微波课程设计

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

《微波技术及应用实践》实验报告

课程设计题目：微波技术及应用实践

学 号：20104683 20104715 学生姓名：顾少翔 方超 指导教师：李勇明 学 院：通信工程学院 专 业：通信工程

1 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

重庆大学本科学生课程设计指导教师评定成绩表

学号 学院 指导教师 课程设计 题目 20104683、20104715 通信工程 学生姓名 专业 李勇明 微波技术及应用实践 顾少翔、方超 通信工程 指 导 教 师 评 语 课程设计 成绩 指导教师签名： 年 月 日 说明：1、学院、专业、年级均填全称。

2、本表除评语、成绩和签名外均可采用计算机打印。

2 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

重庆大学本科学生课程设计任务书

课程设计题目 学院 通信工程 专业 微波技术及应用实践 通信工程 年级 2010级 设计要求： 1、微带低通滤波器 2、微带功分器 通带频率：2.2GHz 工作中心频率：3.2GHz 止带频率：4.4GHz P2:P3?1:1 通带波纹：0.5dB 输入输出阻抗：50Ω 衰减>40 dB 3、微带带通滤波器 4、射频放大器 带内波纹：0.1dB 工作频率：3.2GHz 中心频率：5GHz 增益：>20dB 下边频：4.5GHz 带宽：>100MHz 上边频：5.5GHz 噪声系数：<3dB 在4GHz频率点衰减>30dB 学生应完成的工作： 分别完成微带低通滤波器、功率分配器、带通滤波器和放大器的一系列工作 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Layout图的设计； 4）进行电磁能量图仿真 参考资料： 《微波技术基础》廖承恩编著西安电子科技大学出版社 《微波技术及光纤通信实验》韩庆文主编重庆大学出版社 《射频电路设计——理论与应用》Reinhold Ludwig Pavel Bretchko 编著电子工业出版社 课程设计工作计划： 设计分两周进行： 第一周完成切比雪夫低通滤波器和威尔金森功分器的设计 第二周完成微带滤波器和放大器的设计 任务下达日期2013年9月3日完成日期2013年9月14日 指导教师（签名）学生（签名） 说明：1、学院、专业、年级均填全称。

2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。

3 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

摘要

关键词：低通原型 Kuroda规则功率分配比匹配网络微带线

本次主要涉及了低通滤波器，功分器，放大器和带通滤波器，用到了AWR，MATHCAD和ADS软件。

微波滤波器是一种用来分离不同频率信号的元件。他的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，而只让需要的信号通过。实际上许多微波元件都具有一定的频率响应特性，都可以用滤波器的理论进行分析。因为集总元件参数滤波器的理论比较成熟，所以，尽管微波滤波器在很多方面有他自己的特点，但在一定频率范围内，在分析微波滤波器的特性时，仍可采用与它相应的集总参数的等效电路来进行分析，并根据所得的分析结果，在具体的微波结构上加以实现。

低通滤波器允许低频信号以很小的衰减量从输入端口传输到输出端口，当信号频率超过特定的介质频率后，信号则以很少的衰减量从输入端口传输到输出端口。

切比雪夫滤波器： 切比雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的，其幅

频响表达式为：

ε是决定通带波纹大小的系数，波纹的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件；Tn是第一类切贝雪夫多项式。

在低通滤波器的设计中，根据设计要求，选择了合适的低通原型，利用了RICHARDS法则用传输线替代电感和电容，然后用Kuroda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，组后在AWR软件中用Txline算出微带线的长宽，画出原理图并仿真，其中包括S参数仿真，Smith圆图仿真和EM板仿真。

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，它可以实现任意的功分配比。可以很方便的用微带线或带状线来做，广泛应用于阵列天线馈电网络，固态发射机放大链等装置中。在功分器的设计中，首先根据要求的工作频率和功率分配比K，利用公式求得各段微带线的特性阻抗1，2，3端口所接电阻的阻抗值，再用AWR软件确定各段微带线的长度和宽度，设计出原理图，然后仿真，为了节省材料，又在原来的基础上设计了弯曲的功分器。

设计放大器时，一是根据要求，选择合适的管子，需在选定的频率点满足增益，噪声放大系数等要求。二是设计匹配网络，采用了单项化射界和双边放大器设计两种方法。具体是用ADS中的Smith圆图工具SmitChaitUtility来辅助设计，

