微波仿真实验报告(北邮).doc

北 京 邮 电 大 学微波仿真实验报告 实验名称：微波仿真实验姓名： 刘梦颉 班级： 2011211203 学号： 2011210960 班内序号：11日期：2012年12月20日 一、实验目的 1、熟悉支节匹配的匹配原理。 2、了解微带线的工作原理和实际应用。 3、掌握Smith图解法设计微带线匹配网络。 4、掌握ADS，通过SmithChart和Momentum设计电路并仿真出结果。二、实验要求 1、使用软件：ADS 2、实验通用参数：FR4基片：介电常数为4.4,厚度为1.6mm，损耗角正切为0.02特性阻抗：50欧姆 3、根据题目要求完成仿真，每题截取13张截图。3、 实验过程及结果第1、 二次实验实验一：1、实验内容Linecal的使用（工作频率1GHz）a) 计算FR4基片的50欧姆微带线的宽度b) 计算FR4基片的50欧姆共面波导（CPW）的横截面尺寸（中心信号线宽度与接地板之间的距离）2、相关截图（a）根据实验要求设置相应参数（b）根据实验要求设置相应参数实验二1、实验内容了解ADS Schematic的使用和设置2、相关截图：打开ADS软件，新建工程，新建Schematic窗口。在Schematic中的tools中打开lineCalc，可以计算微带线的参数。3、实验分析通过在不同的库中可以找到想要的器件，比如理想传输线和微带线器件。在完成电路图后需要先保存电路图，然后仿真。在仿真弹出的图形窗口中，可以绘制Smith图和S参数曲线图。实验三1、实验内容分别用理想传输线和微带传输线在FR4基片上，仿真一段特性阻抗为50欧姆四分之波长开路线的性能参数，工作频率为1GHz。观察Smith圆图变化。2、相关截图（1）理想传输线（2）微带线根据实验一计算50欧姆的微带线的长和宽，修改MLOC的参数。3、实验分析 由图可知，因为工作频率为1GHz和50欧姆阻抗，所以1GHz处为开路点，且在Smith圆图上曲线是在单位圆上。微带线与理想传输线相比会存在误差，曲线并不是完全在单位圆上。实验四1、实验内容分别用理想传输线和微带传输线在FR4基片上，仿真一段特性阻抗为50欧姆四分之波长短路线的性能参数，工作频率为1GHz。观察Smith圆图变化。2、相关截图（1）理想传输线（2）微带线3、实验分析 由图可知，因为是四分之一短路线仿真，所以1GHz点在短路点上，且曲线在Smith圆图的单位圆上。由于微带线和理想传输线相比存在误差，所以曲线不完全在单位圆上。实验五1、实验内容分别用理想传输线和微带传输线在FR4基片上，仿真一段特性阻抗为50欧姆二分之波长开路线的性能参数，工作频率为1GHz。观察Smith圆图变化。2、相关截图（1）理想传输线（2）微带线使用LineCalc计算阻抗为50欧姆、二分之一波长的微带线的长和宽。3、实验分析 由图可知，因为是二分之一波长开路线仿真，所以1GHz点在开路点上。微带线和理想传输线相比存在误差，所以微带线仿真的曲线在Smith上不完全在单位圆上。实验六1、实验内容分别用理想传输线和微带传输线在FR4基片上，仿真一段特性阻抗为50欧姆二分之波长短路线的性能参数，工作频率为1GHz。观察Smith圆图变化。2、相关截图（1）理想传输线（2） 微带线2、实验分析 由图可知，因为是二分之一短路线仿真，所以1GHz点在短路点上。微带线和理想传输线相比存在误差，所以微带线的仿真曲线不完全在Smith圆图的单位圆上。实验七1、实验内容用一段理想四分之一波长阻抗变换器匹配10欧姆到50欧姆，仿真S参数，给出-20dB带宽特性，工作频率为1GHz。2、 相关截图S11的-20dB带宽特性曲线，如下图：3、实验分析 由图可计算出，系统带宽为1070-930=140MHz。回波损耗最低点为1GHz，且在Smith圆图上1GHz点在圆心处，所以阻抗匹配成功。实验八1、实验内容用一段FR4基片上四分之一波长阻抗变换器匹配10欧姆到50欧姆，仿真S参数，给出-20dB带宽特性，工作频率为1GHz，分析7 和8结果。2、相关截图由图可计算出，系统-20dB带宽为1078-934=144MHz。