射频电路实验报告.docx
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射频电路实验报告
射频电路实验报告
学院:
信息学部
班级:
150273
*******
学号:
********
指导老师:
***
时间:
2018年6月
实验一低通滤波器设计
1.实验目的
设计一款应用于2.4GHz的低通滤波器,该低通滤波器的主要性能指标包括:
在低频通带的插入损耗(S21)大于-1dB;-3dB截止频率小于3GHz;在低频通带的输入反射系数(S11)小于-10dB。
给出该低通滤波器中各元件值及S参数频响曲线。
2.实验原理
低通滤波(Low-passfilter)是一种过滤方式,规则为低频信号能正常通过,而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。
但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序(目的)而改变。
它有的时候也被叫做高频去除过滤(high-cutfilter)或者最高去除过滤(treble-cutfilter)。
低通过滤是高通过滤的对立。
低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过,但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。
3.实验内容
(1)原理图设计
按照实验要求在ADS上添加电容元件C1、C2,电感元件L1、L2,在元件模型下拉框中选择Simulation-S_Param,将模拟控制器和端口添加到原理图中,并对它们进行连接,如图1-6所示。
双击S参数控件,将Start设置为0、Stop设置为5、Step-size设置为0.1,单击ok完成设置。
搭建原理图如图1-1所示。
图1-1低通滤波器电路图
(2)模拟仿真
单击【Simulate】/【Simulate】进行仿真,弹出数据显示窗口,选择要显示的S(2,1)参数S(1,1)参数,并在原理图中单击电容、电感元件,改变电感值与电容值的最大值与最小值,上下滑动调节滑块,观察数据显示窗口中S21,S11曲线的变化。
最终得到满足要求的电路。
仿真结果如下:
图1-2仿真参数设置
图1-3仿真结果
可以看出在低频通带的插入损耗dB(S(2,1))=-0.062dB>-1dB,-3dB截止频率为2.7GHz<3GHz;在低频通带的输入反射系数dB(S(1,1))=-18.500<-10dB。
满足实验要求。
实验二、偏置电路和匹配电路设计训练
1.实验目的
请为编号为pb_hp_AT32033_19950105的晶体管设计偏置电路和匹配电路,使得S11、S22均小于-40dB,并给出具体的偏置电路和匹配电路及S参数频响曲线。
2.实验原理
偏置电路晶体管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大,就必须保证晶体管的发射结正偏、集电结反偏。
即应该设置它的工作点。
所谓工作点就是通过外部电路的设置使晶体管的基极、发射极和集电极处于所要求的电位(可根据计算获得)。
这些外部电路就称为偏置电路。
阻抗匹配(impedancematching)信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同,或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同,分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态,简称为阻抗匹配。
3.实验内容
(1)晶体管直流工作点扫描
新建以BJT_curve_tracer为原理图的模板,并插入晶体管pb_hp_AT32033_19950105,添加元件,连线后得到下图所示电路:
图2-1电路原理图
接下来进行仿真,仿真完成后弹出数据显示窗口。
在数据显示窗口中可以看出设计模板已经预先设置好了静态工作点,并可以显示出在静态工作点时器件的集电极电流、基极电流、集电极-发射极电压以及静态功耗,如图2-2所示。
同时,为了在保证一定增益的情况下,使得BJT的噪声系数较小,我们选取静态工作点为:
基极电流IB为50μA,集电极电流IC为5mA,集电极-发射极电压Vce为2.7V。
图2-2完成仿真的数据显示窗口
再次新建原理图,类似的,插入元件模型pb_hp_AT41511_19950125;添加各种元件后,将他们放置于电路图设计窗口中,设置得到电路图如图2-3所示:
图2-3连接完成的电路图
进行仿真,选择要显示的IB.i参数,得到BJT的基极电流随基极电压的变化曲线。
选择当基极电流IB约为50μA的点,以获取对应的基极-发射极电压Vbe(约为0.81V),如图2-4所示。
图2-4基极电流随基极电压的变化曲线
再次新建原理图,添加元件并连线如图所示其中,Vdc设置为5V,R1=(Vdc-Vce)/(基极电流+集电极电流)=(5V-2.7V)/(5mA+50μA)≈455Ω;R2=(Vce-Vbe)/IB=(2.7V-0.8V)/50μA≈38KΩ。
图2-5偏置电路的搭建
进行仿真,关闭弹出的窗口,回到电路图设计窗口,得到电路各节点的电压与电流如图2-6所示。
图2-9电路各个节点的电压以及电流
可以看出,采用电阻实现的偏置电路所提供的静态工作点与最初所选择的BJT静态工作点基本吻合。
(2)晶体管S参数的仿真
建立新的Design原理图设计模板选择S_params,将器件加入到原理图中并仿真其S参数,选择sp_hp_AT-32033_6_19950105,右击选择PlaceComponent,将元件模型(静态工作点为:
Vce=2.7V,Ic=5mA)添加到电路中并连接,原理图如图2-10所示
图2-10原理图
双击原理图中S参数控件,将Start设置为0、Stop设置为5、Step-size设置为0.1,单击ok完成设置。
