微波电路综合实验

1. 微波电路综合实验 2003.9

2. 微波的应用领域 • 通常的微波是指分米波、厘米波和毫米波，其频率范围从300MHz～300GHz，在整个无线电波波谱中占有重要的地位。 • 微波具有较高的辐射方向性和分辨率，在大气中的传播衰减比较小，并且能够穿透电离层，因此在通信、雷达、遥感、遥控、遥测等方面都有广泛的应用。 • 由于微波的频率高，频带宽，能够承载大量的信息，所以微波电路已经成为现代通信系统中必不可少的组成部分。

3. 微波电路的实例 • 下图是一个无线通信系统中接收机和发射机的系统框图

4. 课程目的 • 了解典型微波电路的原理及设计方法。 • 学习使用ADS软件进行微波电路的设计，优化，仿真。 • 掌握微波电路的制作及调试方法。

5. 课程内容 • 本课程主要由以下三个实验组成 • 一、微带滤波器的设计、制作与调试 • 二、低噪声放大器的设计、制作与调试 • 三、微带功分器、分支线电桥的设计、制作与调试 • 实验内容是学习使用ADS软件设计微波滤波器、低噪声放大器、功分器等，并对其参数进行优化、仿真。然后根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板，最后对制作好的电路进行调试，使其满足设计要求。

6. 微波元件的种类 • 微波电路的基本单元是传输线，根据传输线结构的不同，可以把微波元件分为同轴、微带、波导等几大类。 • 由于微带类元件体积小，重量轻，制作方便，所以本实验的内容采用微带结构来实现。

7. 微带电路的基本元件 • 微带线 • 宽高比 • 有效介电常数 • 特性阻抗 Zc • 微带中的波长

8. 微带电路的基本元件（续） • 常用的介质基片及其介电常数 • 聚四氟乙烯纤维 Teflon 2.5 – 2.8 • 氧化铝陶瓷 Al2O3 9 – 9.9 • 人工复合介质 3 - 20 • 高频玻璃纤维 FR4 4.3 – 4.7

9. 微带电路的基本元件（续） • 微带终端短路线段的特性

10. 微带电路的基本元件（续） • 微带终端开路线段的特性

11. 微带电路的基本元件（续） • 微带电路接地时通常采用打沉铜孔的方式，使上层的金属与下层的地板相连。微波电路中各接地点都要就近接地，通过一段线再接地和直接接地的效果是不同的。

12. 微带电路的基本元件（续） • 集总参数元件 • 电容 -- 贴片电容，陶瓷电容 • 电感 -- 贴片电感，磁芯线圈 • 电阻 -- 贴片电阻 • 晶体管 –贴片封装

13. 实验一微带滤波器的设计制作与调试

14. 微波滤波器简介 • 微波滤波器是一种具有选频功能的微波器件，它从频率上分离与阻隔微波信号，使在特定频带内的信号得以通过（通带）或被抑制（阻带）。由于这一特性，它的应用极为广泛，尤其是在多频率工作的系统中，更是不可缺少的一类元件。

15. 微波滤波器的分类 • 根据功率衰减的频率特性来分类，微波滤波器可分为低通、高通、带通和带阻滤波器。 • 随着频率的的提高，滤波器不能再用集总参数的电感和电容元件来组成，需要采用各类传输线为主体的分布参数结构。根据所用的传输线类型来分类，微波滤波器可分为波导、同轴线、微带线滤波器等等。

16. 微波滤波器的技术指标 • 通带边界频率与通带内衰减、起伏 • 阻带边界频率与阻带衰减 这些指标是描述滤波器的衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类(高通、低通、带通、带阻等)。

17. 微波滤波器的技术指标（续） • 各端口的反射系数 • 描述了滤波器各端口反射损耗的大小，反射系数越小，端口的阻抗匹配就越好，反射损耗也越小。 • 通带内的群时延 • 群时延是指信号的相移随频率的变化率，定义为 ，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真。

18. 微波滤波器的技术指标（续） • 寄生通带 • 寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的 ，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。

19. 微带滤波器的结构 • 微带滤波器制作简单，能够直接做在电路板上，容易同电路的其他部分连接，以下就是几种常见的微带滤波器的结构。 • 高低阻抗线低通滤波器

20. 微带滤波器的结构（续） • 平行耦合线带通滤波器 • 交指滤波器

21. 微带滤波器的结构（续）

22. 微带滤波器的设计 • 以平行耦合线带通滤波器为例介绍一下使用ADS软件设计滤波器的方法，具体包括原理图绘制，电路参数的优化、仿真，版图的仿真等步骤。 • 首先要根据所选滤波器的结构画出其原理图，并设置各元件的参数。

23. 微带滤波器的原理图

24. 微带滤波器的设计 • 对滤波器的电路参数进行优化和仿真。 • 在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21(S12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在S21(S12)随频率变化曲线的形状上。S11(S22)参数反应了输入、输出端口的反射系数，也是优化的主要目标。

25. 优化目标的设置

26. 微带滤波器的设计 • 在优化时，软件对于各个变量的值进行搜索，使得电路的S参数曲线逐步接近直至满足优化目标。 • 在优化过程中要根据实际情况选择合适的优化方法和次数，对电路进行反复优化。在优化中还可能要对优化目标、优化变量的初值及范围进行适当的调整。 • 当电路参数完全满足优化目标时，优化过程结束，可以观察仿真的曲线了。

27. 观察仿真曲线

28. 微带滤波器的设计 • 版图的仿真 • 版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，一般作为对原理图设计的验证。

