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實驗四微波射頻帶通濾波器設計

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實驗四微波射頻帶通濾波器設計

實 驗 四 射 頻 濾 波 器 設 計 、 仿 真與 測 試 一 、 濾 波 器 原 理 2dBPPL LinA lg10通 常 采 用 工 作 衰 減 來 描 述 濾 波 器 的 衰 減 特 性 : 1.1 濾 波 器 的 技 術 指 標 中 心 頻 率 通 帶 最 大 衰 減 阻 帶 最 小 衰 減 通 帶 帶 寬 插 入 損 耗 : 群 時 延 帶 內(nèi) 紋 波 : 回 波 損 耗 、 駐 波 比 。1.2 插 入 衰 減 法 設 計 濾 波 器 3 1.2.1 理 想 工 作 衰 減 頻 率 響 應 2 2211 11 ( )i iL i rP PL P P Ps 22 22( )1 1 ( ) 1 ( )( ) cML P PN 22 2 2( )( ) ( ) ( )NM N ( 頻 率 的 偶 函 數(shù) ) 1.2.1 工 作 衰 減 頻 率 響 應 函 數(shù) 5 1.2.2 優(yōu) 化 函 數(shù) ( 低 通 ) (1).最 平 坦 響 應 (Butterworth)NL L dB21N 1, 3 : 容 差 系 數(shù): 階 數(shù) 1102 10lg10lg(1 ) 2lg sLNs s sL N c c6N /20N /10L dBL dB 阻 帶 衰 減 : (2). 等 波 紋 響 應 (Chebyshev polynomial) 2N1 T ( ) NL : 容 差 系 數(shù) , : 階 數(shù)sL sarN ar 10cosh 10 1 /cosh c c10N /15N /5L dBL dB 阻 帶 衰 減 : 7 1.3 濾 波 器 的 設 計 步 驟( 1) 由 衰 減 特 性 綜 合 出 低 通 原 型( 2) 再 進 行 頻 率 變 換 , 變 換 成 所 設 計 的 濾 波 器 類 型( 3) 計 算 濾 波 器 電 路 元 件 值( 4) 微 波 結(jié) 構(gòu) 實 現(xiàn) 電 路 元 件 , 并 用 微 波 微 波 仿 真 軟 件 進 行 優(yōu) 化 仿 真 。 8 1.4 濾 波 器 的 低 通 原 型設 計 中 都 采 用 表 格 而 不 用 繁 雜 的 計 算 公 式 。 低 通 原 型 電 路 結(jié) 構(gòu) 9 1. 巴 特 沃 士 : 10 2. 切 比 雪 夫 : 11 1.5 濾 波 器 的 四 種 頻 率 變 換1、 低 通 濾 波 器 與 低 通 原 型 的 變 換 頻 率 變 換c 等 衰 減 變 換變 換 后 在 對 應 頻 率 點 上 衰 減 量 不 變 , 須 對 應 的 元 件值 在 兩 種 頻 率 下 的 具 有 相 同 的 阻 抗 , 即 : ( ) ( )z z 0k k kk kc cgj g j g j L L Z 電 感 元 件 : 0Z: 信 號 源 內(nèi) 阻 0k k kk kc cgj g j g j C C Z 電 容 元 件 : 2、 高 通 濾 波 器 與 低 通 原 型 的 變 換 頻 率 變 換 0 -1 0 c 、 、 、 、 c 等 衰 減 變 換 01 1( ) kkck k c kz j g j L Cj C L Z 電 感 元 件 : 01 kkck k c kZy j g j C Lj L C 電 容 元 件 : ( )=電 感 = 電 容電 容 = 電 感 3、 帶 通 濾 波 器 與 低 通 原 型 的 變 換 頻 率 變 換 c c1 20 1 1 、 、 、 、 、c c 2 20 0 0 02 1 0 0 01 1( ) ( ) 2 1 0 2 10 : :c c c c 其 中 : 通 帶 分 數(shù) 帶 寬 中 心 頻 率 等 衰 減 變 換 0 0 00 0 01 1: ( ) k k k kk kk kj g j L j L j CLL Z C L Z 電 感 元 件 k k k kk kk kj g j C j C j LCC L RR C 0 0 00 0 01 1: ( ) 電 容 元 件 電 感 = 串 聯(lián) 諧 振電 容 = 并 聯(lián) 諧 振 4、 帶 阻 濾 波 器 與 低 通 原 型 的 變 換 頻 率 變 換 1 200 1 1 0c c 、 、 、 、 、0 0 02 1 0 02 1 0 2 101 1( ) ( )c c c c c c 其 中 : 等 衰 減 變 換 0 0 00 0 01 1 1: ( )1 k k k kk k kkj j L jj g C CCL Z CC Z 電 容 