武汉大学射频期末作业.docx
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武汉大学射频期末作业
武汉大学电子信息学院2014-2015学年度
第一学期期末考试
2014级研究生射频电路试题
2014282120188
注:
下面试题中xxx是自己学号的后三位1.(15分)设计一个系统特性阻抗为50欧姆、中心工作频率为2.xxxGHz的1800混合耦合环,要求用集总参数及分布参数(微带基板参数:
介电常数为4.2,介质材料厚度为1.45mm,导带厚度为0.035mm)两种形式实现。
通过ads仿真给出两种形式各口频率响应特性。
2.(15分)设计一个系统特性阻抗为50欧姆、中心工作频率为(2.4+0.xxx)GHz、带内波纹为0.5dB、带宽为400MHz、阻带600M处衰减20dB的带通滤波器。
要求用集总参数及分布参数(微带基板参数:
介电常数为4.2,介质材料厚度为1.45mm,导带厚度为0.035mm)两种形式实现。
通过编程计算及ads仿真分别给出各端口频率响应特性并比较两者特性。
3.(25分)设计一个兼顾增益的低噪声放大器。
放大管参数从网上下载,电子档报告要求附上放大管datasheet。
在画出多个等增益圆和等噪声系数圆的基础上,确定噪声,增益和频率等参数,但要求频率小数点后三位与学号一致。
4.(25分)已知5.xxxGHz时场效应管共源极的S参量为S11=0.97∠-320,S12=0.05∠490,S21=4.50∠1560,S22=0.59∠-260。
设计50Ω负载的一般共栅极振荡器及反射型介质谐振振荡器。
介质谐振器的参数为Q0=5000,β=7。
全部匹配电路采用分布参数器件(微带基板参数:
介电常数为4.2,介质材料厚度为1.45mm,导带厚度为0.035mm),并画出两种振荡器|Гout|随频率变化曲线.
5.(10分)已知通信系统的工作频率2.xxxGHz,信道带宽为20MHz,发射及接收天线增益均为15dB,接收机整机噪声系数为6dB,接收机正常工作的信噪比为12dB。
若发射机功率管的输出三阶交调截点OIP3(不考虑功放前面电路对总三阶交调截点的影响)为40dBm,功率容量Pout,1dB为31dBm,求270C时系统的最大通信距离。
6.(10分)设计一个无线数字通信系统,要求其通信距离为2公里,数据率为100Mbps。
编码方式自选(编码不同,谱效率及码元能噪比不同),收发天线增益均为1,若假定系统工作带宽为中心频率的10%,针对频率6.xxxGHz,给出系统正常工作的最小功率。
若通信距离为10公里时情况怎样?
2014级研究生射频电路试卷
专业电子与通信工程年级研一2014级学号2014282120188姓名王世杰
成绩
总分
1
2
3
4
5
6
1.解:
学号末三位为188,则中心工作频率为2.188GHz。
一.集总参数设计.
由1800混合耦合环结构可知,其环线总长度为
,2口与1口、1口与3口及3口与4口间距均为
。
因此设计三个90°电长度,再设计一个270°电长度就可以完成设计。
90°电长度的电路可以用
型电路代替,其电路图如图1:
图1
型结构电路图
型结构电路图,它的转移参量矩阵为:
由课本查表可得,A参数的结果
90°电长度时,
所以,
所以,
所以,
270°电长度的电路可以用T型电路代替,其电路图如图2:
图2.T型结构电路图
T型电路,它的转移参量矩阵为:
270°电长度时,
,
此时,
所以,
解得,
从计算结果可知,两种电路的L和C值一样。
所以,集总参数的电路设计如图3:
图3.集总参数电路设计图
ADS仿真结果如图4、5、6、7、8、9、10、11所示:
图4.dB(S(1,1))
图5.dB(S(2,1))
图6.dB(S(3,1))
图7.dB(S(4,1))
图8.S(4,4)和S(1,1)的频率响应图(左边幅频特性,右边相频特性)
图9.S(2,4)和S(3,1)的频率响应图(左边幅频特性,右边相频特性)
图10.S(3,4)和S(2,1)的频率响应图(左边幅频特性,右边相频特性)
图11.S(1,4)和S(4,1)的频率响应图(左边幅频特性,右边相频特性)
由图9可知,S(3,1)和S(2,4)的频响,右边相位相差180°,与180°混合耦合环特性相符,而且幅度在2.165G处达到0.707倍,功率均分。
由图10可知,S(2,1)和S(3,4)的频率响应都重合了,而且幅度在2.170GHz处刚好是0.707倍,说明功率均分了.
