微波课程实训.docx
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微波课程实训.docx
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微波课程实训
课程实训说明书
名称微波技术与应用课程实训
2014年11月17日至2014年11月21日共1周
院 系电子信息工程学院
班级通信技术
姓名
院长
系主任
指导教师
课程实训任务书
课程名称:
微波技术与应用课程实训
起讫时间:
2014/11/17至2014/11/21
院系:
电子信息工程系
班 级:
通信技术
指导教师:
系主任:
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。
四、课程实训说明书内容(有指导书的可省略)
1课程实训目的
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。
2.课程实训内容、原理及要求
⑴内容:
设计一个集总(或分布)参数滤波器。
⑵课题要求:
集总参数:
设计一个七级集总参数低通滤波器1)截止频率:
200MHz;通带增益大于-5dB;阻带内300MHz以上增益:
小于-35dB;通带内反射系数:
小于-20dB。
分布参数:
设计分布参数的低通滤波器,使用微带线或者线状电路实现。
技术要求:
截止频率:
3GHz;通带增益大于-5dB;阻带增益:
在4.5GHz以上小于-50dB;通带反射系数:
小于-35dB。
⑶原理:
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。
滤波器的网络分析
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)。
微波滤波器设计
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。
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。
微带线
而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。
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2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4就是用微带线设计的一款低通滤波器。
图4分布参数低通滤波器
3.课程设计器材
⑴PC机一台。
⑵microwaveoffice软件一套
4.课程设计预习要求
⑴复习微波器件中关于微带线,滤波器等相关章节
⑵复习S散射矩阵
5.课程设计说明书要求
课程设计说明书内容:
原理分析、计算说明、数据分析报告、心得
体会等部分。
目录
绪论1
第一章microwaveoffice软件2
1.1microwaveoffice软件介绍2
1.2软件的功能和两个模拟器2
第二章滤波器5
2.1滤波器简介5
2.2滤波器的网络分析6
2.3微带电容和微带电感6
2.4滤波器设计7
第三章集总参数滤波器实训9
3.1实训目的9
3.2实训要求9
3.3实训步骤9
3.4实训结果13
第四章实训心得15
第五章参考文献16
绪论
微波是指频率为0.3GHz~300GHz的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称,即波长在1毫米~1米之间的电磁波,是分米波、厘米波、毫米波的统称。
微波频率比一般的无线电波频率高,通常也称为“超高频电磁波”。
微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。
微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。
对于玻璃、塑料和瓷器,微波几乎是穿越而不被吸收。
对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。
而对金属类东西,则会反射微波。
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。
第一章microwaveoffice软件
1.1microwaveoffice软件介绍
从八十年代开始,国际上微波电路技术已经从传统的波导及同轴线元器件和系统转移到采用微波平面电路(又称微波集成电路或微波印刷电路), 其特点是把电路印制在介质基片平面上。
体积,重量和成本都大大减小。
除了微带,共面波导,槽线,悬置线等无源电路以外,微波半导体器件也可以集成在平面电路上,构成混合微波集成电路。
目前除了某些大功率和高极化纯度的场合,微波平面电路已经几乎取代了在通信,电子战,雷达和武器系统中的各种常规形式的微波电路。
然而设计微波平面电路一直是一项困难的工作。
近年来设计工作变得更为复杂:
对电路的指标要求越来越高,电路的功能越来越多,电路的尺寸要求越做越小,而设计周期却越来越短。