元 件 0 0 00 0 01 1 1: ( )1 k k k kk k kkj j C jj g L LLC L ZL Z 電 感 元 件 電 感 = 并 聯(lián) 諧 振 電 容 = 串 聯(lián) 諧 振 19 為 電 導為 電 阻000 000 , gYg ggZ低 通 變 換 :高 通 變 換 :帶 通 變 換 : 20 帶 阻 變 換 : 二 、 集 總 參 數(shù) 濾 波 器 s LL ArAsn 1 10/10/1 cosh 110/110cosh 22 例 : 設 計 一 L-C切 比 雪 夫 型 低 通 濾 波 器 ,截 止 頻 率 為 75 MHz,通 帶 內(nèi) 衰 減 為 3dB,波 紋 為 1dB, 頻 率 大 于 100 MHz,衰 減 大 于20 dB, Z0=50 。( 1) 確 定 指 標 : 特 性 阻 抗 Z0=50 , 截 止 頻 率 fc=75MHz, 阻 帶 邊 頻fs=100MHz,通 帶 最 大 衰 減 LAr=3dB,阻 帶 最 小 衰 減 LAs=20dB。( 2) 計 算 元 件 級 數(shù) n: n取 最 接 近 的 整 數(shù) ,則 n=5( 3) 查 表 求 原 型 元 件 值 gi, 23 低 通 變 換 :( 4) 計 算 實 際 元 件 值 24 ( 5) 畫 出 電 路 結(jié) 構(gòu) , 進 行 電 路 仿 真 據(jù) 設 計 指 標 參 數(shù) , 使 用 ADS中 的 濾 波 器 設 計 向 導 工 具 自 動 生 成 濾 波 器 電 路 25 26 例 2: 設 計 一 個 L-C切 比 雪 夫 型 帶 通 濾 波 器 ,中 心 頻 率 為 75 MHz, 3dB帶 寬 為10MHz, 波 紋 為 1dB, 工 作 頻 帶 外 75 15MHz的 衰 減 大 于 30dB, Z0=50。( 1) 確 定 指 標 : 特 性 阻 抗 : Z0=50 上 通 帶 邊 頻 : f1=75+5=80 MHz 下 通 帶 邊 頻 : f2=75-5=70 MHz 上 阻 帶 邊 頻 : fXU=75+15=90 MHz 下 阻 帶 邊 頻 : fXL=75-15=60MHz 通 帶 內(nèi) 最 大 衰 減 : LAr=3dB 阻 帶 最 小 衰 減 : LAs=30dB( 2) 計 算 相 關 參 數(shù) 778.2),( 778.21333.31 1083.74 21 202201 12210 XXs XLXUsXLXLs MIN FBWfffFBWfff MHzffFBWfff , 27 ( 3) 計 算 元 件 節(jié) 數(shù) n s LL ArAsn 1 10/10/1 cosh 110/110cosh n取 整 數(shù) 3( 4) 查 表 得 原 型 元 件 值 gi ( 5) 帶 通 變 換 28 ( 6) 畫 出 電 路 , 進 行 仿 真 29 三 、 分 布 參 數(shù) 濾 波 器 1、 Richard變 換 短 截 線 實 現(xiàn) L、 CininZ jZ tg lY jY tg l00( )( ) 短開 2、 高 、 低 阻 抗 線 實 現(xiàn) 串 聯(lián) L、 并 聯(lián) C, 設 計 LPF 00 0cos sin 1 / 2 1 0 1 / 2sin / cos 0 1 1 0 11- / 2 cos1- / 2 (1- / 4) sin /1- / 2jZ jX jXA j Z jBXBXB jX XB B ZjB XB 002 ( / 2 ) 1 cos 2sin / 2sin( / ) sin 2sin( / 2)cos( / 2)ppX Z tg l vB Y l v 利 用0 00 0sin( )/8: 2 ( / 2)B Y l Y l Cl X Z tg l Z l L 00= / ppC Y l vL Z l v 0 0 0 0( 100( 20Z YZ Y 高 阻 ),近 似 為 串 聯(lián) 電 感低 阻 Update Optimization Values保 存 優(yōu) 化 后 的 變 量 值 (在 VAR控 件 上 可 以 看 到 變 量 的 當 前 值 ), 否 則 優(yōu) 化 后 的 值 將 不 保 存 。n 經(jīng) 過 數(shù) 次 優(yōu) 化 后 , CurrentEF的 值 為0, 即 為 優(yōu) 化 結(jié) 束 。優(yōu) 化 過 程 中 根 據(jù) 情 況 可 能 會 對 優(yōu) 化 目 標 、 優(yōu) 化 變 量 的 取 值范 圍 、 優(yōu) 化 方 法 及 次 數(shù) 進 行 適 當 的 調(diào) 整 。6. 