微帶濾波器的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試課件

微波電路綜合實(shí)驗(yàn)

2003.9微波電路綜合實(shí)驗(yàn)2003.91微波的應(yīng)用領(lǐng)域通常的微波是指分米波、厘米波和毫米波，其頻率范圍從300MHz～300GHz，在整個(gè)無(wú)線電波波譜中占有重要的地位。微波具有較高的輻射方向性和分辨率，在大氣中的傳播衰減比較小，并且能夠穿透電離層，因此在通信、雷達(dá)、遙感、遙控、遙測(cè)等方面都有廣泛的應(yīng)用。由于微波的頻率高，頻帶寬，能夠承載大量的信息，所以微波電路已經(jīng)成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分。微波的應(yīng)用領(lǐng)域通常的微波是指分米波、厘米波和毫米波，其頻率范2微波電路的實(shí)例下圖是一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)中接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)框圖微波電路的實(shí)例下圖是一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)中接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)框3課程目的了解典型微波電路的原理及設(shè)計(jì)方法。學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行微波電路的設(shè)計(jì)，優(yōu)化，仿真。掌握微波電路的制作及調(diào)試方法。課程目的了解典型微波電路的原理及設(shè)計(jì)方法。4課程內(nèi)容本課程主要由以下三個(gè)實(shí)驗(yàn)組成一、微帶濾波器的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試二、低噪聲放大器的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試三、微帶功分器、分支線電橋的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是學(xué)習(xí)使用ADS軟件設(shè)計(jì)微波濾波器、低噪聲放大器、功分器等，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真。然后根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板，最后對(duì)制作好的電路進(jìn)行調(diào)試，使其滿足設(shè)計(jì)要求。課程內(nèi)容本課程主要由以下三個(gè)實(shí)驗(yàn)組成5微波元件的種類微波電路的基本單元是傳輸線，根據(jù)傳輸線結(jié)構(gòu)的不同，可以把微波元件分為同軸、微帶、波導(dǎo)等幾大類。由于微帶類元件體積小，重量輕，制作方便，所以本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容采用微帶結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。微波元件的種類微波電路的基本單元是傳輸線，根據(jù)傳輸線結(jié)構(gòu)的不6微帶電路的基本元件微帶線寬高比有效介電常數(shù)特性阻抗Zc微帶中的波長(zhǎng)微帶電路的基本元件微帶線7微帶電路的基本元件（續(xù)）常用的介質(zhì)基片及其介電常數(shù)聚四氟乙烯纖維Teflon2.5–2.8氧化鋁陶瓷Al2O3

9–9.9人工復(fù)合介質(zhì)3-20高頻玻璃纖維FR44.3–4.7微帶電路的基本元件（續(xù)）常用的介質(zhì)基片及其介電常數(shù)8微帶電路的基本元件（續(xù)）微帶終端短路線段的特性微帶電路的基本元件（續(xù)）微帶終端短路線段的特性9微帶電路的基本元件（續(xù)）微帶終端開(kāi)路線段的特性微帶電路的基本元件（續(xù)）微帶終端開(kāi)路線段的特性10微帶電路的基本元件（續(xù)）微帶電路接地時(shí)通常采用打沉銅孔的方式，使上層的金屬與下層的地板相連。微波電路中各接地點(diǎn)都要就近接地，通過(guò)一段線再接地和直接接地的效果是不同的。微帶電路的基本元件（續(xù)）微帶電路接地時(shí)通常采用打沉銅孔的方式11微帶電路的基本元件（續(xù)）集總參數(shù)元件電容--貼片電容，陶瓷電容電感--貼片電感，磁芯線圈電阻--貼片電阻晶體管–貼片封裝微帶電路的基本元件（續(xù)）集總參數(shù)元件12實(shí)驗(yàn)一

微帶濾波器的設(shè)計(jì)

制作與調(diào)試

實(shí)驗(yàn)一

微帶濾波器的設(shè)計(jì)

制作與調(diào)試13微波濾波器簡(jiǎn)介微波濾波器是一種具有選頻功能的微波器件，它從頻率上分離與阻隔微波信號(hào)，使在特定頻帶內(nèi)的信號(hào)得以通過(guò)（通帶）或被抑制（阻帶）。由于這一特性，它的應(yīng)用極為廣泛，尤其是在多頻率工作的系統(tǒng)中，更是不可缺少的一類元件。微波濾波器簡(jiǎn)介微波濾波器是一種具有選頻功能的微波器件，它從頻14微波濾波器的分類根據(jù)功率衰減的頻率特性來(lái)分類，微波濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器。隨著頻率的的提高，濾波器不能再用集總參數(shù)的電感和電容元件來(lái)組成，需要采用各類傳輸線為主體的分布參數(shù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)所用的傳輸線類型來(lái)分類，微波濾波器可分為波導(dǎo)、同軸線、微帶線濾波器等等。微波濾波器的分類根據(jù)功率衰減的頻率特性來(lái)分類，微波濾波器可分15微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏

阻帶邊界頻率與阻帶衰減這些指標(biāo)是描述濾波器的衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等)。微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏16微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）各端口的反射系數(shù)描述了濾波器各端口反射損耗的大小，反射系數(shù)越小，端口的阻抗匹配就越好，反射損耗也越小。通帶內(nèi)的群時(shí)延群時(shí)延是指信號(hào)的相移隨頻率的變化率，定義為

，群時(shí)延為常數(shù)時(shí)，信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)才不會(huì)產(chǎn)生相位失真。微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）各端口的反射系數(shù)17微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）寄生通帶寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設(shè)計(jì)通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計(jì)時(shí)要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）寄生通帶18微帶濾波器的結(jié)構(gòu)微帶濾波器制作簡(jiǎn)單，能夠直接做在電路板上，容易同電路的其他部分連接，以下就是幾種常見(jiàn)的微帶濾波器的結(jié)構(gòu)。高低阻抗線低通濾波器微帶濾波器的結(jié)構(gòu)微帶濾波器制作簡(jiǎn)單，能夠直接做在電路板上，容19微帶濾波器的結(jié)構(gòu)（續(xù)）平行耦合線帶通濾波器交指濾波器微帶濾波器的結(jié)構(gòu)（續(xù)）平行耦合線帶通濾波器20微帶濾波器的結(jié)構(gòu)（續(xù)）

微帶濾波器的結(jié)構(gòu)（續(xù)）21微帶濾波器的設(shè)計(jì)以平行耦合線帶通濾波器為例介紹一下使用ADS軟件設(shè)計(jì)濾波器的方法，具體包括原理圖繪制，電路參數(shù)的優(yōu)化、仿真，版圖的仿真等步驟。首先要根據(jù)所選濾波器的結(jié)構(gòu)畫出其原理圖，并設(shè)置各元件的參數(shù)。微帶濾波器的設(shè)計(jì)以平行耦合線帶通濾波器為例介紹一下使用ADS22微帶濾波器的原理圖微帶濾波器的原理圖23微帶濾波器的設(shè)計(jì)對(duì)濾波器的電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和仿真。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化曲線的形狀上。S11(S22)參數(shù)反應(yīng)了輸入、輸出端口的反射系數(shù)，也是優(yōu)化的主要目標(biāo)。微帶濾波器的設(shè)計(jì)對(duì)濾波器的電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和仿真。24優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置

優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置25微帶濾波器的設(shè)計(jì)在優(yōu)化時(shí)，軟件對(duì)于各個(gè)變量的值進(jìn)行搜索，使得電路的S參數(shù)曲線逐步接近直至滿足優(yōu)化目標(biāo)。在優(yōu)化過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的優(yōu)化方法和次數(shù)，對(duì)電路進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化。在優(yōu)化中還可能要對(duì)優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的初值及范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。當(dāng)電路參數(shù)完全滿足優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，優(yōu)化過(guò)程結(jié)束，可以觀察仿真的曲線了。微帶濾波器的設(shè)計(jì)在優(yōu)化時(shí)，軟件對(duì)于各個(gè)變量的值進(jìn)行搜索，使得26觀察仿真曲線

觀察仿真曲線27微帶濾波器的設(shè)計(jì)版圖的仿真版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，一般作為對(duì)原理圖設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。微帶濾波器的設(shè)計(jì)版圖的仿真28版圖仿真的窗口

版圖仿真的窗口29版圖仿真的曲線

版圖仿真的曲線30電路版圖的繪制仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件繪制電路版圖，繪制版圖時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。所用電路板是普通的雙層板，上層用來(lái)繪制電路，下層整個(gè)作為接地。在繪制版圖時(shí)受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01mm即可，線寬和縫隙寬度要大于0.3mm考慮到加工電路板時(shí)的側(cè)向腐蝕問(wèn)題，微帶線的寬度和長(zhǎng)度要適當(dāng)增加。版圖的大小要符合規(guī)定尺寸，以便于安裝在測(cè)試架上。電路版圖的繪制仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件繪制電路31濾波器電路的調(diào)試對(duì)照設(shè)計(jì)的版圖檢查、測(cè)量加工好的微帶電路板上各段微帶線以及縫隙的實(shí)際尺寸，并作記錄。將電路板安裝到測(cè)試架上。按下面的測(cè)試框圖用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。濾波器電路的調(diào)試對(duì)照設(shè)計(jì)的版圖檢查、測(cè)量加工好的微帶電路板上32濾波器電路的調(diào)試（續(xù)）需要測(cè)試的參數(shù)主要有以下幾個(gè)S11，S22：輸入、輸出端口的反射系數(shù)S21，S12：正向、反向傳輸系數(shù)Groupdelay：群時(shí)延觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的結(jié)果是否達(dá)到指標(biāo)要求并與前面仿真的結(jié)果做比較。把實(shí)際測(cè)量的電路尺寸置于ADS軟件中進(jìn)行仿真，把結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相比較。如果測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相差過(guò)多，則需對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，直至重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、制板。濾波器電路的調(diào)試（續(xù)）需要測(cè)試的參數(shù)主要有以下幾個(gè)33實(shí)驗(yàn)二

