微波与射频电路仿真报告

e.版图生成
f.版图仿真略(破解版 ADS2012 版图仿真证书好像出了点问题)
九、实验数据及结果分析： 【在以下的仿真曲线中要求用 Marker 打出 f0，若有带宽要求的还需要用 Marker 打出 f1 和 f2 的标识。 】 参见八、实验步骤
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十、实验结论：
通过对 ADS 软件的使用，了解并掌握了软件特点、仿真对象的建模、电路的调试、优化 以及结果的输出等操作内容。 通过对微波常见无源电路及有源器件的仿真，对微波电路的设计过程有了感性的认识， 建立了独立承担微波电路研发工作的信心。
优化仿真
Tand 1E-4
Rough 0 mm
变量(最后优化仿真出来的值) 耦合微带线 长度 l 宽度 w 缝宽 s 1 5.2241mm 0.3753 mm 0.6074 mm 2 4.7062mm 1.6963 mm 4.7062 mm 3 1.5951 mm 1.0131 mm 0.0217 mm 4 4.7062mm 1.6963 mm 4.7062 mm 5 5.2241mm 0.3753 mm 0.6074 mm
目标设置(未列出权重)
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S(1,1)
<-15dB(7.6GHz<f<8.4GHz)
S(2,1)
<-15dB(9GHz<f<10GHz)
S(2,1)
<-15dB(6GHz<f<7GHz)
S(2,1)
>-1dB(7.6GHz<f<8.4GHz)
布线原理图
优化仿真截图
f.仿真结果及分析
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因为中心频率是 8GHz,只扫描了 6GHz～10GHz 的 S 参数。与设置的参数相Βιβλιοθήκη Baidu结果非常理想。但是在仿 真过程中可以看到，在图示扫描范围外，约在 13GHz 和 3GHz 处 S(2,1)还有一个较大的次波,其峰值在能达 到-12dB。
a. 设计指标
中心频率 f0=8GHz，带宽△f=f0*10%，插损≥-1dB，通带回波损耗≤-15dB，离开通带边沿左右各 600MHz 处实现-15dB 抑制
b. 滤波器简介
微波带通滤波器是应用广泛、 结构类型繁多的微波滤波器， 但适合微带结构的带通滤波器结构就不是 那么多了，这是由于微带线本身的局限性，因为微带结构是个平面电路，中心导带必须制作在一个平面基 片上，这样所有的具有串联短截线的滤波器都不能用微带结构来实现；其次在微带结构中短路端不易实现 和精确控制，因而所有具有短路短截线和谐振器的滤波器也不太适合于微带结构。 微带线带通滤波器的电路结构的主要形式有5种： 1、电容间隙耦合滤波器 2、平行耦合微带线带通滤波器 3、发夹线带通滤波器 4、1/4波长短路短截线滤波器 5、半波长开路短截线滤波器 平行耦合线微带带通滤波器是由几节半波长谐振器组合而成的，它不要求对地连接，结构简单，易于 实现，是一种应用广泛的滤波器。整个电路可以印制在很薄的介质基片上(可以簿到1mm以下)，故其横截 面尺寸比波导、 同轴线结构的小得多； 其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟， 但采用高介电常数的介质基片， 使线上的波长比自由空间小了几倍，同样可以减小；此外，整个微带电路元件共用接地板，只需由导体带 条构成电路图形，结构大为紧凑，从而大大减小了体积和重量。
c. 理论设计过程
1、给出设计参数 2、计算阶数 过度比： k p / s ,分子分母分别是通带边界频率和阻带边界频率 选择性参数： k1 /
2 A2 1 ,其中1/ 1 是通带波纹，1/A 是最大阻带波纹。
阶数: N lg(1/ k1 ) / lg(1/ k ) 3、选择滤波器类型，对应的低通滤波器有 N 阶的传输函数 4、频谱变换 设计高通、带通、带阻滤波器时，其传输函数可由低通滤波器的频谱变换而得。带通滤波器和低通滤 波器之间的频谱变换公式为：
b. 功分器简介
