微波技术基础实验.ppt

微波技术实验 重庆大学通信工程学院 前言 本实验主要针对高等院校的微波技术课程教学而编写 内容涉及现行微波技术课程教学中的各个实验环节 对微波技术实验提出恰当的指导 使学生能通过实验对微波技术课程有更深层次的理解 实验内容涵盖微波技术各种无源与有源器件实验以及小型微波系统实验 在重庆大学进行了一年的实验性教学 效果良好 本实验指导书是以微波技术理论为基础 微波软硬件为工具编写的 并进行了内容扩展 具有通用性 微波实验所需软件的简介 1 电路设计所需要的软件 microwaveoffice ADS ansoftDesigner 2 ADS基本功能的简介 包括 S参数仿真 smith圆图工具 Linecalc工具 实验一 传输线理论 一 实验目的 1 了解基本传输线 微带线的特性 2 利用实验模组实际测量以了解微带线的特性 3 利用ADS软件进行基本传输线和微带线的电路设计和仿真 二 实验设备 三 理论分析 见书上无耗传输线输入阻抗公式 四 软件仿真 得到反射系数 输入阻抗 1 负载短路情况下的特性 在理想微带线库中选元件 2 负载开路情况下的特性 3 负载为复阻抗下的特性 3 负载为纯电抗下的特性 软件仿真任务 1 仿真负载为不同阻抗 开路 短路 复阻抗 纯电抗条件下的传输线的反射系数 输入阻抗 四 硬件测量 测量步骤 1MOD 1A的S11测量 设定频段BAND 3 针对模组P1端子做S11测量 并将测量结果纪录于表 1 1 2MOD 1B的S11测量 设定频段BAND 3 针对模组P2端子做S11测量 并将测量结果纪录于表 1 2 3MOD 1C的S11测量 设定频段BAND 3 针对模组P3端子做S11测量 并将测量结果纪录于表 1 3 4MOD 1C的S21测量 设定频段BAND 3 针对模组P3及P4端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 1 4 实验二 匹配理论 一 实验目的 了解基本的阻抗匹配理论及阻抗变换器的设计方法 2 利用实验模组实际测量以了解匹配电路的特性 3 学会使用软件进行相关电路的设计和仿真 分析结果 二 实验设备 三 理论分析 见书上 1 集总元件实现的L型匹配网络 2 分布参数实现的L型匹配网络 3 双枝节线匹配 四 软件的使用 1 打开软件的Smith圆图工具 2 确定工作频率 负载的归一化阻抗值 3 利用L C网络实现匹配 4 同一个负载阻抗值采用分布参数实现匹配 5 对匹配网络进行S参数仿真 L C网络实现匹配 S参数仿真 分布参数实现匹配 S参数仿真 软件仿真任务 1 采用集总参数匹配负载 2 采用单枝节分布参数匹配负载 3 采用双枝节分布参数匹配负载 五 硬件测量 1 MOD 2A的S11测量 设定频段BAND 3 针对模组P1端子做S11测量 并讲测量结果纪录于表 2 1 中 2 MOD 2A的S21测量 设定频段 BAND 3 针对模组P1及P2端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 2 2 中 3 MOD 2B的S11测量 设定频段 BAND 3 针对模组P3端子做S11测量 并将测量结果纪录于表 2 3 中 4 MOD 2B的S21测量 设定频段 BAND 3 针对模组P3及P4端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 2 4 中 实验三 功率衰减器 一 实验目的 1 了解功率衰减器的原理及基本设计方法 2 利用实验模组实际测量以了解功率衰减器的特性 3 学会使用微波软件进行功率衰减器的设计和仿真 并分析结果 二 实验设备 1 熟悉功率衰减器的原理 2 了解和掌握两种类型的衰减器的原理熟悉两种类型的衰减器的相似点和不同点 以及他们的作用4 具体请参见实验指导书 三 理论分析 功率衰减器的指标包含工作频率范围 衰减量 功率容量 回波损耗等等 一般低频的才采用电阻的形式实现 例如衰减10dB 输入 输出阻抗为50欧 代入上面的公式有R3 71 15欧 R2 96 25欧 R1 96 25欧 例如衰减3dB 输入 输出阻抗为50欧 代入上面的公式有R3 141 2欧 R2 8 6欧 R1 8 6欧 例如衰减3dB 输入阻抗为50 输出阻抗为75欧 代入上面的公式有 例如衰减6dB 输入阻抗为50 输出阻抗为75欧 代入上面的公式有 例如衰减3dB 输入阻抗为50 输出阻抗为75欧 代入上面的公式有 设计任务 设计T型 PI型同阻和异阻结构的衰减器 四 硬件测量 1 MOD 3A的S11测量 设定频段 BAND 