射频电路基础实验指导书

前百

与更早时期定位与波导与场论相比，现代微波工程中占支配地位的内容是分

布电路分析。当今大多数微波工程师从事平面结构元件和集成电路设计，无需直

接求助于电磁场分析。当今微波工程师所使用的基本工具是微波CAD（计算机

辅助设计）软件和网络分析仪，而微波技术的教学必须对此给出回应，把重点转

移到网络分析、平面电路和元器件以及有源电路设计方面。微波技术仍总离不开

电磁学（许多较为复杂的CAD软件包要使用严格的电磁场理论求解），而学生

仍将从揭示事物的本质中受益（诸如波导模式和通过小孔耦合），但是把重点改

变到微波电路分析和设计上这一点是不容置疑的。

微波与射频（RF）技术已蔓延到了各个方面。在商业等领域，更是如此，

其现代应用包括蜂窝电话、个人通信系统、无线局域数据网、车载毫米波防撞雷

达、用于广播和电视的直播卫星、全球定位系统（GPS）、射频识别标识

（identificationtagging）＞超宽频带无线通信和雷达系统以及微波环境遥感系统。

防卫系统继续大量地依靠微波技术用于无源和有源测向、通信以及武器操控系

统。这样的业务发展态势意味着，在可预见的将来，在射频和微波工程方面不存

在缺少挑战性的课题；同时对于工程师们，显然需要领悟微波技术的基本原理，

同样需要把这些知识应用于实际感兴趣问题的创造能力。

本射频教学实验的设置，就是为了使学生通过实验更多地获得有关射频系统

的基本构成、工作原理、模拟分析、测试仪器和测量技能方面的理性和感性认识，

真正掌握时域和频域、传输线、电波传播、天线、波导、射频模块、及射频通信

等基本的概念，并学会使用重要的射频测试仪器。

目录

实验一网络分析仪和频谱仪的原理及其操作

实验二射频EDA软件ADS的使用方法

实验三射频滤波器实验

实验四射频功率分配器实验

实验五GSM可调增益放大器实验

实验六CDMA频段平衡式放大器实验

实验七射频PLL锁相环实验

实验八射频天线实验

实验二射频EDA软件ADS的使用方法

-实验目的

1.简单了解射频EDA软件的原理及构成。

2.初步掌握使用射频电路仿真软件ADS进行基本射频电路设计与仿真的方法。

二实验原理

1.ADS简介

ADS(软件全称为AdvancedDesignSystem)是美国安捷伦(Agilent)公司

开发的电子设计自动化软件。ADS功能十分强大，包含时域电路仿真(SPICE-like

Simulation)、频域电路仿真(HarmonicBalance、LinearAnalysis)三维电磁仿真

(EMSimulation)>通信系统仿真(CommunicationSystemSimulat沁n)和数字信号处

理仿真设计(DSP),支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简

单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC,是当

今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。最

新版本为ADS2006Ao

ADS软件可以供电路设计者进行模拟、射频与微波等电路和通信系统设计,

其提供的仿真分析方法可分为时域仿真、频域仿真、系统仿真和电磁仿真四大类。

ADS软件包含的具体仿真分析方法如下：

♦高频SPICE分析和卷积分析(Convolution)

♦线性分析

♦谐波平衡分析(HarmonicBalance)

♦电路包络分析(CircuitEnvelope)

♦射频系统分析

♦拖勒密分析(Ptolemy)

♦电磁仿真分析(Momentum)

