北郵電磁場與微波實驗報告

1、信息與通信工程學院電磁場與微波實驗報告實驗題目：微波器件設計與仿真班級：姓名：學號：日期：實驗二 分支線匹配器一、實驗目的1.掌握支節(jié)匹配器的工作原理2.掌握微帶線的基本概念和元件模型3.掌握微帶分支線匹配器的設計與仿真二、實驗原理1.支節(jié)匹配器隨著工作頻率的提高及相應波長的減小，分立元件的寄生參數(shù)效應就變得更加明顯，當波長變得明顯小于典型的電路元件長度時，分布參數(shù)元件替代分立元件而得到廣泛應用。因此，在頻率高達以上時，在負載和傳輸線之間并聯(lián)或串聯(lián)分支短截線，代替分立的電抗元件，實現(xiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡。常用的匹配電路有：支節(jié)匹配器，四分之一波長阻抗變換器，指數(shù)線匹配器等。支節(jié)匹配器分單支節(jié)、雙支節(jié)和

2、三支節(jié)匹配。這類匹配器是在主傳輸線并聯(lián)適當?shù)碾娂{（或串聯(lián)適當?shù)碾娍梗?，用附加的反射來抵消主傳輸線上原來的反射波，以達到匹配的目的。此電納或電抗元件常用一終端短路或開路段構(gòu)成。2. 微帶線從微波制造的觀點看，這種調(diào)諧電路是方便的，因為不需要集總元件，而且并聯(lián)調(diào)諧短截線特別容易制成微帶線或帶狀線形式。微帶線由于其結(jié)構(gòu)小巧，可用印刷的方法做成平面電路，易于與其它無源和有源微波器件集成等特點，被廣泛應用于實際微波電路中。三、實驗內(nèi)容 已知： 輸入阻抗 Zin=75 負載阻抗 Zl=（64+j75） 特性阻抗 Z0=75 介質(zhì)基片面性 r=2.55 ,H=1mm 假定負載在2GHz時實現(xiàn)匹配，利用圖解法

3、設計微帶線單支節(jié)和雙支節(jié)匹配網(wǎng)絡，假設雙支節(jié)網(wǎng)絡分支線與負載的距離 d1=/4,兩分支線之間的距離為d2=/8。畫出幾種可能的電路圖并且比較輸入端反射系數(shù)幅值從1.8GHz至2.2GHz的變化。四、實驗步驟1.建立新項目，確定項目頻率，步驟同實驗1的1-3步。2.將歸一化輸入阻抗和負載阻抗所在位置分別標在Y-Smith導納圖上，步驟類似實驗1的4-6步。3.設計單支節(jié)匹配網(wǎng)絡，在圓圖上確定分支z與負載的距離d以及分支線的長度1，根據(jù)給定的介質(zhì)基片、特性阻抗和頻率用TXLINE計算微帶線物理長度和寬度。注意在圓圖上標出的電角度360度對應二分之一波長，即/2。4.在設計環(huán)境中將微帶線放置在原理圖

4、中。將微帶線的襯底材料放在原理圖中，選擇MSUB并將其拖放在原理圖中，雙擊該元件打開ELEMENT OPTIONS 對話框，將介質(zhì)的相對介電常數(shù)、介質(zhì)厚度H、導體厚度依次輸入。注意微帶分支線處的不均勻性所引起的影響，選擇行當?shù)哪Ｐ汀?.負載阻抗選電阻與電感的串聯(lián)形式，連接各元件端口。添加PORT，GND，完成原理圖，并且將項目頻率改為掃頻1.8-2.2GHz.6.在PROJ下添加圖，添加測量，進行分析。7.設計雙支節(jié)匹配網(wǎng)絡，重新建立一個新的原理圖，在圓圖上確定分支線的長度l1、l2，重復上面步驟35。五、仿真過程1、單支節(jié)匹配在Output Equation中繪制Smith圓圖，代碼如下：繪

5、制的圓圖如圖所示。標記出了歸一化的輸入阻抗zin和負載阻抗zl。繪出了負載等反射系數(shù)圓R，純電納等反射系數(shù)圓Rs和匹配圓Rm。單支節(jié)匹配器仿真結(jié)果使用TXLINE計算器計算過程匹配按如下步驟進行：首先從負載處（標號4346.5）沿等反射系數(shù)圓移動到與匹配圓焦點處（標號229.5），可知移動了198.83°（注意到圓圖上360°對應半波長，故計算采用的角度為99.415°），對應的電尺寸可以使用TXLINE計算器得到，為L=28.823mm，W=1.4373mm。其次從標號229.5點處，得到單支節(jié)傳輸線阻抗為，在Rs圓上作出該點（標號為18895），其角度為55.

