微波技术实训报告.docx

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微波技术实训报告

苏州市职业大学

实训说明书

名称微波技术与应用

2014年11月24日至年11月29日共1周

院　系电子信息工程系

班级

姓名

院长张欣

系主任范海健

指导教师苏品刚

苏州市职业大学

实训任务书

课程名称：

微波应用技术实训

起讫时间：

2014.11.24-2013.11.28

院系：

电子信息工程学院

班　　级：

指导教师：

苏品刚

系主任：

范海健

院长：

张欣

一、课程实训课题

用微波仿真软件设计一个集总（或分布）参数滤波器

二、课程设计要求

1熟悉微波仿真软件在射频微波滤波器设计中应用。

2熟悉微波仿真软件的基本操作和优化工具。

3理解微带线、带状线的特性和各种参数指标熟悉他们各种分布参数元件的使用。

4根据实训的要求设计微波滤波器。

5掌握微带线。

带状线电路仿真过程。

6给出软件设计过程与步骤以及最终的分析结果。

7完成课程设计报告书，进行分组答辩。

三、课程实训工作量

明确课程实训的任务和目标:

1、软件熟悉时间：

8小时；

2、理解实训要求，计算参数设置值：

2小时；

3、滤波器软件设计过程：

2小时；

4、分析结果给出分析图表：

2小时

5、完成调试，结果验收并撰写报告：

8小时;

6、分组答辩，报告完成：

3小时。

目录

第一章绪论1

第二章滤波器设计2

2.1滤波器简介2

2.2滤波器原理2

2.3滤波器的设计3

2.4滤波器设计步骤4

2.5滤波器实训结果8

第三章低通滤波器的设计9

3.1微带电路9

3.2微带线9

3.3微带电容和微带电感9

3.4低通滤波器设计步骤11

3.5低通滤波器实训结果15

第四章实训心得.................................................................................................................................17

第一章绪论

微波与射频技术在21世纪之所以发展迅速，其主要原因是它有巨大的应用价值。

目前，现代无线通信、卫星通信、全球定位系统、物联网工程、射频识别、微波遥感、医疗监控、微电子学、纳米技术、电机科学、雷达等传感器技术乃至生命科学与技术都是以电磁场、微波与射频技术为基础，而现代武器装备信息化更是离不开微波、毫米波这项核心技术的支撑。

例如微波雷达技术不仅应用于国防，还用于导航、气象测量、大地测量、工学检测和交通管理等方面。

微波仪器方面，微波测量仪器、微波信号源、微波专用仪器也极具应用价值。

因此微波与射频技术支撑着众多的社会效益和经济效益及其明显的高新科技产业。

微波技术与应用实训是通信类课程中为微波技术与应用开设的一门实践课。

本课程强调以实践教学为主，在软件分析实践教学过程中要求学生把在微波技术课程中学到的基础内容贯穿起来，以软件方式实现微波器件的性能参数设置和分析。

使学生通过实践能较好地掌握基本微波器件的设计和应用，更深层地掌握微波技术教材的内容。

本课程设计的主要任务是用微波仿真软件设计一个集总（或分布）参数滤波器。

第二章滤波器设计

2.1滤波器简介

滤波器是最基本的信号处理器件，是一种选频器件。

滤波器按照传输性可分为：

低通，高通带通，带阻滤波器；按照设计方法可分为：

巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器。

椭圆函数滤波器等；按照所用元件可分为：

集总参数滤波器和分布参数滤波器；无源滤波器和有源滤波器；等等。

滤波器的主要技术参数有：

截止频率、带宽、通带传输系数（传递函数、插入损耗）、带内波纹（纹波系数）、反射损耗、形状系数（矩形系数）。

集总参数滤波器中元件：

电容、电感、电阻等；使用频率不是很高，（小于1GHz）；一般为电感与电容级联，以元件的个数来定义级别。

理论级别越高（元件个数愈多），滤波性能越好，但相应的系统稳定性能降低，成本增加，插入损耗增大，因此要根据需要选择滤波器的级数。

随着这工作频率的升高，集总元件设计的滤波器在低频时能正常工作，但在微波电路中往往却不能不能。

其原因有：

功能元件模块如电容电感值都是对应低频的，当频率很高，超过其谐振频率时，元件模块的寄生效应非常明显，这使一方面元件值特性变得复杂；另一方面电感电容的自身特性会发生改变。