随着电路结构的日趋复杂和工作频率的提高，在电路与系统设计的流程中,

EDA软件已经成为不可缺少的重要工具。EDA软件所提供的仿真分析方法的速

度、准确与方便性便显得十分重要，此外该软件与其他EDA软件以及测量仪器

间的连接，也是现在的庞大设计流程所必须具备的功能之一。Agilent公司推出

的ADS软件以其强大的功能成为现今国内各大学和研究所使用最多的软件之

0

2.ADS常用仿真控制器介绍

为了增加仿真分析的方便性，ADS软件提供了仿真模板功能，让使用者可以

将经常重复使用的仿真设定制定成一个模板，直接使用，避免了重复设定所需的

时间和步骤。仿真控制器就是模板的一种，其中S参数仿真控制器和谐波平衡仿

真控制器是射频电路仿真常用的两个控制器。基于将要仿真的设计类型和想要分

析的种类，给设计添加一个或多个仿真控制器。

S参数仿真控制器

S参数控制器用来确定一个n端口电子器件在给定频率下的响应信号波形。

它是典型的小信号AC仿真通常被用来描述无源RF元件的特性及确定一个元件

在特定偏压和温度下的小信号特性。

S-PARAMETERS|

Par0m

SP1

Start=1.0GHz

Siap=10.0GHz

Step=1.0GHz

使用s参数控制器可以：

•获得器件或电路的散射参数（S参数）并且将该参数转换为Y参数或Z

参数

•绘图。如考虑其他改变的变量的扫频S参数的变化

•仿真群延迟

•仿真线性噪声

•仿真频率改变对小信号的影响

•使用混频器的电路的S参数

S参数仿真通常在一个噪声分析中只考虑电源频率。如果你要考虑混频器的

上边带或下边带频率可以使用EnableACFrequencyConversion选项。

谐波平衡仿真控制器

谐波平衡控制器很适合仿真模拟RF和微波电路。它是一种仿真非线性电路

和系统失真的频域分析方法。与高频电路和系统仿真有关，谐波平衡提供下面的

优于时域瞬时分析的优点：

|HARMONICBALANCE

HarmonicBoIonce

HB1

Freq[1]=1.DGHz

Order[1]=3

•它直接获取稳态频率响应

•许多线性模型在高频可以很好地在频域描述

•频率积分需要瞬时分析，这在很多实际应用中是禁止的

使用谐波平衡控制器可以：

•确定电流或电压的频谱成分

•计算参数，如：三阶截取点、总谐波失真及交调失真分量

•执行电源放大器负载激励回路分析

•执行非线性噪声分析

谐波平衡允许对电路进行多频声仿真，可以展示包括谐波间频率转换的交调

频率转换。这是一个迭代法。它假定对于一个给定的正弦激励有一个可以被逼近

到满意精度的稳态解。

三实验内容及步骤

1.ADS电路仿真基础

1.1概要

本节包括ADS的基础界面、ADS文件、原理图、仿真和数据显示等内容。

另外还有一个简单的例子。

1.2目标

•建立一个新的项目和原理图设计;

•设置并执行S参数仿真；

•显示模拟数据和储存

•在模拟过程中调整电路参数

•使用例子文件和节点名称

1.3开始

(1)运行ADS

很简单，在开始菜单选择图标，运行后界面如下:

;,嗫.AgilentTechnologies

AdvancedDesignSystem

2004A

Ti»cllwiniMM,HclrcttliiNwiiidowMIKIpre**E”c

Copyright©AgilentTk-ehn»logieN1983-2004AgilentEEsofEDA

(2)建立新项目

a.在主窗口，点击图标：ViewStartupDirector。会显示你所定缺省目录

的ADS项目文件夹。(一般安装时缺省目录是C:\user\default,你可以修

改，但是注意不能用中文名称或放到中文名称的目录中，因为那样在仿

真时会引起错误)

b.然后在主窗口，点击图标：CreataNewProject会弹出如下对话框

项目名称为lablo

下面的下拉菜单主要是设定单位的，在微带线布局时有用，我们选择mil。

c.点击OK建立新项目，并且会出现原理图窗口。

(3)检查你的新项目内的文件

a.看左边的文件浏览窗口。目前显示你在labl项目内。

b.在主窗口，双击networks目录,目前里面没有原理图文件。

FileBrowser

日…-(&O33R20

..弋“..

ffi-C)data

由亡Imom_dsn

B&networks

t....

田亡)synthesis

EBClverification

(4)建立一个低通滤波器设计

a.在主窗口，点击NewSchematicWindow图标，也可以使用刚才

自动打开的原理图窗口。

b.储存原理图。点击图标，取名Ipf。现在network目录中会出现Ipf.dsn

文件。

c.在元件模型列表窗口中选择Lumped-Components(集总参数元件)项。

示意图如下

E<BEdt金日堂।坐a*ApihnsJcwkSimdare

二唱制昌i目:MI刚210dHi,:卡

Lumped-ComponentsB.

Lumped-WlthArtwork

Source5-Controllcd

Sources-FreqDomain

Sources-Noise

SourcesTimeUomoin

Simulation-DC

SimiilatlorvAC

Simulation-S_Param

d.从该选项左边面板中选择电容capacitorC

£1

Rotate

tl

±xC

TT

rC2ED-

_i

NOTEsomeboxeditems(R.LandL)

aremodels-notcomponents.

