1、微波仿真课(1)一、 实验要求:1. 了解ADS Schematic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。 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+2 S12=2/Z+2,该网络互易对称可知S21=S12, S22=S11, Z=1/jC, 随着频率的增加,S11=Z/Z+2将会减小,最终趋向于0,即-70d
2、b, 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。 理想电感5nH,仿真频率为(1Hz-100GHz): 电路图:史密斯圆图:S11=Z/Z+2 S12=2/Z+2。由该网络互易对称可知S21=S12, S22=S11, Z=jL, 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50微带线的宽度;将FR4基片的参数
3、输入到Linecalc中,计算得到中心频率1GHz时,FR4基片的50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50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50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50四分之一波长开路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:Smit
4、h圆图: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/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50四分之一波长短路CPW线的性能参数,中心工作频
5、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。阻抗计算结果:500MHz时,Zin = Z0*(0.069+j1.042) j*Z02GHz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)
6、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50四分之一波长开路线的性能参数,工作频率为1GHz。扩展仿真频率(500MHz-50GHz),分析曲线变化原因。理想传输线,特性阻抗为50四分之一波长,开路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-3GHz: 微带传输线,特性阻抗为50四分之一波长,开路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-3GHz: 电路图: 理想传输线,特性阻抗为50四分之一波长,开路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-50GHz:微带传输线,特性阻抗为50四分之一波长,开路线,工作频率为1GHz,仿真频段500M
7、Hz-50GHz: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/4的理想传输线,2Ghz对应/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/8,即从开路点处朝源的方向,即顺时针旋转/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
8、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50四分之一波长短路线的性能参数,工作频率为1GHz。理想传输线,特性阻抗为50四分之一波长,短路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-3GHz: 微带传输线,特性阻抗为50四分之一波长,短路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-3GHz: 理想传输线,特性阻抗为50四分之一波长,短路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-50GHz: 微带传输线,特性阻抗为50四分之一波长,短
9、路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-50GHz: 电路图: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50二分之一波长开路线的性能参数,工作频率为1GHz。理想传输线,特性阻抗为50二分之一波长,开路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-3GHz:微带传输线,特性阻抗为50二分之一波长,开路线,工作频率为1GHz,仿真频段50
10、0MHz-3GHz: 理想传输线,特性阻抗为50二分之一波长,开路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-50GHz:微带传输线,特性阻抗为50二分之一波长,开路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-50GHz:二分之一波长开路线的开路点在1GHz,即中心工作频率。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50二分之一波长短路线的性能参数,工作频率为1GHz。理想传输线,特性阻抗为50二分之一波长,短路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-3GHz: 微带传输线,特性阻抗为50二分之一波长,短路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-3GH
11、z:理想传输线,特性阻抗为50二分之一波长,短路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-50GHz: 微带传输线,特性阻抗为50二分之一波长,短路线,工作频率为1GHz,仿真频段500MHz-50GHz:注:FR4基片:介电常数为4.4,厚度为1.6mm,损耗角正切为0.02。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:2.用一段FR4
12、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: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=10,ZS=50,所以:Z1=ZL(7/8)ZS(1/8)=12.23,Z2=ZL(1/2)ZS(1/2)=22.36,Z3=ZL(1/8)ZS(7/8)=40.89。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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