《微波实验报告》word版.doc

微波实验报告信息与通信工程学院 实验二微带分支线匹配器一、实验目的1 熟悉支节匹配器的匹配原理2 了解微带线的工作原理和实际应用 3 掌握smith圆图法设计微带线匹配网络二、实验原理支节匹配器随着工作频率的提高和相应波长的减小，分立元件的寄生参数效应就变得更加明显，当波长变得明显小于典型的电路元件长度时，分布参数元件替代分立元件而得到广泛的应用。因此，在频率高达GHz以上时，在负载和传输线之间串联或并联分支短截线，代替分立的电抗元件，实现阻抗匹配网络。常用的匹配电路有：支节匹配器，四分之一波长祖卡变换器，指数线匹配器等。 支节匹配器分单支节，双支节和三支节匹配。这类匹配器是在主传输线上并联适当的电纳（或串联适当的电抗），用附加的反射来抵消主传输线上原来的反射波，用以达到匹配目的的。因此，电纳或电抗元件常用以终端开路或短路的传输线构成。 图1为单支节匹配器，其中为任意负载，假定主传输线和分直线的特性阻抗都是Y0，d为从主传输线到分支线位置的距离，Y和Z分别为在支节处向负载方向看去的主线导纳和阻抗。单支节调谐时，有2个参量可以调节：距离d和由并联开路或短路的短截线提供的电纳。匹配的思想是选择d使其在距离负载d处向主线看去的导纳是Y0+jB的形式。然后短截线的电纳选择为-jB，根据电纳确定分支短截线的长度，这样就达到了匹配条件。dY0开路或短路Y0lY=1/Z图1 单支节匹配图2为双支节匹配器，通过增加一支节，改进了单支节匹配器需要调节支节位置的不足，只需调节2个支节分支线的长度就能达到匹配（双支节匹配存在禁区，并非对所有负载都能匹配）。图中假设主传输线和分支传输线的特性导纳都是Y0，l1，l2分别为分直线的长度，d1为负载于最近分直线的距离，d2为两分支线间的距离，d2可以是也可以是和。现在考虑的情况。要在2-2参考面实现匹配，从2-2参考面向右看的归一化导纳必须是，或者说应落在g=1的等导纳圆上，然后利用l2的长度来抵消j而达到匹配。为使落到等电导g=1的 圆上，则从点向负载方向走，即参考面的归一化导纳必须落在图中的辅助圆上，这可以通过调节l1来达到。1122Y0Y0d2d1开路或短路开路或短路l2l2Y0Y0Y0图2 双支节匹配g=1辅助圆图3。双支节匹配器导纳圆图三、实验内容已知：输入阻抗 负载阻抗 特性阻抗 介质基片 假定负载在2GHz时实现匹配，利用图解法设计微带线单支节和双支节匹配网路，双支节网络分支线与负载的距离d1=，两分支线间的距离为d2=。画出几种可能的电路并比较输入端的反射系数幅值从1.8GHz到2.2GHz 的变化。四、实验步骤1 建立新项目，确定项目频率2 计算归一化阻抗和负载阻抗的值，将其所在位置标在Y-smith导纳圆图上3 设计单支节匹配网路，在圆图上确定分支线与负载的距离d和分支线的长度l，根据黑定的基片介质，特性阻抗和频率用TXLINE计算微带线的物理长度和宽度，注意圆图上360度的电角度对应半个波长4 将微带线放入原理图中，将衬底材料也放在原理图中，选择适当的模型，画出原理图，并将计算得出的W和L值输入到对应的元件 5 将项目的频率改为1.8GHz2.2GHz6 在proj下添加图，选择Rectangular图，添加测量，类型选择Port Parameters，测量选项为S参数，单位dB，选择扫频Sweep Proj。Freqs，选择幅度Mag。添加完测量量后进行仿真。7 设计双支节匹配网络，建立新的原理图，重复以上步骤单支节匹配（并联开路线）1) 根据已知计算出各参量。