微波实验报告.docx

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微波实验报告

信息与通信工程学院

微波实验报告

班级：

2009211111班

姓名：

周颖

学号：

09210329

日期：

2012年5月

目录

实验二微带分支线匹配器3

实验目的3

实验原理3

实验内容4

实验步骤与结果4

单支节4

双支节8

实验三微带多节阻抗变阻器13

实验目的13

实验原理13

实验内容14

实验步骤与结果14

实验四微带功分器17

实验目的17

实验原理17

实验内容19

实验步骤与结果19

心得体会22

实验二微带分支线匹配器

一、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

二、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）。

三、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。

四、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。

五、仿真调测

单支节

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

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。

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：

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。

1．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

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

一、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

二、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。

三、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。

四、实验步骤

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。

）

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

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。

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。

五、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

一、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

二、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。

三、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

四、实验步骤

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

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;

1．画原理图

2．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

本次实验完成了第2～4这三个实验，分别对单双支节匹配、微带多节阻抗匹配和微带公分器进行了上机操作，加深了对课本概念的理解。

相对实验二而言，实验三四较为容易。

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，，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。

通过本次实验，使我更好地掌握课程内容，加深了理解，同时强化自己的学习能力和动手能力。

谢谢老师的悉心指导。