薄膜衰减片的仿真设计

电子工程学院中国人民解放军2014届本科学员毕业设计报告论文题目：薄膜衰减片的仿真设计学员姓名：崔国瑞学员队别：二十三队专业名称：雷达工程指导教员：唐伟二〇一四年月日2指导教员对毕业设计（论文）报告的评语：指导教员：日期：年月日室级答辩评语及成绩：答辩组负责人：日期：年月日专业系意见：专业系领导：日期：年月日院级答辩评语及成绩：答辩组负责人：日期：年月日摘要随着微电子技术、计算机技术的发展，微波无源组件作为无线通信及雷达系统的核心器件之一，要向小型化、轻量化、高性能和高可靠性的方向发展。本文研究了微带衰减器的设计方法，设计了两种类型结构的小型衰减器。运用散射网络分析方法重点研究了无源电阻式衰减器，根据分析和仿真结果优化衰减片的参数。以片式器件的形式设计了衰减量分别为3dB,6dB,固定衰减器和衰减组。采用AnsoftHFSS软件建立的器件模型，性能满足设计要求。AbstractAlongwiththedevelopmentofmicro-electronicstechnology,computertechnology,wirelesscommunicationsandmicrowavepassivecomponentsasoneofthecorecomponentsoftheradarsystem,tothesmallsize,lightweight,highperformance,andhighreliabilityof.DesignmethodofmicrostripAttenuatorisstudied,designedastructureoftwotypesofsmallattenuator.Methodforanalysisusingthescatteringnetworkfocusesonpassiveresistiveattenuatorsattenuationparameteroptimizationbasedonanalysisandsimulationresults.BasedonaTablet-styledeviceisdesignedintheformofattenuationdifference3dB,6dB,fixedattenuatorandattenuatedgroup.AnsoftHFSSsoftwaremodelofthedevice,theperformancemeetsthedesignrequirements.4目录1.引言..................................................12．微波功率衰减器的理论基础..............................12.1.功率衰减器的原理..................................22.2.功率衰减器的基本构成..............................22.3.功率衰减器的主要用途..............................22.4.功率衰减器的技术指标..............................32.4.1工作频带......................................32.4.2衰减量.......................................32.4.3功率容量......................................42.4.4回波损耗......................................42.4.5功率系数......................................52.4.6最大平均功率..................................53．衰减器的分类..........................................53.1.集总参数衰减器....................................53.1.1.T型同阻衰减器................................63.1.2.π型同阻.....................................73.2.分布参数衰减器....................................83.2.1.同轴型衰减器.................................83.2.2.波导型衰减器.................................93.2.3.微带衰减器..................................114.衰减器的设计方法......................................114.1微波仿真软件简介.................................124.2.微带衰减器的设计过程............................134.2.1.技术指标的定义..............................134.2.2.原理电路和元件参数的设计....................134.2.3.3D模型建立和仿真优化.......................134.2.4.模型加工及测试.............................144.3.悬置微带薄膜衰减片设计与仿真....................144.3.1.同阻式薄膜衰减片3db衰减器.................154.3.2.同阻式薄膜衰减片6db衰减器.................194.3.3.薄膜衰减片衰减器组.........................225．