可以用Rotate图标旋转，放好以后，再放入另一个电容。

，用线＞!把他们连起来。

e.然后放入电感地性I

f.在元件模型列表窗口选择Simulation—S_Param项，在该项面板中选择

S-parameter模拟控制器（象个齿轮）和端口Term放到图上。用ESC结

束命令。使用图标图调整这些元件的参数如下图所示：

|Simulation-S_Param

Term1ClLITemu

Nirm-10=10pFL=1OrHNu*2

Z^OChnR=2=50Ohm

Torni

SP1

0GHzSimulation

Slop=10DGHzController

Sie产1.0GHz

（5）设置S参数仿真

a.双击齿轮打开配置窗口，把Step—size改成0.5GHz,选择ok。

b.在上面的窗口点击display标签,会显示所有可以显示在原理图中的项目。

（6）开始仿真并显示数据

a.点击原理图窗口上方的Simulate图标I,开始模拟。

b.然后就会弹出状态窗口，显示模拟的相关信息。

Status/Summary

Simulation£inished;dataset'Ipf'writtenin;

、C:\usersXdefault\labl_prjXdata1.

Resourceusage:

Totalstopwatchtime:4.23seconds

CroatingHevDisplayWindow

PleaseWait..

WindowCreated

c.模拟完成以后，如果没有错误，会自动显示数据显示窗口，可以看到窗

口左上方的名称为Ipf。

NOTE:Anasterisknexttoawindowname(Ipf*)meansitisnotsaved.

S?pf”[pdge1];0

FileEdit丫后帆InsertMarkerPageOptionsHelp

口国闿邕IE回9♦:d闽我国网/|创众口|O|A|

麻3JLM图I画图画g|

73

Thedefault

4匾DATASETnameThesebuttonsareusedtozoom

appearshere.orscrollthroughlistsofdata.

j

iii:iRectangularPlot

I11II

||口|

Thispaletteiswhereyou

chooseaplottype,list

Htable,orequationtoinsert.

上图的NOTE说明，Ipf右上角的*代表还没有储存。

在这个窗口中可以以表格、圆图或等式的形式显示数据。

d.点击RectangularPlot图标，把一个方框放到数据显示窗口中去，会自动

弹出对话框，选择要显示的S(2,1)参数，点击Add按钮，选择dB为

单位，点击Ok。

PlotTypeJPlotOptions|

□TTT111111

LTXLJ11111

FFFR

ComplexData!:5区1

Youareaddingcomplexdatatoaplot

thatonlysupportsscalardata.

Howwouldyouliketohandlethisdata?

DatasetsandEquations

dBm

Magnitude

Phase

»AddVs...»Realpart

Imaginarypart

«Delet«

eTimedomainsignal

Cancel|

e.然后就会显示一个合理的低通滤波器响应。

f.点击Marker>New,可以把一个三角标志放在图上，可以用键盘和鼠标控

制它的位置。

InsertMarker:0ml

Selecta(raceonwhichtoinsertmarkerfreq=6.000GHz

(Intunemode,selecttherecenttraceonly)dB(S(2,1))=-5.329

("Canceill

(

二Z

O

Q

P

-z'U

-25

12345678910

freq,GHz

（7）储存数据窗口

a.储存的缺省名称为Ipf,扩展名为.dds,该文件会储存在项目文件夹的根

目录中，而数据文件，即所有的.ds文件和数据设定，会储存在data子目

录中。

Saveas:6?|x|

Savein:1Iab1_pr|3里]&\叵'知

二Jdata

_|nnonn_dsn

_|n&tworks

_Jsynthesis

二jverification

回Ipf.dds

Filename:

Saveaslype:|xdds色

b.关上上述窗口，再通过点击原理图窗口的DataDisplay图标|s再

次打开这个Ipf.dds文件。

DataDisplayataDisplav/UntiUed[page11:0

FileEditViewInsertMarkerPageOptionsHelp

I四I-iQlQl/|钏

II,,，一

0pen:0L?lxl

Lookjn:|Qkb1_prj

Openan"3回可fisffll

existingdata_Jdata

display__|mom_dsn

□霁：OPENINGASAVED

出_lvesicationDISPLAYWINDOW

File口ame:

Filesoftype:

（8）调整滤波器电路

Al

a.点击原理图窗口中的ViewAH图标会自动调整原理图的显示。

b.现在，在Inf原理图配合Shift和Ctrl键选择C1和L1。

c.点击Tune图标开始调节电路。

5TunoContiol:1回

Selectapaiaretertotunety>dickin。onii

Simulatemmchchmn丁3

TraceHistory

Eachtuningcreatesanother

trace.Themarkermovesto

themostrecentsimulated

(tuned)trace.Thistraceisthe

s_datadatasetwhichis

changedeachtimeyoutune

(simulate).