为了应付这一挑战,美国加州的Applied Wave Research公司花费了十年时间研究出一种叫做“Microwave Office”(微波办公室)的软件,据称这种软件为微波平面电路设计提供了最完整,最快速和最精确的解答。
这种软件可以在Windows95/98/NT操作系统下工作,采用了面向对象的程序技术,使用方便。
一个具有普通电脑操作水平和大学英语程度的微波工程师,通常可以在三至四周时间内,通过学习该软件提供的有关帮助文件,掌握该软件最基本的使用技术。
1.2软件的功能和两个模拟器
“Microwave Office”软件是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。
对于由集总元件构成的电路,用电路的方法来处理较为简便。
该软件设有一个叫”VoltaireXL”的模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题。
而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效,该软件采用的是一个叫”EMSight”的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题。
”VoltaireXL”模拟器实质上是一个威力强大的谐波平衡和Volterra模拟引擎,它采用单频和多频谐波平衡Volterra级数来进行非线性电路的模拟,混频器分析,高速线性电路分析,高速噪声分析。
它处理难度较大的微波电路问题的速度和精度优于其它品种的模拟器。
实际上Volterra级数分析法要比普通的多频谐波平衡法快10~100倍, 是分析近线性电路的交调的最快方法。
据称它是近十年来出现的最激动人心的电路模拟器。
模拟器内设一个元件库,在建立电路模型时,可以很方便地调出微波电路所用的一切元件,其中无源器件有电感,电阻,电容,谐振电路,微带线,带状线,同轴线等等,非线性器件有双极晶体管,场效应晶体管,二极管等等。
特别是该元件库收集了国际上三十余家家著名公司的微波有源器件和参数,对于电路设计和计算非常有用。
值得提出的是“VoltaireXL”模拟器具有实时调谐功能。
在设计计算中,经常需要调整电路的某些元件的参数,以求获得最佳性能。
这个模拟器与其它软件不同之处在于它调整电路元件的参数并不需要重新从头开始计算,而是打开一个叫做“可变调谐器”的视窗,选择需调谐的元件的名称,参数调谐的范围。
通过移动视窗上的滑杆,就可以使参数值从最小变化到最大。
模拟器的图表视窗就马上把参数的变化对于整个电路性能的影响表现出来。
这一优点是因为模拟器采用了一种叫做“增量计算”的先进分析技术,避免了软件的许多重复计算。
”EMSight”模拟器是一个完整的三维电磁场模拟程序包,它可用于平面高频电路和天线结构的分析。
方法的特点是把一种威力强大的修正谱域矩量法与直观的视窗图形用户界面(GUI)技术结合起来。
该模拟器可以精确地确定平面结构的等效多端口网络散射参量。
”EMSight”模拟器除了能进行常用的点频逐点计算之外,还安装了快速扫频(FFS)算法。
所以这种模拟器计算三维电磁场的精度与其它在工业上常用的方法相同,而计算速度却快得多。
它可以分析下列电路的电气特性:
射频集成电路(RFIC),微波单片集成电路(MMIC),微带贴片天线和高速印制电路(PCB)。
”EMSight”模拟器分析的电路都安装在一个矩形的金属包装盒内,对于电路的层数和端口数并没有限制。
分析时模拟器自动地对所计算的对象进行分割,在电流密度变化大的地方,网格分得细,即单元尺寸取得小。
而在电流密度变化小的地方,单元尺寸取得大。
用户也可以根据需要自行调节网格密度。
”EMSight”模拟器还具有显示微波平面电路内金属上电流和空间电场力线的能力。
电流或电场均可以以三维或二维的形式来显示,箭头表示电流的流向或电场的指向,而力线颜色的深浅表示电流或电场的强弱。
”EMSight”模拟器可以对微波平面电路进行许多种类的计算,(在该软件中称计算为测量)。
除了可以计算电路的阻抗参量,导纳参量,散射参量,传输参量,混合参量之外,对于线性电路,它能计算辅助稳定因子,输入电容,群延迟,偶/奇模传输常数/阻抗/导纳,电压驻波比,端口输入阻抗/导纳,增益等。
”EMSight”模拟器具有计算各种线/圆极化微带天线的电场方向图和功率方向图的能力,在计算天线时矩形的金属包装盒边界可以改变,顶部和底部可以改为自由空间阻抗,而侧壁可以拉远。
方向图可以用直角坐标或极坐标显示,用线性显示或对数显示。
在”EMSight”模拟器内也设有一个元件库,其特点是列入了大量的微带元件的资料如各种弯头,开路线,短截线,耦合器,阶梯,T形接头等。
还包括了许多传输线的资料。
第二章滤波器
2.1滤波器简介
滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。
随着电子市场的不断发展也越来越被广泛生产和使用。
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滤波器的网络分析
