作者：吴永乐,刘元安,等
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
微波射频器件和天线的精细设计与实现(第2版)试读：
前言
电磁场与微波技术是电子科学与技术一级学科下的一门重要的专业基础学科，覆盖了电子工程、通信工程、电子信息工程、雷达工程和物联网工程等领域。
目前，已经有众多的优秀理论教材能够满足本科生和研究生对电磁场与电磁波基本概念的理解、专业习题的解答和重大考试的复习等。同时，也有不少专业的ADS、HFSS、AutoCAD等专用仿真或制作工具的独立教程供大家参考。但是，作者在协助指导本科生和研究生设计和实现具体电路与系统的过程中发现，不少学生或者工程师都专注于自己在某一个知识面的理解或者某单一专业软件的熟悉使用上，很难做到从理论、设计、仿真、制作、实测到形成报告的完整过程，从而无法独立完成科研项目的立项、执行、验收和文档总结的完整工作。更加关键的是，很多学生或工程师缺少突破自己技术能力来完善自己的勇气和途径。作者经过多年的学习和工作积累发现，导致这些问题的主要原因之一是缺乏一本完整且通俗易懂的专业书籍来引导。另外，对于初学者，基本工具的使用和基本电路的尝试是必须经历的过程，而大学老师很难有精力一次又一次地重复相同的科研过程来指导学生。本书就是在该客观需求下产生的，期待本书不仅可以积极引导初学者完成完整的设计流程，而且能够解决高等学校指导微波方向研究生的困扰。
本书的特点是避免烦琐的理论推导，注重微波理论与工程实现的无缝连接，确保包含ADS、HFSS和AutoCAD等在内的一体化设计流程的流畅性，提供“手把手”模式下设计与实现的细节步骤，力争从微波理论、电路仿真、电磁全波仿真到实物制作形成一个完整的体系，为撰写项目总结和学术论文提供强有力的支撑。本书的案例来自作者在国际SCI检索学术期刊的论文和所申请的发明专利的具体实例，详细的理论设计思路和参数性能分析等细节内容可以参考原学术论文和发明专利文件。
本书第1版面向市场后，读者反馈效果良好，因此电子工业出版社建议作者优化修订第1版后重新出版发行第2版。本书第2版共分5章，全书由吴永乐教授和刘元安教授提出框架结构、提供新颖的器件案例以及负责全书内容的统筹调整，张伟伟博士生主要负责第2版的更新与修订工作，另外，辅助参加本书第2版修订的人员还有马莉、孔梦丹和王卫民等。
本书的修订得到了国家重点基础研究计划（973计划）（No.2014CB339900）和国家自然科学基金（No.61671084）的部分资助。全体参与者特别感谢北京邮电大学电子工程学院给我们提供了良好的工作平台，感谢读者们的宽容、支持与厚爱。吴永乐教授还特别感谢香港城市大学电子工程学系的培育和IEEE Fellow薛泉教授对自己多年学术工作细致而富有建设性的指导，感谢加拿大卡尔加里大学电子与计算机学院的IEEE Fellow Fadhel M.Ghannouchi教授以及iRadio实验室提供的一些技术帮助。毫不夸张地讲，没有之前多年的学术积累，就无法提供最初的想法和素材来完成本书，也没有机会和勇气通过公开技术细节来推动未来射频微波全行业共赢的局面。
在本书第2版的撰写与修订过程中，作者参考或引用了包含ADS、HFSS、AutoCAD、Altium Designer和Origin等在内的多家商业软件的相关原始技术资料，借此机会向这些技术资料的原著者及相应的软件公司表示由衷的感谢。
由于作者编写水平的限制和完稿时间的紧迫，书中难免有疏漏和不当之处，敬请广大读者批评指正，并殷切希望提出宝贵的意见和建议（读者建议反馈邮箱：wuyongle138@gmail.com）。编著者2018年1月于北京邮电大学电子工程学院第1章 耦合线带通滤波器设计与实现
随着现代无线系统的快速发展，滤波器在微波及毫米波无线通信[1-3]系统中的应用越来越广泛。在本章，我们展示了一种微带耦合线结构的无源带通滤波器，此滤波器电路结构简单，只包含两对耦合线和一个公共连接点。同时，本章将介绍如何在 ADS 平台下建立该带通滤波器的理想参数仿真模型，以及如何在 HFSS 平台下建立相应的全波电磁仿真模型，最后讲解如何使用AutoCAD软件进行PCB制板。实验结果表明，该带通滤波器具有尖锐的边缘选择特性。1.1 耦合线带通滤波器介绍
1.滤波器概述
