北邮 微波仿真 实验报告 2014最新.docx

微波仿真实验报告班级：17班学号：姓名：实验2 微带分支线匹配器一、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二、实验原理1.支节匹配器随着工作频率的提高及相应波长的减小，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应用。因此，在频率高达以上时，在负载和传输线之间并联或串联分支短截线，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，四分之一波长阻抗变换器，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，以达到匹配的目的。此电纳或电抗元件常用一终端短路或开路段构成。2. 微带线从微波制造的观点看，这种调谐电路是方便的，因为不需要集总元件，而且并联调谐短截线特别容易制成微带线或带状线形式。微带线由于其结构小巧，可用印刷的方法做成平面电路，易于与其它无源和有源微波器件集成等特点，被广泛应用于实际微波电路中。三、实验内容 已知： 输入阻抗 Zin=75 负载阻抗 Zl=（64+j75） 特性阻抗 Z0=75 介质基片面性 r=2.55 ,H=1mm 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络，假设双支节网络分支线与负载的距离 d1=/4,两分支线之间的距离为d2=/8。画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅值从1.8GHz至2.2GHz的变化。四、实验步骤1.建立新项目，确定项目频率，步骤同实验1的1-3步。2.将归一化输入阻抗和负载阻抗所在位置分别标在Y-Smith导纳图上，步骤类似实验1的4-6步。3.设计单支节匹配网络，在圆图上确定分支z与负载的距离d以及分支线的长度1，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。注意在圆图上标出的电角度360度对应二分之一波长，即/2。4.在设计环境中将微带线放置在原理图中。将微带线的衬底材料放在原理图中，选择MSUB并将其拖放在原理图中，双击该元件打开ELEMENT OPTIONS 对话框，将介质的相对介电常数、介质厚度H、导体厚度依次输入。注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响，选择行当的模型。5.负载阻抗选电阻与电感的串联形式，连接各元件端口。添加PORT，GND，完成原理图，并且将项目频率改为扫频1.8-2.2GHz.6.在PROJ下添加图，添加测量，进行分析。7.设计双支节匹配网络，重新建立一个新的原理图，在圆图上确定分支线的长度l1、l2，重复上面步骤35。五、实验图（1）单枝节匹配相关的图输出方程：史密斯导纳圆图角度图：电路图：测量图：（2）双枝节匹配输出方程：史密斯阻抗圆图：角度的显示方式：电路原理图：测量图：六、实验结果分析从实验中可以看出，调谐是电路设计的一个重要步骤。在调谐之前，由于在Smith圆图上标点时可能存在一定误差等原因，中心频率可能会有所偏移，双枝节匹配时偏移比较明显。调谐的原因在于：理论和实际可能存在差距。在调谐过后，中心频率达到理想值，在实际中会有比较好的性能。七、实验中遇到的问题和解决方法1、这个实验包括单枝节和双枝节匹配两部分，设计方法和我们在做微波习题时所用方法相似。但是用的是导纳圆图。由于对期中以前的知识遗忘较多，而且本来对导纳圆图和阻抗原图之间的关系等等不熟悉，刚开始时花费了很多时间研读实验教材、回想以前做题的步骤。而且由于疏忽，误以为圆图最左方点为开路点，第一次得出的图不正确。后来改正了错误（将开路线改为了短截线），得到了正确的结果。2、对于如何在圆图上画出负载阻抗点、输入阻抗点，开始时我直接画Rl、Rin，后来在老师的指导下明白了，史密斯圆图上的坐标是反射系数，要标阻抗点需要将其先转化成对应的反射系数。这样才正确地画出了各点。关于如何画反射系数圆、电阻圆等，也花了很多时间思考。