4 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

得到了微带显得电长度，再选定基板，用ADS中的LineCalc计算微带线的长和宽。最后在ADS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，采用两级放大。

对于带通滤波器，首先根据要求选定低通原型，算出耦合传输线的奇模，偶模阻抗，再选定基板，用ADS的LineCalc计算耦合微带线的长和宽，组图后画出原理图并进行仿真。

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：

五阶微带低通滤波器：

截止频率:2.2GHZ 止带频率：4.4GHZ 通带波纹：0.5dB

止带衰减As大于45dB 输入输出阻抗：50欧

1.2 设计原理：

切比雪夫低通滤波器具有陡峭的通带——阻带过渡特性，且陡峭程度与带内波纹有关。一般来说波纹越大，通带——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很多倍。切比雪夫低通滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想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。为了将低通原型的截止频率从1变换到wC，需要乘以因子1/wC来确定滤波器的频率，这是通过w/wC来代替w的。

? ? =??C?? =?C对于低通原型中的串联电感jXL，并联电容jXc变换为低通滤波器中的感抗，容抗，可通过下面的公式来计算：

jXL?j(?wc)L?jwL?L`?Lwc 5 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

jXC?11C??C`?wjwCwcj()Cwc

1.3设计流程图：

性能指标分析 Mathcad参数计算 绘制集总元件图 电磁仿真 绘制EM图 验证修改 完成

性能仿真 集总元件性能仿真 参数修改 分布参数计算 绘制微带线图 1.4 设计步骤：

步骤1：利用MATHCAD进行参数计算：

6 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

画出归一化低通原型的电路图如图一所示：

图一 集总参数模型图

步骤2：集总元件的绘制与仿真：

由于输入输出阻抗为50 Ohm，用原型值进行阻抗变换，得到各组件的真实值，

7 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

用WAR软件画出相应的电路图如图二所示：

图二：集总参数原理图

得到相应的S参数仿真图：

图三 低通原型S参数仿真图

Smith圆图仿真：

8 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

从图中可以看到：仿真轨迹最终到达匹配点Z=1，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，串联微带线替换图一中的电容和电感，只需直接运用Richards变换即可得到微带线的特性阻抗和特性导纳为：

图五 用串联并联微带线代替电感器和电容器

为了在信号端和负载端达到匹配并使滤波器容易实现，需要引入单元组件以便能够应用第一和第二个Kuroda规则，从而将所有串联线段变为并联线段。由于这是一个五阶低通滤波器，我们必须配置总共4个单位组件以便将所有串联短路线变为并联开路线段。

9 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

首先，在滤波器的输入，输出端口引入两个单位元件：

图六 配置第一套单位元件

因为单位元件与信号源及负载的阻抗都是匹配的，所以引入它们并不影响滤波器的特性。对于第一个并联短线和最后一个并联短线应用Kuroda准则后的结果如图所示：

图七 将并联线变换为串联线

因为这个电路有四个串联短线，所以仍然无法实现。如果要将它们变换成并联形式，还必需再配置两个单位元件。如图八所示：

10 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

2.功率分配比：P1:P2=1:1 3.输入输出阻抗：50 Ohm

2.2设计步骤。

1.步骤一，微带参数计算。

根据功率关系可求得如下设计方程：

Z03?Z01?K2=70.7 K3Z02?K2Z03?Z0K(1?K2)=70.7

R?Z0(K?1)=100 K其中K=1，Z0=50 Ohm

2．步骤二，用AWR软件计算微带线长度和宽度，画出原理图。将图中的

R,Z02,Z03数据用WINDOWS中的Txline将相应的电阻值等效为微带线，其中电刻长度选取90度。基板参数：H=2000um,T=25um，介质常数=12.9，频率=3.2GHZ。

计算得微带线参数如下图所示： Z0 Z02/Z03 R 阻抗值（Ohm） 微带线长度（um） 50 70.7 100 13020 13400 22291 微带线宽度（um） 4264 2268 706.84

根据威尔金森功分器的结构绘制相应的原理图：

16 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

3.步骤三，对威尔金森功分器进行仿真。

1.S参数仿真如下图：

从图中可以看出：在频率为32.9GHZ的时候，S11达到最小为26.39dB，即在工作频率时输入端的反射系数最小，同时S21=S31=3.71dB左右，可以知道，设计的功分器刚刚好达到1：1的功分比，故设计初步达到要求。

