微波電路EDA實驗報告

1、微波電路EDA實驗3微波電路EDA實驗實驗報告 學(xué)院：電子工程學(xué)院班級： 學(xué)號：姓名： 微波電路EDA實驗13實驗一：微帶低通濾波器一、實驗要求 設(shè)計一個切比雪夫式微波低通濾波器，技術(shù)指標為：截止頻率fc=2.2GHz,在通帶內(nèi)最大波紋LAr=0.2dB,S11小于-16dB；在阻帶頻率fs=4GHz處，阻帶衰減LAs不小于30dB。輸入、輸出端特性阻抗Z0=50。方法：用微帶線實現(xiàn)，基片厚度H=800um,T=10um,相對介電常數(shù)r=9.0;高阻抗線特性阻抗Z0h=106,低阻抗線Z0l=10。確定濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸，測量濾波器的參數(shù)S11、S21，進行適當調(diào)節(jié)，使之達到最佳。記錄濾波器的最

2、終結(jié)構(gòu)尺寸，總結(jié)設(shè)計、調(diào)節(jié)經(jīng)驗。二、實驗儀器硬件：PC機軟件：Microwave Office軟件 三、設(shè)計步驟1、 確定原型濾波器1） 通過運行iFilter Filter Wizard(智能濾波器向?qū)?模塊，設(shè)置各項以自動生成名為iFilter的原理圖，及測量圖、默認優(yōu)化目標。2） 將原理圖上方等式中的變量名C-v1改為Ca,變量名C-v2改為Cb，相應(yīng)地，將電路圖中位于兩側(cè)的電容數(shù)值改為“C=Ca”,居中的電容數(shù)值改為“C=Cb”。同樣步驟，將圖中的L-v1變量改為L0。3） 分析，即得原型濾波器的仿真結(jié)果。4） 優(yōu)化:設(shè)置優(yōu)化目標f<2.2GHz時,S11< -16dB,

3、S21> -0.2dB; f>4GHz時,S21< -30dB。設(shè)置優(yōu)化參數(shù)，選取所有變量。執(zhí)行優(yōu)化。優(yōu)化完成后的電路如圖1.1所示，結(jié)果如1.2所示，已優(yōu)化的參數(shù)值如表1所示。 2、 計算濾波器的實際尺寸1） 高阻抗線 先計算高阻抗線的寬度。已知條件：r=9.0，f0=1.1GHz,H=800um,T=10um,阻抗Z0h=106，通過工具TXLine計算得W、re; 再計算高阻抗線的長度（手算）：2) 低阻抗線 先計算低阻抗線的寬度。已知條件：r=9.0，f0=1.1GHz,H=800um,T=10um,阻抗Z0l=106，通過工具TXLine計算得W、re; 再計算高阻

4、抗線的長度（手算）：結(jié)果如表2所示。3、 完成電路，測量各特性指標1）在已有工程中添加一個新原理圖，用于繪制微帶結(jié)構(gòu)的低通濾波器。2） 依次繪制電路圖、添加圖表、添加測量項S11、S21 （單位dB）。全部完成后分析電路，觀察所得曲線。若性能尚不符合實驗指標，則需要對微帶結(jié)構(gòu)濾波器進行優(yōu)化。未優(yōu)化的電路圖如圖1.3所示，測量圖如圖1.4所示。3） 優(yōu)化；優(yōu)化參數(shù)選取各高、低阻抗線的長度。優(yōu)化目標設(shè)置與原型濾波器完全相同。執(zhí)行優(yōu)化，直到電路性能符合指標要求。優(yōu)化完成后的電路圖、測量圖分別如圖1.5，圖1.6所示。4） 激活實際結(jié)構(gòu)濾波器原理圖，從主菜單選ViewView Layout ,觀察濾波