不过正是在这个过程中，我们逐渐熟悉了Microwave Office的使用及微波电路设计方法。实验三 四分之一波长阻抗变换器一、 实验目的（1）掌握单枝节和多枝节四分之一波长变换器的工作原理。（2）了解单节和多节变换器工作带宽和反射系数的关系。（3）掌握单节和多节四分之一波长变换器的设计和仿真。二 实验原理（1） 单节四分之一波长阻抗变化器四分之一波长变阻器是一种阻抗变换元件，它可以用于负载或信号源内阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传输；此外，在微带电路中，将两端不同特性阻抗的微带连接在一起时为了避免线间反射，也应在两者之间加四分之一波长变换器。（2） 负载阻抗为负数ZlZ1=sqrt（Z0*Z0/p）将入/4变换器接在电压驻波波节位置（离负载为Lm处）。（3） 切比雪夫多节阻抗变换器切比雪夫阻抗变换器的设计方法是：使它的反射系数的模随角度按切比雪夫多项式变化，参数见书上的表格三、实验内容（1）已知：负载阻抗为纯电阻RL=150欧姆，中心频率f0=3Ghz，主传输线特性阻抗Z0=50欧姆，介质基片面性 r=2.55 ,H=1mm，最大反射系数不应超过0.1，设计1,2,3节二项式变阻器，在给定的反射系数条件下比较它们的工作带宽，要求用微带线形式实现。（2）已知负载阻抗为复试：Zl=85-j*45欧姆，中心频率f0=3Ghz，主传输线特性阻抗Z0=50欧姆，在电压驻波波节处利用单节四分之一波长阻抗变换器，设计微带线变阻器。四 、实验步骤（1） 按照书上的公式进行1,2,3节的电阻的计算，然后再用Txline进行计算，标注到电路原理图即可（2） 对于负载阻抗是复数的，首先在史密斯圆图上标注在出阻抗和反射系数，从负载点沿等驻波系数圆向源方向旋转，与史密斯圆图左半实轴的交点。（3） 查阅相关的系数，设计切比雪夫变阻器。五、相关的实验图（1）1,2,3节四分之一波长变换器1节的电路原理图：2节电路原理图：3节电路原理图：1，2，3节的测量图：（2）负载阻抗是复数输出方程：史密斯阻抗圆图：相应的角度图：电路图：波节：波腹测量图：（4） 切比雪夫阻抗变换器 电路图：切比雪夫和二项式的测量图对比：切比雪夫的工作带宽更宽，但是带内有波动，不够平坦六、实验结果分析 随着变阻器节数的增加，处带宽逐渐增加，与理论计算结果基本相同。比较二项式变阻器与切比雪夫阻抗变换器的通带特性可发现，二项式阻抗变换器具有最平坦的通带特性，而工作带宽较切比雪夫变换器窄；与二项式阻抗变换器相比，切比雪夫阻抗变换器是以通带内的波纹为代价而得到最佳带宽的，因此带内平坦度不如二项式变阻器。七、实验中遇到的问题及解决方法1、这个实验包括的内容较多，做起来也有一点难度。例如负载为复数时的二项式变阻器，需要先将复数负载利用一段传输线转化为实数负载，刚开始时我就没有太明白。后来仔细看书、与同学讨论后才理解了原理，在此基础上很快做出来了。2、第一次做时我分别建了多个工程，实现单节、二三节二项式、三节切比雪夫变阻器。后来发现这样做不利于比较变阻器的带宽以及平坦特性等，因此将它们都挪到了一个原理图中，测量结果画在同一张图里。这样能够比较清楚地对结果进行分析比较。 实验六 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如下：图表 1 二路功分器图1是二路功分器的原理图。图中输入线的特性组抗为 ,两路分支线的特性阻抗分别为和，线长为，为中心频率时的带内波长。图中为负载阻抗，R为隔离阻抗。对功分器的要求是：两输出口2和3的功率按一定比例分配，并且两口之间相互隔离，当两口接匹配负载时，1口无反射。下面根据上述要求，确定， 及R的计算公式。设2口、3口的输出功率分别为 ，对应的电压为 .根据对功分器的要求，则有： P3=K2P2|V3|2/R3=K2|V2|2/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因为分支线长为e0/4，故在1口处的输入阻抗为： Zin2=Z022/R2 Zin3=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，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 Zin=K2Z03 Z02=Z0(1+K2)/K30.5 Z03=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口之间互相隔离得作用。