微波滤波器属于二端口器件，其主要功能是使所需信号通过电路而衰减降至最低，同时使无用信号的能量尽可能反射回输入端（或吸收消耗），即实现通带范围内信号的无损耗传输和阻带范围内信号的最大衰减（反射抑制或吸收损耗），其本质依然是一个选频器件。微波滤波器已经广泛应用在微波通信、雷达或射频参数测量系统中，其[1-3]中带通滤波器的应用更为广泛。
目前，带通滤波器的评价指标包括通带工作频带（含双频带等）、插入损耗、回波损耗和群时延等。假定端口1为带通滤波器的输入端[1-3]口，端口2为带通滤波器的输出端口，则其指标参数表达如下：
☺ 插入损耗（dB）=-20 lg|S|，它表示带通滤波器能量减少的比21例值（dB）；
☺ 回波损耗（dB）=-20 lg|S|，它表示带通滤波器输入能量与反11射能量的大小比例值（dB）。
本章从耦合线带通滤波器出发，分别介绍其理论分析、电路仿真、实物制作及测试结果。其中，使用的射频板材信息为 F4B 板，介电常数为 2.65，板厚为 1mm，其他参数可以忽略。
2.滤波器原理简介
图1.1为基于耦合线结构的带通滤波器理想电路图，具体信息见[23]参考文献。该滤波器电路结构包含两对耦合线，中间为公共连接点。其中两对耦合线的偶奇模特性阻抗分别为 Z和 Z（i=1，2），ieio其电长度分别为θ和θ，端口阻抗设为Z。120
一般情况下，如果要构建一个工作频率点为 f的理想耦合线带通0滤波器，达到理想性能，则其 S 参数应该 图1.1 耦合线带通滤波器理想电路图满足以下条件：S=0（通带内），S=0（通带外）。设计1121[23]参数满足的公式如下：
这里假定耦合线带通滤波器的工作中心频率点为 2GHz，该频率点对应的电长度分别为θ和θ，此处设θ=θ=π。第一个反射零点f1212p[23]和第三个传输零点f可以这样表达：z
显然，指定Z和Z（i=1，2）的值就可以确定对应的f和f。ieiopz1.2 耦合线带通滤波器的ADS仿真
ADS平台可以实现参数化的模型仿真，假设该带通滤波器的工作频点f为2GHz，耦合线偶奇模特性阻抗为Z和Z（i=1，2），电长度0ieio为θ和θ，端口阻抗为Z，这些参数都可以在 ADS 电路中给出参数120化定义，然后代入具体的值进行仿真，以便于观察带通滤波器的各种性能。1.2.1 新建工程和仿真电路模型
1.运行ADS并新建工程
双击桌面上的 ADS 快捷方式图标，启动 ADS 软件。ADS 运行后会自动弹出窗口【Getting Started with ADS】，简单介绍一些 ADS 的基本功能以及帮助信息。选中左下角的【Don’t display this dialog box automatically】，这样以后启动ADS就不会弹出该窗口。单击右下角的【Close】按钮，进入主界面【Advanced Design System 2016.01（Main）】，如图1.2所示（注：此处的工作路径为安装软件时提前设置的路径，更改方法为右击桌面上的 ADS 快捷方式图标，选择属性，弹出如图1.3所示的窗口，在【Start in】中输入新的路径即可）。图1.2 ADS主界面窗口
执行菜单命令【File】→【New】→【Workspace】，打开如图 1.4 所示的工作空间向导对话框。单击【Next】按钮，如图 1.5 所示，这里可以对【Workspace name】和【Create in】对应的选项进行设置，前者为工作空间（Workspace）的名字，后者为创建的工作空间所保存的路径。此处我们将工作空间名字改为 Filter_wrk，而工作路径保留默认设置。单击【Next】按钮进入库文件管理对话框，如图1.6所示，我们保留默认设置。图1.3 更改ADS启动时的默认工作空间路径图1.4 工作空间向导对话框图1.5 工作空间名字和路径设置对话框图1.6 库文件管理对话框
一直单击【Next】按钮，直到出现精度设置界面，如图 1.7 所示。这里我们选择第二个，即精度为 0.0001mm（注：如果读者喜欢用 mil 单位，则可以选择第一个。本书的单位统一为 mm）。单击【Next】按钮出现工作空间设置总结对话框（见图1.8），从这里我们可以看到之前设置的工作空间的名字、路径、精度以及库文件等信息，单击【Finish】按钮。此时，ADS 主界面中的【Folder View】会显示所建立的工作空间名称和相应路径（见图1.9），工作空间的名称为“Filter_wrk”，路径为“D：\ADS\Filter_wrk”。这个时候我们可以在D盘ADS文件下找到一个名为Filter_wrk的文件夹，可以进行复制、粘贴、更名以及删除等操作。图1.7 精度设置对话框图1.8 工作空间设置总结对话框图1.9 新建工作空间目录