因此该设计满足要求。
二.分布参数设计
使用ADS的LineCalc计算微带线的参数,如图12:
图12.Linecalc计算微带线的参数
因此可得到,w2=2.8272mm;w1=1.4808mm,线长19.7964mm;r1的初值是
ADS仿真电路图如图13:
图13.ADS仿真电路图
ADS生成仿真版图如图14:
图14.ADS仿真版图
ADS仿真结果如图15、16、17、18:
图15.dB(S(1,1))、dB(S(2,1))、dB(S(3,1))、dB(S(4,1))仿真结果
图16.S(1,1)、S(4,4)频率响应仿真结果(左边幅频特性,右边相频特性)
图17.S(2,1)、S(3,4)频率响应仿真结果(左边幅频特性,右边相频特性)
图18.S(3,1)、S(2,4)频率响应仿真结果(左边幅频特性,右边相频特性)
图18.S(4,1)、S(1,4)频率响应仿真结果(左边幅频特性,右边相频特性)
由仿真结果可知,虽然效果没之前好,但是可以达到设计要求,
2.解:
学号末三位为188,中心工作频率为2.4+0.188=2.588GHz。
一、集总参数设计
归一化频率为
查找课本上的图4.7,可知0.5dB的等波纹在归一化频率为1.599处衰减20dB的滤波器阶数应为4。
再由课本上的式4.8算出4阶切比雪夫滤波器的元件参数为:
g1
g2
g3
g4
g5
1.8259
1.3036
2.5865
0.9202
1.9841
然后选用电阻输入型的电路,经过阻抗和频率变换后的实际电感电容值为:
C1(并联)
L2(串联)
C3(并联)
L4(串联)
C5(并联)
C1(pF)
L1(nH)
C2(pF)
L2(nH)
C3(pF)
L3(nH)
C4(pF)
L4(nH)
C5(pF)
L5(nH)
14.53
0.2670
0.1496
25.93
20.58
0.1885
0.2119
18.31
15.79
0.2457
根据以上参数,并利用ADS进行建模可以得到图19、20、21:
图19.ADS仿真电路图
图20.dB(S(1,1))、dB(S(2,1))仿真结果图
图21.dB(S(2,2))仿真结果图
从图中可以看出,S(1,1)端口在2.560GHz处的衰减最大,然后从S(2,2)端口可以看出,通带内波纹很小,并且带宽为:
420M,在阻带为600M处衰减均达到了20dB的要求,设计基本符合要求。
Matlab程序:
clearall
closeall
Z0=50;
L1=279.38e-12;
C1=14.53e-12;
L2=25.934e-9;
C2=156.52e-15;
L3=197.22e-12;
C3=20.583e-12;
L4=25.934e-9;
C4=156.52e-15;
L5=279.38e-12;
C5=14.53e-12;
h=zeros(1,100);
fori=1:
1:
100;
f=2000000000+10000000*i;
w=2*pi*f;
A1=[10;1/(j*w*L1)1];
A2=[10;j*w*C11];
A3=[1j*w*L2;01];
A4=[11/(j*w*C2);01];
A5=[10;1/(j*w*L3)1];
A6=[10;j*w*C31];
A7=[1j*w*L4;01];
A8=[11/(j*w*C4);01];
A9=[10;1/(j*w*L5)1];
A10=[10;j*w*C51];
A=A1*A2*A3*A4*A5*A6*A7*A8*A9*A10;
S=ABCD_to_S(A,Z0);
h(i)=20*log10(abs(S(1,1)));
end
f=2000000000:
10000000:
2990000000;
plot(f,h);
xlabel('Frequency(GHz)')
ylabel('S11(dB)')
图22.Matlab计算结果图
由图可知,ADS仿真结果和Matlab计算结果相差不大。
二、分布参数设计
运用课本上的式(4.28),利用matlab编程,求出耦合传输线的奇模、偶模的特性阻抗.
