微波课程技术及实践课程设计.docx

课程设计题目微波技术及应用实践学院通信工程专业通信工程年级2013级设计要求：1、做带低通泄波器2.微带功分器通带频率：2.2工作中心频率：2.2止带频率：43Pr=1.:1通带水纹:0.5输入输出阻抗：50衰减403、微带带通滤波器4,射频放大器带内水纹：0.1工作频率：2.7中心频率：3增益：15下边频：2.5带宽：150上边频：3.5噪声系数：3在4.5频率点衰减30学生应完成的工作：分别完成微带低通滤波器、功率安排湍、带通灌波器和放大港的一系列工作1）电路原理图设计：2）进行相应的仿真和调试：3）进行相应的图的设计：4）进行电磁能址图仿真参考资料：微波技术基础廖承恩编著西安电子科技高校出版社微波技术及光纤通信试验韩庆文主编重庆高校出版社射频电路设计一一理论与应用编著电子工业出版社课程设计工作安排：设计分两周进行：第一周完成切比雪夫低通滤波涔和威尔金森功分蹲的设计其次周完成微带泄波器和放大罂的设计任务下达日期年月日完成日期年月日指导老师（签名）学生（签名）摘要本次主要涉及r低通港波淞，功分器，放大器和带通淤波器，用到j',和软件。低通源波器：依据设计的要求利用得到阶数5,并得到原型中的元件值g和串1.并C型的电容电感值。然后用软件进行理论电路原理图的仿真与分析，然后用规则进行微带线串并联互换，反归一化得出各段微带线的特性阻抗，之后在软件中用算出各条微带线的长宽，进而画出微带级电路图并进行仿我分析以及板仿真与验证。功分暮：依据威尔金森功率安排器的结构原理以及所要求的功率安排比，计兑出各部分的阻抗值，染个设置合理的微带线基板参数再利用软件中用就可以求出各微带线的实际长宽值。之后利用进行微带线电路图的仿其分析并结合版图分析验证功率安排状况，阅历证设计是满意设计要求的。放大Sh一是依据要求，选择合适的管子，需在选定的频率点满意增益，噪声放大系数等要求“二是设计匹配网络，采纳r单项化射界和双边放大器设计两种方法。详细是用中的圆图工具来协助设计，得到了微带显得电长度，再选定基板，用中的计算微带线的长和宽。最终在中画出原理图并进行仿真，主要是对S参数的仿真。为了达到所要求的增益，采纳两级放大。带通淀波1h首先依据耍求选定低通原型，算出耦合传输线的奇模，偶模阻抗，再选定合适的基板参数，用的“噌耦合微带线的长和宽，最终画出微带线原理图并进行仿真分析与险证。关健词：低通原型，规则，功率安排比，匹配网络，微带线课程设计正文1 .切比雪夫低通滤波器的设计1.1 设计要求：五阶微带低通波波涔：截止频率2.2止带频率：4.3通带水纹：0.5止带衰减大于40输入输出阻抗：50欧1.2 设计原理：切比雪夫低通消波器具有陡峭的通带一一阻带过渡特性，且陡峭程度与带内水纹有关。一般来说水纹越大，通带一一阻带过渡越陡峭“在通带外，切比雪夫低通滤波器衰减特性较其他低通滤波器提高许多倍。切比雪夫低通滤波涔在过渡带比巴特沃斯/波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和志向滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。为r将低通原型的截止频率从1变换到，须要乘以因子1来确定港波淞的频率，这是通过来代咨W的。=Qcoc->=£-c对于低通原型中的串联电感j并联电容jX,变换为低通源波器中的礴抗.容抗，可通过下面的公式来计算:jX1.=J()1.=W1.>C=一weweiy1I一厂CJXC=-=c=一y(21.)cNC叱叱1.3 设计流程图；1.4 设计步事：步*1：利用进行参数计算：TChebySheV1.型低通滤波器原型通带纹波(dB)：«0.5M：-10截至频率IHz)止带的衰减(dB;止带频率IHz:fc：=2200、：As：-40f：=4300：原里中的元件值三1807130226911.3021807(8)串1.