往往电容性变成电感性，电感性变为电容性。

而在微波电路中，电容值很小（只有零点几个pf），一般的元件模块根本无法做到如此小的值，只有用微带传输线制作，需要用分布参数方法来设计。

2.2滤波器原理

大部分微波滤波器和滤波元件可通过一个二端口网络来表示，如下图1。

图1滤波器二端口网络

其中V，I是端口电流（在微波频段很难测量）；，a，b表示归一化的入射波与反射波（容易测量）。

其关系为：

这个二端口网络的传输特性可用散射矩阵（S矩阵）表示为

参数S11、S22即为反射系数；S12、S21为传输系数。

而S参数一般是复数，可用幅值与相位来表示：

它们的幅值一般以单位dB给出：

，滤波器特性参数中LA，LR，分别并表示为：

其中：

LA表示在由端口n到端口m的插入损耗（即设计要求中的增益相关）；LR表示由端口n返回损耗（即设计要求中的反射系数相关）。

2.3滤波器的设计

滤波器的响应是用传递函数来描述的。

对于一个无源无耗的二端口滤波器网络其传递函数是S21，即有：

式中：

是波纹常数，

是特性函数，

是频率变量（单位为rad/s）。

式中，如果是取截止频率

，就是一个低通原型滤波器。

滤波器设计思路：

按照给定的技术指标设计得到低通原型滤波器，然后通过频率变换，把它变成实际低通、高通、带通或带阻滤波器。

2.4滤波器设计步骤

.写下设计记录（设计项目名称、设计者、设计时间等等），如下图：

.配置全局参数，按下图设置完成之后，单击Apply。

.新建电路图，如下图：

.在电路图中添加元件及端口，单击左下角“Elem”，根据下图找到相应元件完成图2-4-1电路图。

.设置变量，现将L设为变量，然后选中L1，然后单击下图标，对L1进行赋值，L1=40，同样L2、C1、C2都为40。

如下图：

图2-4-1电路图

.添加Grash

（1），右击左边Grashs，选择Addgrash，然后会生成一个Grash1，右击Grash1，选择AddMeasurement，，按如下参数设置，最后单击Add，即完成了参数S21的设置。

.设置优化目标。

右击optimizer，选择AddOptGoal，跳出如下界面，根据下列参数设置S21要大于-5DB，完成优化目标1的设置。

按照相同步骤完成优化目标的判定方式2和增加优化目标3的设置。

下图为优化目标1的设置。

（8）.单击菜单工具栏的Anlayze，得到如下图结果。

（9）.选取优化方式、点数。

单击菜单栏“Simulate”中的Optimize，跳出如下界面，根据其参数进行设置。

单击Start，可以看到上面的数字在跳动。

2.5滤波器实训结果

图2-5-2

第三章低通滤波器的设计

3.1微带电路

在微波电路中，常用分布参数元件，而以微带线和带状线最为常用，在MMIC中，为了便于制版，常用的是微带线。

微带电路是近几十年发展起来的新型微波系统，它使微波系统的体积、重量、生产成本等大幅度降低，使微波个人通信系统的普及成为现实。

微带电路包括：

单片微波集成电路（MMIC）、微带传输线、微带元件等。

3.2微带线

微带传输系统即微带线，是有介质基片的一边接地板和介质基片另一边的带状导体构成。

实际上可视为沿中心线剖开并展平的同轴线。

由于介质的不同，微带传输线构成的微波电路具有以下几个特点：

1）体积小，重量轻，成本低，可构成薄膜或厚膜微波集成电路。

2）损耗大，功率容量小，电路参数调整困难。

3）微带传输线是双导体传输系统，但不能传输TEM模，是准TEM。

实际微带传输线的特征阻抗、传播常数都是工作频率的函数，并且微带线工作频率升高时，其色散增大，但在小于4GHz时，可以忽略色散效应。

但当工作频率带宽较宽时，特性阻抗、传播常数的频率响应不可忽略。

工作频率升高时，其等效介电常数增大。

由于微带传输线的相速度、群速度、等效介电常数、等效波长都是微带传输线结构参数W（导体带宽度）、h（介质厚度）的函数。

在介质基板厚度确定的前提下，可调节微带线参数有两个即线宽W和线长L，但微带线特性参数决定要线宽W，而与线长无关，在其他条件不变的情况下，为带向越宽其特性阻抗越小。

