微波电路EDA实验报告

《微波电路EDA实验》实验报告学院：电子工程学院班级：学号：姓名：微波电路EDA实验微波电路EDA实验1实验一：微带低通滤波器一、实验要求设计一个切比雪夫式微波低通滤波器，技术指标为：截止频率fc=2.2GHz,在通带内最大波纹LAr=0.2dB,S11小于-16dB；在阻带频率fs=4GHz处，阻带衰减LAs不小于30dB。输入、输出端特性阻抗Z0=50Ω。方法：用微带线实现，基片厚度H=800um,T=10um,相对介电常数εr=9.0;高阻抗线特性阻抗Z0h=106Ω,低阻抗线Z0l=10Ω。确定滤波器的结构尺寸，测量滤波器的参数S11、S21，进行适当调节，使之达到最佳。记录滤波器的最终结构尺寸，总结设计、调节经验。二、实验仪器硬件：PC机软件：MicrowaveOffice软件三、设计步骤1、确定原型滤波器1）通过运行iFilterFilterWizard(智能滤波器向导)模块，设置各项以自动生成名为iFilter的原理图，及测量图、默认优化目标。2）将原理图上方等式中的变量名C-v1改为Ca,变量名C-v2改为Cb，相应地，将电路图中位于两侧的电容数值改为“C=Ca”,居中的电容数值改为“C=Cb”。同样步骤，将图中的L-v1变量改为L0。3）分析，即得原型滤波器的仿真结果。4）优化:设置优化目标f2.2GHz时,S11-16dB,S21-0.2dB;f4GHz时,S21-30dB。设置优化参数，选取所有变量。执行优化。优化完成后的电路如图1.1所示，结果如1.2所示，已优化的参数值如表1所示。2、计算滤波器的实际尺寸1）高阻抗线先计算高阻抗线的宽度。已知条件：εr=9.0，f0=1.1GHz,H=800um,T=10um,阻抗Z0h=106Ω，通过工具TXLine计算得W、εre;再计算高阻抗线的长度（手算）：2微波电路EDA实验umLvZLllrephohLL1492110*3*10610*002)低阻抗线先计算低阻抗线的宽度。已知条件：εr=9.0，f0=1.1GHz,H=800um,T=10um,阻抗Z0l=106Ω，通过工具TXLine计算得W、εre;再计算高阻抗线的长度（手算）：umCbCbvZlumCaCavZllreplolCreplolCC1214212143110103101010310结果如表2所示。3、完成电路，测量各特性指标1）在已有工程中添加一个新原理图，用于绘制微带结构的低通滤波器。2）依次绘制电路图、添加图表、添加测量项S11、S21（单位dB）。全部完成后分析电路，观察所得曲线。若性能尚不符合实验指标，则需要对微带结构滤波器进行优化。未优化的电路图如图1.3所示，测量图如图1.4所示。3）优化；优化参数选取各高、低阻抗线的长度。优化目标设置与原型滤波器完全相同。执行优化，直到电路性能符合指标要求。优化完成后的电路图、测量图分别如图1.5，图1.6所示。4）激活实际结构滤波器原理图，从主菜单选View\ViewLayout,观察滤波器的二维布线图。若尚未连接，即看到连接处有红叉，可选中所有元件，再从工具栏选snaptogather，即可自动连接。再从工具栏选View3DLayout，观察三维布线图。微带线结构滤波器布线视图（二维）如图1.7所示。5）记录优化结果：微带结构电路的优化数值（长度）如表3所示，测量图所图1.6所示。微波电路EDA实验3四、实验数据记录及分析表1原型滤波器参数元件IDC1(pF)C2(pF)C3(pF)L1(nH)L2(nH)元件变量CaCbCaL0L0优化值1.7123.0151.7124.6824.682表2微带线结构参数W(um)εrelL1、lL2（um）lC1、lC3（um）lc3（um）高阻抗线92.47315.37765714.2\\低阻抗线8430.137.8312\1835.323232.18表3微带线结构优化数值（长度）元件IDTL1（um）TL2（um）TL3（um）TL4（um）TL5（um）优化值194956583255565820054微波电路EDA实验图1.1原型滤波器电路图（已优化）图1.2原型滤波器测量图（已优化）LumpedElementFilterLumpedLPFChebyshev(0.2dBripple)Degree=5Fp=2200MHzCa=1.711849Cb=3.014982Q_v1=1000FQ_v1=0.1Q_v2=100L0=4.682196PORTP=2Z=50OhmPORTP=1Z=50OhmCAPQID=C3C=CapFQ=Q_v1FQ=FQ_v1GHzALPH=0INDQID=L2L=L0nHQ=Q_v2FQ=FQ_v1GHzALPH=0CAPQID=C2C=CbpFQ=Q_v1FQ=FQ_v1GHzALPH=0INDQID=L1L=L0nHQ=Q_v2FQ=FQ_v1GHzALPH=0CAPQID=C1C=CapFQ=Q_v1FQ=FQ_v1GHzALPH=012345Frequency(GHz)iFilterILRL-80-60-40-200InsertionLoss-40-30-20-100ReturnLoss4GHz-29.78dB2.2GHz-18.88dB2.2GHz-0.3782dBDB(|S(2,1)|)(L)iFilterDB(|S(1,1)|)(R)iFilter微波电路EDA实验5图1.3微带线结构滤波器原理图（未优化）图1.4微带线结构滤波器测量图（未优化）MLINID=TL1W=8430umL=1835umMLINID=TL2W=92.47umL=5714umMLINID=TL3W=8430umL=3232umMLINID=TL4W=92.47umL=5714umMLINID=TL5W=8430umL=1835umMSUBEr=9H=800umT=10umRho=1Tand=0ErNom=9Name=SUB1