofthfss，是ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。hfss提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的s参数和全波电磁场。hfss软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3d图和3db带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、ludwig第三定义场分量和轴比。使用hfss，可以计算：①根本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端口特征阻抗和传输常数；③s参数和相应端口阻抗的归一化s参数；④结构的本征模或谐振解。而且，由ansofthfss和ansoftdesigner构成的ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为根底的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。2.3.2微波匹配双T微波匹配双T是将E-T分支和H-T分支合并,并在接头内加匹配以消除各路的反射而构成的，也称为魔T,如下图。它有以下特征:四个端口完全匹配;端口“①、②〞对称,即有S11=S22;当端口“③〞输入,端口“①、②〞有等幅同相波输出,端口“④〞隔离;当端口“④〞输入,端口“①、②〞有等幅反相波输出,端口“③〞隔离;当端口“①〞或“②〞输入时,端口“③、④〞等分输出而对应端口“②〞或“①〞隔离;当端口“①、②〞同时参加信号,端口“③〞输出两信号相量和的倍,端口“④〞输出两信号差的倍。端口“③〞称为魔T的H臂或和臂,而端口“④〞称为魔T的E臂或差臂。根据以上分析,魔T各散射参数有以下关系:总之,魔T具有对口隔离,邻口3dB耦合及完全匹配的关系,因此它在微波领域获得了广泛应用,尤其用在雷达收发开关、混频器及移相器等场合。2.4实验内容2.4.1实验设备PC机，HFSS软件。2.4.2实验内容使用软件AnsoftHFSS仿真微波匹配双T，介绍端口的设定和如何利用对称性边界条件减少计算量的技巧；同时，介绍参数分析和优化在仿真计算中的应用。2.4.3实验步骤●建立和翻开HFSS工程。●设置算解类型。●创立微波匹配双T的三维模型。●设置边界条件和波端口。●进行分析设置。●绘制场图和波的动态传输。2.5结果分析和实验报告1、导出建模图。2、导出所绘制的电场和磁场分布图。

实验3功分器设计3.1实验设置的意义功分器是重要的无源微波器件。它是将输入信号功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波网络。功分器作为根本的微波集成元件越来越多的应用在微波和毫米波系统中，例如在相控阵雷达系统中，要将发射机功率分配到各个发射单元中去。早期的分配器是由矩形波导及其ET分支构成的，这种波导型分配器功率容量大，适用于大功率场合，但体积大、笨重。在小功率场合下多使用微带电路实现的功率分配器，它具有体积小、重量轻、性能优良等特点，因而得到广泛的应用。功率分配器又可以作为功率合成器使用，因此有时又称为功分/合成器。本实验使用ADS软件设计一个功分器，并对其参数进行优化、仿真，根据软件设计的结果绘制电路幅员，在可能的情况下加工成电路板。该实验过程充分锻炼学生将理论应用于实践的能力。3.2实验目的●了解功率分配器电路的原理及设计方法。●学习使用ADS软件进行微波电路的设计，优化，仿真。●掌握功率分配器的制作及调试方法。3.3实验原理如下图分支线耦合器结构,各个支线在中心频率上是四分之一波导波长,由于微带的波导波长还与阻抗有关,故图中支线与主线的长度不等,阻抗越大,尺寸越长。如果分支线耦合器的各个端口接匹配负载,信号从1口输入,4口没有输出,为隔离端,2口和3口的相位差为90°,功率大小由主线和支线的阻抗决定。功分器的技术指标●通带内各端口反射系数●通带内两输出端口间的隔离度●通带内传输损耗●通带内功分比●通带内相位平衡度其中，耦合度C是输入端口的输入功率P1和耦合端口的输出功率P3之比的分贝数耦合端口和隔离端口的输出功率之比的分贝数来表示定向耦合器的定向传输性能，称为定向性D。D愈大，隔离端口输出愈小，定向性愈好。将定向耦合器除输入端口外,其余各端口均接上匹配负载时,输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。3.4实验内容与测试3.4.1实验设备PC机，ADS软件，AT6030频谱分析仪。3.4.2实验内容了解功分器的工作原理，使用ADS软件设计一个功分器，并对其参数进行优化、仿真。根据软件设计的结果绘制电路幅员，在可能的情况下加工成电路板。设计指标：通带0.9－1.1GHz，功分比为1：1，带内各端口反射系数小于-20dB，两输出端隔离度小于-25dB，传输损耗小于3.1dB。3.4.3实验步骤●创立新的工程文件。●功分器的设计〔1〕确定耦合器指标,包括耦合系数C(dB)、各端口的特性阻抗Z0〔Ω〕、中心频率fc、基板参数〔εr，h〕。〔2〕利用以下公式计算出支线和主线的归一化导纳。〔3〕计算特性阻抗,以及相应的波导波长。〔4〕利用用软件计算微带实际尺寸。●在进行设计时，主要是以功分器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21、S31是传输参数，反映传输损耗；S11、S22、S33分别是输入输出端口的反射系数。S23反映了两个输出端口之间的隔离度。●生成功分器的原理图。●S参数仿真电路设置。●优化目标的设置。●进行参数优化。●观察仿真曲线。●幅员的仿真。●电路幅员的绘制。●功分器电路的调试。3.5结果分析和实验报告●绘制功分器原理图。●绘制功分器幅员。●绘制功分器腔体加工图。●把AT6030频谱分析仪频域测量结果与ADS2003仿真软件的理论结果进行比照。实验4低噪声放大器综合与仿真4.1实验设置的意义随着通讯工业的飞速开展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下：