5、器的二維布線圖。若尚未連接，即看到連接處有紅叉，可選中所有元件，再從工具欄選 snap togather，即可自動連接。再從工具欄選View 3D Layout，觀察三維布線圖。微帶線結(jié)構(gòu)濾波器布線視圖（二維）如圖1.7所示。5） 記錄優(yōu)化結(jié)果：微帶結(jié)構(gòu)電路的優(yōu)化數(shù)值（長度）如表3所示，測量圖所圖1.6所示。 四、實驗數(shù)據(jù)記錄及分析 表1 原型濾波器參數(shù)元件IDC1 (pF)C2 (pF)C3 (pF)L1 (nH)L2(nH)元件變量CaCbCaL0L0優(yōu)化值1.7123.0151.7124.6824.682 表2 微帶線結(jié)構(gòu)參數(shù)W(um)relL1 、lL2（um） lC1 、lC3（um

6、） lc3（um）高阻抗線92.47315.37765714.2低阻抗線8430.137.83121835.323232.18 表3 微帶線結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值（長度）元件IDTL1（um）TL2（um）TL3（um）TL4（um）TL5（um）優(yōu)化值19495658325556582005 圖1.1 原型濾波器電路圖（已優(yōu)化） 圖1.2 原型濾波器測量圖（已優(yōu)化） 圖1.3 微帶線結(jié)構(gòu)濾波器原理圖（未優(yōu)化） 圖1.4 微帶線結(jié)構(gòu)濾波器測量圖（未優(yōu)化） 圖1.5 微帶線結(jié)構(gòu)濾波器原理圖（優(yōu)化后） 圖1.6 微帶線結(jié)構(gòu)濾波器測量圖（優(yōu)化后） 圖1.7 微帶線結(jié)構(gòu)濾波器布線視圖（二維）結(jié)果分析： 從圖1.

7、4未優(yōu)化的微帶線結(jié)構(gòu)濾波器測量圖可以看出，f=4GHz時，S21=-27.46dB,阻帶衰減達不到實驗要求的 -28dB。從圖1.6優(yōu)化后的微帶線結(jié)構(gòu)濾波器測量圖可以看出，f=4GHz時，S21=-28.45dB,阻帶衰減達到了實驗要求的 -28dB。而優(yōu)化前后的結(jié)果均不理想，達不到通帶內(nèi)最大紋波0.2dB。原因是微帶線基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，優(yōu)化時只是改變高低阻抗線的長度，而其寬度保持不變，優(yōu)化能力有限，可通過將高低阻抗線的寬度也設(shè)置為優(yōu)化參數(shù)來達到更好的優(yōu)化效果。實驗二：貼片天線的特性分析及優(yōu)化一、 實驗要求建立、分析一個右手圓極化貼片天線，工作頻率為2.4GHz，測量其S參數(shù)。通過調(diào)節(jié)貼片天線

8、及切角的大小，對天線的軸比參數(shù)進行優(yōu)化，記錄最終的優(yōu)化結(jié)果。二、 實驗儀器硬件：PC機軟件：HFSS軟件 三、 設(shè)計步驟1、創(chuàng)建工程其中，求解類型為Driven Modal，單位為：mm。2、 創(chuàng)建模型模型主要包括：基片、接地板、貼片天線、饋電點、空氣腔體、端口、以及貼片天線的切角七部分。創(chuàng)建過程需要注意的是，在繪制端口過程，繪制完圓形之后，要從接地板裁去端口的穿孔，選擇了接地板和圓形進行布爾操作的減法時，需勾選Clone tool object before subtracting項，使得在接地板中裁去和端口一樣大小的洞且仍保留端口。模型如圖2.1所示。3、 設(shè)置變量在接地板、基片、貼片天線

9、、饋電點、端口及切角中都設(shè)置變量，且修改切角的位移矢量和建立起點和尺寸的變量關(guān)系。最終的變量如圖2.2所示。4、 設(shè)置模型材料參數(shù)設(shè)置饋電點的材料為copper，基片的材料為Rogers RO4003。5、 設(shè)置邊界條件和激勵源設(shè)置空氣為輻射邊界條件，接地板和貼片天線為有限導(dǎo)體，給端口設(shè)置激勵源，即設(shè)置集總端口。6、 設(shè)置求解條件1）添加求解設(shè)置Setup1，求解頻率為：2.45GHz，Maximum Number of Passes為：10，Maximum Delta S Per 為：0.01。2）添加頻率掃描項，掃描類型為：Fast，選擇：Linear Count，頻率范圍：2-3GHz，