在射频/微波电路中，为了将功率按一定比例分成两路或多路，需要使用功率分配器（简称功分器） ， 在近代射频/微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛的使用功分器，而且通常功分器是成对使用的， 现将功率分成若干份，然后在分别放大，再合成输出。 Wilkinson 功分器的结构如图 1 所示，对于功率平分的情况，输入和输出口间的分支线特性阻抗=Z0， 线长为四分之一线上波长，在分支线末端跨接一个电阻 R，其值为 2。这种功分器当 2、3 口接匹配负载时， 1 口的输入无反射，反过来对 2、3 口也如此。由端口 1 输入的功率被平分到端口 2 和 3，且 2、3 端口间 相互隔离。
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路行了优化仿真，并生成版图。虽然带宽不作要求，但是通过不断优化后设计出来的功分器，其分配损耗、 隔离度和输入输出端驻波比在较宽的频带内均有较好的特性。
a. 设计指标
设计一功分器，在 f0=3GHz 处实现最佳工作，带宽不作要求，并作出版图仿真。 注：本实验设计的是 Wilkinson 功分器，指标若用设计出来后的指标既是：通带 2.9～3.1 GHz,公分 比 1:1，带内各端口反射系数 S11、S22、S33 小于-20dB,两端口隔离度 S23 小于-25dB,传输损耗 S21 小于 3.1dB。
图 3 平行耦合微带线滤波器结构图
e．仿真与优化
全部仿真过程： 放置“Var”设置变量 放置“MSub”设置微带参数 原件放置与参数设置
放置 S 参数仿真器(“S-PARAMETERS”)设置扫描范围
连线加端口与接地
放置仿真设置控制器(“OPTIM”)设置扫描方式
放置目标控制器(GOAL)设置目标
变量范围修改与优化目标修改 参数设置与目标设置 介质基片 H 0.8mm Er 4.3 Mur 1 Cond 5.88E+7 Hu 1.0E+33 mm T 0.03 mm
十一、总结及心得体会：
我之前学射频和模电时有是一头雾水，微波固态电路更是如此，因为理论课和学习不同 于实际操作，看不到电路的作用。现在通过动手实践设计电路，我初步了解了射频/微波电路 设计中要关注的地方，对理论课的学习增添了一份信心。但是此次设计过程中还有很多不足 的地方。 首先是我对原器件不熟悉和对基本电路结构不了解，由此导致了设计耗时耗精力，走了 不少弯路。而关于微带线的理论博大精深又繁杂，此次设计基本没怎么从理论上去计算，即 便是做粗略的估算！设计值是通过不断尝试和地毯式搜索得出，这种方法不值得提倡。 其次是我对仿真结果缺乏分析的能力，无论是在仿真过程中出现的结果还是最终得出来 的结果。在设计 Wilkinson 功分器时，工作频率给定后其它参数该怎样设定才更为合理，知 之甚少，以至于误差较大；在设计滤波器时，选用 5 级耦合微带线比 3 级的滚降特性更明显， 通带内更加平坦，次波丰富但是幅度小。在优化过程中 S(2,1)随参数变化时峰值对应的频率 会发生变化，要会分析结果的变化特性才能更好的做出改善。最后仿真出来的结果显然很理 想，不足的是在离中心频率很远处仍有最大阻带波纹偏大。 最后，对于 ADS 优化问题。开始时仿真范围要留够了才行，步长要取得够密，因为软件 找到某个使误差快速减少的值后它会在那值周围去寻找，然后锁定范围，所以要给它足够精 细的值去接正确值。另外优化目标的合理设定非常重要，因为它引导软件找到正确值，结合 优化过程中呈现出来的趋势更改权重值、放宽条件或让条件更为苛刻。
变量(最后优化仿真出来的值) 微带长度 l1 25.8652 mm 微带宽度 w1 0.8571 mm 目标设置(未列出权重) S(1,1)
<-25dB(2.9GHz<f<3.1GHz)
微带宽度 w2 1.5951 mm
S(2,1)
>-3.1dB(2.9GHz<f<3.1GHz)
S(2,2)
<-15dB(2.9GHz<f<3.1GHz)
放置 S 参数仿真器(“S-PARAMETERS”)设置扫描范围
连线加端口与接地
放置仿真设置控制器(“OPTIM”)设置扫描方式
放置目标控制器(GOAL)设置目标
变量范围修改与优化目标修改
优化仿真
参数设置与目标设置： 介质基片 H 0.8mm Er 4.3 Mur 1 Cond 5.88E+7 Hu 1.0E+33 mm T 0.03 mm Tand 1E-4 Rough 0 mm
h. 版图生成
i. 版图仿真(略，破解版 2012 程序的证书里不提供此功能) 平行耦合微带线滤波器的设计
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同 Wilkinson 功分器设计，本实验同样是利用 r =4.3，厚度 h=0.8mm 的介质基板来设计，电路模型和 参数均参考冯新宇编写的《ADS2009 射频电路与仿真》教材。之后进对电路行了优化仿真，并生成版图。 设计出来的滤波器在一个较宽的频带范围内与指标良好吻合，但是在离中心频率很远处，仍有一比较大的 起伏，微略超过了-15dB 抑制。