i
0
1
2
3
4
0.3657
0.1583
0.1330
0.1583
0.3657
38.4018
43.3379
44.2345
43.3379
38.4018
74.9718
59.1679
57.5345
59.1679
74.9718
打开ADS自带的Linecalc工具来确定微带线的实际尺寸如图22:
图23.Linecalc工具来确定微带线的实际尺寸
结果如下:
i
0
1
2
3
4
W(mm)
2.060480
2.644530
2.694010
2.644530
2.060480
S(mm)
0.336010
1.173640
1.440670
1.173640
0.336010
L(mm)
16.820400
16.400500
16.355900
16.400500
16.820400
再使用Linecalc工具计算两端的特性阻抗为50ohm的微带线参数,可得:
W=2.829220mm,L=16.230200mm
再使用ADS仿真,如图23、24:
图24.ADS仿真电路图
图25.仿真结果图
由图24可以看出,带宽达到400M,在600M处衰减达到20dB,中心频率有一定误差,但基本满足设计要求。
Matlab程序:
clearall
closeall
N=4;
g0=1;
g1=1.8259;
g2=1.3036;
g3=2.5865;
g4=0.9202;
g5=1.9841;
Z0=50;
g=[g0g1g2g3g4g5];
BW=400/2570;
J
(1)=(pi*BW/(2*g0*g1))^(0.5)/Z0;
fori=2:
1:
4
J(i)=(pi*BW)/(2*(g(i)*g(i+1))^0.5)/Z0;
end
J(5)=(pi*BW/(2*g4*g5))^0.5/Z0;
form=1:
1:
5
Z0o(m)=Z0*(1-Z0*J(m)+(Z0*J(m))^2);
Z0e(m)=Z0*(1+Z0*J(m)+(Z0*J(m))^2);
end
Z0o
Z0e
c=3e8;
fori=1:
1:
180
f=2000000000+i*5000000;
f0=2570000000;
A1=[(Z0e
(1)+Z0o
(1))/(Z0e
(1)-Z0o
(1))*cos(pi/2*f/f0)-j/2*(Z0e
(1)-Z0o
(1))*(4*Z0e
(1)*Z0o
(1)*cot(pi/2*f/f0)*cos(pi/2*f/f0)/(Z0e
(1)-Z0o
(1))^2-sin(pi/2*f/f0));j*2*sin(pi/2*f/f0)/(Z0e
(1)-Z0o
(1))(Z0e
(1)+Z0o
(1))/(Z0e
(1)-Z0o
(1))*cos(pi/2*f/f0)];
A=A1;
fork=2:
5
Ak=[(Z0e(k)+Z0o(k))/(Z0e(k)-Z0o(k))*cos(pi/2*f/f0)-j/2*(Z0e(k)-Z0o(k))*(4*Z0e(k)*Z0o(k)*cot(pi/2*f/f0)*cos(pi/2*f/f0)/(Z0e(k)-Z0o(k))^2-sin(pi/2*f/f0));j*2*sin(pi/2*f/f0)/(Z0e(k)-Z0o(k))(Z0e(k)+Z0o(k))/(Z0e(k)-Z0o(k))*cos(pi/2*f/f0)];
A=A*Ak;
end
A=A;
S=ABCD_to_S(A,Z0);
h(i)=20*log10(abs(S(2,1)));%计算幅度响应
p(i)=angle(S(2,1));%计算相位响应
end
f=2005000000:
5000000:
2900000000;
figure
plot(f,h)
xlabel('freq')
ylabel('|S21|(dB)')
gridminor
figure
plot(f,p)
xlabel('freq')
ylabel('phase((S21))')
gridminor
图26.Matlab计算结果图
由图可知,ADS仿真结果和Matlab计算结果相差不大。
3.解:
学号为170,故晶体管的频率为2.170GHz
判断晶体管的稳定性:
由
,
计算得K=1.2181,D=0.1191,所以该晶体管绝对稳定。
由
,计算得
1)画出等增益圆:
;
;
;
;
其中:
;
编程得到增益为最大可能增益的99%,90%,50%的等功率增益圆,即为G=10.4941dB,10.0801dB,7.5274dB的等功率增益圆。
2)画出等噪声系数圆:
;归一化电阻
,Fmin=1.7dB;所以在
平面上画出的等噪声功率圆为:
;
;
;
编程得到F为1.701dB,1.75dB,2dB,2.3dB的等噪声系数圆。
并将所得等增益圆和等噪声系数圆画在同一个smith圆图中,如下所示:
图27.smith圆图结果图
等增益圆图和等噪声系数圆图程序:
closeall;
clearall;
smith_chart;
s11=0.39*exp(j*154*pi/180);
s12=0.114*exp(j*46*pi/180);
s21=2.469*exp(j*52*pi/180);
s22=0.42*exp(j*(-51)*pi/180);
s_param=[s11,s12;s21,s22];
[K,delta]=K_factor(s_param)%checkstability
G_Tmax=abs(s21)*(K-sqrt(K^2-1))/abs(s12)
G1=G_Tmax*0.99998;
G2=G_Tmax*0.99;
G3=G_Tmax*0.9;
G4=G_Tmax*0.5;
G1_dB=10*log10(G1)
G2_dB=10*log10(G2)
G3_dB=10*log10(G3)
G4_dB=10*log10(G4)
Gain(s_param,G1);
Gain(s_param,G2);
Gain(s_param,G3);
Gain(s_param,G4);
%
Gopt=0.39*exp(j*173*pi/180);
Rn=4.5;
Fmin_dB=1.7;
Fk1_dB=1.701;
Fk2_dB=1.75;
Fk3_dB=2;
Fk4_dB=2.3;
%smith_chart;%createaSmithChart
nfcicle(Gopt,Fmin_dB,Rn,Fk1_dB)
nfcicle(Gopt,Fmin_dB,Rn,Fk2_dB)
nfcicle(Gopt,Fmin_dB,Rn,Fk3_dB)