S=-174+NF+10㏒BW+S/N〔1〕由上式可见，在各种特定〔带宽、解调S/N已定〕的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。本实验使用ADS软件设计一个低噪声放大器，并对其参数进行优化、仿真，在可能的情况下进行测试。该实验对训练和提高学生微波有源电路的设计能力是十分有益的。4.2实验目的了解低噪声放大器的工作原理及设计方法。学习使用ADS软件进行微波有源电路的设计，优化，仿真。掌握低噪声放大器的制作及调试方法。4.3实验原理一、低噪声放大器的主要技术指标1、噪声系数NF噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即：〔2〕对单级放大器而言，其噪声系数的计算为：

〔3〕其中Fmin为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的，Γopt、Rn和Γs分别为获得Fmin时的最正确源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。对多级放大器而言，其噪声系数的计算为：NF=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/G1G2+……

〔4〕在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为：

Te=T0(NF–1)

〔5〕

其中Te

为放大器的噪声温度，T0=2900K，NF为放大器的噪声系数。

NF(dB)=10LgNF

〔6〕

2、放大器增益G放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值：G=Pout/Pin

〔7〕

从式〔4〕中可见，提上下噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。

3、输入输出的驻波比低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配情况，我们在设计低噪声放大器的匹配电路时，输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计为接近最正确噪声匹配网络而不是最正确功率匹配网络，而输出匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比而设计，所以，低噪声放大器的输入端总是存在某种失配。这种失配在某些情况下会使系统不稳定，一般情况下，为了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用插损很小的隔离器等其他措施来解决。

4、反射系数

由式3可知，当Γs

=Γopt时，放大器的噪声系数最小，NF=NFmin，但此时从功率传输的角度来看，输入端是失配的，所以放大器的功率增益会降低，但有些时候为了获得最小噪声，适当的牺牲一些增益也低噪声放大器设计中经常采用的一种方法。

5、放大器的动态范围〔IIP3〕在低噪声放大器的设计中，应充分考虑整个接收机的动态范围，以免在接收机后级造成严重的非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点IIP3较高一点，至少比最大输入信号高30dB，以免大信号输入时产生非线性失真。除以上各项外，低噪声放大器的工作频率、工作带宽及通带内的增益平坦度等指标也很重要，设计时要认真考虑。

二、低噪声放大器的设计方法

1、低噪声放大管的选择原那么

对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围，目前双极型低噪声管的工作频率可以到达几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在1分贝以下。

我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进行考虑：1〕微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管的fT一般要比工作频率高4倍以上，现在PHEMT场效应管的噪声系数在2GHz可在0.5dB左右，工作频率高端可到达6GHz。2〕微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围,一般要求放大器工作增益大于10dB以上,当输入信号到达系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物小于系统本底噪声，对于ZXPCS大基站工程由于最大输入信号小于-44dBm，考虑到放大器13dB左右增益，我们选取了ATF34143场效应管它的增益可达15dB，OIP3为30dBm左右。

2、输入输出匹配电路的设计原那么对于单级晶体管放大器的噪声系数，如上式〔3〕所示，式〔3〕可以化成一个圆的表达式，即等噪声系数圆。圆上每一点代表一个能产生恒定噪声系数NF的源反射系数。如要获得需要的噪声系数，只要在圆图上画出对应于这个噪声系数的圆，然后将源阻抗匹配到这个圆上的一个点就行了。实际设计中由于要兼顾到放大器的增益，通常我们不取最小噪声系数。在以上的讨论中我们忽略了晶体管的反向传输系数，实际中微波场效应晶体管和双极性晶体管都存在内部反应，微波管的S12就表示内部反应量，它是电压波的反向传输系数。S12越大，内部反应越强，反应量到达一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚至产生自激振荡。微波管的S21代表电压波的正向传输系数，也就是放大倍数。S21越大，那么放大以后的功率越强。在同样的反应系数S12的情况下，S21越大当然反应的功率也越强，因此S21也影响放大器的稳定性。一个微波管的射频绝对稳定条件是

其中K称为稳定性判别系数，K大于1是稳定状态。实际设计时为了保证低噪声放大器稳定工作还要注意使放大器避开潜在不稳定区。为改善微波管自身稳定性，有以下几种方式：1〕串接阻抗负反应2〕

用铁氧体隔离器3〕稳定衰减器3、电路中需要注意的一些问题一般对于低噪声放大器采用高Q值的电感完成偏置和匹配功能，由于电阻会产生附加的热噪声，放大器的输入端应尽量防止直接连接到偏置电阻上。用于低噪声放大器的印制板应具有损耗小，易于加工，性质稳定的特点，材料的物理和电气性能均匀〔特别是介电常数和厚度〕，同时对材料的外表光洁度有一定要求，通常我们可以采用以FR-4〔介电常数4~5之间〕，为基片的

板材，如电路要求较高可采用以氧化铝陶瓷等材料为基片的微波板材，在PCB布板中那么要考虑到邻近相关电路的影响，注意滤波、接地和外电路干扰问题设计中要满足电磁兼容设计原那么。4.4实验内容4.4.1实验仪器PC机，ADS软件，AT-6030频谱分析仪4.4.2实验内容了解微波低噪声放大器的工作原理。使用ADS软件设计一个低噪声放大器，并对其参数进行优化、仿真。根据软件设计的结果绘制电路幅员，并加工成电路板。对加