低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

制作與調(diào)試

實(shí)驗(yàn)二

低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

制作與調(diào)試34低噪聲放大器電路的基本結(jié)構(gòu)低噪聲放大器主要由晶體管、輸入輸出匹配電路以及直流饋電電路（圖中未畫出）組成。晶體管起放大信號(hào)的作用，是放大電路的主要元件。輸入輸出匹配電路使放大器與前后級(jí)電路達(dá)到阻抗匹配。饋電電路給晶體管提供了合適的直流工作點(diǎn)。低噪聲放大器電路的基本結(jié)構(gòu)低噪聲放大器主要由晶體管、輸入輸出35低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)工作頻帶信號(hào)在工作頻帶內(nèi)，放大器才能對(duì)它起放大作用。輸入輸出的反射系數(shù)放大器電路是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，S11和S22參數(shù)分別代表了輸入和輸出的反射系數(shù)。反射系數(shù)越小，信號(hào)的反射損耗就越小，同時(shí)對(duì)于前后級(jí)電路的影響也減小。低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)工作頻帶36放大器增益放大器的增益有傳輸增益、最大增益、相關(guān)增益等多種定義方式。這里我們用放大器輸出功率與輸入功率的比值表示放大器的增益，可通過(guò)S21參數(shù)來(lái)表示增益的大小。噪聲系數(shù)定義意義是信號(hào)通過(guò)放大 器后，信噪比惡化的 倍數(shù)。低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）放大器增益低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）37低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）穩(wěn)定系數(shù)定義 式中S11，S22，S21，S12是晶體管的S參數(shù)， D=S11S22－S12S21K>1時(shí)系統(tǒng)是絕對(duì)穩(wěn)定的，K<1時(shí)存在潛在不穩(wěn)定性，有自激振蕩的可能性。低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）穩(wěn)定系數(shù)38低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）增益平坦度是指放大器工作頻帶內(nèi)增益的起伏情況，增益越平坦，信號(hào)通過(guò)放大器所產(chǎn)生的幅度失真越小。低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）增益平坦度39低噪聲放大器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題晶體管模型的選擇sp模型：屬于小信號(hào)線性模型，模型中已經(jīng)帶有了確定的直流工作點(diǎn)，和在一定范圍內(nèi)的S參數(shù)。大信號(hào)模型：可以用來(lái)仿真大、小信號(hào)，需要自行選擇直流工作點(diǎn)，仿真時(shí)要加入饋電電路和電源。帶有封裝的大信號(hào)模型可以用來(lái)生成版圖。集總參數(shù)元件的取值低噪聲放大器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題40低噪聲放大器的設(shè)計(jì)步驟直流工作點(diǎn)掃描根據(jù)晶體管型號(hào)選擇合適的直流工作點(diǎn)。晶體管S參數(shù)掃描使用sp模型，可以 得到晶體管的輸入、 輸出阻抗。

低噪聲放大器的設(shè)計(jì)步驟直流工作點(diǎn)掃描41低噪聲放大器的設(shè)計(jì)步驟（續(xù)）輸入輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)匹配電路形式主要有并聯(lián)分支線和集總參數(shù)電容、電感兩種。低噪聲放大器的設(shè)計(jì)步驟（續(xù)）輸入輸出阻抗匹配設(shè)計(jì)42低噪聲放大器的設(shè)計(jì)步驟（續(xù)）SP模型的優(yōu)化仿真將噪聲系數(shù)、放大器增益、穩(wěn)定系數(shù)都加入優(yōu)化目標(biāo)中進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)對(duì)帶內(nèi)放大器增益的限制來(lái)滿足增益平坦度指標(biāo)，最終達(dá)到各個(gè)要求指標(biāo)。如果電路穩(wěn)定系數(shù)變得很小(低于0.9)，或者S(1,1)的值在整個(gè)頻帶內(nèi)的某些頻點(diǎn)在0dB以上，則需要加入負(fù)反饋，改善放大器的穩(wěn)定性。低噪聲放大器的設(shè)計(jì)步驟（續(xù)）SP模型的優(yōu)化仿真43SP模型的電路原理圖