3.3微带电容和微带电感

利用微带传输线导体的宽度变化，可以直接在微带电路中形成等效微带电容或等效微带电感。

图3-3-3-1图3-3-3-2

图3-3-3-1用串联微带传输线构成的串联微带电感，左为实际电路，右为等效电路。

图3-3-3-2中间导体变窄，是一段高阻串联微带线。

由终端方程的阻抗表达式，在传输线长度d小于工作波长时，可计算其输入阻抗

：

由于

大于

，可知X大于0。

可见，这段串联的高阻微带线等效为一个串联电感。

图3-3-3-3图3-3-3-4

图3-3-3-3是由并联开路微带传输线构成的等效微带电容

微带线滤波器设计时要根据需要选取元件及其基板材料。

图3-3-3-4就是用微带线设计的一款低通滤波器。

图3-3-3-5分布参数低通滤波器

3.4低通滤波器设计步骤

.写下设计记录（设计项目名称、设计者、设计时间等等），同滤波器的设计。

.配置全局参数（设置仿真的频率间隔与范围），按下两幅图设置完成之后，单击Apply。

图3-2-1设置仿真的频率间隔与范围

.确定MSUB（基板）参数，如下图：

.新建电路图，方法同滤波器设计。

.在电路图中添加元件及端口，单击左下角“Elem”，根据下图找到相应元件完成图3-2-2电路图。

图3-2-2电路图

.设置变量，现将W设为变量，然后选中W1，然后单击下图标，对L1进行赋值，W1=0.2779，同样W2=1.016、W3=1.212、W4=0.05403、W5=0.03222。

.添加测量参数。

设计方法同滤波器设计步骤

。

.设置优化目标。

设置优化目标，设计方法同滤波器设计步骤

。

完成S11、S21的设置，如下图：

.单击下方的Var，双击Schematic1，单击Schematic1Equations，方法同滤波器设计，电路图上方“W1=0.2779、W2=1.016、W3=1.212、W4=0.05403、

W5=0.03222”字体全变成蓝色。

如图3-2-2电路图。

.单击菜单工具栏的Anlayze，得到如左下图：

.选取优化方式、点数。

单击菜单栏“Simulate”中的Optimize，跳出右上图界面，根据其参数进行设置。

单击Start，可以看到上面的数字在跳动。

3.5低通滤波器实训结果

单击工具栏的Tune，得到下图结果

改变每个参数的游标调节各参数的值，得到右下图：

第四章实训心得

微波与射频技术是一门和我们生活息息相关的技术，它极大地改变了人类的生存和生活，其应用十分广泛，在卫星通信、雷达系统、全球定位系统、射频识别标识、超带宽无线通信、防卫武器操控系统、医疗监控、物联网等诸多领域都有微波与射频技术的重要应用。

学习了微波与射频技术这门课后，使我对这方面的知识有了初步的了解。

明白了基本的低通和带通滤波器的工作原理和设计方法。

并学会了如何使用专用软件对低通和高通滤波器进行设计和仿真，以及分析仿真结果。

本次实训虽然时间不长，但是也让我们对微波技术的印象不再停留在书本上的概念知识。

在这次实际操作体验中我们对微波技术有了更清晰、更深刻的理解；并对微带电路、微带线、微带电容和微带电感有了进一步的认识，同时也对如何设计低通滤波器有了更深刻的理解。

通过本次实训，不仅巩固了我们书本上的知识，也让我们学习了如何使用微波仿真专用软件进行仿真实验，同时锻炼了我们的动手实验能力，开阔了视野。

为我们以后从事相关工作奠定了基础。