29. 版图仿真的窗口

30. 版图仿真的曲线

31. 电路版图的绘制 • 仿真完成后要根据结果用Protel软件绘制电路版图，绘制版图时要注意以下几点。 • 所用电路板是普通的双层板，上层用来绘制电路，下层整个作为接地。 • 在绘制版图时受加工工艺的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，线宽和缝隙宽度要大于0.3mm • 考虑到加工电路板时的侧向腐蚀问题，微带线的宽度和长度要适当增加。 • 版图的大小要符合规定尺寸，以便于安装在测试架上。

32. 滤波器电路的调试 • 对照设计的版图检查、测量加工好的微带电路板上各段微带线以及缝隙的实际尺寸，并作记录。 • 将电路板安装到测试架上。 • 按下面的测试框图用网络分析仪对滤波器的各项指标进行测试。

33. 滤波器电路的调试（续） • 需要测试的参数主要有以下几个 • S11，S22：输入、输出端口的反射系数 • S21，S12：正向、反向传输系数 • Group delay：群时延 • 观察网络分析仪测量的结果是否达到指标要求并与前面仿真的结果做比较。 • 把实际测量的电路尺寸置于ADS软件中进行仿真，把结果与实际测量结果相比较。 • 如果测试结果与设计要求相差过多，则需对电路进行调整，直至重新进行设计、制板。

34. 实验二低噪声放大器的设计制作与调试

35. 低噪声放大器电路的基本结构 • 低噪声放大器主要由晶体管、输入输出匹配电路以及直流馈电电路（图中未画出）组成。 • 晶体管起放大信号的作用，是放大电路的主要元件。输入输出匹配电路使放大器与前后级电路达到阻抗匹配。馈电电路给晶体管提供了合适的直流工作点。

36. 低噪声放大器的技术指标 • 工作频带 • 信号在工作频带内，放大器才能对它起放大作用。 • 输入输出的反射系数 • 放大器电路是一个二端口网络，S11和S22参数分别代表了输入和输出的反射系数。反射系数越小，信号的反射损耗就越小，同时对于前后级电路的影响也减小。

37. 低噪声放大器的技术指标（续） • 放大器增益 • 放大器的增益有传输增益、最大增益、相关增益等多种定义方式。这里我们用放大器输出功率与输入功率的比值表示放大器的增益，可通过S21参数来表示增益的大小。 • 噪声系数 • 定义 • 意义是信号通过放大 器后，信噪比恶化的 倍数。

38. 低噪声放大器的技术指标（续） • 稳定系数 • 定义 式中S11，S22，S21，S12是晶体管的S参数， D= S11S22－S12S21 • K>1时系统是绝对稳定的，K<1时存在潜在不稳定性，有自激振荡的可能性。

39. 低噪声放大器的技术指标（续） • 增益平坦度 • 是指放大器工作频带内增益的起伏情况，增益越平坦，信号通过放大器所产生的幅度失真越小。

40. 低噪声放大器的设计 • 设计时要注意的问题 • 晶体管模型的选择 • sp模型：属于小信号线性模型，模型中已经带有了确定的直流工作点，和在一定范围内的S参数。 • 大信号模型：可以用来仿真大、小信号，需要自行选择直流工作点，仿真时要加入馈电电路和电源。带有封装的大信号模型可以用来生成版图。 • 集总参数元件的取值

41. 低噪声放大器的设计步骤 • 直流工作点扫描 • 根据晶体管型号选择合适的直流工作点。 • 晶体管S参数扫描 • 使用sp模型，可以 得到晶体管的输入、 输出阻抗。

42. 低噪声放大器的设计步骤（续） • 输入输出阻抗匹配设计 • 匹配电路形式主要有并联分支线和集总参数电容、电感两种。

43. 低噪声放大器的设计步骤（续） • SP模型的优化仿真 • 将噪声系数、放大器增益、稳定系数都加入优化目标中进行优化，并通过对带内放大器增益的限制来满足增益平坦度指标，最终达到各个要求指标。 • 如果电路稳定系数变得很小(低于0.9)，或者S(1,1)的值在整个频带内的某些频点在0dB以上，则需要加入负反馈，改善放大器的稳定性。

44. SP模型的电路原理图

45. 低噪声放大器的设计步骤（续） • 封装模型仿真设计 • 将sp模型替换为封装模型 • 选择直流工作点并添加偏置电压 • 替换为封装模型后各项参数会有所变化，如果不满足技术指标的话可以对封装模型的原理图再进行仿真优化。

46. 仿真结果曲线

47. 直流偏置电路的设计

48. 低噪声放大器的调试 • 对照设计版图检查加工好的微波电路板，并按照所用的电路元件表准备元器件。 • 按照电路原理图进行焊接，首先焊接放大器的供电部分，通电检查电压正确后再焊接其他无源器件，最后将晶体管按正确方式焊接。 • 在检查焊接无误后，将电路板安装到测试架上，接通直流电源测量放大器的直流工作点，并进行调整，使其满足设计要求。

49. 低噪声放大器的调试（续） • 按下面的测试框图对放大器的各项指标进行测试（网络分析仪和噪声仪的使用参照仪器说明）。注意：在测试前必须检查放大器的输入输出端是否已接耦合电容，否则会造成仪器损坏。 S参数测试框图 噪声系数测试框图

50. 低噪声放大器的调试（续） • 需要测试的参数主要有以下几个 • S11，S22：输入、输出端的反射系数 • S21：传输系数，由此可测得放大器的增益 • 噪声系数 • 将测试结果与仿真结果相比较，并看其是否满足设计指标。 • 若不满足设计指标，则对结果进行分析后，通过调整元器件的参数（电容，电感，电阻的值），使其达到设计指标。