当信号1口输入，2、3口接负载电阻 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口得外接负载不等于R2或R3时，负载有反射，这时为使2、3两端口彼此隔离，R必有确定的值，经计算R=Z0(1+K2)/K图1中两路线带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的寄生效应尽量减小。三 实验内容用VOLTERRA设计仿真一个微带功分器，指标为中心频率 f0=2GHZ耦合度 K=sqrt(1.5)引出线 Z0=50介质基片 r=4.6,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的值，为了匹配需要在引出线Z0与2、3端口处各接一段 阻抗变换段。变换段的特性阻抗分别为Z04、Z05,则 Z04=(R2Z0)0.5、Z05=(R3Z0)0.5。2建立一个新项目，在下拉菜单选择文件、新项目；在下拉菜单选择文件、保存项目，输入项目名称。3建立一个新原理图，选择文件/新原理图。输入原理图名称。4确定项目频率范围，在下拉菜单选择OQTIONS，点击确定项目频率，输入110GHZ；选择UNITS指定单位；长度：毫米，阻抗：欧姆，功率：毫瓦。5在项目中的普通方程菜单下，添加方程，有微带线的特性阻抗、r、h反求微带线的宽度，有效介电常数e,设置变量代入公式分析变量即可。微带线的长度e0=(0/e0.5)。6放置元件，在元件浏览器里找到微带线，拖到原理图中；在集总库里找到电阻，拖到原理图中；按计算好的结果定义各参数。连接各元件，添加端口（50欧）和地，在元件浏览器里找到端口，选择信号PORT1源阻抗50欧，功率5毫瓦；在元件浏览器里双击测量，选择功率测量端口P-METER3,分别连接到电路的端口2、3，完成原理图。7添加图（在PROJ下），选择矩形图。8添加测量（在PROJ/ADD MEASUREMENT），选择线性功率类型并且指定端口。9分析电路，观察各端口的功率是否满足设计要求。10调协电路，左击调协图标，激活要调协的元件参数（蓝色），变量调谐器对话框出现，输入新的参数；左击SWEEP在图上显示新的仿真结果，观察端口功率的变化，选择最佳值。五 实验截图（1） kk=sqrt（1.5）输出方程：电路图：测量图：可见此时中心频率在2GHz，在1.82.2GHz频率范围内隔离度大约在25dB以上。上 面的两条横线之间的距离，即20lg|-20lg|=-2.339-(-4.111)=1.772，因此功分比也满足要求。（2） kk=1输出方程：电路图：测量图： 可见此时中心频率在2GHz，在1.82.2GHz频率范围内隔离度大约在25dB以上。上面的两条横线距离较小，因此功分比也基本满足要求。六、实验结果分析调谐前后电路性能指标变化较大。调谐前中心频率、隔离度、带宽、功分比等不满足性能要求，但经过调谐后基本满足性能指标。调谐过程中Y的变化对中心频率和隔离度的影响较大，而、的长度值会分别影响端口2、3的反射系数，从而影响功分比。A（即连接电阻的两端微带线的长度）的变化对隔离度和功分比影响都不大。=1.5时和=1时根据公式算出的元件参数值是不同的。在=1时，、的值相等，、的值相等且等于50。因此在电路结构上，这时不再需要用来与端口匹配的两条微带线，其余结构都是类似的。性能指标的不同主要体现在功分比上。对=1.5来讲，两输出端口的功分比大约为1.5；而等分功分器中两端口输出功率几乎相等。七、实验中遇到的问题和解决方法1、这个实验更加灵活一些。由于做实验时还没学过功分器，对原理不甚了解，所以画原理图时也遇到了一些困难。特别是需要自己设定Y值等，刚开始时都不是很理解，通过向做过的同学请教，最后还是画出了原理图，得到了基本正确的结果。2、这个实