进行仿真,仿真完成后弹出数据显示窗口。
在数据显示窗口中添加两个矩形,分别显示S11与S22的仿真结果如图2-11。
图2-11仿真结果
测试2.4GHz频点处晶体管的输入阻抗,添加两个阻抗控件Zin1、Zin2,双击第二个端口输入阻抗控件Zin2,在弹出的对话框中将Function修改为Zin2=zin(S22,PortZ2)。
然后进行仿真,得到输入阻抗Zin1的仿真结果:
图2-12仿真结果
上图显示的阻抗数据为r/θ形式,将2.4GHz频点处的输入阻抗换算为a+j*b形式,换算公式为:
查表2.4GHz处r=50.000,θ=8.008º,计算得到a=49.51Ohm,b=6.97Ohm。
在原理图中的元件模型下拉框中选择PassiveCircuitDG-MicrostripCircuits,将微带线自动设计模块和微带参数设置控件放置于原理图中,将模块连接于输入端口和晶体管之间,双击MSUB控件,设置其参数如下图所示;双击模块,将F设置为2.4GHz,Zload设置为之前计算得到的输入阻抗数值(49.15+j*6.97),单位为Ohm。
如下所示:
图2-12添加微带线自动设计模块和微带参数设置控件
图2-13设置微带线自动设计模块和微带参数设置控件
选中模块,完成匹配网络的生成。
此时返回原理图,选中模块,单击工具栏上的按钮,可以看到生成的匹配电路,单击返回原电路图。
图2-14生成的匹配电路
对原理图进行仿真,可以看到输入匹配后S11的仿真结果。
图2-16完成匹配后S11仿真结果
在输入匹配完成的电路基础上,进行仿真,在数据显示窗口中添加列表,显示Zin2,得到输出阻抗的仿真结果。
图2-17输出阻抗的仿真结果
图2-17显示的阻抗数据为r/θ形式,将2.4GHz频点处的输出阻抗换算为a+j*b形式,换算公式为:
查表2.4GHz处r=103.686,θ=-45.086º,计算得到a=73.21Ohm,b=-73.43Ohm。
将Simth圆图匹配模块放置到原理图中并连接于晶体管和输出端口之间,如下图所示。
图2-18在输出端使用SimthChartMatching
双击模块,将Fp设置为2.4GHz,Zg设置为之前计算得到的输出阻抗数值(53.4-j*75.2),单位为Ohm,ZL设置为50Ohm,如下图所示:
图2-19设置Simth匹配模块参数
图2-20Simth匹配设置窗口
单击DefineSource/LoadNetworkterminations按钮,选中EnableSourceTermination和EnableLoadTermination,在SourceImpedance和LoadImpedance下的下拉菜单中选择ComplexImpedance,完成后单击ok按钮。
图2-21输入输出阻抗设置
在左侧的面板中添加电容电感元件进行阻抗匹配。
完成匹配后单击BuildADSCircuit,返回原理图选中模块,单击工具栏上的按钮,可以看到生成的匹配电路,单击返回原电路图。
图2-22完成匹配后的Simth模块
图2-23生成的匹配电路
此时对原理图进行仿真,可以看到输出匹配后S22的仿真结果。
图2-17完成匹配后的S22仿真结果
可以看出dB(S(2,2))=-59.034dB<-40dB,满足实验要求。
实验三、低噪声放大器设计训练
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1.实验目的
使用编号为sp_hp_AT-32033_6_19950105的晶体管设计低噪声放大器,使得该低噪声放大器在2.4GHz处S21大于5dB,S11小于-10dB,S22小于-10dB,噪声系数小于2dB,在2-5GHz频带内稳定系数大于1。
2.实验原理
低噪声放大器,噪声系数很低的放大器。
一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器,以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。
在放大微弱信号的场合,放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重,因此希望减小这种噪声,以提高输出的信噪比。
3.实验内容
新建一个模版为S_params的原理图,插入型号为sp_hp_AT-32033_6_19950105的晶体管(静态工作点为:
Vce=2.7V,Ic=5mA),再插入各种所需的电路元件,得到的原理图如下:
图3-1低噪声放大器原理图
其中,PCB板材选用FR-4板材,单击Tools/LineCalc,在弹出的选项中选择StartLineCalc,将其参数设置为:
Freq=2.4GHz,Z0=50Ω,H=0.8mm,Er=4.3,Mur=1,Cond=5.88E+7,Hu=1.0e+033mm,T=0.03mm。
计算得到微带线宽度约为60mil(即1.524mm)。
接下来设置各段传输线,在对话框中单击Optimization选项卡,将OptimizationStatus设置为Enable,最小值设置为10mil,最大值设置为2000mil;宽度W设置为60mil。
然后添加控件Optim将Numberofiteration值设置为200。
随后添加优化目标模块Goal,其设置如上图所示。
最后进行原理图仿真,在数据显示窗口添加S11、S22、nf
(2)、StabFact1的矩形图,得到电路的仿真结果,如果仿真结果不合格,则点击UpdateOptimizationValues进行优化,直到最后的仿真结果满足实验要求。
心得体会
这次实验总体来说不算难,按照指导书就能快速完成,因此本次试验是我独自完成的。
主要复习了ADC软件使用以及smith圆图应用,巩固射频电路的相关知识。
实验过程比较快,在做完例题以后再做习题就很快了。
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- 射频 电路 实验 报告