单支节匹配器PS：Zl为负载阻抗；Z0为特性阻抗；zl为归一化负载阻抗； Tl为负载处反射系数； Zin为输入阻抗； zin为归一化输入阻抗； Tin 为输入端反射系数；b为以0.01为步长从0扫描到2*PI； R为阻抗处等反射系数圆； Rj为纯电纳等反射系数圆 Rp为匹配圆2) 将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在smith圆上绘制步骤：1) 将归一化输入阻抗和负载阻抗所在位置标在导纳圆图上2) 从负载阻抗处沿等反射系数圆向源（顺时针）旋转，交匹配圆一点，由此确定单支节传输线阻抗为-0.53*j，取此经历的电长度为分支线与负载的距离d=198.25/360*半波长3) 在导纳圆图上标出阻抗为-0.53*j点的位置，从开路点出发向源方向旋转到标识位置，取此经历的电长度为分支线的长度l=304.12/360*半波长4) 设计单枝节匹配网络，在图上确定分支线与负载的距离以及分支线的长度，根据给定的介质基片、特性阻抗和频率用TXLINE计算微带线物理长度和宽度。5) 画出原理图。注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响，选择适当的模型。6) 添加矩形图，添加测量，测量输入端的反射系数幅值。双支节匹配（并联开路线）Smith圆图：绘图步骤：1) 根据两枝节间隔长度为1/8波长，绘出辅助圆位置2) 在图中标出负载处位置，沿等反射系数圆向源方向（顺时针）旋转180度，该点为y1点3) 从y1点沿等电导圆旋转，交辅助圆于y1点，通过y1点导纳值减去y1点导纳值得到第一个枝节的阻抗值j*1.5227。4) 在图中标出该阻抗值点j*1.5227，从开路点向源方向（顺时针）旋转到标出的阻抗值点，经过的电长度为第一枝节的长度。l1=113.4/360*半波长。5) 从y1点沿等反射系数圆向源方向旋转，交批匹配圆于y2点，1-y2的阻抗值为第二枝节的阻抗值，在图中标出该阻抗点，从开路点向源方向旋转到该点，经过的电长度为第二枝节的长度。l2=130.2/360*半波长。6) 设计双枝节匹配网络，在图上确定双分支线的长度，根据给定的介质基片、特性阻抗和频率用TXLINE计算微带线物理长度和宽度。7) 电路原理图：8) 添加矩形图，添加测量，测量输入端的反射系数幅值。五、实验总结这个实验虽然比较简单，但是初次入手的时候，由于对软件不熟悉，因而花的时间很多。做单支节匹配网络时，关于分支线与负载的距离d和分支线的长度l的计算比较简单，所以这两个参数的计算很快就得出结果了。之后画出原理图和仿真图，单支节匹配网络就完成了。双支节匹配网络相对复杂了许多。在计算两根分支线的长度l1和l2的时候，Smith圆图上所需要标记的点比较多。这一步中遇到的问题是在画原理图的时候，用错了一个微带线。我设计的是开路线，但是画的时候错误地用成了短路线，导致仿真出的图出错。后来通过询问同学，解决了这一问题。可见在实验的过程中，我们要时刻保持细心淡定。此外，刚做完这个实验的时候，我还不知道调谐。做完实验三之后，又重新回头做了这个实验的调谐工作。通过这次实验，我对于MsOffice这个软件的操作有了初步的了解，为以后做另外的实验奠定了基础。从实验的结论可以看出，双支节匹配指标并没有比单支节好多少。只是双支节可以匹配实部位0的负载阻抗，这是单支节无法匹配的。另外，双支节还可以可调性更强一点。实验三 微带多节阻抗变换器一、实验目的：1) 掌握微带多节变阻器的工作原理2) 掌握用VOLTAIRE XL进行仿真及优化设计二、实验原理：变阻器是一种阻抗变换元件，它可以接于不同数值的电源内阻和负载电阻之间，将两者起一相互变换作用获得匹配，以保证最大功率的功率：此外，在微带电路中，将两不同特性阻抗的微带线连接在一起时为了避免线间反射，也应在两者之间加变阻器。 单节/4变阻器是一种简单而有用的电路，其缺点是频带太窄。为了获得较宽的频带，常采用多节阻抗变换器。如下图所示，多节变阻器的每节电长度均为；为各节的特性阻抗，为负载阻抗，并假设Zn+1Zn,Z2Z1，Z1Z0。其中iz i/z i-1 i=(i-1)/(i-1+1) 在上图中，变阻器的阻抗由Z0变到Zn+1，对Z0归一化，即由z00变到zn+1R，R即为阻抗变换比。