电磁场与微波技术znjn.doc

电磁场与微波技术实验报告 班级：2011211106 姓名：张妮竞男 学号：2011210184 序号： 31# 日 期：2014年5月31日 邮 箱：实验二：分支线匹配器一、 实验目的1、掌握支节匹配器的工作原理2、掌握微带线的基本概念和元件模型3、掌握微带分支线匹配器的设计与仿真二、 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。W为微带线导体带条的宽度；r为介质的相对介电常数；T为导体带条厚度；H为介质层厚度，通常H远大于T。L为微带线的长度。微带线的严格场解是由混合TM-TE波组成，然而，在绝大多数实际应用中，介质基片非常薄（H），其场是准TEM波，因此可以用传输线理论分析微带线。微带线的特性阻抗与其等效介电常数r、基片厚度H和导体宽度W有关，计算公式较为复杂，故利用txline来计算。微带线元件模型 3、元器件库里包括有：MLIN：标准微带线MLEF：终端开路微带线MLSC：终端短路微带线MSUB：微带线衬底材料MSTEP：宽度阶梯变换MTEE：T型接头MBENDA：折弯微带线的不均匀性 上述模型中，终端开路微带线MLEF、宽度阶梯变换MSTEP、T型接头MTEE和折弯MBENDA，是针对微带线的不军训性而专门引入的。一般的微带电路元件都包含着一些不均匀性，例如微带滤波器中的终端开路线；微带变阻器的不同特性阻抗微带段的连接处，即微带线宽度的尺寸跳变；微带分支线电桥、功分器等则包含一些分支T型接头；在一块微带电路板上，为使结构紧凑及适应走线方向的要求，时常必须使微带弯折。由此可见，不均匀性在微带电路中是必不可少的。由于微带电路是分布参数电路，其尺寸已可与工作波长相比拟，因此其不均匀性必然对电路产生影响。从等效电路来看，它相当于并联或串联一些电抗元件，或是使参考面发生一些变化。在设计微带电路时，必须考虑到不均匀性所引起的影响，将其等效参量计入电路参量，否则将引起大的误差。三、实验内容已知：输入阻抗 Zin=75欧 负载阻抗 Zl=（64+j35）欧 特性阻抗 Z0=75欧 介质基片 r=2.55，H=1mm假定负载在2G赫兹时实现匹配，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=四分之一波长，两分支线之间的距离为d2=八分之一波长。画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅度从1.8GHz至2.2GHz的变化四、实验步骤1、建立新项目，项目中心频率为2GHz；2、求出归一化输入阻抗和负载阻抗，标在Smith导纳圆图上；3、设计单支节匹配网络，用TXLINE计算微带线的物理长度和宽度；4、选择适当元件模型作电路原理图；5、连接各元件端口，项目频率改为1.82.2GHz；6、在工程里添加测量图并分析；7、调节微带线的长度l及与负载的举例d，调节范围为10%，输入端口反射系数幅值在中心频率2GHz处最低；8、设计双支节匹配网络，重复步骤47；五、实验过程及结果1、单支节的Smith圆图图片 1 单支节smith图导纳形式在实验中根据已知计算出各参量，写入Output Equations。 Zl为归一化负载阻抗；Zin为归一化输入阻抗；Sl为负载处反射系数；S2为输入端反射系数；a为以0.01为步长扫描02*PI；T1为阻抗处等反射系数圆；R为匹配圆；R2为大圆。图片 2 角度和模形式1) 确定单支节分支线与负载距离d由于负载走向支节位置是向源的方向移动，所以从负载顺时针转动，第一次与Ang-104.9的点相遇,由于软件2，所以算得角度需除2. 计算电长度:93.31-（-104.9)/2=99.1032) 确定单支节长度L由第一张图得到负载的导纳为-0.53*j，画在smith图上，得到Ang55.84的点，由于用短路线当支节，所以从左边开路点顺时针转到此点，得到微带线参数电长度的角度并联直接的导纳为jb=0.53j。 