進 行 參 數(shù) 優(yōu) 化 53 54 n 優(yōu) 化 完 成 后 必 須 關 掉 優(yōu) 化 控 件 , 點 擊 按 鈕 , 然 后 點 擊 優(yōu)化 控 件 OPTIM、 GOAL和 TERM、 SP7. 生 成 版 圖 55 執(zhí) 行 菜 單 命 令 【 Layout】 -【 Generate/Update Layout】 , 彈 出 一 個設 置 對 話 框 , 這 里 應 用 其 默 認 設 置 , 直 接 單 擊 OK。 在 版 圖 窗 口 執(zhí) 行 菜 單 命 令 【 Momentum】 -【 Substrate】 -【 Update From Schematic】 , 將 原 理 圖 的 基 板 和 微 帶 參 數(shù) 更 新 到 版 圖 中 。 在 版 圖 窗 口 執(zhí) 行 菜 單 命 令 【 Momentum】 -【 Substrate】 -【 Creat/Modify】 , 可 以 查 看 和 修 改 基 板 和 微 帶 的 基 本 參 數(shù) 。 8. 版 圖 仿 真 在 版 圖 窗 口 執(zhí) 行 菜 單 命 令 【 Insert】 -【 Port】 , 彈 出 port對 話 框 。 版 圖中 插 入 二 個 端 口 , 分 別 于 端 口 1、 端 口 2 在 版 圖 窗 口 執(zhí) 行 菜 單 命 令 【 Momentum】 -【 Simulation】 -【 S-Parameters】 , 打 開 仿 真 控 制 對 話 框 , 在 “ Sweep Type”下 拉 列 表 中 選 擇“ Adaptive”, 設 置 起 止 頻 率 與 原 理 圖 相 同 , 參 數(shù) 設 置 完 成 后 , 單 擊“ Update”按 鈕 。 然 后 單 擊 “ Simulate”按 鈕 , 開 始 仿 真 ?;?去 練 習 57 作 業(yè) : 設 計 一 平 行 耦 合 線 帶 通 濾 波 器 , 其 設 計 指 標 為 : 通 帶 2.42.5GHz, 帶 內(nèi) 衰 減 小 于 2dB, 起 伏 小 于 1dB, 2.3GHz以 下 及 2.7GHz以上 衰 減 大 于 40dB, 端 口 反 射 系 數(shù) 小 于 -20dB。 板 材 參 數(shù) :H:基 板 厚 度 (1.5 mm), Er:基 板 相 對 介 電 常 數(shù) (2.65)Mur:磁 導 率 (1), Cond:金 屬 電 導 率 (5.88E+7)Hu:封 裝 高 度 (1.0e+33 mm), T:金 屬 層 厚 度 (0.035 mm)TanD:損 耗 角 正 切 (1e-4), Roungh:表 面 粗 糙 度 (0 mm)報 告 要 求 :( 1) 簡 單 敘 述 平 行 耦 合 線 帶 通 濾 波 器 原 理 ( 自 己 查 文 獻 ) ;( 2) 給 出 濾 波 器 的 原 理 圖 和 版 圖 ;( 3) 給 出 原 理 圖 和 版 圖 仿 真 結(jié) 果 , 并 對 其 結(jié) 果 進 行 分 析 。 四 、 濾 波 器 測 試 58 ( 1) 設 置 頻 率 : BF=1830MHz, F=2MHz,EF=1990MHz。 設 置 使 A下 為 插 損 ( 2) 儀 器 按 測 插 損 連 接 , 在 儀 器 輸 入 與 輸 出 口 上 各 接 一 根 短 電 纜 。 兩電 纜 末 端 各 接 一 只 10dB衰 減 器 , 再 用 一 個 雙 陰 連 接 起 來 。( 3) 執(zhí) 行 校 直 通 。( 4) 拔 下 雙 陰 , 將 兩 根 電 纜 帶 衰 減 器 的 一 端 , 分 別 接 到 濾 波 器 的 兩 端口 上 , 屏 幕 即 顯 頻 響 曲 線 , 可 按 鍵 換 檔 。 記 下 各 頻 點 的 插 損 和 相 位 (20個 頻 點 并 畫 出 插 損 和 相 位 曲 線 ) 。1. 插 損 測 量 59 ( 1) 設 置 M: 常 規(guī) 、 A下 回 損 ( 2) 儀 器 按 圖 測 回 損 連 接 , 電 橋 測 試 端 口 接 上 雙 陽 連 接 器 一 只 ,即 以 雙 陽 為 新 的 測 試 端 口 , 接 陰 開 路 負 載 , 執(zhí) 行 校 開 路 。( 3) 接 上 陰 短 路 器 , 執(zhí) 行 校 短 路 ; 接 陰 匹 配 負 載 進 行 校 零 。 。( 4) 接 上 濾 波 器 的 輸 入 插 座 , 濾 波 器 末 端 端 接 匹 配 負 載 。 此 時 屏幕 上 已 出 現(xiàn) 輸 入 阻 抗 軌 跡 , 可 按 鍵 換 檔 。 。 ( 5) 按 菜 單 鍵 , 選 駐 波 返 回 。 記 下 駐 波 和 回 損 數(shù) 據(jù) ( 20個 頻 點 并畫 出 駐 波 曲 線 )2. 駐 波 測 量

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