d. 理论计算公式
若 2、3 端口的公分比 K 满足 K2=P3/P2，则对应如下示意图有 (2) Z02 Z0 (1) λ/4 (3) R3=Z0/K R R2=Z0K
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图 2 wilkinson 功分器模型计算图
Z03 Z0 (1 K 2 ) / K 3
Z02 Z0 (1 K 2 ) K
p
其中 、
02 2 B
0 分别是带通滤波器的角频率、中心角频率， 、 p 、 B 分别是低通滤波器的角频率、通带
边界频率和带宽。
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5、带入低通滤波器原型传输函数得出所设计的滤波器传输函数 6、原理框图搭建与后续测试
d.耦合微带线电路原理
因耦合微带线参数的理论计算复杂，利用软件自带的优化功能可以很方便的完成设计，因此相关的电 路原理与初值均参考均参考冯新宇编写的《ADS2009 射频电路与仿真》 ，选 5 级结构对称的耦合微带线设计 滤波器。
S(2,3)
<-25dB(2.9GHz<f<3.1GHz)
布线原理图：
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优化仿真截图：
f. 仿真结果
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g. 结果分析
由仿真曲线可以看出功分器工作在 f0=3GHz,在△f=3.1GHz-2.9GHz=200MHz 的 带宽内各项指标都符合 得非常好。输入端口驻波比 S(1,1)和输出端口驻波比 S(2,2)在边频处达到最大-25dB,最小值分别是-50dB 和-49dB，在工作频率 f0 处 S(2,1)和 S(3,1)达到-3.1dB,且公分比是 1:1。隔离度 S(3,2)在 f0 处最小为 -37dB,在边频处达到最大-25dB。
六、实验内容：
微波电路的基本概念；微波网络基本理论；ADS 软件的使用方法。 上机操作： 1． 2． 完成给定的微波器件设计； 完成实验报告。
七、实验器材（设备、元器件） ：
台式计算机 70 台；ADS 2009 仿真软件； U 盘（学生自备） 。
八、实验步骤： Wilkinson 功分器的设计
本实验是利用 ε r=4.3，厚度 h=0.8mm 的介质基板，设计公分比是 1:1 的 Wilkinson 功分器，在中心 频率处实现功率分配功能。电路模型和参数均参考冯新宇编写的《ADS2009 射频电路与仿真》 。之后进对电
R Z0 1/ K K
取 K=1 即可算出响应的电阻。对 Z0 进行阻抗匹配还要加 λ /4 阻抗变化器。利用微带线进行设计时要 调用 ADS 所带的计算工具“LineCalc”进行计算。因为是利用参数进行地毯式优化，有关利用微带线电路 设计时详细的电容电感值的理论计算从略。
e. 优化仿真
全部仿真过程： 放置“Var”设置变量 放置“MSub”设置微带参数 原件放置与参数设置
图 1 wilkinson 功分器结构
c. 相关参数
分配损耗：指的是信号功率经过理想功率分配后和原输入信号相比所减小的量。 插入损耗：在传输系统的某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗，它表示为该元件 或器件插入前负载上所接收到的功率与插入后同一负载上所接收到的功率的比值。 承受功率: 指的是可以在此功分器上长期（不损坏的）通过的最大工作功率容限。 隔离度：本振或射频信号泄漏到其它端口功率与到达目的端口之间的比值。本实验中及 S(3，2) 或 S(2，3) 驻波比：端口入射电压和反射电压之比。本实验中的驻波比有三个 S(1,1)、S(2,2)和 S(3,3)。
微波射频仿真实验报告
一、实验室名称：微波、毫米波实验室 二、实验项目名称：微波与射频电路仿真与设计实验 三、实验学时：32 学时 四、实验原理：
应用微波电路仿真软件 ADS(Advanced Design System)，完成给定的微波电路设计任务。
五、实验目的：
掌握微波电路 CAD 的基本概念；了解现代微波电路 CAD 的基本组成；掌握 ADS 软件 并进行微波电路的建模，仿真，优化和调试等任务。