与实验七相比较可知，微带线与理想传输线相比存在误差，所以回波损耗最低点不在1GHz点处，而是稍微偏大一点。-20dB带宽也比理想传输线的稍大一点。而且理想传输线匹配的回波损耗最低点为-120dB，而微带线匹配的回波损耗最低点为-37.2dB。实验九1、实验内容设计一个3节二项式匹配变换器，用于匹配10欧姆到50欧姆的传输线，中心频率是1GHz，该电路在FR4基片上用微带线实现，设计这个匹配变换器并计算的带宽，给出回波损耗和插入损耗与频率的关系曲线。2、相关截图根据所学的理论知识，先依题意算出三节匹配微带线的阻抗值,然后通过LineCalc计算出相应微带线的长和宽，修改电路图中MLIN的相关参数。Z1=40.89 W=4.198480mm L=40.404500mm Z2=22.36 W=9.620970mm L=38.833700mm Z3=12.23 W=19.83080mm L=37.648400mm回波损耗与频率（S11）的关系曲线，如下图：插入损耗与频率（S12）的关系曲线，如下图：3、实验分析计算的带宽，即-20dB带宽，由回波损耗与频率（S11）的关系曲线可知，带宽为1330-680=650GHz。实验十1、实验内容例题9，若用3节切比雪夫匹配变换器实现，比较同样情况下的带宽，回波损耗和插入损耗与频率的关系曲线。2、相关截图 根据所学的知识可以计算出切比雪夫变换器匹配的三个微带线的阻抗，然后通过LineCalc计算出相应微带线的长和宽，修改电路图中MLIN的相关参数。 W=4.948710mm L=40.0910mm W=9.6519mm L=38.8278mm W=17.57710mm L=37.8241mm回拨损耗与频率的关系曲线，如下图：插入损耗与频率（S12）的关系曲线，如下图：3、实验分析计算的带宽，即-20dB带宽，根据回波损耗与频率（S11）的关系曲线可以计算出，带宽为1500-500=1000GHz。实验十一1、实验内容导出S参数数据，比较7-10题的-20dB带宽特性。2、相关截图将数据导入到Excel表格中：将数据绘制成图表，如下图：3、实验分析 匹配的好坏主要在与工作频率点的回波损耗是否足够小。通过在同一个坐标系中比较S11特性曲线，可以看出理想传输线仿真出的结果是匹配最成功的，而FR4基板次之，二项式匹配变换器更次之，最不好的是切比雪夫匹配变换器。实验十二1、实验内容对于一个负载阻抗ZL=60-j80欧姆，利用Smith Chart Utility功能，分别设计并联短路单枝节和并联开路单枝节匹配，并将Smith Chart Utility给出的匹配结果在Schematic中仿真，给出1-3GHz的回波损耗与频率的关系曲线，并给出的带宽。2、相关截图（1）并联短路单枝节在Smith Chart中进行匹配，如下图：得到实现匹配的两个传输线参数：Tline1：Z=50，Value=40.011Tline2：Z=50，Vlaue=33.838根据匹配结果得到电路图仿真，如下图：S11仿真，如下图：S11的-20dB带宽特性曲线，如下图：（2）并联开路单枝节在Smith Chart中进行匹配，如下图：得到实现匹配的两个传输线参数：Tline1:Z=50,Value=39.716Tline2:Z=50,Value=123.857根据匹配结果得到电路图仿真，如下图：S11仿真，如下图：S11的-20dB带宽特性曲线。如下图：3、实验分析由S11的-20dB带宽特性曲线可知：并联开路单枝节带宽：2060-1960=100MHz并联短路单枝节带宽：2110-1900=210MHz从而可以得出，短路匹配的带宽比开路匹配的带宽大一倍多。实验十三1、实验内容并联双枝节匹配电路，并联双枝节为开路，枝节之间相距/8，中心工作频率为2GHz,利用理想传输线，给出1-3GHz的回波损耗与频率的关系曲线，并给出的带宽。2、相关截图由Smith Chart进行匹配，如下图：得到理想传输线的匹配参数后，在Schematic中得到电路图，如下图：S11的-20dB带宽特性曲线，如下图：3、实验分析由S11的-20dB带宽特性曲线可知，带宽为：2010-1990=120MHz。