微波实验报告_微带短截线低通滤波器的设计、仿真与测试

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
件拿去加工，让我们将实践和理论完整的结合，更激起了我们继续学习的兴趣，在此请允许我对两位老师表达深深的敬意！谢谢你们一学期来的指导和付出！。