2.Smith圆图仿真：

从图中可以观察到：在频率为2GHz的时候，输入输出端口刚好达到匹配。

17 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

4.步骤四：EM图仿真。

EM结构图如下，调节y尺寸使得元件置于中间位置，上下留出空间，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动，加上箭头后上图所示。

18 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

最后得到能量仿真图：

从图中可以清楚的观察到，功分器中的电磁能量在输入输出端口不停的流动，表现为箭头不时的向某个方向流动，由部分可以看出电磁能量在整个功分器中流通，说明了成功的设计了功分器。

再点击3D view得出EM板立体图。可得EM板参数如下图所示：

实验分析，虽然功分器设计简单，并且成功了，但是由于成型的样子不是很好看，

19 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

要是可以修改美化就更好了，于是乎做了下面的尝试，将此设计改成转弯头的设计，让在满足要求的情况下尽量美观。

3.美化后的功分器。

1．步骤一，前面的设计步骤和上面的一致。将上面的微带线长度分为几个

部分，这是经过计算得出的，将两部分微带线设置成未知数，然后根据方程解出长度，右边微带显得长度为1105.5um，左边微带线的长度为13401um，这样必须保持左右两边的长度一致，才不会有空缺出现，才可以连通，使得总长度要保持不变，宽度不变，转弯头宽度和微带线保持一致，得到原理图如下，

步骤二：对威尔金森功分器进行参数仿真。

1. S参数仿真。

20 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

3.设计匹配网络

用2中得到的阻抗值设计匹配网络。用ADS里面的Smith Chart Utility来辅助设计。先将得到的阻抗值输入再利用串并联传输线匹配到原点，如图所示： A．输入电阻匹配：

26 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

B．输出电阻匹配：

27 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

由上图的匹配设计，可以得到输入输出匹配网络的等效微带线网络： 输入端匹配网络：

串联微带线电刻度：28.12Deg

并联微带线电刻度：45.77 Deg

输出端匹配网络：

串联微带线电刻度：12.40Deg 并联微带线电刻度：51.68Deg

用微带线的电刻度计算出微带线的长与宽，所采用的基板为：H=2500um，T=20um，介电常数=12.9 。通过Tools/LineCalc计算出的微带线的W与L如下图所示： 微带线电刻度（Deg） W（um) 28.12 45.77 12.40 51.86

1903.02 1903.02 1903.02 1903.02 L(um) 2453.11 4502.32 1091.04 4576.13 4.设计电路图并进行仿真：

1. 得到相应的参数之后，可以设计总的电路图，如下：

28 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

经S参数仿真后发现，增益S21为7dB左右，不满足设计的要求，故采用了三级放大电路。为了避免级间影响，我们在二级放大电路之前和三级放大电路之前各加入了一个电容值为100pF的隔离电容。

得到S参数的仿真图：

29 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

从图中可以发现：在频率为3.2GHZ左右的时候，S11和S22达到最小，故反射损耗值达到最小值。而增益S21达到11.187 dB左右，故设计初步达到要求。 噪声系数仿真： 双击

，选中noise项，并选中calculate noise，单

击确定。在对其进行扫描。可以发现nf（2）如下图所示：

5.微带带通滤波器。

30 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

图六 带通滤波器的能量图 能量不能通过的情形：

36 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

心得体会以及错误分析

经过本次的课程设计，按照要求设计了低通滤波器，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仿真，并制成实用的EM图对其进行能量流图的仿真。同时，对低通滤波器还采用了高低阻抗的设计，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实用，对带通滤波器同时使用了两种软件，即ADS和microwave软件，都得到了比较好的效果。

在设计功分器时，能量流转图第一次就做错了。后来查明原因，是应为设计图中间断开了，放大放大很多倍数才发现，然后慢慢修改数据，才出现了正确的能量图。

在设计的过程中，我学会使用了新的软件microwave，并熟练掌握了ADS软件的使用方法，使得我们对微波的设计软件更加的熟悉，对未来在微波技术方面的发展奠定了基础。

37 / 38

微波技术及应用实践 顾少翔20104683 方超 20104715

附件

参考资料：

《微波技术基础》廖承恩编著西安电子科技大学出版社 《微波技术及光纤通信实验》韩庆文主编重庆大学出版社

《射频电路设计——理论与应用》Reinhold Ludwig Pavel Bretchko 编著电子工业出版社

38 / 38

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cugt.html