计算电长度:（180-55.87）/2=62.0653) 带入相关参数计算微带线参数。 结果如图所示图片 3 负载的微带线参数图片 4 支节微带线参数图片 5 接口匹配微带线参数4) 相关实验电路图根据上述步骤，设计出的参数为负载到支节的微带线（TL2）：L=28.805mmW=1.4373mm支节的微带线（TL3）：L=18.04mmW=1.4373mm端口处接的微带线（TL1）：L=26.159mmW=1.4373mmMSUB是衬底材料，MLSC是终端短路微带线 MLIN是标准微带MTEE是标准T型接头SRL表示负载。5) 实验结果图图片 5 调谐前在该条件下同时调节d与l得到在中心频率2Ghz处的反射系数最小图片 6 调谐后图片 7 调谐后（以DB为单位）调谐后可得到S参数在2GHz处最小的电长度。2、 双支节smith圆图在实验中根据已知计算出各参量，写入Output Equations。其中Zl为归一化负载阻抗；Zin为归一化输入阻抗；Sl为负载处反射系数；S2为输入端反射系数；a为以0.01为步长扫描02*PI；T1为阻抗处等反射系数圆；R为匹配圆；R2为大圆。R2为等点反射系数圆，Rd为等导纳圆。1）确定第一个支节分支线与负载距离d1与L1图片 8 双支节smith导纳形式已知第一个枝节距离负载的距离为d1=/4，通过TXLINE计算得出L1。93.33-180=-86.67度，电长度为90度，用TXL计算出d处的微带线长度为26.159mm。图片 9 与负载和开始的port处的微带线参数支节1只提供b值，不提供g值，算的b1=1.98862-0.46665=1.52197，在g=0的导纳圆上找到该点，所加的L1为 180-（-113.4）=293.4电长度为293.4/2=146.7。图片10 支节一微带线参数2）确定第二支节分支线与负载距离d2与L2两支节间的距离应为1/8波长，确定了1/8波长的微带线参数为图片 7 两支节之间的微带线参数以辅助员得到的Ang-132.8为准，画出等反射系数圆（红色），与单位电导圆（深红色）交于Ang137.2 此点为第一支节匹配后的导纳点，第二支节需要抵消掉此点的虚部以变为实数1.从第一张图得到此点为1-2.158*j，可以从图上直接读出所需电纳值jb=2.162，在图中画出得到左下角Ang130.3的点。从左边短路点到达此点的电长度为：(180+130.4)/2=155.2图片 12 支节二微带线参数统计上述计算得到的负载和第一个支节的微带线（TL7）：L=26.159mm，W=1.4373mm第一个支节的微带线（TL6）：L=42.64mm，W=1.4373mm第一个支节到第二个支节的微带线（TL2）：L=13.08mm，W=1.4373mm第二个支节的微带线（TL3）：L=45.11mm，W=1.4373mm第二个支节和输入端口之间的微带线（TL1）：L=26.159mm，W=1.4373mm3）相关电路图MSUB是衬底材料，MLSC是终端短路微带线 MLIN是标准微带线，MTEE是标准T型接头SRL表示负载。TL6 TL5分别为两条支节。4）仿真结果图图片 8 调谐前图片 9 调谐后调谐后可以看到，得到了S参数在2GHz最小的电长度。图片 10 调谐后电路长度实验三：四分之一波长阻抗变换器一、实验目的1. 掌握单节与多节四分之一波长变阻器的工作原理；2. 了解单节与多节四分之一波长变阻器的工作带宽与反射系数的关系；3. 掌握单节与多节四分之一波长变阻器的设计与仿真。2、 实验原理1）单支节四分之一波长阻抗变换阻抗变换器由一段特性阻抗为的传输线构成。如图4所示，图1.4 阻抗变换器假设负载为纯电阻，即。则有：为了使 实现匹配，则必须使由于无耗线的特性阻抗为实数，故阻抗变换器只能匹配纯电阻负载。若当为复数时, 根据行驻波的电压波腹和波节点处的输入阻抗为纯组：可将阻抗变换器接在靠近终端的电压波腹或波节点处来实现阻抗匹配。