微波技术基础实验

微波技术基础实验第1页，共74页，2023年，2月20日，星期六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。第2页，共74页，2023年，2月20日，星期六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)第3页，共74页，2023年，2月20日，星期六实验一、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。第4页，共74页，2023年，2月20日，星期六二、实验设备项目设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪一台亦可用网络分析仪2微带线模组一套RF2KM1-1A,3MICROWAVE软件1套微波电路设计软件41MΩBNC连接线2条CA-3、CA-4（黑色）550ΩBNC连接线2条CA-1、CA-2(粉红色)第5页，共74页，2023年，2月20日，星期六三、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)第6页，共74页，2023年，2月20日，星期六(2)负载开路情况下的特性第7页，共74页，2023年，2月20日，星期六(3)负载为复阻抗下的特性第8页，共74页，2023年，2月20日，星期六(3)负载为纯电抗下的特性第9页，共74页，2023年，2月20日，星期六软件仿真任务：(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)。第10页，共74页，2023年，2月20日，星期六实验二、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。第11页，共74页，2023年，2月20日，星期六二、实验设备项目设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪一台亦可用网络分析仪2阻抗交换器模组一套RF2KM2-1A(mod-2A,mod-3MICROWAVE软件1套微波电路设计软件41MΩBNC连接线2条CA-3、CA-4（黑色）550ΩBNC连接线2条CA-1、CA-2(粉红色)第12页，共74页，2023年，2月20日，星期六三、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参数仿真第13页，共74页，2023年，2月20日，星期六L－C网络实现匹配S参数仿真第14页，共74页，2023年，2月20日，星期六第15页，共74页，2023年，2月20日，星期六分布参数实现匹配S参数仿真第16页，共74页，2023年，2月20日，星期六第17页，共74页，2023年，2月20日，星期六软件仿真任务：(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第18页，共74页，2023年，2月20日，星期六五、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。第19页，共74页，2023年，2月20日，星期六实验三、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。

第20页，共74页，2023年，2月20日，星期六二、实验设备项目设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪一台亦可用网络分析仪2功率衰减器模组一套RF2KM3-1A(mod-3A,mod-3B)3MICROWAVE软件1套微波电路设计软件41MΩBNC连接线2条CA-3、CA-4（黑色）550ΩBNC连接线2条CA-1、CA-2(粉红色)第21页，共74页，2023年，2月20日，星期六1、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。第22页，共74页，2023年，2月20日，星期六例如衰减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。第23页，共74页，2023年，2月20日，星期六第24页，共74页，2023年，2月20日，星期六例如衰减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。第25页，共74页，2023年，2月20日，星期六第26页，共74页，2023年，2月20日，星期六例如衰减3dB，输入阻抗为50、输出阻抗为75欧，代入上面的公式有:第27页，共74页，2023年，2月20日，星期六第28页，共74页，2023年，2月20日，星期六例如衰减6dB，输入阻抗为50、输出阻抗为75欧，代入上面的公式有:第29页，共74页，2023年，2月20日，星期六第30页，共74页，2023年，2月20日，星期六例如衰减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第31页，共74页，2023年，2月20日，星期六四、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。第32页，共74页，2023年，2月20日，星期六实验四、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、实验目的第33页，共74页，2023年，2月20日，星期六二、实验设备项目设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪一台亦可用网络分析仪2功率分接器模组1A、2A一套RF2KM4-1ARF2KM4-2A350Ω终端负载1个LOAD4THRU端子1个THRU（RF2KM）5MICROWAVE软件1套微波电路设计软件61MΩBNC连接线2条CA-3、CA-4（黑色）750ΩBNC连接线2条CA-1、CA-2(粉红色)第34页，共74页，2023年，2月20日，星期六三、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Δ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)

PowerdividerPort2,P2Port3,p3

Port1

P11、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，根据能量守恒有第35页，共74页，2023年，2月20日，星期六Δ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第36页，共74页，2023年，2月20日，星期六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。第37页，共74页，2023年，2月20日，星期六设计任务：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第38页，共74页，2023年，2月20日，星期六四、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。第39页，共74页，2023年，2月20日，星期六4、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。第40页，共74页，2023年，2月20日，星期六实验五、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。

第41页，共74页，2023年，2月20日，星期六二、实验设备项目设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪一台亦可用网络分析仪2方向耦合器模组2组RF2KM5-1ARF2KM5-2A350Ω终端负载1个LOAD-1、LOAD-2450Ω负载端子2个550ΩBNC接头2个THRU6MICROWAVE软件1套微波电路设计软件71MΩBNC连接线2条CA-3、CA-4（黑色）850ΩBNC连接线2条CA-1、CA-2(粉红色)第42页，共74页，2023年，2月20日，星期六三、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。第43页，共74页，2023年，2月20日，星期六1、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：第44页，共74页，2023年，2月20日，星期六3、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.高通结构第45页，共74页，2023年，2月20日，星期六例子: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。第46页，共74页，2023年，2月20日，星期六2）微带3dB定向耦合器的设计，其支线阻抗如图所示第47页，共74页，2023年，2月20日，星期六微带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）偶模激励第48页，共74页，2023年，2月20日，星期六3）奇模激励第49页，共74页，2023年，2月20日，星期六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：第50页，共74页，2023年，2月20日，星期六根据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：第51页，共74页，2023年，2月20日，星期六综上所述：：第52页，共74页，2023年，2月20日，星期六第53页，共74页，2023年，2月20日，星期六**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。第54页，共74页，2023年，2月20日，星期六实验六、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。第55页，共74页，2023年，2月20日，星期六二、实验设备项目设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪一台亦可用网络分析仪2低通滤波器模组1组RF2KM6-1A，（mod-6A）350Ω终端负载1个LOAD-1、LOAD-24带通滤波器模组1个RF2KM6-1A，（mod-6B）6MICROWAVE软件1套微波电路设计软件71MΩBNC连接线2条CA-3、CA-4（黑色）850ΩBNC连接线2条CA-1、CA-2(粉红色)第56页，共74页，2023年，2月20日，星期六三、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基准的差值第57页，共74页，2023年，2月20日，星期六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第58页，共74页，2023年，2月20日，星期六两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第59页，共74页，2023年，2月20日，星期六为了满足需要的通带波纹大小LAr，以及在频率ΩS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ωC，需要乘以因子1/ωC来定标滤波器的频率，这是通过用ω/ωC来代替ω得到的.第60页，共74页，2023年，2月20日，星期六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）第61页，共74页，2023年，2月20日，星期六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。ωC为中心角频率第62页，共74页，2023年，2月20日，星期六首先找出在频率为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。|ω/ωC|-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,由设计公式第63页，共74页，2023年，2月20日，星期六第64页，共74页，2023年，2月20日，星期六2、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