北邮微波实验报告.docx

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北邮微波实验报告

微波实验报告

班级：

08108班

姓名：

王绪东

学号：

08210234

日期：

2011/6/04

目录

实验二微带分支线匹配器2

实验目的2

实验原理2

实验内容3

实验步骤与结果3

单支节3

双支节3

实验三微带多节阻抗变阻器3

实验目的3

实验原理3

实验内容4

实验步骤与结果4

实验四微带功分器4

实验目的4

实验原理4

实验内容4

实验步骤与结果4

心得体会4

实验二微带分支线匹配器

实验目的

1．熟悉支节匹配器的匹配原理

2．了解微带线的工作原理和实际应用

3．掌握Smith图解法设计微带线匹配网络

实验原理

支节匹配器是在主传输线上并联适当的电纳（或者串联适当的电抗），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。

单支节匹配器，调谐时主要有两个可调参量：

距离d和由并联开路或短路短截线提供的电纳。

匹配的基本思想是选择d，使其在距离负载d处向主线看去的导纳Y是Y0+jB形式。

然后，此短截线的电纳选择为-jB，根据该电纳值确定分支短截线的长度，这样就达到匹配条件。

双支节匹配器，通过增加一个支节，改进了单支节匹配器需要调节支节位置的不足，只需调节两个分支线长度，就能够达到匹配（但是双支节匹配不是对任意负载阻抗都能匹配的，即存在一个不能得到匹配的禁区）。

实验内容

已知：

输入阻抗Zin=75Ω

负载阻抗Zl=（64+j35）Ω

特性阻抗Z0=75Ω

介质基片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=1/4λ，两分支线之间的距离为d2=1/8λ。

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。

实验步骤

1．根据已知计算出各参量，确定项目频率。

2．将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在smith圆上。

3．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。

4．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。

5．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。

6．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。

7．同理设计双枝节匹配网络，重复上面的步骤。

仿真调测

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。

2．将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在smith圆上

图表1以实部虚部方式显示

图表2以幅度角度方式显示

绘制步骤：

●将归一化输入阻抗和负载阻抗所在位置标在导纳圆图上

●从负载阻抗处沿等反射系数圆向源旋转，交匹配圆一点，由此确定单支节传输线阻抗为-0.531245*j，取此经历的电长度为分支线与负载的距离d=198.81°*半波长

●在导纳圆图上标出该点位置，从开路点出发向源方向旋转到标识位置，取此经历的电长度为分支线的长度l=303.93°*半波长

3．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。

4．画出原理图。

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。

调谐后的电路图为：

5．添加矩形图，添加测量，测量输入端的反射系数幅值。

双支节

1．根据已知计算出各参量。

写入OutputEquations。

2．画出Smith原图。

绘图步骤：

●根据两枝节间隔长度为1/8波长，绘出辅助圆位置

●在图中标出负载处位置，沿等反射系数圆向源方向旋转180度，该点为y1’点

●从y1’点沿等电导圆旋转，交辅助圆于y1点，通过y1点导纳值减去y1’点导纳值得到第一个枝节的阻抗值。

●在图中标出该阻抗值点，从开路点向源方向旋转到标出的阻抗值点，经过的电长度为第一枝节的长度。

●从y1点沿等反射系数圆向源方向旋转，交匹配圆于y2’点，1-y2’的阻抗值为第二枝节的阻抗值，在图中标出该阻抗点，从开路点向源方向旋转到该点，经过的电长度为第二枝节的长度