其中1，2n+1为相邻两传输线段连接处的驻波比。根据微波技术的基本原理，其值等于大的特性阻抗对小的特性阻抗之比。1，2，n+1则为连接处的反射系数，为了使设计简单，往往取多节变阻器具有对称结构，即使变阻器前后对称位置跳变点的反射系数相等，1n+1,2=n。定义下列公式为变阻器的相对带宽和中心波长：其中 和 分别为频带边界的传输线波长， 为传输线中心波长，D为相对带宽。三、实验内容：设计仿真等波纹型微带多节变阻器给定指标：在2GHZ-6GHZ的频率范围内，阻抗从50变为10，驻波比不应超过1.15，介质基片r=9.6,厚度h=1mm,在此频率范围内色散效应可忽略。四、实验步骤：1) 根据给定的指标，查表确定微带变阻器的节数n;2) 查表得到各段线的特性阻抗（归一化值）。对于等波纹型运用下列公式：n=2时，z2=R/z1n=3时, z2=R0.5, z3=R/z1n=4时，z3=R/z2, z4=R/z13) 利用TXLINE计算相应微带线的长度及宽度, 选择单位和项目频率2GHZ-6GHZ4) 输入原理图，要考虑微带线的不均匀性，选择适当的模型，如微带线阻抗跳变点处。5) 添加矩形图和添加测量，测量类型选择Linear，测量选项为VSWR， 扫频Sweep Proj.Freqs，点击OK完成添加测量，在主菜单Simulate里点击Analyze进行分析。6) 调谐电路， 比如调谐一段微带线，保持微带线宽度不变（因为宽度与特性阻抗有关），调节其长度，调整范围一般不超过10%。在原理图中双击该元件，弹出属性对话框。选择Parameters页，在L（长度）行，勾选Tune。当选择调谐变量时，必须要选择该变量的上下限范围，勾选Limit,输入调谐的上下限Lower Upper的值。这时在原理图中，这段微带线的长度变为蓝黑色，表示一个调谐变量。在主菜单Simulate里，点击Tune打开变量调谐器，进行调谐。7) 打开测量图形，观察驻波比VSWR随频率的变化。在调谐各段微带线的长度时，要保证其变化趋势不变，如递增或递减的规律。五、实验设计及结果：根据给定指标（相对带宽Wq=1，VSWR1.15，阻抗比为5），查表n=4port1=10，Z1=12.1721，Z2=17.7292，Z3=28.2021，Z4=41.0775，port2=50。所以一共用六节微带线，中心频率为4GHZ,介质基片r=9.6,厚度h=1mm，t=1um。各节变阻器设计如下：Zport1=10，W=10.614mm,L=6.269mmZ1=12.1721，W=8.4344mm，L=6.3419mmZ2=17.7292，W=5.3011mm，L=6.5178mmZ3=28.2021，W=2.7957mm，L=6.7927mmZ4=41.0775，W=1.518mm，L=7.0511mmZport2=50，W=1.0439mm，L=7.1929mm电路原理图：调谐后与未调谐前比较六、实验总结通过第一个实验的锻炼，我做这个实验的时候，对软件的操作更为熟练了。本实验的计算比较简单，按照指导书上的公式就可以算出各段微带线的长度和宽度了。遇到的困难出现在调谐电路的时候。实验要求说驻波比不应超过1.15，但是一开始我调了很长时间，始终不能调节到1.15以下。后来请教了同学，同学指出第一段和最后一段微带线的长度可以不加10的上下限。于是我修改了以下参数的设置，顺利地调谐出了符合要求的微带线长度。通过这个实验，我觉得遇到问题如果自己通过思考还是不能解决的话，要主动和同学交流请教。孔子教育我们要不耻下问，说的就是这个道理。实验四 微带功分器一、实验目的：1） 掌握微波网络的S参数2） 熟悉微带功分器的工作原理及其特点3） 掌握微带功分器的设计和仿真二、实验原理：功分器是一种功率分配元件,它是将输入功率分成相等或不相等的几路功率,当然也可以将几路功率合成,而成为功率合成元件.