10、共20點。3）確認設(shè)計，即檢查設(shè)計是否有錯誤，有錯則改，無錯進行下一步。4）最后分析，即對模型進行求解。7、 創(chuàng)建參數(shù)分析并求解1）添加參數(shù)設(shè)置，定義掃描變量chamsize,范圍為5-7mm，計算3次，定義掃描變量patchsize，范圍為31-33mm，計算3次。2）定義輸出變量，定義S11mag變量為：mag(S(Port1,Port1),定義AxiaRatio變量為：AxiaRatioValue，定義cost變量為：10*log(AxiaRatioValue)。最后，完成定義之后，將S11mag變量加入Calculation欄。3）參數(shù)求解，結(jié)果如圖1.3所示。8、 優(yōu)化求解1）選擇優(yōu)

11、化變量：patchsize，最小值：30mm，最大值：30.5mm；chamsize，最小值：5mm，最大值：5.5mm。2）設(shè)置遠區(qū)輻射場，插入遠區(qū)輻射場，其Phi和Theta參數(shù)的Stop項均設(shè)為0deg。3）添加優(yōu)化設(shè)置，首先添加成本函數(shù)，優(yōu)化方法選擇：Quasi Newton，Max.No.of Iterations為：100，選擇cost變量，其Goal為0,0,Weight為1,1,Acceptable Cost 為：0.01，Noise為：0.0001。其次，設(shè)置chamsize變量起始值改為5.1，Min為5，Max為5.5；patchsize變量起始值改為30.1，Min為3

12、0，Max為30.5。4）求解優(yōu)化分析，結(jié)果如圖1.4所示。測優(yōu)化后的S11(dB)參數(shù)與頻率的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖1.5所示。天線的3維輻射圖如圖1.6所示。四、實驗數(shù)據(jù)記錄及分析實驗的模型及數(shù)據(jù)記錄如下：圖2.1 貼片天線的模型圖2.2 貼片天線的變量設(shè)置圖1.3 參數(shù)變量求解結(jié)果圖1.4 cost優(yōu)化結(jié)果圖1.5 優(yōu)化后S11與頻率關(guān)系曲線結(jié)果分析：由圖1.4可以看出，優(yōu)化后cost（cost=10*log(AxiaRatioValue)）的值趨于0，也就是說，天線的軸比趨于1，達到了實驗圓極化的要求。但由圖1.5可以看出，天線的反射系數(shù)（dB）較大，是由于天線匹配不好導(dǎo)致的，所以后期需要

13、再調(diào)節(jié)使得天線匹配良好。五、實驗總結(jié)通過微波EDA實驗上機，我對Microwave Office軟件和HFSS軟件的了解及應(yīng)用能力有了很大提高。1）Microwave Office軟件可以對各種射頻模塊電路、單片微波集成電路、多層印制電路板等進行高效的設(shè)計和分析；其VSS套件還可以設(shè)計完整的端對端的通信系統(tǒng)，并支持硬件半實物仿真。軟件界面直觀，基于統(tǒng)一的設(shè)計平臺，整合多種仿真工具，兼具開放性和交互性，是進行微波電路的理論研究和工程研發(fā)的強有力工具，在通信、電子、半導(dǎo)體、航天等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。2）HFSS軟件是三維電磁場仿真軟件，應(yīng)用切向矢量有限元法，可求解任意三維射頻、微波器件的電磁場分布，計算由于材料和輻射帶來的損耗?？芍苯拥玫教卣髯杩埂鞑コ?shù)、S參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。上機實驗中把實驗書中的幾個實驗都做了一遍，主要是學(xué)會了如下：AWR方面：1）應(yīng)用工具Tune Tool，將某些元件設(shè)置為可調(diào)的，通過調(diào)節(jié)元件觀察S參數(shù)的變化；2）優(yōu)化電路，通過工程瀏覽頁的Optimizer Goals項設(shè)置優(yōu)化目標；通過主菜單的DrawAdd Equation，定義變量；通過主菜單