6、88°，從開路點向源方向順時針旋轉(zhuǎn)到該點，可知移動了304.12°，同理使用TXLINE計算器可得到支節(jié)的電尺寸，為L=44.198mm，W=1.4373mm。由以上的分析與計算，可繪制電路圖，如圖1.1所示。參數(shù)為調(diào)諧后的值。圖1.1 單支節(jié)匹配器電路圖所選微帶線模型的含義：TL1：輸入端口處的微帶線TL2：負載到支節(jié)的微帶線MTEE表示T型接頭MLEF（YL3）表示終端開路單支節(jié)微帶線MSUB表示微帶線襯底材料輸入端的反射系數(shù)如圖1.2所示。圖1.2 輸入端反射系數(shù)仿真圖2、雙支節(jié)匹配雙支節(jié)匹配時在Output Equation中增量添加如下代碼。如圖1.5所示為雙支節(jié)

7、匹配Smith圓圖。其中Rf是旋轉(zhuǎn)后的匹配圓，zl1是負載阻抗沿著傳輸線移動即180°以后得到的點（設為A點）。Rmm是zl1點所在的等電導圓，沿著該圓順時針旋轉(zhuǎn)到Rf圓的交點（設為B點），作出該交點的等發(fā)射系數(shù)圓Rp，交匹配圓Rm（設為C點）。A點到B點導納值相減即為第一支節(jié)的阻抗值，為1.523，B點到C點導納值之差即為第二支節(jié)的阻抗值，為2.16。在純電納等反射系數(shù)圓（即最大的圓Rs）上作出兩個支節(jié)的阻抗值，從開路點順時針移動到此兩點，讀出移動的角度分別為113.4°和130.3°。圖1.5 雙支節(jié)匹配器仿真結(jié)果使用TXLINE計算器計算過程根據(jù)以上分析和作

8、圖，由TXLINE計算器可得到電尺寸數(shù)值，第一支節(jié)L=16.48mm，第二支節(jié)L=18.94mm，第一段傳輸線（從負載到第一支節(jié)）L=26.16mm，第二段傳輸線（從第一支節(jié)到第二支節(jié)）L=13.08mm，各段傳輸線均有寬度W=1.4373mm。作出電路圖如圖1.6所示。參數(shù)為調(diào)諧后的值。圖1.6 雙支節(jié)匹配器電路圖所選微帶線模型的含義：TL1：匹配源TL5：第二支節(jié)TL7：第一支節(jié)MTEE表示T型接頭MSUB表示微帶線襯底材料輸入端調(diào)諧后的反射系數(shù)如圖1.7所示。圖1.7輸入端反射系數(shù)仿真圖調(diào)諧前輸入端口的反射系數(shù)幅值嚴重偏離2GHz，經(jīng)過調(diào)解微帶線長度，反射系數(shù)幅值基本在2GHz處。調(diào)諧的

9、原因：理論和實際可能存在差距。在調(diào)諧過后，中心頻率達到理想值，在實際中會有比較好的性能。考慮不均勻性的原因：微帶電路是分布參數(shù)電路，其尺寸和工作波長可比擬，因此要考慮其不均勻性，否則引起較大誤差，因此需要調(diào)諧，并加入T型接頭等等。如果去掉T型接頭，反射系數(shù)幅值會偏離2GHz處。六、實驗結(jié)論與思考阻抗匹配通常是為了獲得最大傳輸功率，改善系統(tǒng)的信噪比。阻抗匹配的基本思想是將阻抗匹配網(wǎng)絡放在負載和傳輸線之間。通常設計成向匹配網(wǎng)絡看去阻抗是。雖然在匹配網(wǎng)絡和負載之間有多次反射，但是在匹配網(wǎng)絡左側(cè)傳輸線上的反射被消除了。阻抗匹配有多種方式，本實驗采用的是短截線匹配，重點仿真了單支節(jié)和雙支節(jié)匹配。仿真的主

10、要方法是利用Smith圓圖，依據(jù)串并聯(lián)阻抗特性，旋轉(zhuǎn)圓圖，達到匹配，讀取結(jié)果計算得到電路尺寸，然后繪制出電路圖，經(jīng)過調(diào)諧得到匹配網(wǎng)絡的參數(shù)。實驗中的難點在于標記阻抗值、繪制圓圖中的等反射系數(shù)圓和導納圓。阻抗值的標記需要進行變換，否則無法在導納圓圖中正確顯示。發(fā)射系數(shù)圓的繪制采用定半徑，然后360°旋轉(zhuǎn)描點的方法。導納圓的繪制需要結(jié)合使用旋轉(zhuǎn)描點（單支節(jié)匹配時使用）、圓方程繪圖的方法（雙支節(jié)匹配時使用）及在圓圖上旋轉(zhuǎn)找交點讀數(shù)得結(jié)果。實驗三 四分之一波長阻抗變換器一、 實驗目的1.掌握單枝節(jié)和多枝節(jié)四分之一波長變換器的工作原理。2.了解單節(jié)和多節(jié)變換器工作帶寬和反射系數(shù)的關(guān)系。3.掌握