总结.................................................24致谢：..................................................24参考文献................................................2511.引言衰减器作为一种基本的电子元件应用十分广泛。例如在测量大功率的过程中，可以利用衰减器来降低功率到适合仪器测量的水平上。分布参数小、频率响应较好是微带型功率衰减器的突出优点，因此在各种微波系统和设备中被广泛应用。随着通讯在环保，医疗，卫星，军事，广播，电视等各方面领域的迅速发展，为了提供更好的通讯服务，提高信息传播的速度，保密性，完整性，我们对通讯设备要求也越来越高。特别在自动测试与控制方面，我们需要体积小、宽频带、动态范围大、精度高并且能够实现由计算机程序控制的可变衰减器，即程控衰减器。而衰减器中最为重要的核心部件，便是衰减片。薄膜衰减片具有频带范围宽、驻波系数小、衰减量精密平坦、体积小等许多优点，近年来在电子通讯、雷达技术、宽频带测童以及精密传输线等方面获得了愈来愈广泛的应用。随着近几年国内各类高端产品对信息传播的要求日益提高，高端进口应用模式的国内制造理念已经很难长久。一来只有某些特大型国有企业有资金发展高端产品，但由于大量依赖进口，成本高昂，本地化发展缓慢，产能不足，已经严重制约日益提高的国内消费要求，同时也大大加重了国家的经济负担。二来由于西方虽然对我国输出高端产品，但技术输出却步步限制，高端测试设备，工艺设备，限制出口，导致目前国内空有理论发展，但无法实现产品，只能为国外所垄断。所以目前我们急需使产品在降低成本的前提下，提高性能，以满足国内信息产业发展的需要。2．微波功率衰减器的理论基础衰减器是一种用于传输系统中降低输入信号功率，而不会引起信号产生显著畸变的无源网络。作为一种能量损耗性射频/微波元件，内部含有电阻性材料。除了常用的电阻性固定衰减器以外，还有各种2利用PIN二极管和场效应管制造的电控快速调整的可变衰减器。为了调节电路传输电平，实现电路系统多端口对电平的要求，可以用衰减器对信号源去耦，也可以用其缓冲阻抗变换带来的影响，达到改善阻抗匹配的目的。目前，微波衰减器作为一种常见的器件，已经广泛使用于需要功率电平调整的各类场合。2.1.功率衰减器的原理所谓功率衰减器，就是一种能够在指定的频率范围引入预先指定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝(dB)数及其特性阻抗的欧姆()数来标明。衰减器广泛使用于有线电视系统来满足多端口对于电平的要求。例如在放大器的输入、输出端口电平的控制、分支衰减量的控制。根据是否使用控制电平，可以将微波功率衰减器分为无源衰减器和有源衰减器两种。无源的衰减器分为固定式衰减器和可调式衰减器;有源衰减器与其他热敏元件相配合可以组成可变的衰减器，这种装置放于放大器内，可以用于自动增益控制(AGC)电路和自动斜率控制(AGS)电路中。2.2.功率衰减器的基本构成构成射频/微波功率衰减器的基本材料是电阻性材料。通常用电阻性材料实现的衰减器是作为一种大功率衰减器的基本形式出现的，这样形成的电阻式衰减器网络就是集总参数衰减器。可以通过一定的工艺手段将电阻性材料放置到所要求的波段的射频/微波电路中，最终形成了相应频率一定指标要求的衰减器。2.3.功率衰减器的主要用途（a）控制功率电平:对本振输出功率进行控制的微波超外差接收机，为了达到最佳的接收效果，可以通过获得光敏衰减器最佳噪声系数和变频损耗的方式来实现。在微波接收机中，同样可以通过衰减器实现自动增益控制(AGC)，改善动态范围相应，达到最佳的接收状态。（b）去耦元件:衰减器可以作为振荡器和负载之间取出耦合效应3的元器件。（c）相对标准:衰减器可以作为功率电平比较的相对标准。（d）用于雷达抗干扰中的跳变式衰减器:这种衰减器是一种衰减幅度能够实现突变的可变式衰减器，平时不会引人衰减量，但当受到外界环境的干扰时，就会突然增大衰减量。若从微波网络的观点来看，衰减器可以看作是一个二端口有耗微波网络，它属于通过型微波元件。2.4.功率衰减器的技术指标功率衰减器有多项技术指标，这里主要讲解其主要的几种技术指标。2.4.1工作频带衰减器的工作频带，是指在指定的频率范围内使用衰减器时，才能达到指标衰减量的频率带。由于微波/射频结构和频率密切相关，对于不同频段的元器件，结构不同，导致衰减器不能通用。现代采用同轴结构的衰减器工作频带相当宽，因此在设计或者使用的过程中要多加注意。一般可以用兆赫兹（MHz）或者吉赫兹（GHz）来表示。通用的衰减器一般带宽为5GHz左右，最高可达到50GHz。2.4.2衰减量用于描述信号传输的过程中从端口的一端到另一端的量值减少程度。可以用倍数或者同轴衰减器分贝数表示。无论形成功率衰减的机理和具体结构如何，总是可以用如图2.4.1所示的二端口网络来描述衰减器。4图2.4.1功率衰减器二端口网络图2中，信号输入端功率为P1，输出端功率为P2，衰减器的功率衰减量为A(dB)。若Pl,P2以分贝毫瓦(dBm)来表示，则两端功率之间的关系为P2(dbm)=P1(dbm)-A(dbm)（2-1）即21()()10lg()PmWAdBPmW（2-2）可以看出，衰减量用来描述功率通过衰减器后的变小程度。衰减量大小主要是由衰减器的材料和结构来确定的。衰减量以分贝(dB)为单位，这样便于整机指标的计算。2.4.3功率容量作为一种能量消耗元件，衰减器消耗的功率最终将以热量的形式耗散。因此当材料结构确定以后，衰减器的功率容量也就确定了。如果衰减器所承受的功率超过这个极限值，就会被烧毁，最终失效，影响电路整机系统。2.4.4回波损耗回波损耗就是衰减器的驻波比，按要求，衰减器两端的输入输出驻波比最好尽可能小。因为我们希望衰减器只是一个功率消耗的元件，而不对两端的电路产生影响，换句话说，衰减器应该与两端电路5匹配使用。在衰减器的设计过程中一定要考虑这一因素。2.4.5功率系数当输入功率从100