3 针对模组P1端子做S11测量 并将测量结果纪录于表 3 1 中 2 MOD 3A的S21测量 设定频段 BAND 3 针对模组P1及P2端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 3 2 中 3 MOD 3B的S11测量 设定频段 BAND 3 针对模组P3端子做S11测量 并将测量结果纪录于表 3 3 中 4 MOD 3B的S21测量 设定频段 BAND 3 针对模组P3及P4端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 3 4 中 实验四 功率分配器 1 了解功率分配器的原理及基本设计方法 2 利用实验模组实际测量以了解功率分配器的特性 3 学会使用ADS软件对功分器设计及仿真 并分析结果 一 实验目的 二 实验设备 三 理论分析功率分配器的技术指标 频率范围 承受功率 插入损耗 支路隔离度 端口驻波比等等 2 各类型等功率分配器 根据功率分配器的组成形式可以分为三种类型功率分配器 即集总参数构成的 型电阻式功率分配 Y型电阻式功率分配器 分布参数构成微带功率分配器 电阻式功率分配器的特点 频带宽 布线面积小 设计简单 缺点是功率损耗较大 6dB 1 功率分配器的原理功率分配器是一个三端口元件 如图所示 根据能量守恒有 型电阻式功率分配器如图所示 由于电路的对称型 因此端口2和端口3的输出电压是相等的 其端口2的电压等于 Y型电阻式功率分配器如图所示 由上面的电路分析可以知道 电阻功率分配器 输出端口总的功率为输入端口功率的0 5倍 因此有一半的功率被消耗在电阻网络中 设计任务 设计两种集总参数电阻等功率分配器 微带wilkinson等功率分配器 微带wilkinson等功率分配器 微带wilkinson功率分配器设计公式 四 硬件测量 1 MOD 4A之P1端子的S11测量 设定频段 BAND 3 将LOAD 1及LOAD 2分别接在模组P2及P3端子 针对模组P1端子做S11测量 并将测量结果纪录于表 4 1 中2 MOD 4A之P1及P2端子的S21测量 设定频段 BAND 3 将LAOD 1接在P3端子上 针对模组P1及P2端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 4 2 中 3 MOD 4A之P1及P3端子的S21测量 设定频段 BAND 3 将LOAD 1接在模组P2端子上 针对模组P1及P3端子做S21测量 并将结果纪录于表 4 3 中 4 MOD 4B之P1端子的S11测量 设定频段 BAND 4 将LOAD 1及LOAD 2分别接在模组P2及P3端子上 针对模组P1端子做S11测量 并将测量结果纪录于表 5 1 中 5 MOD 4B之P1及P2端子的S21测量 设定频段 BAND 4 将LOAD 1接在P3端子上 针对模组P1及P2端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 5 2 中 6 MOD 4B之P1及P3端子的S21测量 设定频段 BAND 4 将LOAD 1接在模组P2端子上 针对模组P1及P3端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 5 3 中 实验五 定向耦合器 一 实验目的 1 了解方向耦合器的原理及基本设计方法 2 利用实验模组实际测量以了解方向耦合器的特性 3 学会使用微波软件对方向耦合器进行设计和仿真 并分析结果 二 实验设备 三 理论分析 定向耦合器的技术指标包括频率范围 插入损耗 耦合度 隔离度 方向性性等 如图所示输入端口的功率为P1 信号传输端口的功率为P2 信号耦合端口的功率为P3 信号隔离端口的功率为P4 1 集总参数定向耦合器的设计集总参数构成的定向耦合器有低通L C 和高通L C两种形式 如图所示 1 确定耦合器的指标 包括耦合系数C dB 端口的等效阻抗Z0 电路的工作频率f 2 利用下面的公式进行计算 3 分别对构成定向耦合器的不同结构计算元件值a 低通结构 b 高通结构 例子 设计一个工作频率为1GHz 10dB低通L C支路耦合器 端口阻抗为50欧 2 微带3dB定向耦合器的设计 其支线阻抗如图所示 微带3dB定向耦合器的分析 1 奇 偶模激励 等效观点 将特性阻抗进行归一化分析 2 偶模激励 3 奇模激励 对于偶模激励对应的ABCD矩阵可以表示为参见书上 表6 6 1 各个端口的归一化出射波的电压幅度 根据ABCD矩阵和传输 反射系数的关系有 见公式6 5 5 