SP模型的電路原理圖44低噪聲放大器的設(shè)計(jì)步驟（續(xù)）封裝模型仿真設(shè)計(jì)將sp模型替換為封裝模型選擇直流工作點(diǎn)并添加偏置電壓替換為封裝模型后各項(xiàng)參數(shù)會(huì)有所變化，如果不滿足技術(shù)指標(biāo)的話可以對(duì)封裝模型的原理圖再進(jìn)行仿真優(yōu)化。低噪聲放大器的設(shè)計(jì)步驟（續(xù)）封裝模型仿真設(shè)計(jì)45仿真結(jié)果曲線

仿真結(jié)果曲線46直流偏置電路的設(shè)計(jì)

直流偏置電路的設(shè)計(jì)47低噪聲放大器的調(diào)試對(duì)照設(shè)計(jì)版圖檢查加工好的微波電路板，并按照所用的電路元件表準(zhǔn)備元器件。按照電路原理圖進(jìn)行焊接，首先焊接放大器的供電部分，通電檢查電壓正確后再焊接其他無(wú)源器件，最后將晶體管按正確方式焊接。在檢查焊接無(wú)誤后，將電路板安裝到測(cè)試架上，接通直流電源測(cè)量放大器的直流工作點(diǎn)，并進(jìn)行調(diào)整，使其滿足設(shè)計(jì)要求。低噪聲放大器的調(diào)試對(duì)照設(shè)計(jì)版圖檢查加工好的微波電路板，并按照48低噪聲放大器的調(diào)試（續(xù)）按下面的測(cè)試框圖對(duì)放大器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試（網(wǎng)絡(luò)分析儀和噪聲儀的使用參照儀器說(shuō)明）。注意：在測(cè)試前必須檢查放大器的輸入輸出端是否已接耦合電容，否則會(huì)造成儀器損壞。

S參數(shù)測(cè)試框圖噪聲系數(shù)測(cè)試框圖低噪聲放大器的調(diào)試（續(xù)）按下面的測(cè)試框圖對(duì)放大器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)49低噪聲放大器的調(diào)試（續(xù)）需要測(cè)試的參數(shù)主要有以下幾個(gè)S11，S22：輸入、輸出端的反射系數(shù)S21：傳輸系數(shù)，由此可測(cè)得放大器的增益噪聲系數(shù)將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，并看其是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。若不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，則對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析后，通過(guò)調(diào)整元器件的參數(shù)（電容，電感，電阻的值），使其達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。低噪聲放大器的調(diào)試（續(xù)）需要測(cè)試的參數(shù)主要有以下幾個(gè)50實(shí)驗(yàn)三

功分器的設(shè)計(jì)、制作

與調(diào)試

實(shí)驗(yàn)三

功分器的設(shè)計(jì)、制作

與調(diào)試51功分器簡(jiǎn)介在微波系統(tǒng)中，功率分配器的作用是把某一路的微波輸入功率按規(guī)定比例分成兩路或多路輸出；或者使用其逆過(guò)程，把兩路或多路微波功率迭加起來(lái)從一路輸出。功分器簡(jiǎn)介在微波系統(tǒng)中，功率分配器的作用是把某一路的微波輸入52功分器的結(jié)構(gòu)下圖是一個(gè)三分貝微帶功分器的結(jié)構(gòu)示意圖。它的輸入和輸出線的線性阻抗Zc，兩段長(zhǎng)度為λ/4的分支線的特性阻抗為Zc，分支線末端跨接一個(gè)電阻R，其值為2Zc。這種結(jié)構(gòu)的功分器具有以下特性：當(dāng)輸入端口2和3接匹配負(fù)載時(shí)，輸入端口1無(wú)反射，從端口1輸入的功率被平分到端口2和3，且端口2和3相互隔離。功分器的結(jié)構(gòu)下圖是一個(gè)三分貝微帶功分器的結(jié)構(gòu)示意圖。它的輸入53技術(shù)指標(biāo)工作頻帶功分器能夠正常工作的頻率范圍。功分比兩輸出端口的輸出功率之比，是功分器的主要指標(biāo)。各端口反射系數(shù)描述了功分器各端口反射損耗的大小，反射系數(shù)越小，端口的阻抗匹配就越好，反射損耗也越小。技術(shù)指標(biāo)工作頻帶54技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）兩輸出端口間的隔離度隔離度是指信號(hào)從2端口輸入，3端口輸出所產(chǎn)生的衰減的大小，衰減越大，表明兩端口的隔離度越好。相位平衡度兩輸出端口輸出信號(hào)的相位差。傳輸損耗信號(hào)通過(guò)功分器后產(chǎn)生的損耗。技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）兩輸出端口間的隔離度55實(shí)驗(yàn)的安排本實(shí)驗(yàn)要求每2人為一組，共同完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中濾波器和低噪聲放大器部分為必做，要求完成從軟件設(shè)計(jì)到制作調(diào)試的全過(guò)程。功分器的部分是