并C型气：短云1.se-4.7119Q-S4711的$画出归一化低通原型的电路图如图-所示:图一集总参数模型图步震2：集总元件的绘制与仿真由下输入输出阻抗为50.用原型值进行阻抗变换，得到各组件的真实值，用软件画出相应的电路图如图:所示:->=1.1-,IOS-AMUiCTEItSI图二集息参数原理图得到相应的S参数仿真图:m2freq=2.200GHzdB(S(2,1)=-3007U二mpsmpm1.freq=4.300GHzdB(S(2,1)=-43.76C图三低通原型S参数仿或图从Su参数仿真图可以看出，O到1左右的范围内衰减为0,在频率为2.2处,其衰减刚好为3.在止带频率4.3处，其衰减接近40,通带一一阻带过渡陡靖,低通特性良好，满意设计要求。圆图仿真:Ireq<O.Hzto8.0GHz)从图中可以看到：仿真轨迹最终到达匹配点I，可知输入输出带到了匹配。步骤3：分布元件参数的计算用图二中开路，短路的并联，串联做带线替换图中的电容和电感，只需干脆运用变换即可得到微带线的特性阻扰和特性导纳为:匕=丫5=g1.，匕=83'Z?=Z1=4»图四用串联并联做带线代替电感器和电容器为在信号湍和负数湍达到匹配并使波波器简单实现，须要引入单元组件以便能够应用第一和其次个规则，从而将全部串联线段变为并联线段。由于这是一个五阶低通/波器，我们必需配置总共4个单位组件以便将全部串联短路途变为并联开路途段。首先，在戏波器的输入，辘出端口引入两个单位元件：因为单位元件与信号源及负效的阻抗都是匹配的，所以引入它们并不影响波波器的特性。对于第一个并联短线和最终一个并联短线应用准则后的结果如图所小：图六招并联线变换为串联线因为这个电路有四个中联短线，所以仍I口无法实现。假如要将它们变换成井然形式，还必需再配巴两个单位元件。如图七所示:图5.35为四阶渔战建阳肉第二隹单付元件图七配置其次套单元元件因为单元元件与信号源及负载的阻抗相匹配，所以引入他们并不影响滤波密的特性。对于图七中的电路应用法则，则可以得到如图八所示的电路，我正能够实现的滤波器设计结果:图八利用法则将串联短路途变为并联短路途的滤波器电路对应的阻抗值为:经计算后得到的各个值为:Z1=Z5ZU£3=ZU£.4=Z4ZuEt=Za£?42.5531.6440.4421.6440.372步矍四：反归化，将单位元件的输入.输出阻抗变成50欧的比例变换。得到实际阻抗的值反射一化后得到的值：Z1=ZsZUEi=Z2=ZtZUEt=ZUEiZ、127.67582.18522.1282.54518.58通过运用软件对所设计的混波器的微带线尺寸进行调整，最终基本达到设计的要求。利用的工具计算出微带线的长度与宽度.rM*tMc4Tnx>:I>Bixvu*raiu2SQFv*«(«rC1.会由昌U三JJBJWMUUc¾rcUZOSyx1.UtitAA1.ys固Ita1.1167590»Pr(»>4f4-4rAQgmQM在基板参数设置为：4.(XK),1.5,35.000,2.2,45.000条件下,计算后得到的长度,宽度值:阻抗值O1.微带线长度OW微带线宽度OZO509.7668401.396250Z15127.67510.5934000.128161Zg=Z(H82.18510.1785000.518202Z尸Z422.129.2309004.492130Z"E=Z“£282.54510.1823000.512720Zj18.589.1402905.580870步靠五：绘制微带线原理图并仿衣1 .用软件画出微带线原理图如下图:2 .对微带线原理图进行仿真得到S参数仿真图:从S参数仿真图可以看出，。到2范用内衰诚为0,由于是用微带线设计的滤波器.在截止频率为2.2处，其衰减为23.