北邮微波仿真实验报告.docx
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微波仿真实验
实验报告
题目：
微波仿真实验
学院：
电子工程学院
班级：
姓名：
学号：
2013xxxxxx
微波仿真课
（1）
一、实验要求：
1.了解ADSSchematic的使用和设置。
打开ADS软件（2009版本），选择“以管理员身份运行”，新建工程并命名，新建Schematic窗口。
截图如下：
2.在Schematic里，分别仿真理想电容20pF和理想电感5nH，仿真频率为（1Hz-100GHz），观察仿真结果，并分析原因。
①理想电容20pF，仿真频率为（1Hz-100GHz）：
电路图：
对数曲线：
分析：
由计算可知：
S11=Z/Z+2S12=2/Z+2,该网络互易对称可知S21=S12,S22=S11,Z=1/jωC,随着频率的增加，S11=Z/Z+2将会减小，最终趋向于0，即-70db,S12=2/Z+2，f=1HZ时，Z趋近于无穷，S12趋近于0，即1db,f逐渐增大到100GHZ时，Z=1,S12=1/3，仍然接近于0，即1db。
②理想电感5nH，仿真频率为（1Hz-100GHz）：
电路图：
史密斯圆图：
对数曲线：
分析：
由计算可知：
S11=Z/Z+2S12=2/Z+2。
由该网络互易对称可知S21=S12,S22=S11,Z=jωL,随着频率的增加，S11=Z/Z+2将会增大，最终趋向于1，即0db,S12=2/Z+2将会随着频率的减小而减小，最终趋向于0，在图中即为-30db。
3.Linecalc的使用：
a）计算中心频率1GHz时，FR4基片的50Ω微带线的宽度；
将FR4基片的参数输入到Linecalc中，计算得到中心频率1GHz时，FR4基片的50Ω微带线的宽度为1.543670mm，截图如下：
b）计算中心频率1GHz时，FR4基片的50Ω共面波导（CPW）的横截面尺寸（中心信号线宽度与接地板之间的距离）。
将FR4基片的参数输入到Linecalc中，计算得到中心频率1GHz时，FR4基片的50Ω共面波导（CPW）的中心信号线宽度为87.8355mm,与接地板之间的距离为5mm，截图如下：
4.基于FR4基板，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长开路CPW线的性能参数，中心工作频率为1GHz。
仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分析原因。
电路图：
Smith圆图：
分析：
Smith圆图上近似在r=无穷的等电阻圆上转一圈多，频率每增加1G，圆就增加半圈，即λ/4电长度，由于CPW存在损耗，即衰减系数不为0，相位常数不为0，所以相位和大小均发生改变，所以反射系数成螺旋型，当频率为0时，位于史密斯原图开路点处，1GHZ时，顺时针旋转半个周期到短路点处，反射系数的绝对值即为所在点到圆心的距离，虽然从500M到3G时，反射系数的大小都接近1（终端短路时的传输系数），但随着频率的升高，反射系数的绝对值略有减小，同时说明传输系数增大，说明随着频率越高，衰减系数越小，即损耗越小。
5.基于FR4基板，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长短路CPW线的性能参数，中心工作频率为1GHz。
仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。
电路图：
史密斯圆图：
分析：
阻抗计算结果：
500MHz时，Zin=Z0*（0.069+j1.042）≈j*Z0
2GHz下，Zin=Z0*（0.034-j*0.026）≈0
变化原因：
对以1GHz为中心频率的1/4波长CPW而言，对1GHz对应1/4波长，此时阻抗倒置，由短路点变为开路点；2GHz下，频率加倍，波长减半，对相同的波导规格，电长度加倍，相当于1/2波长，阻抗还原，仍为短路点，500MHz时，电长度相当于1/8波长，相当于从短路点（-1，0）在Smith圆图中顺时针（向源）旋转了1/4个圆。
6.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长开路线的性能参数，工作频率为1GHz。
仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。
扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。
①理想传输线，特性阻抗为50Ω四分之一波长，开路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-3GHz：
电路图：
史密斯圆图：
②微带传输线，特性阻抗为50Ω四分之一波长，开路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-3GHz：
电路图：
史密斯圆图：
③理想传输线，特性阻抗为50Ω四分之一波长，开路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-50GHz：
电路图：
史密斯圆图：
④微带传输线，特性阻抗为50Ω四分之一波长，开路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-50GHz：
电路图：
史密斯圆图：
分析：
理想传输线的史密斯圆图在开路圆山重复旋转将近一圈多，而微带传输线的史密斯圆图的曲线呈螺旋型，且随着频率的增大，波长变小，即对应相同的波导，电长度变大，此时反射系数的模值变小，即说明理想传输线不存在损耗，而微带线的损耗随着频率的增加而减小。
对于1Ghz对应的λ/4的理想传输线，2Ghz对应λ/2的理想传输线，相当于阻抗还原，对于没有损耗的理想传输线来说，其输入阻抗接近无穷，而对应微带传输线来说，其因为存在损耗，所以值会略有减小。
500Mhz对应的是λ/8，即从开路点处朝源的方向，即顺时针旋转λ/8长度得到的输入阻抗，同理，微带线比理想线略小。
扩展仿真频率，由于理想传输线不存在损耗，所以即时频率扩展了，也仍以2G为一个频率周期重复再开路圆上画圆，而由于微带线存在损耗，随着频率越来越大，反射系数的模值将会越来越小。
