北邮电磁场与微波实验报告.docx
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北邮电磁场与微波实验报告
信息与通信工程学院
电磁场与微波实验报告
实验题目:
微波器件设计与仿真
班级:
姓名:
学号:
日期:
2016.5.18
实验二分支线匹配器
一、实验目的
1.掌握支节匹配器的工作原理
2.掌握微带线的基本概念和元件模型
3.掌握微带分支线匹配器的设计与仿真
二、实验原理
1.支节匹配器
随着工作频率的提高及相应波长的减小,分立元件的寄生参数效应就变得更加明显,当波长变得明显小于典型的电路元件长度时,分布参数元件替代分立元件而得到广泛应用。
因此,在频率高达以上时,在负载和传输线之间并联或串联分支短截线,代替分立的电抗元件,实现阻抗匹配网络。
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
使用TXLINE计算器计算过程
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。
参数为调谐后的值。
图1.6双支节匹配器电路图
所选微带线模型的含义:
TL1:
匹配源
TL5:
第二支节
TL7:
第一支节
MTEE表示T型接头
MSUB表示微带线衬底材料
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。
三、实验内容
(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)负载阻抗为纯电阻RL
1节的电路原理图:
所选微带线模型的含义:
TL1:
匹配源
TL5:
匹配单支节
TL3:
匹配负载
MSTEP$:
宽度阶梯变换器
MSUB表示微带线衬底材料
2节电路原理图:
所选微带线模型的含义:
TL4:
匹配源
TL6:
第二支节
TL1:
第一支节
TL3:
匹配负载150欧
MSTEP$:
宽度阶梯变换器
MSUB表示微带线衬底材料
3节电路原理图:
所选微带线模型的含义:
TL4:
匹配源
TL9:
第三支节
TL6:
第二支节
TL1:
第一支节
TL3:
匹配负载150欧
MSTEP$:
宽度阶梯变换器
MSUB表示微带线衬底材料
1,2,3节的测量图:
结论:
将纯电阻负载三种二项式变阻器的反射系数曲线绘制在一个图中,可清晰观察到随着节数的增加,通带变宽,变平坦。
这也说明虽然单节四分之一波长变阻器是一种简单而有用的电路,单其频带太窄的缺点是显而易见的,未获得较宽的频带,可以采用双节或多节阻抗变换器。
2)负载阻抗是复数
史密斯阻抗圆图:
相应的角度图:
起始角度
终止角度
TXLINE角度
L
W
Z
电压波节点
-33.65
-179.9
73
10.74
24.03
32.71
电压波腹点
-33.65
-0.4961
153
1.899
1.899
76.43
电路图:
波节:
波腹
所选微带线模型的含义:
TL4:
匹配源
TL1:
匹配波节(腹)处输入阻抗
TL3:
单节阻抗变换器
MSTEP$:
宽度阶梯变换器
MSUB表示微带线衬底材料
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