3．画出原理图。

调谐后的原理图为：

得到调谐后矩形图：

实验三微带多节阻抗变阻器

实验目的

1.掌握微带多节阻抗变阻器的工作原理

2.掌握微带多节阻抗变阻器的设计和仿真

实验原理

变阻器是一种阻抗变换元件，它可以接于不同数值的电源内阻和负载电阻之间，将两者起一相互变换作用获得匹配，以保证最大功率的功率：

此外，在微带电路中，将两不同特性阻抗的微带线连接在一起时为了避免线间反射，也应在两者之间加变阻器。

单节λ/4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，常采用多节阻抗变换器。

如下图所示，

多节变阻器的每节电长度均为θ；

为各节的特性阻抗，

为负载阻抗，并假设Zn+1＞Zn,……Z2＞Z1，Z1＞Z0。

其中ρi＝zi/zi-1Γi=（ρi-1）/（ρi-1+1）

在上图中，变阻器的阻抗由Z0变到Zn+1，对Z0归一化，即由z0＝0变到zn+1＝R，R即为阻抗变换比。

其中ρ1，ρ2……ρn+1为相邻两传输线段连接处的驻波比。

根据微波技术的基本原理，其值等于大的特性阻抗对小的特性阻抗之比。

Γ1，Γ2，……Γn+1则为连接处的反射系数，为了使设计简单，往往取多节变阻器具有对称结构，即使变阻器前后对称位置跳变点的反射系数相等，Γ1＝Γn+1,Γ2=Γn……。

定义下列公式为变阻器的相对带宽和中心波长：

其中

和

分别为频带边界的传输线波长，

为传输线中心波长，D为相对带宽。

实验内容

设计仿真等波纹型微带多节变阻器。

给定指标：

在2GHZ-6GHZ的频率范围内，阻抗从50欧变为10欧，驻波比不应超过1.15，介质基片H=1mm，在此频率范围内色散效应可忽略。

实验步骤

1．根据给定的指标，查表确定微带变阻器的节数。

（由于阻抗从50Ω变为10Ω，所以其R=5，中心频率为4GHz，相对带宽为D=1，通过查表，查得满足R值和D值，而且驻波比不超过1.15时，可以确定变阻器的节数n=4。

）

2．查表计算各段线的归一化特性阻抗。

查表可以得到z1=1.21721,z2=1.77292,又可以通过R，计算可得z3=2.82021,z4=4.10775。

各段的实际阻值为上述的归一化值与10的乘积。

）

3．利用txline计算各段实际的物理长度。

通过计算可以得知：

Zport1=10Ω，W=10.61mm,L=6.269mm

Z1=12.1721Ω,W=8.434mm,L=6.342mm

Z2=17.7292Ω,W=5.301mm,L=6.518mm

Z3=28.2021Ω,W=2.796mm,L=6.793mm

Z4=41.0775Ω,W=1.518mm,L=7.051mm

Zport2=50Ω,W=1.044mm,L=7.193mm

4．根据以上计算的结果即可以得到原理图，原理图一共由六段微带线构成，其中的四段是实现阻抗变化器的微带线，而其余的两段是实现与端口匹配的微带线的。

5．绘制原理图完毕之后，通过添加一个矩形的测量图，来仿真观察设计的阻抗匹配器是否符合实验的要求。

调谐电路。

在调谐各阶微带线的长度时，要保证其变化趋势不变。

仿真调测

电路原理图：

调谐后：

在2G到6G，反射系数<1.16;

实验四微带功分器

实验目的

1．掌握微波网络的S参数

2．熟悉微带功分器的工作原理及其特点

3．掌握微带功分器的设计和仿真

实验原理

功分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，而成为功率合成元件。

在电路中常用到微带功分器，其基本原理和设计公式如下：

图表1二路功分器

图1是二路功分器的原理图。

图中输入线的特性组抗为

两路分支线的特性阻抗分别为

和

，线长为

，

为中心频率时的带内波长。

图中

为负载阻抗，R为隔离阻抗。

对功分器的要求是：

两输出口2和3的功率按一定比例分配，并且两口之间相互隔离，当两口接匹配负载时，1口无反射。

下面根据上述要求，确定

，

及R的计算公式。

设2口、3口的输出功率分别为，对应的电压为.根据对功分器的要求，则有：

P3=K2P2

|V3|2/R3=K2|V2|2/R2

式中K为比例系数。

为了使在正常工作时，隔离电阻R上不流过电流，则应

V3=V2于是得R2=K2R3

若取R2=KZ0

则R3=Z0/K

因为分支线长为λe0/4，故在1口处的输入阻抗为：

Zin2=Z022/R2

Zin3=Z032/R3

为使1口无反射，则两分支线在1处的总输入阻抗应等于引出线的

，即

Y0=1/Z0=R2/Z022+R3/Z032

若电路无损耗，则

|V1|2/Zin3=k2|V1|2/Zin2

式中V1为1口处的电压

所以Zin=K2Z03

Z02=Z0[（1+K2）/K3]0.5

Z03=Z0[（1+K2）K]0.5

下面确定隔离电阻R的计算式。

跨接在端口2、3间的电阻R，是为了得到2、3口之间互相隔离得作用。

当信号1口输入，2、3口接负载电阻时，2、3两口等电位，故电阻R没有电流流过，相当于R不起作用；而当2口或3口得外接负载不等于R2或R3时，负载有反射，这时为使2、3两端口彼此隔离，R必有确定的值，经计算R=Z0（1+K2）/K