7.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长短路线的性能参数，工作频率为1GHz。
仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。
扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。
①理想传输线，特性阻抗为50Ω四分之一波长，短路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-3GHz：
电路图：
史密斯圆图：
②微带传输线，特性阻抗为50Ω四分之一波长，短路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-3GHz：
电路图：
史密斯圆图：
③理想传输线，特性阻抗为50Ω四分之一波长，短路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-50GHz：
电路图：
史密斯圆图：
④微带传输线，特性阻抗为50Ω四分之一波长，短路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-50GHz：
电路图：
史密斯圆图：
分析：
四分之一波长短路线的短路点在1GHz，即中心工作频率。
对于理想传输线，能量并不会随频率升高而衰减，因此史密斯原图无变化。
而对于微带线，因为微带线有耗，损耗随功率升高而增大，因此反射系数逐渐减小，从而随着频率的升高，半径越来越小。
8.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω二分之一波长开路线的性能参数，工作频率为1GHz。
仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。
扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。
①理想传输线，特性阻抗为50Ω二分之一波长，开路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-3GHz：
电路图：
史密斯圆图：
②微带传输线，特性阻抗为50Ω二分之一波长，开路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-3GHz：
电路图：
史密斯圆图：
③理想传输线，特性阻抗为50Ω二分之一波长，开路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-50GHz：
电路图：
史密斯圆图：
④微带传输线，特性阻抗为50Ω二分之一波长，开路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-50GHz：
电路图：
史密斯圆图：
分析：
二分之一波长开路线的开路点在1GHz，即中心工作频率。
对于理想传输线，能量并不会随频率升高而衰减，因此史密斯原图无变化。
而对于微带线，因为微带线有耗，损耗随功率升高而增大，因此反射系数逐渐减小，从而随着频率的升高，半径越来越小。
9.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω二分之一波长短路线的性能参数，工作频率为1GHz。
仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。
扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。
①理想传输线，特性阻抗为50Ω二分之一波长，短路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-3GHz：
电路图：
史密斯圆图：
②微带传输线，特性阻抗为50Ω二分之一波长，短路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-3GHz：
电路图：
史密斯圆图：
③理想传输线，特性阻抗为50Ω二分之一波长，短路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-50GHz：
电路图：
史密斯圆图：
④微带传输线，特性阻抗为50Ω二分之一波长，短路线，工作频率为1GHz，仿真频段500MHz-50GHz：
电路图：
史密斯圆图：
注：
FR4基片：
介电常数为4.4,厚度为1.6mm，损耗角正切为0.02。
分析：
二分之一波长开路线阻抗不变，所以开路经阻抗变换后还是开路。
微波仿真课
（2）
一、实验要求：
1.用一段理想四分之一波长阻抗变换器匹配10欧姆到50欧姆，仿真S参数，给出-20dB带宽特性，工作频率为1GHz。
理想四分之一波长阻抗变换器，匹配10欧姆到50欧姆，工作频率为1GHz，频率范围取0-3GHz：
电路图：
对数曲线：
2.用一段FR4基片上四分之一波长阻抗变换器匹配10欧姆到50欧姆，仿真S参数，给出-20dB带宽特性，工作频率为1GHz，比较分析题1和题2的结果。
FR4基片上四分之一波长阻抗变换器，匹配10欧姆到50欧姆，工作频率为1GHz，频率范围取0-3GHz，步长取1MHz：
电路图：
对数曲线：
分析：
由图可知，-20dB的带宽W=1065-921=143MHz，最低点对应频率为1GHz，即史密斯圆图的圆心处，由此可见已完成匹配，带宽略大于理想传输线。
3.设计一个3节二项式匹配变换器，用于匹配10欧姆到50欧姆的传输线，中心频率是1GHz，该电路在FR4基片上用微带线实现，设计这个匹配变换器并计算的带宽，给出回波损耗和插入损耗与频率的关系曲线，比较分析题2和题3的结果。
取频率范围为0-3GHz，步长为0.001GHz，由题目可知，ZL=10Ω，ZS=50Ω，所以：
Z1=ZL^（7/8）ZS^（1/8）=12.23Ω，
Z2=ZL^（1/2）ZS^（1/2）=22.36Ω，
Z3=ZL^（1/8）ZS^（7/8）=40.89Ω 。
电路图：
对数曲线：
分析：
由该反射系数幅频特性曲线可以看出，回波损耗最低点约在1Ghz附近，说明在1GHz附近实现阻抗匹配。
的带宽：
即
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