电磁场与微波技术实验报告全文档格式.docx

电磁场与微波技术实验报告全文档格式.docx

《电磁场与微波技术实验报告全文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁场与微波技术实验报告全文档格式.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

之间，依赖于基片厚度H和导体宽度W。

而微带线的特性阻抗与其等效介质电常数为𝜀

、基片厚度H和导体宽度W有关。

三、实验内容

已知：

输入阻抗𝑍

𝑖

𝑛

=75𝛺

负载阻抗𝑍

𝐿

=（64+𝑗

35）𝛺

特性阻抗𝑍

0=75𝛺

介质基片𝜀

=2.55，𝐻

=1𝑚

𝑚

，导体厚度𝑇

远小于介质基片厚度𝐻

。

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𝑑

1=𝜆

/4，两分支线之间的距离为𝑑

2=𝜆

/8。

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

根据已知计算出各参量，确定项目频率。

将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在Smith圆上。

设计单枝节匹配网络，在图上确定分支线与负载的距离以及分支线的长度，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。

此处应该注意电长度和实际长度的联系。

画出原理图，在用微带线画出基本的原理图时，注意还要把衬底添加到图中，将各部分的参数填入。

注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响，选择适当的模型。

负载阻抗选择电阻和电感串联的形式，连接各端口，完成原理图，并且将项目的频率改为1.8—2.2GHz。

添加矩形图，添加测量，点击分析，测量输入端的反射系数幅值。

同理设计双枝节匹配网络，重复上面的步骤。

五、实验仿真

1.单支节

（1）.根据已知计算出各参量。

写入OutputEquations。

zl为归一化负载阻抗；

zin为归一化输入阻抗；

Tl为负载处反射系数；

Tin为输入端反射系数；

b为以0.01为步长扫描0~2*PI；

R为阻抗处等反射系数圆；

Rp为匹配圆；

Rj为大圆。

ZL=64+j*35

Z0=75zl=ZL/Z0zl:

（0.8533,0.4667）1/zl:

（0.9021,-0.4933）

TI=（zl-1）/（zl+1）TI:

（-0.0148,0.2555）

Zin=75

zin=Zin/Z0

Tin=（zin-1）/（zin+1）Tin:

0b=stepped（0,2*_PI,0.01）

R=TI*exp（j*b）

Rj=exp（j*b）

Rp=0.5*exp（j*b）-0.5

.在Smith导纳圆图上画出负载𝑍

所处的VSWR圆，标出其与单位电导圆的交点。

这里可以有两个交点，选择离负载较近的那个点进行计算。

下面以分别实部虚部、幅度角度方式显示：

角度：

93.31°

−（−104.9°

）=198.21198.21°

/2=99.105°

由图得出支节的电纳为j0.529665。

.已知角度后，用TXLine算出负载距离支节间的微带线的参数。

W=1.4373mm，

L=28.806mm。

.由图求出短路点距离支节接入点的电长度，角度为（180°

−55.82°

）/2=62.09°

再由TXLine，输入角度值，算出微带线的参数。

L=18.047mm，W=1.4373mm。

.输入端口处也需要接一个微带线，其宽度要和输出端口的阻抗75Ω匹配，长度任意。

用TXLine，输入阻抗，算出微带线参数W=1.4373mm，L=26.159mm。

.根据上述步骤，设计出的参数为

负载到支节的微带线（TL2）：

L=28.806mmW=1.4373mm支节的微带线（TL3）：

L=18.047mmW=1.4373mm端口处接的微带线（TL1）：

L=26.159mmW=1.4373mm由此搭建电路：

MLINMLIN

.根据设计的参数建立原始电路测量其S参数：

在中心频率处，反射系数还不是很低，所以要调谐系统以改善性能。

.设TL2和TL3的长度可变，调谐前后对比：

ID

TL2

TL3

原始参数

28.806mm

18.047mm

调谐后参数

28.206mm

18.647mm

调谐后的电路：

PORTID=TL1ID=TL2RESIND

P=1W=1.437mmMTEE$W=1.437mmID=R1ID=L1

Z=75OhmL=26.16mmID=TL4L=28.21mmR=64OhmL=2.787nH

调谐后的电路S参数：

显然，调谐后的电路，在中心频率2GHz处的S参数比调谐前的低得多，说明电路

的性能有所提高，已经特别接近最理想的0。

2.双支节

e：

大圆，等反射系数圆；

g：

1+jx匹配元；

g2：

辅助圆；

r：

负载所在的等反射系数圆；

r2：

负载与第一个支节并联后的等反射系数圆；

Rd：

等电导圆。

ZL=64+j*35Z0=75

zl=ZL/Z0zl:

T1=（zl-1）/（zl+1）T1:

Zin=75zin=Zin/Z0zin:

1

T2=（zin-1）/（zin+1）T2:

0b=stepped（0,2*_PI,0.01）r=T1*exp（j*b）g=0.5*exp（j*b）-0.5e=1*exp（j*b）g2=0.5*exp（j*b）-0.5*jr2=0.7328*exp（j*b）p=0.9021

Rd=（1/（1+p））*exp（j*b）-p/（1+p）

.在Smith导纳原图上画出负载𝑍

的位置，沿VSWR圆转180°

处即为距离负载距离为1/4波长处的导纳。

用TXLine，输入角度，求出负载和第一个支节之间的微带线参数，L=26.159mm,W=1.4373mm

.再求出其所在的等电导圆与辅助圆的交点，一共可得两个交点，选择靠下的那个点来设计。

得第一个支节的导纳为j（2,01944−0.475059）=j1.542381，短路点离它的距离，两者之间的角度（180°

+114.1°

）/2=147.05°

。

用TXLine，输入角度，算出第一个支节的微带线参数。

L=42.742mm，W=1.4373mm

.因为两个支节之间的距离为1/8波长，所以对应的角度为90°

/2=45°

，其微带线参数可由TXLine算得。

L=13.08mm，W=1.4373mm

.在Smitn图上使该点绕其VSWR圆顺时针转90°

，必然和单位电导圆交于一点，由该点可读出第二个支节需要的电纳值为j2.15449。

在单位电抗圆上标出该交点的位置，计算短路点离它的距离，两者之间的角度为（180°

+130.2°

）/2=155.1°

，用TXLine输入角度，算得第二条支节的微带线参数：

L=45.081mm，W=1.4373mm

.由于在Port端口与第二个支节之间接的微带线长度任意，但是宽度要与Port的阻值75Ω相匹配，所以用TXLine算其参数，L=26.159mm，W=1.4373。

.由上所述，设计出来的各参数如下

负载和第一个支节的微带线（TL3）：

L=26.159mm，W=1.4373mm第一个支节的微带线（TL5）：

L=42.742mm，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（TL4）：

L=45.081mm，W=1.4373mm第二个支节和输入端口之间的微带线（TL1）：

L=26.159mm，W=1.4373mm由此画出电路：

MLINMLINMLIN

.根据设计的参数建立原始电路测量其S参数

偏离中心频率，且在中心频率2GHZ处，反射系数还不是很低，所以要调谐系统以改善性能。

.将两个支节（TL4和TL5）的长度设为可调，调谐后电路

第一个支节TL5

第二个支节TL4

原始长度

42.742mm

45.081mm

调谐后长度

42.022mm

44.541mm

PORT

P=1

Z=75Ohm

MLIN

ID=TL1

W=1.437mmL=26.16mm

MTEE$

ID=TL6

ID=TL2

W=1.437mmL=13.08mm

ID=TL7

ID=TL3

RES

ID=R1

R=64Ohm

调谐后电路的S参数：

很明显可以看出，在中心频率处，调谐后的S参量大大低于未调谐的，而且很接近于零，说明在中心频率处，系统设计接近理想状态。

实验三：

四分之一波长阻抗变换器

掌握单节和多节四分之一波长变阻器的工作原理；

了解单节和多节变阻器工作带宽和反射系数的关系；

掌握单节和多节四分之一波长变换器的设计与仿真。

四分之一波长变阻器是一种阻抗变换元件，用于负载阻抗或信号源内阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传输。