第三次实验实验一1、实验内容在FR4基板上分别仿真四分之一波长开路线，四分之一波长短路线，二分之一波长开路线和二分之一波长短路线，中心工作频率为1GHz， 并与Schematic仿真结果比较。仿真的频率（0-3GHz） 默认为50欧姆2、相关截图（1）四分之一波长开路W=3.053360mm、L=40.997100mm（2） 四分之一波长短路：短路需要进行打洞处理。3D效果图：（3） 二分之一波长开路W=3.053360mm、L= 81.994300 mm（4） 二分之一波长短路：短路线需要打洞处理。3D效果图：3、实验分析 与Schematic只能够仿真的结果相比较，四种情况的S11参数曲线几乎相同，存在很小的误差，是因为用Momentum仿真在绘制FR4基板时会偶尔有小的误差出现。实验二1、实验内容针对第1题，改变仿真的频率为（0-40GHz），观察上述传输线的性能变化并分析原因2、相关截图（1）四分之一波长开路（2）四分之一波长短路（3） 二分之一波长开路（4）二分之一波长短路3D模型图：3、实验分析 与实验一相比较，由于频率范围的增大，仿真结果更加精确并且会产生较多的失真。实验三1、实验内容在Schematic里，分别仿真理想电容20pF和理想电感5nH，仿真频率为（0-40GHz），观察仿真结果，并分析原因。2、相关截图（1）理想电容（2）理想电感3、实验分析 由图可知，理想电容具有低通特性，理想电感具有高通特性。实验四1、实验内容在Momentum 里，仿真一个大小为80mm*80mm的负载（频率:2.5-4.5GHz），求出2.5-4.5内谐振点（匹配的点）的阻抗值，并在该频率下针对该负载分别设计并联开路单枝节和并联短路单枝节匹配，观察仿真结果，分析带宽性能，如果中心频率出现偏移，试看能否通过调整传输线尺寸，将其性能调回谐振点。第一步，求出负载阻抗的值。第二，设计两个匹配，smithchart完成匹配。改介质板默认的单位，2、相关截图Momentum仿真，如下图：并联可以看出谐振频点为1.707GHz，求得谐振频率点的阻抗值50*（1.079-j0.034ohm。在f=1.6GHz的阻抗值50*（0.008-j0.062）ohm对于一个负载阻抗50*（0.008-j0.062）=(0.4-j3.1)ohm欧姆，利用Smith Chart Utility 功能，分别设计并联短路单枝节和并联开路单枝节匹配，并将Smith Chart Utility 给出的匹配结果在Schematic 中仿真，给出3-4GHz 的回波损耗与频率的关系，并给出的带宽。（1）开路单支节匹配：调整传输线尺寸，将其性能调回谐振频点正好在1.6G频点，不用调整传输线尺寸，带宽较窄，匹配良好。（2）并联短路单枝节匹配调整传输线尺寸，将其性能调回谐振频点正好在1.6G频点，不用调整传输线尺寸。带宽较窄，匹配良好。3、实验分析 首先利用Momentum计算出谐振频率点的阻抗值，再在Schematic中仿真。实验五1、实验内容用第4题中的负载，在扫描的频率范围内，找出虚部为0的频率点，并在该频率点用四分之一阻抗变换器实现匹配，并观察和分析仿真结果。2、相关截图先利用SMITH图找到虚部0点：可知频率大概为1.787GHZ,此时实部大概50*1.079OM，另一个897.6MHZ，实部大概50*1.995OM第一个零点：先算出四分之一匹配器Z0=51.94（50*50*1.079）,算出对应的宽，长实际中心频率1.787GHZ，偏移较大，匹配不够好。第二个零点：先算出四分之一匹配器Z0=70.62（50*50*1.995）,算出对应的宽，长实际中心频率897.6MHZ，测量值880MHZ，相差不大。两者匹配较好。可生成3D图：3、实验分析先利用SMITH图找到虚部0点，再利用lineCalc算出四分之一匹配器Z对应的宽，长。实验总结： 这次试验一共四节课。在助教的耐心指导下，我学习到了ADS软件的使用方法。加深了对smith圆图和S参数的理解，了解了不同材料的传输线对微带系统的影响。第一次课上，助教老师为我们耐心讲述了ADS软件的使用方法，这让我对这个软件产生了浓厚的兴趣。 在实验过程中，我也遇到了很多困难，比如说利用S