调节的结果会即时显示在数据显示窗口中，在TraceHistory中设定记录的轨迹数

量，线上的三角标志会自动调整到最新的线上。

d.改变调节的范围：在调节控制对话框中点击Details图标Itl,可

以打开详细的选项控制面板

!IuneControlDetail:1

可以设置调节范围，调节步长等参数。

e.调节过程中，点击Update按钮，更新原理图中相应元件的参数，也

可以点击Component按钮，增加更多的调整参数。

f.调整满意以后，点击Cancel按钮，数据显示窗口会留下最后一条线,

然后可以保存。则部分教程只是为了练习操作。

四结果分析和实验报告

1实验目的、内容、系统简图；

2简述ADS软件的基本使用步骤，记录有关数据;

3S参数的意义及影响S参数的因素有哪些。

实验三射频滤波器实验

-实验目的

1.掌握射频低通、带通滤波器的工作原理

2.学习使用ADS软件进行滤波器的设计、优化和仿真

3.学会使用AV3620矢量网络分析仪测试滤波器的幅频特性

二实验原理

1低通滤波器

集总元件低通原型滤波器是设计微波滤波器的基础。一般低通原型滤波器的

两种可行结构如图3T所示，它是个LC梯型网络，两端各接纯电阻负载，（a）

与（b）两电路互为对偶，即串联电感与并联电容存在对换关系。

图37低通原型滤波器的电路

低通原型的频率响应通常有最平坦响应和等波纹响应两种。

最平坦型滤波器的衰减曲线中没有任何波纹，所以称为最大平滑滤波器，也

称巴特沃斯滤波器。其衰减函数为

22z,

LA=101g(l+EQ)(3-1)