对于奇模激励对应的ABCD矩阵可以表示为 综上所述 设计任务设计一个集总参数的定向耦合器和一个微带的3dB定向耦合器 四 硬件测量 1 MOD 5A之P1端子的S11测量 设定频段 BAND 3 将LOAD 1及LAOD 2分别接在模组P2及P4端子上 将于RF2000RF IN端子连接的CA 1接在模组P3端子上 针对模组P1端子做S11测量 并将测量结果纪录于表 6 1 中 2 MOD 5A之P1及P2端子的S21测量 设定频段 BAND 3 将LOAD 1及LOAD 2分别接在模组P3及P4端子上 针对模组P1及P2端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 6 2 中 3 MOD 51之P1及P3端子的S21测量 设定频段 BAND 3 将LOAD 1及LOAD 2分别接在模组P2及P4端子上 针对模组P1及P3端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 6 3 中 4 MOD 5A之P1及P4端子的S21测量 设定频段 BAND 3 将LAOD 1及LOAD 2分别接在模组P2及P3端子上 针对模组P1及P4端子做S21测量 并将测量结果纪录于表 6 4 中 实验六 滤波器设计 一 实验目的 1 了解基本低通及带通滤波器之设计方法 2 利用实验模组实际测量以了解滤波器的特性 3 学会使用微波软件对低通和高通滤波器的设计和仿真 并分析结果 二 实验设备 三 理论分析 1 滤波器的类型 a 低通滤波器 b 高通滤波器 c 带通滤波器 d 带阻滤波器 2技术参数 a 插入损耗 定量描述功率响应幅度和0dB基准的差值 b 波纹 描述通带内信号响应的平坦度 c 3dB带宽 定义为通带内衰减3dB处上边带频率和下边带频率之间的差值 分数带宽 d 带外抑制 阻带抑制 在理想的情况下 希望滤波器在阻带中具有无穷大的衰减量 但实际中只能使用有限的元件数目来实现滤波器 因此通常将60dB作为阻带计算的设计值 两种归一化低通滤波器的实现方式如下图所示 其中串联电感和并联电容交替出现 g0为电路的源电阻或电导 gi为串联电感或并联电容 gN 1为负载电阻或电导 等波纹切比雪夫低通原型的值可以通过下面的公式来求取 为了满足需要的通带波纹大小LAr 以及在频率 S处的阻带衰减量LAS Chebyshev滤波器低通原型的阶数可以通过下式确定 a 低通滤波器原型 b 低通滤波器响应的频率定标 如图所示为了将低通原型的截止频率从1变换到 C 需要乘以因子1 C来定标滤波器的频率 这是通过用 C来代替 得到的 对于低通原型中的串联电感jXL 并联电容jXC 变换为低通滤波器中的感抗 容抗为 由上面的式子可以知道由低通原型变换为低通滤波器 其元件的性质不变 只是元件的值进行一定比例的变化 其变化的大小关系由上式确定 即频率变换 得到了低通实际低通滤波器的电容 电感值 需要将其变换为实际源 负载阻抗条件下的电容 电感值 即阻抗变换 由低通原型到低通滤波器实际元件值的计算的公式为 例子 设计一个最平坦的低通滤波器 其截止频率为2GHz 源阻抗为50欧 在3GHz频率处至少具有15dB的衰减 计算和画出频率为0到4GHz范围内的频率响应 C为中心角频率 首先找出在频率为3GHz处满足插入损耗特性要求的最大平坦响应的滤波器阶数 C 1 3 2 1 0 5 即元件数n 5可以满足 对应的低通原型值为 g1 0 618 g2 1 618 g3 2 000 g4 1 618 g5 0 618 以第一个低通元件为并联电容作为电路的结构 由设计公式 2 带通滤波器的设计 带通滤波器由低通原型变换而来 其中低通原型中的串联电感变为带通滤波器中的L C串联谐振器 低通原型中的并联电容变换成带通滤波器中的LC并联谐振器低通原型中的串联电感变换为带通滤波器中的的LC串联 电感 电容值可以由下式求出 低通原型中的并联电容变换为带通滤波器中的的LC并联 电容 电感值可以由下式求出 例子 设计一个通带波纹为0 5dB的三阶切比雪夫带通滤波器 其中心频率为4GHz 分数带宽为5 源 负载阻抗为50欧 解 查表可以知道其对应的低通原型值为g1 g3 1 5963 g2 1 0967 g0 g4 1 如图所示 选择的低通原型第一个元件为并联电容 则根据 5 40 5 41 对于低通原型的并联电容 转换为带通滤波器中的LC并联 其电容 电感值为 对于低通原型的串联电感 转换为带通滤波器中的LC串联 其电容 电感值为 例子 设计一个通带波纹为0 1dB的4阶切比雪夫带通滤波器 其中心频率为4GHz 分数带宽为5 附录 低通原型值 But