Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Московский государственный институт электронной техники

(технический университет)

С.А. Бахвалова, в.В. Курганов Исследование свч-устройств с помощью пакета программ Microwave Office Лабораторный практикум по курсу «Приборы свч»

Утверждено редакционно-издательским советом института

Москва 2008

УДК 621.385.6(076.8)

Рецензент докт. техн. наук, проф. А.В. Гуреев

Бахвалова С.А., Курганов В.В.

Исследование СВЧ-устройств с помощью пакета программ Microwave Office: Лабораторный практикум по курсу «Приборы СВЧ». - М.: МИЭТ, 2008. - с. ил.

Приведены теоретические сведения по фильтрам, усилителям СВЧ и фазовращателям. Рассмотрены модели транзисторов и диодов СВЧ. Дано описание интерфейса программы Microwave Office. Изложена методика моделирования СВЧ-устройств с помощью программы Microwave Office.

Представлены лабораторные работы по исследованию характеристик СВЧ-устройств, варианты заданий и методические указания по их выполнению.

Предназначено для студентов 3-го курса факультета МП и ТК, МИЭТ, изучающих дисциплину «Приборы СВЧ».

©МИЭТ, 2008

Введение

Одним из важнейших направлений современной электроники является разработка СВЧ-приборов и устройств на их основе.

Сложность современных систем диапазона СВЧ требует использования компьютерных программ, позволяющих рассчитать и проанализировать СВЧ-устройства, входящие в системы связи. К таким программам относится и пакет программ Microwave Office (MWO) с достаточно обширными возможностями.

Microwave Office позволяет на обычном персональном компьютере выполнять анализ линейных и нелинейных, пассивных и активных схем, моделировать многослойные ЕМ-структуры, проектировать топологии планарных СВЧ-устройств, синтезировать фильтры на сосредоточенных элементах и микрополосковых линиях. Привлекательность программы заключается также в том, что пользователи имеют возможность настраивать и оптимизировать параметры схем в режиме реального времени. Простым щелчком мыши можно изменить, например, длину шлейфа, а затем наблюдать изменение характеристик схемы на диаграмме Смита или прямоугольных графиках.

Перечисленные свойства пакета программ позволяют заменить исследование и настройку реального устройства СВЧ его компьютерным моделированием.

Представленные в практикуме лабораторные работы имеют две направленности:

1. знакомство с устройством СВЧ и его характеристиками;

2. изучение пакета программ MWO посредством моделирования конкретных устройств СВЧ.

Практикум содержит описание четырех лабораторных работ.

Лабораторная работа № 1 посвящена исследованию характеристик микрополоскового фильтра. Данная работа позволяет студентам ознакомиться с полосно-пропускающим фильтром в микрополосковом исполнении, освоить интерфейс программы MWO и с помощью этой программы произвести настройку фильтра и оценить влияние топологии на характеристики фильтра.

В лабораторной работе № 2 рассмотрены важнейшие характеристики малошумящего усилителя: коэффициент устойчивости, коэффициент шума и коэффициент усиления. Студенты знакомятся с моделью транзистора в виде S-параметров, осваивают линейный анализ СВЧ-схем, настраивают МШУ на заданные характеристики.

Лабораторная работа № 3 посвящена усилителю мощности. Данная работа позволяет студентам получить представление о модели транзистора в виде эквивалентной схемы, освоить нелинейный анализ транзисторного усилителя мощности, а также исследовать его амплитудные и другие характеристики и провести его настройку на максимум мощности при заданном уровне входной мощности.

В лабораторной работе № 4 рассмотрены характеристики петлевого фазовращателя с использованием pin-диода. Студенты знакомятся с эквивалентной схемой управляющего (резистивного) СВЧ-диода и с особенностями моделирования фазовращателя в программе MWO, а также изучают его характеристики.

Лабораторная работа № 1

Исследование микрополоскового полосно-пропускающего фильтра

Цель работы: освоить интерфейс программы Microwave Office; изучить характеристики и освоить процедуру настройки микрополоскового полосно-пропускающего фильтра (ППФ).

Продолжительность работы - 4 ч.

Теоретические сведения

Линии передачи

Линией передачи называют устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении.

Полосковые, волноводные и коаксиальные (жесткие или гибкие) линии передачи используются для передачи сигналов от передатчика к антенне и от антенны к приемнику для соединения блоков аппаратуры, модулей и узлов. Отрезки линии передачи служат основой конструкции ряда устройств.

К линиям передачи предъявляются следующие требования: они должны быть просты в изготовлении, пригодны для работы в широком диапазоне частот, обладать достаточной электрической прочностью, минимальными габаритными размерами и массой, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям и не приводить к недопустимым потерям и искажениям сигналов.

В линиях передачи СВЧ могут распространяться в общем случае волны четырех типов: Е - электрические волны, Н - магнитные, ТEM - поперечные электромагнитные и ЕН (НЕ) - гибридные. Каждый тип включает множество видов волн, отличающихся друг от друга структурой поля, а также коэффициентом распространения, волнового сопротивления, критической частотой (начиная с которой данный тип волны может распространяться) и другими параметрами.

На практике, как правило, используется низший или основной тип волны линии передачи, которому соответствует наименьшее значение частоты (наибольшее значение длины волны ).

Коэффициент распространения волны любого типа в реальной линии (с потерями) - величина комплексная:

, (1)

где - постоянная затухания, 1/м; - постоянная распространения, рад/м.

Для постоянной распространения справедливо выражение

, (2)

где - фазовая скорость; - групповая скорость волны в линии; - скорость света; - волновое число в свободном пространстве; - длина волны в линии.

Потери электрической энергии в линиях передачи обусловливаются в общем случае конечной проводимостью металлических направляющих элементов (стенок, проводников, оснований), неидеальностью диэлектриков линии, а также излучением в открытых линиях передачи. Это приводят к убыванию амплитуды поля и передаваемой мощности при удалении от источника по экспоненциальному закону:

, , (3)

где , и , - напряженности поля и мощности на входе и выходе линии с потерями; - длина линии.

Потери в линии измеряются в децибелах и определяются выражением:

. (4)