其中归一化频率。=o

等波纹型滤波器的频率响应在通带内有规律性的起伏，且幅度相等，故称为

等波纹型，也称为切比雪夫响应。其衰减函数为

22

L4=101g[l+87；,（Q）]（3-2）

与巴特沃斯低通原型相比较，对于给定的通带衰减和滤波器节数，切比雪夫低通

原型的阻带衰减斜率陡峭得多。

2带通滤波器

发卡式滤波器是半波长耦合微带滤波器的一种变形结构，是把半波长耦合谐

振器折合成“U”字形构成的。发卡式滤波器是由若干个发卡式谐振器并排排列

组合而成，这些谐振器之间主要是通过其边缘区域的电磁场相互交叉耦合的。因

此，这部分区域决定了发卡式滤波器之间的耦合特性和耦合强度。在每个谐振器

两臂的开放端，电场强度分布达到最大；而在其两臂的中间部分，磁场强度分布

达到最大。如图3-2所示，根据谐振器间的相对位置，发卡式谐振器可以分为四

种基本耦合结构：电耦合、磁耦合、第一及第二类混合耦合。图中，a为谐振器

臂长，b为臂间距，w为线宽，s为两谐振器间距，d为两谐振器偏移距离。

（0第类混合耦合（d）第二类混合情合

图3-2微带型发卡式谐振器的4类基本耦合结构

对于相同的微带线结构，如果两个谐振器的s和d减小，其耦合性能必定增强。

此外，谐振器之间的耦合强度可以通过耦合系数来进行分析。耦合系数越大，耦

合性能越强；反之则耦合性能越弱。发卡式谐振器信号源的输入输出方式可采用

抽头方式或缝隙耦合方式。

发卡式谐振器的谐振频率主要由以下参数确定：发卡臂长a、线宽w以及两

臂之间的距离b。通常取发卡谐振器的臂长约为4/4,4为微带介质中的带内波

人为所设计的带通滤波器的通带中心频率，玲=瓦，式中

工和人为滤波器通带所对应的频率点。

三实验设备及装置图

本实验主要是通过使用矢量网络分析仪AV3620测试RF带通及低通滤波器

的散射参数（S”、S|2、S21、S22）来熟悉滤波器的性能。连接图如下，将网络分

析仪的1端口接到滤波器的输入端口，将滤波器的输出端口接到网络分析仪的2

端口。

实验中使用的低通集总滤波器模块，为11阶电容输入式LC梯形网络；微带带

通滤波器模块，为5节发卡式滤波器，信号源输入输出采用抽头线方式，两端接

以50欧姆匹配负载。其PCB图分别如下所示。

四实验内容及步骤

■学习使用ADS软件设计滤波器的方法及步骤。

■使用矢量网络分析仪AV3620测量微波带通和低通滤波器的散射参数。

1.使用ADS设计滤波器

1.1低通滤波器

启动ADS进入主窗口，点击File->NewProject设置工程文件名称及存储路

径，点击LengthUnit设置长度单位为毫米，工程文件创建完毕后主窗口中显示

出该工程，同时原理图设计窗口打开。ADS的FilterDesignGuide可以快速准确

的生成各种滤波器，此处我们用它来设计集总低通滤波器。

(1).确定设计指标

切比雪夫型低通滤波器，截止频率450MHz,带内衰减小于IdB,阻带480MHz

以上衰减大于20dB。

(2).运行设计指导

在原理图窗口点击命令DesignGuide->Filter,弹出Filter对话框，选择Filter

ControlWindow并点击OK,弹出新窗口FilterDesignGuide,在原理图中放置

Smart元件后它将被激活。选择命令View->ComponentPalette-All或在工具栏中

点击ComponentPalette-AH图标,原理图左侧就会出现Smart元件面板。或

者在原理图设计窗口中选择滤波器设计指导工具栏

印terDG-AIINetworksJ也可以打开Smart元件面板。

(3).放置Smart元件并设计滤波器

＞在原理图左侧的FilterDG工具栏中选择Smart元件甲I放置在原理图中,

此时FilterDesignGuide窗口被激活。点击FilterAssistant标签，设定滤波器

的详细参数，包括通带和阻带频率及衰减、滤波器类型、源及匹配负载阻抗

等。

＞设置好滤波器的响应后，点击Redraw观察响应曲线的变化，若达不到指标

要求，可适当更改参数。响应曲线达到指标要求后，点击Design按钮，进行

滤波器的自动设计。

FilterDesignGuide仁]归]仪]

FileToolsView

41例啕白卜川x|省I

CurrentSchematicSmartComponent

I[untitled_pri]:10▼||DA_LCLowpa$$DT1

OverviewFilterAssistant|SimulationAssistant]SensitivityAssistant]DisplayAssistant|

ImpedancesResponseTypeAp(dB)

|Chebyshev

SourceLoad三[i—

[50-As(dB)

[20

FirstElement

IParalleldB/square

Order(N)

Realizations

DesignInformation「ViewAll

Order:F

11

MinimumInsertionLoss:

0.0000

DesignI|Redraw|Help

＞原理图中的Smart元件已具有所要求的滤波器特性，而且滤波器具体电路已

经创建好了。点击工具栏中的PushIntoHierarchy图标圜可以进入DT元件

来检验电路，点击PopOut跳回到上层电路。

（4）.检验滤波器的S参数仿真结果

＞点击FilterDesignGuide窗口中的SimulationAssistant标签，设置扫描频率范

围，例如从200MHz至l」700MHz,步长为10MHz,然后点击Simulate按钮观

察结果，一个模板会运行S参数仿真并显示结果。

FilterDesignGuide

fileloolsView

㈣口卜川x|Jll

CurrentSchematicSmartComponent

|[untitledj3rj]:7|DA_LCLowpa$$DT1F

Overview|FilterAssistantSimulationAssistantSensitivityAssistant|DisplayAssistant|

AutomatedSmarlComponerrtSimulation

SimulationFrequencySweep

Start[200|MHz二|歹AutomaticalyDisplayResults

St8[700|MHz二]Automatic通SetFrequenciesI

0廊fW|MHz

Num.ofPoints回

SimulateICreateTemplatedateFiomTemplateI

Helps

"Simuiate"automaticallysimulatesselectedSmartComponent

"CreateTemplate"createsasimulationtemplateformanualSmartComponentsimulation

"UpdateFromTemplate"closesthemanualtemplateandupdatesSmartComponentpatamelefs

＞检验数据显示，比较理想响应曲线与实际曲线的差异，移动MarkerMl、M2

可以读取曲线任意点处的数值，移动MarkerA、B会比较该段内的输入参数

和仿

FileEditViewInsertMarkerPageOptionsToolsHelp

口日曲博I困13制现知却曾同|wiai区|

DoublyTerminatedLowpassFilterNeedHelp?Pleafeth«FA«rDesignGwteUxrManual

torcompletenjtructlonjonujtngthisDifptayAulstamTheDisplay

DisplayAssistantAssistantChapterprovidesgeneral-useinsxnjctions,andspecifics

FilterDesignGuideforthisDisplayAssistantarefoundinthecomponentdooHnentation.

1FpFtAs|

InputParameters4.500BBI4.800B11D00I20.000I

1PBEdgeSBEdgeGainDe»(dB)DelayDev(ns)|

Performance700.0MHzI200.0MH:I1000I18,1311

1FS11(dB)S21(<JB)Delay(ns)1

htarkerM1450.MHz|-6.87I-1.00I21.70I

Miri<«rM2480.MH:I-0H2I-22.83I2.66|

P0Edge:ZttualPassbandComer

SBEdge: