微波实验报告_微带短截线低通滤波器的设计、仿真与测试
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综合课程设计实验报告
课程名称:微波方向综合课程设计
实验名称:微带短截线低通滤波器的设计、仿真与测试院(系):信息科学与工程学院
专业班级:
姓名:
学号:
指导教师:
2011年12月22日
一、实验目的和要求
1、目的:
通过这次课程设计,进一步理解微波工程的相关内容,熟练运用Microwave Office和Protel等软件,通过这学期学习、练习的积累,选择一个微波器件,依据MWO的仿真结果,使用protel99se将其绘制成电路版图(PCB)。最后在老师的帮助下制成实物并与仿真结果对比分析,在实践中加强自己对微波工程的体会与理解。
2、要求:
从以下题目中选择一个微波器件,依据MWO的仿真结果,使用protel99se 将其绘制成电路版图(PCB)。(器件的工作频率和学号相关)
1)3dB微带功率分配器;
2)微带短截线滤波器
3)3dB微带定向耦合器
PCB板采用介电常数为4.5,厚度为1mm的FR4基片;
电路尺寸必须按照自己相应的MWO设计结果绘制;
电路外轮廓为矩形,尺寸必须为:50mm*40mm或40mm*20mm;
每个电路端口必须在电路板的侧面,并使用至少5mm长度的50ohm微带线连接。
二、实验内容和原理
1、内容:
在介电常数为4.5,厚度为1mm的FR4基片上(T取0.036mm,Loss tangent取0.02),设计一个3阶、最大平坦型微带短截线低通滤波器,其截止频率为f(2.2GHz),阻抗是50欧姆。
2、原理:
(1)Richards 变换:
集总元件构成的滤波器通常工作频率较低,在微波频段,我们常常采用微带结构实现较好的滤波性能。在设计得到滤波器原型之后,为了实现电路设计从集总参数到分布参数的变换,Richards 提出了一种变换方法,这种变换可以将集总元件变换成传输线段。如图1所示,电感L 可等效为长为λ/8,特性阻抗为L 的短路线;电容C 可等效为长为λ/8,特性阻抗为1/C 的开路线。
图1
(2)Kuroda 规则:
采用Richards 变换后,串联元件将变换为串联微带短截线,并联元件将变换为并联短截线。由于串联微带短截线是不可实现的,所以需要将其转变为其它可实现的形式。为了方便各种传输线结构之间的相互变换,Kuroda 提出了四个规则,如图2所示。其中,2211/n Z Z =+;U.E.是单位元件,即电长度为λ/8、特性阻抗为UE Z 的传输线。选用合适的Kuroda 规则,可以将串联短截线变换为容易实现的并联短截线。
图2
三、设计指标
在介电常数为4.5,厚度为1mm的FR4基片上(T取0.036mm,Loss tangent取0.02),设计一个3阶、最大平坦型微带短截线低通滤波器,其截止频率为f(2.2GHz),阻抗是50欧姆。
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是传输系数,反映传输损耗和带外抑制; S11、S22分别是输入、输出端口的反射系数。此外,要仿真滤波器的群时延特性。
四、理论设计过程
第一步:根据设计要求,查表得到低通滤波器原型。
g1=1=L1
g2=2=C2
g3=1=L3
第二步:应用Richard变换将电感和电容转换为等效的串联和并联短截线。
短截线长度: L=λ
c
/8=17.05mm
Z 1=Z
3
=L
1
=L
3
=1
Z 2=1/C
2
=0.5
第三步应用Kuroda规则将串联短截线转换为并联短截线。
n2=2
Z
1
=2
Z
2
=2
Z
3
=0.5
Z
4
=2
Z
5
=2
第四步阻抗和频率定标。
电路拓扑图:
Layout:
3D Layout:
五、微波元件的仿真
1、S21
S21是传输系数,反映传输损耗和带外抑制:
2、S11、S22
S11、S22分别是输入、输出端口的反射系数:
3、群时延特性
PCB版图:
实物仿真结果:
七、分析与讨论
实物测试结果与电脑仿真结果的对比及分析:S21:
由以上二者对比可见,传输系数S21的实际测量结果与电脑仿真结果十分接近。且在截止频率2.2GHz处二者基本都为-3dB。在给定带宽内二者衰减效果都较好。实际测试结果曲线存在微小波动,但基本不影响总体趋势。
S11:
由以上二图对比可见,输入端口的反射系数S11的实际测量结果与电脑仿真结果相比,整体趋势基本相同,但在衰减幅度上存在一定差异。在通带之内,两者均有小于-20dB的衰减,且实际测得结果的衰减更多,通带内基本小于-30dB。在通带外,二者的S11幅度均有所上升,但实际测得结果衰减更多,上升的幅度较仿真结果要小。所以就该参数而言,实际做出的滤波器要好于仿真结果。
八、结论
由以上两个参数的对比来看,实际做出的低通滤波器要好于仿真结果。而且,该滤波器已很好的符合了设计要求,可以应用于具体电路中。
通过这次设计,我们进一步巩固了这学期所学的知识,更重要的是,我们通过实践,将理论与实际进行了良好的结合,在实践中加深了对于理论知识的理解,也对于微波工程有了更加立体的感觉,很有利于我们对于微波这门学科兴趣的进一步加深,为以后的学习研究打下了良好的基础。
对本课程的意见与建议
非常感谢两位老师的耐心指导和教学。这门课是大学里为数不多的能把理论和实践进行良好结合的课程。我们不仅学到了微波工程的理论知识,更学会了两个用途广泛的EDA软件(Microwave Office和Protel)。更重要的是,我们能通过实践、练习,将所学知识转化到实际运用之中,这样我们不仅加深了对于知识的理解,也熟悉了工具软件的使用方法,还能更立体直观的感受微波工程这门学科。最后老师还能将我们所设计的器