11、單節(jié)和多節(jié)四分之一波長變換器的設計和仿真。二、 實驗原理1.單節(jié)四分之一波長阻抗變化器四分之一波長變阻器是一種阻抗變換元件，它可以用于負載或信號源內(nèi)阻與傳輸線的匹配，以保證最大功率的傳輸；此外，在微帶電路中，將兩端不同特性阻抗的微帶連接在一起時為了避免線間反射，也應在兩者之間加四分之一波長變換器。1) 負載阻抗為純電阻RL2) 負載阻抗為負數(shù)ZlZ1=sqrt（Z0*Z0/p）將入/4變換器接在電壓駐波波節(jié)位置（離負載為Lm處）。Z1=sqrt（Z0*Z0*p）將入/4變換器接在電壓駐波波腹位置（離負載為Ln處）。2.多節(jié)四分之一波長阻抗變化器單節(jié)變阻器是一種簡單而有用的電路，其缺點是頻帶太窄

12、。為了獲得較寬的頻帶，可以采用多節(jié)阻抗變換器。如圖2.1為多節(jié)變阻器示意圖。 圖2.1 多節(jié)變阻器通常使多節(jié)變阻器具有對稱結(jié)構(gòu)，設置單調(diào)遞增或單調(diào)遞減，所有符號相同，則(2.1)其中，且令。令和分別為頻帶的上下邊界，為中心頻率，為相對帶寬，則有如下定義(2.2)(2.3)取每段變阻器的長度為傳輸線波長的四分之一，即。1) 二項多節(jié)阻抗變換器2) 切比雪夫多節(jié)阻抗變換器切比雪夫阻抗變換器的設計方法是：使它的反射系數(shù)的模隨角度按切比雪夫多項式變化。三、實驗內(nèi)容（1）已知：負載阻抗為純電阻RL=150歐姆，中心頻率f0=3Ghz，主傳輸線特性阻抗Z0=50歐姆，介質(zhì)基片面性 r=2.55 ,H=1m

13、m，最大反射系數(shù)不應超過0.1，設計1,2,3節(jié)二項式變阻器，在給定的反射系數(shù)條件下比較它們的工作帶寬，要求用微帶線形式實現(xiàn)。（2）已知負載阻抗為復試：Zl=85-j*45歐姆，中心頻率f0=3Ghz，主傳輸線特性阻抗Z0=50歐姆，在電壓駐波波節(jié)處利用單節(jié)四分之一波長阻抗變換器，設計微帶線變阻器。四 、實驗步驟（1） 按照書上的公式進行1,2,3節(jié)的電阻的計算，然后再用Txline進行計算，標注到電路原理圖即可（2） 對于負載阻抗是復數(shù)的，首先在史密斯圓圖上標注在出阻抗和反射系數(shù)，從負載點沿等駐波系數(shù)圓向源方向旋轉(zhuǎn)，與史密斯圓圖左半實軸的交點。（3） 查閱相關(guān)的系數(shù)，設計切比雪夫變阻器。五、

14、相關(guān)的實驗圖1. 1,2,3節(jié)四分之一波長變換器1) 負載阻抗為純電阻RL1節(jié)的電路原理圖：所選微帶線模型的含義：TL1：匹配源TL5：匹配單支節(jié)TL3：匹配負載MSTEP$：寬度階梯變換器MSUB表示微帶線襯底材料2節(jié)電路原理圖：所選微帶線模型的含義：TL4：匹配源TL6：第二支節(jié)TL1：第一支節(jié)TL3：匹配負載150歐MSTEP$：寬度階梯變換器MSUB表示微帶線襯底材料3節(jié)電路原理圖：所選微帶線模型的含義：TL4：匹配源TL9：第三支節(jié)TL6：第二支節(jié)TL1：第一支節(jié)TL3：匹配負載150歐MSTEP$：寬度階梯變換器MSUB表示微帶線襯底材料1，2，3節(jié)的測量圖：結(jié)論：將純電阻負載三種

15、二項式變阻器的反射系數(shù)曲線繪制在一個圖中，可清晰觀察到隨著節(jié)數(shù)的增加，通帶變寬，變平坦。這也說明雖然單節(jié)四分之一波長變阻器是一種簡單而有用的電路，單其頻帶太窄的缺點是顯而易見的，未獲得較寬的頻帶，可以采用雙節(jié)或多節(jié)阻抗變換器。2）負載阻抗是復數(shù)史密斯阻抗圓圖：相應的角度圖：起始角度終止角度TXLINE角度LWZ電壓波節(jié)點-33.65-179.97310.7424.0332.71電壓波腹點-33.65-0.49611531.8991.89976.43電路圖：波節(jié)：波腹所選微帶線模型的含義：TL4：匹配源TL1：匹配波節(jié)（腹）處輸入阻抗TL3：單節(jié)阻抗變換器MSTEP$：寬度階梯變換器MSUB表示微帶線襯底材料測量圖：2. 切比雪夫阻抗變換器阻抗比R=150/50=3，且反射系數(shù)不超過0.1，則m=1.22，查實驗指導書附錄的相對帶寬為1是，=1.18<1.22，符合。查找附錄的切比雪夫變阻器歸一化電阻值為：z1=1.24988，z2=1.732, z3=2.4,反歸一化得，Z1=62.95，Z2=86.6，Z3=120。經(jīng)過TXLINE計算的下表：LWZ113.4921.2742Z213.830.62807Z314.1470.24181電路圖：12683所選微帶線模型的含義：TL1：匹配源TL2：第三支節(jié)TL6：第二支節(jié)TL8