实现负载阻抗与传输线匹配，其实质是利用“补偿原理”，即由可调的匹配器产生一个合适的附加反射波，它与负载阻抗所产生的反射波在指定的参考面上等幅反相，从而互相抵消。

1.单节四分之一波长变阻器

.负载阻抗为纯电阻RL：

………………………………

（1）

.负载阻抗为复数ZL：

波节点：

………………………………

（2）波腹点：

………………………………（3）

多节四分之一波长变阻器

……………（4）

切比雪夫阻抗变换器

R=RL/𝑍

0………………………………（5）

………………………………（6）

.已知：

负载阻抗为纯电阻𝑅

=150𝛺

，中心频率𝑓

0=3𝐺

𝐻

𝑧

，主传输线特性阻抗𝑍

0=50𝛺

，介质基片𝜀

=4.6，厚度𝐻

，最大反射系数模𝛤

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。

.已知负载阻抗为复数：

𝑍

=85−𝑗

45𝛺

，在电压驻波波腹或波节点利用单节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。

.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性阻抗、相对带宽。

.根据各节特性阻抗，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），即𝑙

=𝜆

𝑔

0/4。

.对于复数负载𝑍

，根据负载阻抗𝑍

、特性阻抗𝑍

0，计算归一化负载阻抗和反射系数，将负载反射系数标注在Smith圆图上，从负载点沿等驻波系数圆向源方向旋转，与Smith圆图左、右半实轴交点，旋转过的电长度𝐿

𝑀

、𝐿

𝑁

，计算变换器的特性阻抗。

.根据传输线的特性阻抗，利用TXLine计算相应微带线的长度及宽度，以及对应电

长度𝐿

的微带线长度。

.设计并完成原理图。

.添加并测试Rectangular图。

.调谐电路元件参数，使反射系数幅值在中心频率3GHz处最低。

.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。

1.单节变换器

.利用式

（1）算得Z1=86.603Ω，利用TXLine计算各微带线参数，如下表：

TL1（𝒁

𝟎

）

TL2（𝒁

𝟏

）可调

TL3（𝑹

𝑳

Impedance（Ω）

50

86.603

150

Frequency（GHz）

3

ElectricalLength（deg）

90

PhysicalWidth（mm）

1.8986

0.62801

0.10292

PhysicalLength（mm）

13.254

13.83

14.314

.调谐后的原理图：

PORTID=TL1ID=TL2ID=TL3

P=1W=1.899mmMSTEP$W=0.628mmMSTEP$W=0.1029mm

Z=50OhmL=13.25mmID=TL4L=13.66mmID=TL5L=14.31mm

MSUBPORTEr=4.6P=2

H=1mmZ=150Ohm

T=0.001mm

Rho=1

Tand=0

ErNom=4.6

Name=SUB1

2.2支节变换器

.利用式（4）算得Z1=65.804Ω，Z2=113.975Ω，利用TXLine计算各微带线参数，如下表：

TL3（𝒁

𝟐

TL4（𝑹

65.804

113.975

1.1523

0.28686

13.547

14.103

ID=TL2ID=TL3

3.3支节变换器

.利用式（4）算得Z1=57.360Ω，Z2=86.603Ω，Z3=130.753Ω，利用TXLine计算各微带线参数，如下表：

TL4（𝒁

𝟑

TL5（𝑹

57.360

130.753

1.4946

0.17822

13.4

14.216

调谐后的S参数（1、2、3支节画在一起，可以比较）：

可以看出：

多级变换器比单节变换器能够提供更宽的有效带宽，且节数越多，带宽越宽。

4.波节点、波腹点

.计算归一化负载阻抗和反射系数，将负载反射系数标注在Smith圆图上，在Smith圆图上标出波节点和波腹点，分别以实部虚部、幅度角度方式显示：

电长度𝐿

=（180°

−33.69°

）/2=73.155°

，驻波比

，

波腹点：

=（360°

）/2=163.155°

.利用TXLine计算各微带线参数，如下表：

节点

波节点

波腹点

32.735

76.371

73.155（𝐿

163.155（𝐿

3.6269

1.899

0.8433

12.83

10.74

13.705

24.027

.调谐后的波节点、波腹点原理图：

P=Z=PORT501OhmID=W=L=TL13.62712.83mmmmID=MSTEP$TL3ID=W=L=10.74TL21.899mmmmID=RESR=R185OhmID=CAPC=1.18C1pF

MSUB

Er=4.6

H=1mm

P=Z=PORT501OhmID=W=L=TL10.843313.31mmmmID=MSTEP$TL3ID=W=L=TL21.89924.03mmmmID=RESR=R185OhmID=CAPC=1.18C1pF

调谐后的S参数：

|S[1,1]|*bojie

|S[1,1]|*bofu

5.切比雪夫（Chebyshev）阻抗变换器

.利用式（5），算得R=150/50=3；

式（6），算得

参照课本附录6给出的切比雪夫阻抗变换器的设计表格，易知：

归一化的𝑧

1=

1.24988，𝑧

2=√𝑅

=√3，𝑧

3=𝑅

/𝑍

1=3/1.24988，则实际阻抗为𝑍

1=𝑧

1𝑍

0=

62.494𝛺

，𝑍

2=𝑧

2𝑍

0=86.603𝛺

3=𝑧

3𝑍

0=120.012𝛺

62.494

120.012

1.2742

0.24173

13.492

14.147

调谐后的S参数（与3支节画在一起，可以比较）：

可以看出：

切比雪夫变换器比二项式变换器的带宽有明显增加，但是二项式带内平坦度较好。

实验六：

功率分配器

掌握功率分配器的工作原理和分析方法；

掌握微带线功率分配器的设计和仿真。

1.功率分配器

功率分配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，而成为功率合成器件。

在电路中常用到微带功分器。

两路微带线功分器等效电路，如下图：

功率从1端口输入，分成两路，经过一段四分之一波长的微带线传输后，到达2端口和3端口。

1端口的特性阻抗为𝑍

0，1到2端口、1到3端口的微带线的特性阻抗分别为

02、𝑍

03，线长为λ𝑔

/4。

R2，R3分别为从2端口、3端口向负载看过去的阻抗。

R为2端

口、3端口之间的隔离电阻。

各参数计算公式：

𝑹

=𝒌

𝒁

=𝒁

/𝒌

[（𝟏

+𝒌

）𝒌

]𝟎

.𝟓

）/𝒌

𝟒

=（𝑹

）𝟎

𝟓

设计仿真一个两路微带功分器。

端口特性阻抗