nfcicle(Gopt,Fmin_dB,Rn,Fk4_dB)
functionGain(s_param,G_goal)
holdon;
s11=s_param(1,1);
s12=s_param(1,2);
s21=s_param(2,1);
s22=s_param(2,2);
G_goal_dB=10*log10(G_goal);
%findconstantoperatingpowergaincircles
delta=det(s_param);
K=(1-abs(s11)^2-abs(s22)^2+abs(delta)^2)./(2*abs(s12.*s21));
go=G_goal/abs(s21)^2;%normalizedtheoperatingpowergain
%findthecenteroftheconstantoperatingpowergaincircle
dgo=go*conj(s22-delta*conj(s11))/(1+go*(abs(s22)^2-abs(delta)^2));
%findtheradiusofthecircle
rgo1=sqrt(1-2*K*go*abs(s12*s21)+go^2*abs(s12*s21)^2);
rgo=rgo1/abs(1+go*(abs(s22)^2-abs(delta)^2));
%plotacircleintheSmithChart
a=(0:
360)/180*pi;
holdon;
plot(real(dgo)+rgo*cos(a),imag(dgo)+rgo*sin(a),'r','linewidth',2);
text(real(dgo)-0.1,imag(dgo)+rgo+0.05,strcat('\bf',sprintf('G=%gdB',G_goal_dB)));
end
function[k,delta]=K_factor(s_param)
%Usage:
[k,delta]=K_factor(s_param)
s11=s_param(1,1);
s12=s_param(1,2);
s21=s_param(2,1);
s22=s_param(2,2);
delta=abs(det(s_param));
k=(1-abs(s11)^2-abs(s22)^2+delta^2)./(2*abs(s12.*s21));
end
functionnfcicle(Gopt,Fmin_dB,Rn,Fk_dB)
%Usage:
nfcicle(GMN,NFMIN,NF,NFi,line_style)
Z0=50;
Fmin=10^(Fmin_dB/10);
Fk=10^(Fk_dB/10);
%computeanoisecircle
Qk=abs(1+Gopt)^2*(Fk-Fmin)/(4*Rn/Z0);%noisecircleparameter
dfk=Gopt/(1+Qk);%circlecenterlocation
rfk=sqrt((1-abs(Gopt)^2)*Qk+Qk^2)/(1+Qk);%circleradius
%plotanoisecircle
a=[0:
360]/180*pi;
holdon;
plot(real(dfk)+rfk*cos(a),imag(dfk)+rfk*sin(a),'b','linewidth',2);
text(real(dfk)-0.1,imag(dfk)+rfk+0.08,...strcat('\bfF_k=',sprintf('%g',Fk_dB),'dB'));
end
functionfigNumber=smith_chart(option)
%Usage:
smith(option)
figNumber=figure;
%defineXandRcircles
X=[0.20.5125];
R=[0.20.5125];
%wewanttoplotsmoothcirlceswith101points
alpha=2*pi*(0:
0.01:
1);
%ifnoargumentsarenotspecifiedweassumeZ-chart
ifnargin<1
option=0;
end;
%drawawhitecircle
chart_color=[0.50.50.5];
patch(cos(alpha),sin(alpha),'-','edgecolor',chart_color,'facecolor',get(gca,'color'));
holdon;
plot([-11],[00],'color',chart_color);
forrr=R
xc=rr/(1+rr);%xpositionofthecenter
rd=1/(1+rr);%radiusofthecircle
%plotcircles
if(option==0|option==2)
plot(xc+rd*cos(alpha),rd*sin(alpha),'-','color',chart_color);
end;
ifoption==1
plot(-xc-rd*cos(alpha),rd*sin(alpha),'-','color',chart_color);
end;
ifoption==2
plot(-xc-rd*cos(alpha),rd*sin(alpha),'-','color',chart_color);
end;
end;
forxx=X
xc=1;%xpositionofthecenter
yc=1/xx;%ypositionofthecenter
rd=1/xx;%radiusofthecircle
alpha_xx=2*atan(xx)*(0:
0.01:
1);
if(option==0|option==2)
plot(xc-rd*sin(alpha_xx),yc-rd*cos(alpha_xx),'-','color',chart_color);
plot(xc-rd*sin(alpha_xx),-yc+rd*cos(alpha_xx),'-','color',chart_color);
end;
if(option==1)
plot(-xc+rd*sin(alpha_xx),yc-rd*cos(alpha_xx),'-','color',chart_color);
plot(-xc+rd*sin(alpha_xx
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