PORTP=1Z=50OhmPORTP=2Z=50Ohm12345Frequency(GHz)M_filterILRL-50-40-30-20-1004GHz-27.46dB2.2GHz-0.5699dB2.2GHz-12.58dBDB(|S(2,1)|)M_filterDB(|S(1,1)|)M_filter6微波电路EDA实验图1.5微带线结构滤波器原理图（优化后）图1.6微带线结构滤波器测量图（优化后）MLINID=TL1W=8430umL=L1umMLINID=TL2W=92.47umL=L2umMLINID=TL3W=8430umL=L3umMLINID=TL4W=92.47umL=L2umMLINID=TL5W=8430umL=L1umMSUBEr=9H=800umT=10umRho=1Tand=0ErNom=9Name=SUB1PORTP=1Z=50OhmPORTP=2Z=50OhmL1=1979L2=5651L3=325812345Frequency(GHz)M_filterILRL-50-40-30-20-1004GHz-28.45dB2.2GHz-0.5129dB2.2GHz-13.94dBDB(|S(2,1)|)M_filterDB(|S(1,1)|)M_filter微波电路EDA实验7图1.7微带线结构滤波器布线视图（二维）结果分析：从图1.4未优化的微带线结构滤波器测量图可以看出，f=4GHz时，S21=-27.46dB,阻带衰减达不到实验要求的-28dB。从图1.6优化后的微带线结构滤波器测量图可以看出，f=4GHz时，S21=-28.45dB,阻带衰减达到了实验要求的-28dB。而优化前后的结果均不理想，达不到通带内最大纹波0.2dB。原因是微带线基本结构已经固定，优化时只是改变高低阻抗线的长度，而其宽度保持不变，优化能力有限，可通过将高低阻抗线的宽度也设置为优化参数来达到更好的优化效果。8微波电路EDA实验实验二：贴片天线的特性分析及优化一、实验要求建立、分析一个右手圆极化贴片天线，工作频率为2.4GHz，测量其S参数。通过调节贴片天线及切角的大小，对天线的轴比参数进行优化，记录最终的优化结果。二、实验仪器硬件：PC机软件：HFSS软件三、设计步骤1、创建工程其中，求解类型为DrivenModal，单位为：mm。2、创建模型模型主要包括：基片、接地板、贴片天线、馈电点、空气腔体、端口、以及贴片天线的切角七部分。创建过程需要注意的是，在绘制端口过程，绘制完圆形之后，要从接地板裁去端口的穿孔，选择了接地板和圆形进行布尔操作的减法时，需勾选Clonetoolobjectbeforesubtracting项，使得在接地板中裁去和端口一样大小的洞且仍保留端口。模型如图2.1所示。3、设置变量在接地板、基片、贴片天线、馈电点、端口及切角中都设置变量，且修改切角的位移矢量和建立起点和尺寸的变量关系。最终的变量如图2.2所示。4、设置模型材料参数设置馈电点的材料为copper，基片的材料为RogersRO4003。5、设置边界条件和激励源设置空气为辐射边界条件，接地板和贴片天线为有限导体，给端口设置激励源，即设置集总端口。6、设置求解条件微波电路EDA实验91）添加求解设置Setup1，求解频率为：2.45GHz，MaximumNumberofPasses为：10，MaximumDeltaSPer为：0.01。2）添加频率扫描项，扫描类型为：Fast，选择：LinearCount，频率范围：2-3GHz，共20点。3）确认设计，即检查设计是否有错误，有错则改，无错进行下一步。4）最后分析，即对模型进行求解。7、创建参数分析并求解1）添加参数设置，定义扫描变量chamsize,范围为5-7mm，计算3次，定义扫描变量patchsize，范围为31-33mm，计算3次。2）定义输出变量，定义S11mag变量为：mag(S(Port1,Port1)),定义AxiaRatio变量为：AxiaRatioValue，定义cost变量为：10*log(AxiaRatioValue)。最后，完成定义之后，将S11mag变量加入Calculation栏。3）参数求解，结果如图1.3所示。8、优化求解1）选择优化变量：patchsize，最小值：30mm，最大值：30.5mm；chamsize，最小值：5mm，最大值：5.5mm。2）设置远区辐射场，插入远区辐射场，其Phi和Theta参数的Stop项均设为0deg。3）添加优化设置，首先添加成本函数，优化方法选择：QuasiNewton，Max.No.ofIterations为：100，选择cost变量，其Goal为[0,0],Weight为[1,1],AcceptableCost为：0.01，Noise为：0.0001。其次，设置chamsize变量起始值改为5.1，Min为5，Max为5.5；patchsize变量起始值改为30.1，Min为30，Max为30.5。4）求解优化分析，结果如图1.4所示。测优化后的S11(dB)参数与频率的关系曲线，结果如图1.5所示。天线的3维辐射图如图1.6所示。10微波电路EDA实验四、实验数据记录及分析实验的模型及数据记录如下：图2.1贴片天线的模型图2.2贴片天线的变量设置微波电路EDA实验11图1.3参数变量求解结果图1.4cost优化结果12微波电路EDA实验图1.5优化后S11与频率关系曲线结果分析：由图1.4可以看出，优化后cost（cost=10*log(AxiaRatioValue)）的值趋于0，也就是说，天线的轴比趋于1，达到了实验圆极化的要求。但由图1.5可以看出，天线的反射系数（dB）较大，是由于天线匹配不好导致的，所以后期需要再调节使得天线匹配良好。五、实验总结通过微波EDA实验上机，我对MicrowaveOffice软件和HFSS软件的了解及应用能力有了很大提高。1）Microw