在止带频率4.3处，其衰减大134,其衰减大于40。通带一阻带过渡陡峭，低通特性良好，满意设计要求。然后对微带线原理图用圆图进行仿真，如卜图：CfroqJO.OOHxto6000GHz在0一8范用内的仿真结果，从图中可以看出，当。时，从匹配点起先反射系数组建增大，当频率在0到2.2的改变过程中，仿真轨迹均在1这个匹配点旁边移动，因此，能量大部分可以传输出去。当频率大于2.2时，我们发觉轨迹点快速失配，移向网图的最外圈，能地将不能从今滤波器传输出去，因此，该油波器从总体Jt达到了设计上的要求。步!五I绘制图仿真得出板电磁流图如下图所示:从图中可以清晰的视察到，波波错中的电磁能量在输入输出端口不停的流淌，表现为箭头时常的向某个方向流淌，由黄色部分可以看出电段能量在整个海波器中流通，说明白胜利的设计了低通波波器。运用3,可得到:2.功分器的设计2.1 设计要求工作频率：2.2功率安排比：P12=k1.输入输出阻抗：502.2 设计原理I.在微波系统中，有时须要聘传输功率分几路传送到不同的负载中去，或将几路功率合成为一路功率，以获得更大的功率。此时便须要应用三端口功率安排/合成元件。时这种元件的基本要求是损耗小、驻波比小、频带宽“2 .功分器是三端口网络，信号输入端(1)的输入功率为凸，其他两个输出端(2及3)的输出功率分别为匕及匕。由能量守恒定律知P尸,P-Port-IPortDividerAPor1.2Port-3功分器大致可分为等分型2p,）和比例型（JP,）。常用的功分器有:3 .威尔金森功分器是功分器的一种，可以做到完全匹配而且输出端口之间具有完全隔离的三端口网络，它可以实现随意的功安排比。可以很便利的用微带线或带状线来做，广泛应用于阵列大级馈电网络。2.3设计制%步骤一：等分威尔金森功分器的参数计噌等功分威尔金森功率安排器的模出如卜.图所示:Port2Port1.,Iz。今侬Port3依据功率关系可求得如卜设计方程:Zc=K2Z03=ZMK(I+K2)=70.7=Z0(K+)=100KR12=50其中1,Z0=50:步骤二：用软件计算微带线长度和宽度，画出原理图将图中的0203数据用将相应的电阻值等效为微带线.4.000,1.5,35.000,2.2,90.000阻抗值O1.微带线长度()胃微带线宽度()ZO5019.3914003.034320Z020370.719.9329001.602830依据威尔金森功分器的结构绘制相应的原理图:步三：对威尔金森功分器进行仿真I.S参数仿真Ireq1GHz(zmp(MQSmp从图中可以看出：在频率为2。2的时候，S1.1.达到最小为44.024,即在工作以率时输入端的反射系数最小，同时S2131左右，可以知道，设计的功分器刚刚好达到1：I的功分比，故设冲初步达到要求。2圆图仿真：m4frcq2.2C0GHzS1.1)=0.00e.(122335impedance-ZO(0.993i0.011)MqO.OXCHz»5.OGHr从图中可以视察到：在频率为2的时候，输入输出端口刚好达到匹配。步骤四：绘制图1.用快捷键,得到板的平面图。mW2.1ISGHzW1.,>V<<,*IW0d>O72Q16-D的朝ggM03Jnomj1.点击快捷键或选择在两个端口加上箭头，为使电磁能量能在输入输出端口流消。选择适当的仿真范围，在板上加端口，仿真得出板电磁流图如卜图所示：蓝色部分表示电殴傥量的分布.上面是动图的某一野间的故图.，从图中可以清晰的视察到，功分器中的电磁能量在辘入输出端口不停的潦淌，表现为箭头时常的向某个方向流淌,由黄色部分可以看出电磁能量在盛个功分涔中流通，说明白胜利的设计了功分器。点击3D得出极立体图，可得板参数如下图所示:3.转弯头威尔金森功分器的设计1.1 1设计指标：等功分器:P12=1.,即1;工作频率为：2。