执行菜单命令【File】→【New】→【Schematic…】，打开如图 1.10 所示的电路原理图新建对话框，修改单元（Cell）的名称为“Bandpass_Filter”，单击【OK】按钮保存设置（注：【Options】中的【Enable the Schematic Wizard】即原理图向导为可选项，【Schematic Design Templates （Optional）】里面有常用的模板，这里我们不使用任何模板）。
完成后 ADS 的电路设计界面会被建立（见图 1.11），在对话框【Schematic Wizard：1】中单击【Cancel】按钮关闭该对话框（注：若不选中图 1.10【Options】中的【Enable the Schematic Wizard】即原理图向导，则对话框【Schematic Wizard：1】不会出现；我们也可以选中图 1.11 中原理图向导对话框里的【Do not show this dialog again】，则以后对话框【Schematic Wizard：1】也不会出现）。至此，一个文件名为 Bandpass_Filter 的单元创建完成，我们可以在自己创建的工作路径下找到它，如图1.12所示。
2.建立滤波器仿真模型
在原理图左侧元件面板列表【Palette】中选择【TLines-Ideal】（见图1.13），这里面有一些常用的理想器件模型，如微带线、耦合线等。如果原理图左侧没有【Palette】，则可以在菜单【View】中选择【Component Palette】，调出该元件面板列表。图1.10 电路原理图新建对话框图1.11 电路原理图向导对话框图1.12 ADS主界面窗口图1.13 【Tlines-Ideal】元件列表
在【TLines-Ideal】中选择理想耦合线模型，在右侧的画图区单击鼠标左键添加一对耦合线模型（见图 1.14），按键盘 Esc 键则可以退出绘制模式。鼠标右键单击新建的耦合线模型，选择【Rotate】可以将该耦合线沿顺时针旋转 90°（或者直接选中耦合线，按组合键“Ctrl+R”也可以进行旋转），旋转后的耦合线如图1.15所示。
仿照上述添加耦合线模型的步骤，再添加第二对耦合线（见图 1.16）。也可以选中第一对耦合线，依次按组合键“Ctrl+C”和“Ctrl+V”进行复制和粘贴。
在元件面板列表中选择【Simulation-S_Param】（见图 1.17），然后在元件面板中单击【TermG】端口（见图 1.18），添加两个仿真端口（见图 1.19）（注：也可以选择元件列表中的【Term】端口，但需要人为添加地，其位于工具栏中，也可以单击菜单栏Insert下面的GROUND添加地）。图1.14 添加第一对耦合线图1.15 旋转后的耦合线图1.16 添加第二对耦合线图1.17 【Simulation-S_Param】元件列表图1.18 【TermG】端口
单击工具栏上的连线，依照电路图连接各个元件。单击【Simulation-S_Param】中的仿真按钮，在画图区添加S参数仿真器，得到如图1.20所示界面。图1.19 添加两个【TermG】端口图1.20 布置走线并添加S参数仿真器
由图1.20可以看出，添加的耦合线模型CLIN默认的工作频率点为1GHz，S参数仿真器的仿真频率范围为 1.0～10.0GHz，间隔取 1.0GHz。所以，需要修改该模型的中心频率点以及对应的电路参数和 S 参数仿真器的频率范围及间隔。双击耦合线 TL1，在弹出的对话框中，设置 TL1 的参数值分别为 Z1e（Ohm）、Z1o（Ohm）、SitaT（deg）、f0 （GHz）（注：应检查单位设置是否一致，否则仿真会出错。单位需要在输入文本框的后侧下拉菜单中选择，而不用手动输入。本节电路的参数设置全部变量化，在接下来的部分会对变量进行定义）。设置完如图1.21所示，单击【OK】按钮保存设置。
类似地，分别设置TL2和端口（TermG）相应的电路参数，其中TermG1和TermG2的阻抗值均设置为Z0（Ohm），具体参照图1.22、图1.23和图1.24。图1.21 TL1参数设置图1.22 TL2参数设置
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]