,,,,,,,單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,微波電路綜合實驗,,,2003.9,,微波的應用領(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300,MHz～300GHz，,在整個無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、遙感、遙控、遙測等方面都有廣泛的應用。,,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。,,微波電路的實例,,下圖是一個無線通信系統(tǒng)中接收機和發(fā)射機的系統(tǒng)框圖,,,課程目的,,了解典型微波電路的原理及設(shè)計方法。,,學習使用,ADS,軟件進行微波電路的設(shè)計，優(yōu)化，仿真。,,掌握微波電路的制作及調(diào)試方法。,,課程內(nèi)容,,本課程主要由以下三個實驗組成,,一、微帶濾波器的設(shè)計、制作與調(diào)試,,二、低噪聲放大器的設(shè)計、制作與調(diào)試,,三、微帶功分器、分支線電橋的設(shè)計、制作與調(diào)試,,實驗內(nèi)容是學習使用,ADS,軟件設(shè)計微波濾波器、低噪聲放大器、功分器等，并對其參數(shù)進行優(yōu)化、仿真。然后根據(jù)軟件設(shè)計的結(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板，最后對制作好的電路進行調(diào)試，使其滿足設(shè)計要求。,,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，所以本實驗的內(nèi)容采用微帶結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。,,,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,Z,c,,微帶中的波長,,,,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,Teflon 2.5 – 2.8,,氧化鋁陶瓷,Al,2,O,3,,,,9 – 9.9,,人工復合介質(zhì) 3 - 20,,高頻玻璃纖維,FR4 4.3 – 4.7,,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)）,,微帶終端開路線段的特性,,,微帶電路的基本元件（續(xù)）,,微帶電路接地時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都要就近接地，通過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)）,,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,,實驗一,,微帶濾波器的設(shè)計制作與調(diào)試,,,,微波濾波器簡介,,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，使在特定頻帶內(nèi)的信號得以通過（通帶,）,或被抑制（阻帶）。由于這一特性，它的應用極為廣泛，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。,,微波濾波器的分類,,根據(jù)功率衰減的頻率特性來分類，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分類，微波濾波器可分為波導、同軸線、微帶線濾波器等等。,,微波濾波器的技術(shù)指標,,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,,這些指標是描述濾波器的衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標，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（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)的群時延,,群時延是指信號的相移隨頻率的變化率，定義為,,，,群時延為常數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會產(chǎn)生相位失真。,,微波濾波器的技術(shù)指標（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)計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計時要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。,,微帶濾波器的結(jié)構(gòu),,微帶濾波器制作簡單，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)（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)）,,,,微帶濾波器的設(shè)計,,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)。,,,微帶濾波器的原理圖,,,,微帶濾波器的設(shè)計,,對,濾波器的電路參數(shù)進行優(yōu)化和仿真。,,在進行設(shè)計時，主要是以濾波器的,S,參數(shù)作為優(yōu)化目標進行優(yōu)化仿真。,S,21,(S,12,),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,S,21,(S,12,),隨頻率變化曲線的形狀上。,S,11,(S,22,),參數(shù)反應了輸入、輸出端口的反射系數(shù)，也是優(yōu)化的主要目標。,,優(yōu)化目標的設(shè)置,,,,微帶濾波器的設(shè)計,,在優(yōu)化時，軟件對于各個變量的值進行搜索，使得電路的,S,參數(shù)曲線逐步接近直至滿足優(yōu)化目標。,,在優(yōu)化過程中要根據(jù)實際情況選擇合適的優(yōu)化方法和次數(shù)，對電路進行反復優(yōu)化。在優(yōu)化中還可能要對優(yōu)化目標、優(yōu)化變量的初值及范圍進行適當?shù)恼{(diào)整。,,當電路參數(shù)完全滿足優(yōu)化目標時，優(yōu)化過程結(jié)束，可以觀察仿真的曲線了。,,觀察仿真曲線,,,,微帶濾波器的設(shè)計,,版圖的仿真,,版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準確，但是它的計算比較復雜，一般作為對原理圖設(shè)計的驗證。,,版圖仿真的窗口,,,,版圖仿真的曲線,,,,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，繪制版圖時要注意以下幾點。,,所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路，下層整個作為接地。,,在繪制版圖時受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01,mm,即可，線寬和縫隙寬度要大于0.3,mm,,考慮到加工電路板時的側(cè)向腐蝕問題，微帶線的寬度和長度要適當增加。,,版圖的大小要符合規(guī)定尺寸，以便于安裝在測試架上。,,濾波器電路的調(diào)試,,對照設(shè)計的版圖檢查、測量加工好的微帶電路板上各段微帶線以及縫隙的實際尺寸，并作記錄。,,將電路板安裝到測試架上。,,按下面的測試框圖用網(wǎng)絡(luò)分析儀對濾波器的各項指標進行測試。,,濾波器電路的調(diào)試,（,續(xù)）,,需要測試的參數(shù)主要有以下幾個,,S,11,，S,22,：,輸入、輸出端口的反射系數(shù),,S,21,，S,12,：,正向、反向傳輸系數(shù),,Group delay：,群時延,,觀察網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的結(jié)果是否達到指標要求并與前面仿真的結(jié)果做比較。,,把實際測量的電路尺寸置于,ADS,軟件中進行仿真，把結(jié)果與實際測量結(jié)果相比較。,,如果測試結(jié)果與設(shè)計要求相差過多，則需對電路進行調(diào)整，直至重新進行設(shè)計、制板。,,實驗二,低噪聲放大器的設(shè)計制作與調(diào)試,,,,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電路達到阻抗匹配。饋電電路給晶體管提供了合適的直流工作點。,,低噪聲放大器的技術(shù)指標,,工作頻帶,,信號在工作頻帶內(nèi)，放大器才能對它起放大作用。,,輸入輸出的反射系數(shù),,放大器電路是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，,S,11,和,S,22,參數(shù)分別代表了輸入和輸出的反射系數(shù)。反射系數(shù)越小，信號的反射損耗就越小，同時對于前后級電路的影響也減小。,,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,S,21,參數(shù)來表示增益的大小。,,噪聲系數(shù),,定義,,意義是信號通過放大,,器后，信噪比惡化的,,倍數(shù)。,低噪聲放大器的技術(shù)指標（續(xù)）,,,低噪聲放大器的技術(shù)指標（續(xù)）,,穩(wěn)定系數(shù),,定義,,式中,S,11,，S,22,，S,21,，S,12,是晶體管的,S,參數(shù)，,,,D= S,11,S,22,－S,12,S,21,,K>1,時,系統(tǒng)是絕對穩(wěn)定的，,K<1,時,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（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，信號通過放大器所產(chǎn)生的幅度失真越小。,,低噪聲放大器的設(shè)計,,設(shè)計時要注意的問題,,晶體管模型的選擇,,sp,模型：屬于小信號線性模型，模型中已經(jīng)帶有了確定的直流工作點，和在一定范圍內(nèi)的,S,參數(shù)。,,大信號模型：可以用來仿真大、小信號，需要自行選擇直流工作點，仿真時要加入饋電電路和電源。帶有封裝的大信號模型可以用來生成版圖。,,集總參數(shù)元件的取值,,低噪聲放大器的設(shè)計步驟,,直流工作點掃描,,根據(jù)晶體管型號選擇合適的直流工作點。