1.2 设计原理：本着节约原料为原则设计的弯曲的威尔金森功分器，其基本原理与等功分器的设计一样，都是用微带线的设计来实现，不同在于隔离电阻用的是有长宽参数的电阻进行设计。1.3 设计步骤：步骤一：依据阻抗值来求得功分器的参数并画出原理图:1.本次设计的为转弯头的威尔金森等功分器。Port2Port1./；IZo2Z小。Port3依据功率关系可求得如卜设计方程:=70.7ZI)2=KZ3=ZMK(1+K2)=70.7R=Zo(K+U100KR12=501.选取材料为,3000,35,介电常数=4的基板，用计算出下表的值（其中中心频率为2）：图一利用计算微带线的长与宽阻抗值O微带线宽度O微带线长度OZ023506399.720856Z020370.73413.1214573用软件画出原理图，设计时将Z02,Z03,R23,对应的微带线分成若干，总长度要保持不变，宽度不变,转弯头宽度和微带线保持一样，得到原理图如卜图所示：2图二转弯头威尔金森功分器的原理图步骤二：对威尔金森功分器进行参数仿真1 .对功分器进行S参数仿真：&S(IEI)warv,atouZhiiaiinaBtouB<S(2.1)warA*atouS3.1!>waantou图三S参数曲线图由图中可以看出：在频率为1.43的时候，S1.1.达到最小，即在工作旅率的时候反射系数达到最小。同时传输到2,3的传输系数分别为S21,S31,二者重合，达到威尔金森功分器等功率比的要求。同时可以视察到S23在工作频率的视乎达到最小，隔高度最小。从而可以看出电阻达到匹配。留意薄膜电阻的计算方式*来实现100欧姆的值。2 .对威尔金徐功分蹲进行圆图仿真:TchebyshevI型带通滤波器设计设计规范和参数带通钗波：tp0.1MIO6带道的中心螂fc:3000-Mc:三2-11fc带通的带宽BWp：-SOO-MpIxBWp止帚的带宽BWx:24Q0M止带懈上的衰减As；35带道柒率下限1.：«fc-fp1.2,6×10*带道处率上网fpu:efcE'：Pfpu«34×10止带频率下限J:«fc-f1.1.SX1。2止带领率上限IXU.三IC÷D1三42X102O带通的中心须率fo:fptuOO>2foIb2.973x10带通沌波器原型的元件个敷计算元件值的公式P-Inco<h步匕：求解带通泄波器的奇偶模阻抗值与其微带线参数，画出原理图3 .依据分数带宽，低通原型计算出导纳变换的值：,1i11BWA=原艰_111BW小户赤而:J_1I兀8旷MA+Iz0JNN+1.4 .求出导纳变换值后，可以依据下面的公式计算稀奇偶模阻抗：Z°"1.%=ZOU-ZOJiiIH+(Zo4,j+1)2ZOe1.=ZO1+Z()Jji+亿0<7"+)11.J+J3.依据奇偶模阻抗值，选定基板的参数1500,30,介电常数%确定微带耦合级的尺寸以及耦合间距.iZOJfJiO奇模特性因抗OC偶模特性吼抗O00.677839.08106.8610.441737.6781.8420.342838.7473.0230.342838.7473.0240.441737.6781.8450.677839.08106.864.再用计算出各段微带线的参数，如下表所示:O奇模特性阻e偶模特性阻10SO1.Om2rd0(r112>-51Ne,crcteS-0385171403他的g=2333333medage-ZO,0446p.060RFFrequencySe1.ector600-1一工goz-s1.d88MS;F6b0G"55OG',ooG÷50GFOOG,1.350G,1.,3oOG1.250G1.2OOG''5OGW100G1.500M0.000m1i11dep<m1)=2.700E9vsg:SWeePSiZemeq)-req)=270.00。rr*0q-27O(K5H2Toa-0.586.,-64ImPedarCe.Zo馔785i1.2S1.3参数仿真。