图1中两路线带之间的距离不宜过大，一般取2～3带条宽度。

这样可使跨接在两带线之间的寄生效应尽量减小。

实验内容

用VOLTERRA设计仿真一个微带功分器，指标为

中心频率f0=2GHZ

耦合度K=2

引出线Z0=50Ω

介质基片εr=2.55,h=1mm

实验步骤

1．按照指标要求用公式计算各阻抗值。

计算结果：

Z02=158.1Z03=39.53Z04=70.71Z05=35.36R=125R2=100R3=25

2．根据TXLINE得出对应的W和L

Z0=50Ω,W=2.834mm,L=25.58mm

Z02=158.1Ω,W=0.2117mm,L=27.144mm,L1=y,L2=x1mm

Z03=39.53Ω,W=3.989mm,L=25.265mm,L3=ymm,L4=x2mm

R=125Ω,W=0.4484mm,L=8.5023mm

R2=100Ω,R3=25Ω

Z04=70.71Ω,W=1.6012mm,L=26.073mm

Z05=35.36Ω,W=4.6492mm,L=25.125mm

由于图中变量很多，且相互约束，为了减少调谐时的麻烦，采用全局变量的方法，全局变量申明为：

因为要求两路线带之间的距离不宜过大，一般取2～3带条宽度，且宽度相等，设电阻的长度为3mm,则得等式：

x1+x2=a+b+3;即b=x1+x2-3-a;

3．画原理图

4．添加矩形图，添加测量，观察各端口数据是否满足要求。

调谐电路。

调谐后：

可以看出：

在2Ghz时，S[2,1],S[3,1]的差小于6.1db,隔离度S[3,2]小于-17.5db，符合要求。

心得体会

通过几次课上的微波实验和自己课后的练习，很顺利地完成了实验内容，收获很大。

本次实验完成了第2～4这三个实验，分别对单双直接支节匹配、微带多节阻抗匹配和微带公分器进行了复习和上机操作，加深了理解。

在操作过程中，也出现了很多问题。

在刚开始的时候，对软件使用不熟，第一个实验反复改了很多遍，还是不能达到预期效果。

课后重新温习了有关的微波知识，尤其书本第五章的几个例题，把原理搞清楚再做就快很多了。

接着，对于一些不太明白的软件使用，请教了老师。

还有一些细节问题，如端口要加引出线，微带线和其他电阻等的连接需要专门的连接器，仿真过程中要考虑微带线的不均匀性并选择合适的模型。

在实际的操作中，由于刚开始的时候感觉第一个实验较为复杂，就转而先做后面的实验三四。

相对而言，实验三四较为容易，实验原理也是最近新学，能很快地画出原理图，给了自己很大的信心。

实验三主要是查表计算阻抗值，然后画出原理图并调谐。

需要注意的是，调谐各段微带线的长度时，调谐范围不超过10％，同时要保证其变化趋势不变，或递增或递减。

实验四需要注意的是，在画Z02和Z03时，微带线分为两段，刚开始没明白为什么，请教老师后知道，竖着的那段微带线之和约为较大带条宽度的2～3倍，同时在R附近增设两段微带线，以防止上下两段带线之间距离过大造成太大误差。

实验三四完成地较为顺利。

然后，在自己的电脑上完成了实验二的剩余部分。

由于有之前的实验经验积累，剩余部分也很快调谐完成。

做了很多课程实验，其实主要目的不仅仅是做实验，还要更好地掌握课程内容加深理解，同时强化自己的学习能力和动手能力。

提高自身的学术水平和实际能力将比实验本身更为重要。