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2.2。
图2.2二端口网络
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:
20lgSmn
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2.3.1
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2.3.1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Zi:
由于Zc大于Zc,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2.3.2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2.3.2就是用微带线设计的一款低通滤波器。
2.4滤波器设计
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。
第三章集总参数滤波器实训
3.1实训目的
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。
3.2实训要求
集总参数:
设计一个七级集总参数低通滤波器1)截止频率:
200MHz;通带增益大于-5dB;阻带内300MHz以上增益:
小于-35dB;通带内反射系数:
小于-20dB。
3.3实训步骤
.写下设计记录(设计项目名称、设计者、设计时间等等),如下图:
图3-3-1
.配置全局参数,按下图设置完成之后,单击Apply。
图3-3-2
.新建电路图,在电路图中添加元件及端口,单击左下角“Elem”,找到相应元件完成电路图。
并设置变量,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3-3-3
..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,跳出如下界面,按如下参数设置,最后单击Add,即完成了参数S21的设置。
图3-3-4
相同方法将“Toportindex”设置为1,“Fromportindex”设置为1即完成S11的设置,注意单位是DB。
图3-3-6
.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。
图3-3-7
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。
如下图:
图3-3-8优化目标的判定方式2图3-3-9增加优化目标3
左图为300MHZ以上,S21<-35dB,右图0-200MHZ,S11<-20dB。
左下图为设置的优化目标
图3-3-10
.单击下方的Var,双击Schematic1,单击Schematic1Equations,如右下图,此时图3-3-3电路图上方“L1=40、L2=40、C1=40、C2=40”字体全变成蓝色。
.单击菜单工具栏的Anlayze,得到如下图结果。
图3-3-11
.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。
图3-3-12
单击Start,可以看到上面的数字在跳动。
3.4实训结果
图3-4-1
图3-4-2
单击工具栏的Tune,如下图2-5-3标识。
最后得出图2-5-4。
图3-4-3
图3-4-4
第四章实训心得
经过一周的微波实训,不仅巩固了微波的理论知识,而且还学到了很多在课堂上学不到的东西。
了解了许多与微波相关的软件,这些软件的应用都是平常我们在理论课堂上学不到的,但是在实训的过程中却非常重要,并且在实训过程中也遇到许多实际问题,如发现自己在软件仿真上操作不是很熟练,有时候会被很多问题难住,不过在老师和同学的帮助下还是解决了遇到的问题,进而对软件有了更深的认识。
希望在今后的学习中要不断加强自己对新事物的学习能力,不断提高自己的动手操作能力。
通过本次实训,不仅让我们学习到许多微波软件的知识,同时也开阔了视野,增长了知识,为我们以后步入社会打下坚实的基础。
总之,在这次实训过程中,收获了很多知识,自己得到了提升和锻炼,在以后的学习工作中,我会更加努力去学习和工作!
第五章参考文献
【1】鲍家善等,微波原理【M】。
北京:
高等教育出版社,1985。
【2】廖承恩,微波技术基础【M]。
西安:
西安电子科技大学出版社1994。
【3】顾茂章等,微波技术【M】。
北京:
清华大学出版社,1989。
【4】吴万春,梁昌洪,微波网络及其应用【M】。
北京:
国防工业出版社,1980。
【5】王元坤,电波传播概论【M】。
北京:
国防工业出版社,1984。
【6】傅海阳,SDH数字微波传输系统【M】。
北京:
人民邮电出版社,1998。
【7】李宗谦,佘京兆,高葆新,微波工程基础【M】。
北京:
清华大学出版社,2004.
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