从图中可以视察到在频率点为2.7时,可以得到输入输出端口的电阻匹配值:输入端口匹配电阻0*(0311*0111),输出端口匹配电阻0(1.192*1.053)。从图中可以视察到在2.7的时候第一级放大管的放大倍数为2.333。3.3 其次级放大卷设计1.建立原理图，对电路仿真。->c÷4aVaO5C.:+口巴W!包£3吟*+3、i*g«AQS?Sf¾RM1ETERSSP*5P1StefOGKzstop-e<xtp1OMMi即Z0O<Xn8*e224,2tcm*F.27GWrmrm1Mum三1Z*50CmSP-CZb-TkHR2Z5000hmE3896O,T4Gif?*B"®VeTTVEmAKqwr<尸P1OOC0GMTHo*FB»«ck付W25CJGKT11.±1-TUZ-WOOm三215427GMx11112*e22-50Chm2.放大倍数仿真。TM27®GMZ¢734.63«63”8班Mj>¾1.1,S>2,2S.111.21Mbi.i>¾1.1)"KS1.1>)-S2)0riSi2).dfda1.21.St22>3222AS11.1jcgS11.1)H8E由f1.cSH.1)dWS2Z)C2322(TM1.sa1.MSBT>0B1贝EB1.1.4X1.3Xe1.>>rcIBBh.B2tnB2,B24C2<C2)H12C2)3参数仿真。1“。UU、拓甯走匿勒豁以I从图中可以视察到在频率点为2.7时，可以得到输入输出端口的电阻匹配值。在2.7的时候其次级放大管的放大倍数为I523.4 志向器件设计的放大器1.建立原理图，对电路仿真。IJSDyUJ工.Tr7Yy.-6*hy.、Y型»SJ.-W1.t<H4in*H62.仿真结果。F1.Irg=270CGHZdB322b8G35邠fr-27COOHzrA2H3.1263.5微带线设计的放大器1.建立原理图,对电路仿真。*"(SU"、一C-.AX®VXi?-I1.-371-T-1.11一亘O-一工二二=1.-51.z1.12.仿真结果Esa晶洛IfMG4fa*Cmj可以有到，微带线的仿真结果与志向时电路仿此结果很接近，而旦就微带线的仿真分析来看，各项设计要求都已达到,所以做带线设计是符合设计要求的。总结经过两周的课程设计，依据要求设计r切比雪夫型低通灌波器、威尔金森功分器、带通滤波器、射频放大器，并对其原理图进行改进及其参数仿真，并制成好用的图对其进行能量流图的仿真。同时，时低通滤波器还采纳凹凸阻抗的设计,对威尔金森功分器实现了转弯头的设计，使其能更好的适应工业上的好用，时带通灌波器I可时运用了软件，得到了比较好的设计效果。在设计中无法避开地遇到了许多问题，但是正是在解决这些问题的过程中使我们对于课程学问有了更透彻深化的理解和驾驭.在做微带低通滤波器的时候，我通过将集总元件变换到微带线时，由于变换公式是近似的，所以从集总元件到微带线的变换时有误差，仿真时的误差偏大，通过调整基板厚度，相对介电常数，修正了相对误差，获得了较好的结果。在我在这次的试验的过程中，遇到/许多的问题，在老师和同学们的热心相助下，最终顺当的完成了这次试验，也感谢老师和同学们的热心楮助。这次试脸也让我意识到,在试验的过程中，遇到各种各样的问题是不行避开的，在遇到问题的时候，首先要冷睁思索分析，运用平常所学的各种理论学问和分析方法,逐步排查问题，查阅相关资料，最终解决问题.试险室将理论运用实际的一门课，须耍动脑和动手相U协作，相互协作，最终才能取得良好的效果。本次课程设计对我们来说是一个很好的体验，对自己而言也是受益匪浅。这次课程设计通过自己的亲自实践，不仅熬炼了我们的动手实力和独立思索分析解决的实力，勇于尝武和大胆挑战.对我们进入社会、处理问题的实力上进行r一次很好的演练。从而我们认为这次课程设计无论是从哪个方面讲都是非常胜利的。