在电路中常用到微带功分器,其基本原理和设计公式设计如下:图5.38 是二路功分器的原理图.图中输入线的阻抗为Z0,两路分支线的特性阻抗分别为Z02 和Z03,线长为e0/4，e0/4 为中心频率时的带内波长.图中R2 和R3 为负载阻抗,R为隔离电阻. 对功分器的要求是:两输入口2 和3 的功率按一定比例分配,并且两口之间互相隔离,当2,3 口接匹配负载时,1 口无反射.下面根据上述要求,确定Z02, Z03,R2,R3 及R 的计算式.设2 口,3 口的输出功率分别为P2,P3,对应的电压为V2,V3.根据对功分器的要求,则有P3=k2P2V32/R3=k2|V2|/R2式中k 为比例系数.为了使在正常工作时,隔离电阻R 上不流过电流,则应V3=V2 于是得 R2=k2R3若取 R2=kZ0则 R3=Z0/k因为分支线为e0/4,故在1 入口处的输入阻抗为:Zin2=Z022/R2Zin3=Z032/R3为使1 口无反射,则两分支线在1 处的总输入阻抗应等于引出线的Z0,即Y0=1/Z0= R2 /Z022 +R3 /Z032若电路无损耗,则|V1|2/ Zin3 =k2|V1|2 /Zin2式中V1 为1 口处的电压所以 Z02 = k2 Z03Z03 =Z0(1+ k2)/k30.5Z02=Z0(1+ k2)k0.5下面确定隔离电阻R 的计算式.跨接在端口2,3 间的电阻R,是为了得到2,3 口之间互相隔离的作用.当信号1 口输入,2,3 口接负载电阻R2 ,R3 时,2,3 两口等电位,故电阻R 没有电流流过,相当于R 不起作用;而当2 口或3口的外接负载不等于R2 或R3 时,负载有反射,这时为使2,3 端口彼此隔离,R 必有确定的值,经计算R= Z0(1+ k2)/k.图5.38 中两路带线之间的距离不宜过大,一般取23 带条宽度,这样可使跨接在两带线之间电阻的寄生效应尽量小.三、实验内容：设计仿真一个微带功分器,指标为中心频率 f0=2GHZ耦合度 k=2引出线 Z0=50介质基片 r=2.55,h=1mm四、实验步骤：1) 按照指标要求用上述公式计算R2 、R3 、Z02 、Z03 、R、Z04、Z05的值。2) 利用TXLINE计算相应微带线的长度和宽度。选择单位和项目频率1.5-2.5GHZ3）输入原理图名称根据微带线的不均匀性，选择适当模型。4） 添加测量，测量类型选择Port Parameters，名称S，单位dB,扫描Sweep Proj.Freqs，选择幅度Mag，测量输入口到两个输出口的传输特性（S21，S31）以及隔离度S325） 分析电路，观察各端口参数是否满足设计要求。6） 调谐电路，选择调谐变量，输入新的参数；观察S 参数的变化，选择最佳值。五、参数设计：过程如下：由所给指标算出R2 =100R3 =25Z02 = 158.1Z03 =39.53R=125， Z04 =70.71Z05 =35.36。用Txline 算出各段微带线的长和宽：TL1,TL17,TL18 的长、宽都为L=25.578mm,W=2.8341mmTL13：L=26.073mm,W=1.6012mmTL14：L=25.124mm,W=4.6492mmTL3 和TL7 等效为Z02，其宽度均为0.2117mmTL4 和TL8 等效为Z03 ，其宽度均为3.989mm设计时考虑到取TL7 和TL8 的长度相等。由“两路带线之间的距离不宜过大,一般取23 带条宽度”，且实际电路中一般微带线的长度效果比设计的长，所以取TL3与TL4的长度和为2.91倍的TL4的宽度（3.989mm）。可求出TL3的长度为6.751mm，TL4的长度为4.872mm，TL7和TL8的长度都为20.393mmTL11要比TL3小一点，TL12要比TL4小一点。所以设TL11长为LTL3-n，TL12长为LTL4-m，初始设m=n=1