若线在电压波腹点接入，则线的特性阻抗为：若线在电压波节点接入，则线的特性阻抗为2）多支节四分之一波长阻抗变换3、 实验内容1）已知负载阻抗为纯阻抗RL=150欧姆，中心频率3GHz，主传输线特性阻抗Z0=50欧姆，介质基片Er=4.6，H=1mm，最大反射系数模不超过0.1，设计1、2、3节二项式变阻器。2）已知负载阻抗为复数ZL=85-j45欧姆，中心频率3GHz，主传输线特性阻抗Z0=50欧姆，在电压驻波波腹点或者波节点利用四分之一波长阻抗变换器，设计微带线变阻器，微带线介质参数同上。四、实验步骤1）对于纯电阻负载，根据已知条件，算出单节和多节传输线的特征阻抗、相对带宽。2）根据各节特征阻抗，利用TXLine计算相应的微带线的长度和宽度。每段变阻器的长度为四分之一波长（在中心频率）。3）对于复数负载Zl，根据负载阻抗Zl、特性阻抗Z0，计算归一化负载阻抗和反射系数，将复数系数标注在Smith圆图上，从负载点沿等驻波系数原向源方向旋转，与Smith圆图左、右半实轴焦点，旋转过的电长度LM、LN，计算变换器的特征阻抗。4）根据传输线的特征阻抗，利用TXLine计算相应微带线的长度及宽度，以及对应电长度LM、LN的微带线长度。5）设计并完成原理图。6）添加并测试Rectangular图。7）调谐电路元件参数，使反射系数幅值在中心频率3GHz处最低。8）对于纯电阻负载，上述指标不变，采用3节切比雪夫变阻器重新设计上述阻抗变换器。五、实验过程及结果1.单节变换器1）利用式（1）算得Z1=86.603，利用TXLine计算各微带线参数，如下表：微带线Z0Z1（可调）RLImpedance（）5086.603150Frequency（GHz）333Electrical Length（deg）909090Physical Width（mm）1.89860.628010.1029Physical Length（mm）13.25413.6614.312）2.两支节变换器1）利用式（4）算得Z1=65.804，Z2=113.975利用TXLine计算各微带线参数，如下表：2）微带线Z0Z1（可调）Z2（可调）RLImpedance（）5065.804113.975150Frequency（GHz）3333Electrical Length（deg）90909090Physical Width（mm）1.89861.15230.286860.1029Physical Length（mm）13.25413.54714.10314.313.三支节变换器1）利用式（4）算得Z1=57.360，Z2=86.603，Z3=130.753利用TXLine计算各微带线参数，如下表：微带线Z0Z1（可调）Z2（可调）Z3（可调）RLImpedance（）5057.36086.603130.753150Frequency（GHz）33333Electrical Length（deg）9090909090Physical Width（mm）1.89861.49460.628010.178220.1029Physical Length（mm）13.25413.413.8314.21614.3142）将三种变换器的S函数画在一个图可见他们并不在3Ghz处达到最小值，进行调谐工作调谐之三种方式均在3GHz处获得最小指切比雪夫公式Z1=50*1.25=62.5 Z2=50*1.732=86.6 Z3=50*2.4=120微带线Z0Z1（可调）Z2（可调）Z3（可调）RLImpedance（）5062.586.6120150Frequency（GHz）33333Electrical Length（deg）9090909090Physical Width（mm）1.89861.2740.628070.241810.10292Physical Length（mm）13.25413.49213.8314.14714.314调谐之后的在3GHz除得到最佳性能，S参数为-47.88dB。复数的微带线宽度等反射系数rj圆等反射系数圆与实轴的两个交点如下图所示，左侧对应LM，右侧对应LN显示幅度值，LM对应180D