,,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)計步驟（續(xù)）,,輸入輸出阻抗匹配設(shè)計,,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)化目標中進行優(yōu)化，并通過對帶內(nèi)放大器增益的限制來滿足增益平坦度指標，最終達到各個要求指標。,,如果電路穩(wěn)定系數(shù)變得很小(低于0.9),，,或者,S(1,1),的值在整個頻帶內(nèi)的某些頻點在,0,dB,以上，則需要加入負反饋，改善放大器的穩(wěn)定性。,,,SP,模型的電路原理圖,,,低噪聲放大器的設(shè)計步驟（續(xù)）,,封裝模型仿真設(shè)計,,將,sp,模型替換為封裝模型,,選擇直流工作點并添加偏置電壓,,替換為封裝模型后各項參數(shù)會有所變化，如果不滿足技術(shù)指標的話可以對封裝模型的原理圖再進行仿真優(yōu)化。,,仿真結(jié)果曲線,,,,,直流偏置電路的設(shè)計,,,,低噪聲放大器的調(diào)試,,對照設(shè)計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備元器件。,,按照電路原理圖進行焊接，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源器件，最后將晶體管按正確方式焊接。,,在檢查焊接無誤后，將電路板安裝到測試架上，接通直流電源測量放大器的直流工作點，并進行調(diào)整，使其滿足設(shè)計要求。,,低噪聲放大器的調(diào)試（續(xù)）,,按下面的測試框圖對放大器的各項指標進行測試（網(wǎng)絡(luò)分析儀和噪聲儀的使用參照儀器說明）。,注意：在測試前必須檢查放大器的輸入輸出端是否已接耦合電容，否則會造成儀器損壞。,,,,,,,,,,,,,S,參數(shù)測試框圖 噪聲系數(shù)測試框圖,,低噪聲放大器的調(diào)試（續(xù)）,,需要測試的參數(shù)主要有以下幾個,,S11，S22：,輸入、輸出端的反射系數(shù),,S21：,傳輸系數(shù)，由此可測得放大器的增益,,噪聲系數(shù),,將測試結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，并看其是否滿足設(shè)計指標。,,若不滿足設(shè)計指標，則對結(jié)果進行分析后，通過調(diào)整元器件的參數(shù)（電容，電感，電阻的值），使其達到設(shè)計指標。,,實驗三,功分器的設(shè)計、制作與調(diào)試,,,,功分器簡介,,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；或者使用其逆過程，把兩路或多路微波功率迭加起來從一路輸出。,,,功分器的結(jié)構(gòu),,下圖是一個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,，,兩段長度,為,λ,/4,的,分支線的特性阻抗為,,Zc,，,分支線末端跨接一個電阻,R，,其值為2,Zc,。,這種結(jié)構(gòu)的功分器具有以下特性：當輸入端口2和3接匹配負載時，輸入端口1無反射，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。,,技術(shù)指標,,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。,,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（續(xù)）,,兩輸出端口間的隔離度,,隔離度是指信號從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的相位差。,,傳輸損耗,,信號通過功分器后產(chǎn)生的損耗。,,實驗的安排,,本實驗要求每2人為一組，共同完成實驗。,,實驗內(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)計到制作調(diào)試的全過程。,,功分器的部分是選做，如果完成可獲得加分。,,,實驗的安排（續(xù)）,,實驗分為軟件仿真設(shè)計和電路制作、調(diào)試兩個階段。,,軟件仿真設(shè)計,,地點：東主樓11區(qū)222室,,時間：第三周到第七周,,,,實驗的安排（續(xù)）,,電路的制作與調(diào)試,,每組要提交用,protel,設(shè)計好的電路版圖文件，以及電路中所用的元器件列表。以便進行電路板的加工和元器件的準備。,,電路制作與調(diào)試的地點是中央主樓9層919的微波實驗室，時間安排在第八周以后。,,實驗報告的要求,,實驗報告要求每人寫一份，報告中要包括以下內(nèi)容。,,軟件仿真的簡要步驟，仿真原理圖、版圖、結(jié)果曲線。,,用,protel,繪制的電路版圖，以及所用元器件的列表。,,電路的制作和調(diào)試過程，最終電路的測試結(jié)果，并與仿真結(jié)果作比較，分析差異的原因。,,總結(jié)軟件仿真以及電路制作、調(diào)試中需要注意的問題，并完成實驗指示書中的思考題。,,考核方式,,平時成績（20％）,,包括平時出勤情況、課堂情況等。,,考核成績（80％）,,包括實驗報告和面試兩部分。面試時要求每個小組對自己的工作情況進行匯報、總結(jié)，并回答老師的提問。,,實驗指示書,,《微波電路綜合實驗指示書》,,（2003.7）,,軟件仿真的具體實驗時間請于第二周周五（9月19日）下午2：00－5：00到中央主樓9層919的微波實驗室登記。,,,,,,