北邮电磁场与微波实验报告Word格式.docx

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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=75Ω

负载阻抗Zl=（64+j75）Ω

特性阻抗Z0=75Ω

介质基片面性εr=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=λ/4,两分支线之间的距离为d2=λ/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λ/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ELEMENTOPTIONS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3~5。

五、仿真过程

1、单支节匹配

在OutputEquation中绘制Smith圆图，代码如下：

绘制的圆图如图所示。

标记出了归一化的输入阻抗zin和负载阻抗zl。

绘出了负载等反射系数圆R，纯电纳等反射系数圆Rs和匹配圆Rm。

单支节匹配器仿真结果

使用TXLINE计算器计算过程

匹配按如下步骤进行：

首先从负载处（标号4346.5）沿等反射系数圆移动到与匹配圆焦点处（标号229.5），可知移动了198.83°

（注意到圆图上360°

对应半波长，故计算采用的角度为99.415°

），对应的电尺寸可以使用TXLINE计算器得到，为L=28.823mm，W=1.4373mm。

其次从标号229.5点处，得到单支节传输线阻抗为，在Rs圆上作出该点（标号为18895），其角度为55.88°

，从开路点向源方向顺时针旋转到该点，可知移动了304.12°

，同理使用TXLINE计算器可得到支节的电尺寸，为L=44.198mm，W=1.4373mm。

由以上的分析与计算，可绘制电路图，如图1.1所示。

参数为调谐后的值。

图1.1单支节匹配器电路图

所选微带线模型的含义：

TL1：

输入端口处的微带线

TL2：

负载到支节的微带线

MTEE表示T型接头

MLEF（YL3）表示终端开路单支节微带线

MSUB表示微带线衬底材料

输入端的反射系数如图1.2所示。

图1.2输入端反射系数仿真图

2、双支节匹配

双支节匹配时在OutputEquation中增量添加如下代码。

如图1.5所示为双支节匹配Smith圆图。

其中Rf是旋转后的匹配圆，zl1是负载阻抗沿着传输线移动即180°

以后得到的点（设为A点）。

Rmm是zl1点所在的等电导圆，沿着该圆顺时针旋转到Rf圆的交点（设为B点），作出该交点的等发射系数圆Rp，交匹配圆Rm（设为C点）。

A点到B点导纳值相减即为第一支节的阻抗值，为1.523，B点到C点导纳值之差即为第二支节的阻抗值，为2.16。

在纯电纳等反射系数圆（即最大的圆Rs）上作出两个支节的阻抗值，从开路点顺时针移动到此两点，读出移动的角度分别为113.4°

和130.3°

。

图1.5双支节匹配器仿真结果

根据以上分析和作图，由TXLINE计算器可得到电尺寸数值，第一支节L=16.48mm，第二支节L=18.94mm，第一段传输线（从负载到第一支节）L=26.16mm，第二段传输线（从第一支节到第二支节）L=13.08mm，各段传输线均有宽度W=1.4373mm。

作出电路图如图1.6所示。

图1.6双支节匹配器电路图

匹配源

TL5：

第二支节

TL7：

第一支节

输入端调谐后的反射系数如图1.7所示。

图1.7输入端反射系数仿真图

调谐前输入端口的反射系数幅值严重偏离2GHz，经过调解微带线长度，反射系数幅值基本在2GHz处。

调谐的原因：

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。

考虑不均匀性的原因：

微带电路是分布参数电路，其尺寸和工作波长可比拟，因此要考虑其不均匀性，否则引起较大误差，因此需要调谐，并加入T型接头等等。

如果去掉T型接头，反射系数幅值会偏离2GHz处。

六、实验结论与思考

阻抗匹配通常是为了获得最大传输功率，改善系统的信噪比。

阻抗匹配的基本思想是将阻抗匹配网络放在负载和传输线之间。

通常设计成向匹配网络看去阻抗是。

虽然在匹配网络和负载之间有多次反射，但是在匹配网络左侧传输线上的反射被消除了。

阻抗匹配有多种方式，本实验采用的是短截线匹配，重点仿真了单支节和双支节匹配。

仿真的主要方法是利用Smith圆图，依据串并联阻抗特性，旋转圆图，达到匹配，读取结果计算得到电路尺寸，然后绘制出电路图，经过调谐得到匹配网络的参数。

实验中的难点在于标记阻抗值、绘制圆图中的等反射系数圆和导纳圆。

阻抗值的标记需要进行变换，否则无法在导纳圆图中正确显示。

发射系数圆的绘制采用定半径，然后360°

旋转描点的方法。

导纳圆的绘制需要结合使用旋转描点（单支节匹配时使用）、圆方程绘图的方法（双支节匹配时使用）及在圆图上旋转找交点读数得结果。

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。

1）负载阻抗为纯电阻RL

2）负载阻抗为负数Zl

Z1=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）。

Z1=sqrt（Z0*Z0*p）

将入/4变换器接在电压驻波波腹位置（离负载为Ln处）。

2.多节四分之一波长阻抗变化器

单节变阻器是一种简单而有用的电路，其缺点是频带太窄。

为了获得较宽的频带，可以采用多节阻抗变换器。

如图2.1为多节变阻器示意图。

图2.1多节变阻器

通常使多节变阻器具有对称结构，设置单调递增或单调递减，所有符号相同，则

（2.1）

其中，且令。

令和分别为频带的上下边界，为中心频率，为相对带宽，则有如下定义

（2.2）

（2.3）

取每段变阻器的长度为传输线波长的四分之一，即。

1）二项多节阻抗变换器

2）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。

（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εr=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：

匹配单支节

TL3：

匹配负载

MSTEP$：

宽度阶梯变换器

2节电路原理图：

TL4：

TL6：

匹配负载150欧

3节电路原理图：

TL9：

第三支节

1，2，3节的测量图：

结论：

将纯电阻负载三种二项式变阻器的反射系数曲线绘制在一个图中，可清晰观察到随着节数的增加，通带变宽，变平坦。

这也说明虽然单节四分之一波长变阻器是一种简单而有用的电路，单其频带太窄的缺点是显而易见的，未获得较宽的频带，可以采用双节或多节阻抗变换器。

2）负载阻抗是复数

史密斯阻抗圆图：

相应的角度图：

起始角度

终止角度

TXLINE角度

L

W

Z

电压波节点

-33.65

-179.9

73

10.74

24.03

32.71

电压波腹点

-0.4961

153

1.899

76.43

电路图：

波节：

波腹

匹配波节（腹）处输入阻抗

单节阻抗变换器

测量图：

2.切比雪夫阻抗变换器

阻抗比R=150/50=3，且反射系数不超过0.1，则ρm=1.22，查实验指导书附录的相