北郵電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、信息與通信工程學(xué)院電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)題目：微波器件設(shè)計(jì)與仿真班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：日期：實(shí)驗(yàn)二 分支線匹配器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.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(shè)計(jì)與仿真二、實(shí)驗(yàn)原理1.支節(jié)匹配器隨著工作頻率的提高及相應(yīng)波長(zhǎng)的減小，分立元件的寄生參數(shù)效應(yīng)就變得更加明顯，當(dāng)波長(zhǎng)變得明顯小于典型的電路元件長(zhǎng)度時(shí)，分布參數(shù)元件替代分立元件而得到廣泛應(yīng)用。因此，在頻率高達(dá)以上時(shí)，在負(fù)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(shí)現(xiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。常用的匹配電路有：支節(jié)匹配器，四分之一波長(zhǎng)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(dāng)?shù)碾娂{（或串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍梗酶郊拥姆瓷鋪淼窒鱾鬏斁€上原來的反射波，以達(dá)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(diǎn)看，這種調(diào)諧電路是方便的，因?yàn)椴恍枰傇?，而且并?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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際微波電路中。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 已知： 輸入阻抗 Zin=75 負(fù)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(fù)載在2GHz時(shí)實(shí)現(xiàn)匹配，利用圖解法

3、設(shè)計(jì)微帶線單支節(jié)和雙支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)雙支節(jié)網(wǎng)絡(luò)分支線與負(fù)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(shí)驗(yàn)步驟1.建立新項(xiàng)目，確定項(xiàng)目頻率，步驟同實(shí)驗(yàn)1的1-3步。2.將歸一化輸入阻抗和負(fù)載阻抗所在位置分別標(biāo)在Y-Smith導(dǎo)納圖上，步驟類似實(shí)驗(yàn)1的4-6步。3.設(shè)計(jì)單支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，在圓圖上確定分支z與負(fù)載的距離d以及分支線的長(zhǎng)度1，根據(jù)給定的介質(zhì)基片、特性阻抗和頻率用TXLINE計(jì)算微帶線物理長(zhǎng)度和寬度。注意在圓圖上標(biāo)出的電角度360度對(duì)應(yīng)二分之一波長(zhǎng)，即/2。4.在設(shè)計(jì)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(duì)話框，將介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)厚度H、導(dǎo)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(dāng)?shù)哪Ｐ汀?.負(fù)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(xiàng)目頻率改為掃頻1.8-2.2GHz.6.在PROJ下添加圖，添加測(cè)量，進(jìn)行分析。7.設(shè)計(jì)雙支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，重新建立一個(gè)新的原理圖，在圓圖上確定分支線的長(zhǎng)度l1、l2，重復(fù)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(biāo)記出了歸一化的輸入阻抗zin和負(fù)載阻抗zl。繪出了負(fù)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(jì)算器計(jì)算過程匹配按如下步驟進(jìn)行：首先從負(fù)載處（標(biāo)號(hào)4346.5）沿等反射系數(shù)圓移動(dòng)到與匹配圓焦點(diǎn)處（標(biāo)號(hào)229.5），可知移動(dòng)了198.83°（注意到圓圖上360°對(duì)應(yīng)半波長(zhǎng)，故計(jì)算采用的角度為99.415°），對(duì)應(yīng)的電尺寸可以使用TXLINE計(jì)算器得到，為L(zhǎng)=28.823mm，W=1.4373mm。其次從標(biāo)號(hào)229.5點(diǎn)處，得到單支節(jié)傳輸線阻抗為，在Rs圓上作出該點(diǎn)（標(biāo)號(hào)為18895），其角度為55.

6、88°，從開路點(diǎn)向源方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到該點(diǎn)，可知移動(dòng)了304.12°，同理使用TXLINE計(jì)算器可得到支節(jié)的電尺寸，為L(zhǎng)=44.198mm，W=1.4373mm。由以上的分析與計(jì)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(fù)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(shí)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(fù)載阻抗沿著傳輸線移動(dòng)即180°以后得到的點(diǎn)（設(shè)為A點(diǎn)）。Rmm是zl1點(diǎn)所在的等電導(dǎo)圓，沿著該圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到Rf圓的交點(diǎn)（設(shè)為B點(diǎn)），作出該交點(diǎn)的等發(fā)射系數(shù)圓Rp，交匹配圓Rm（設(shè)為C點(diǎn)）。A點(diǎn)到B點(diǎn)導(dǎo)納值相減即為第一支節(jié)的阻抗值，為1.523，B點(diǎn)到C點(diǎn)導(dǎo)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(gè)支節(jié)的阻抗值，從開路點(diǎn)順時(shí)針移動(dòng)到此兩點(diǎn)，讀出移動(dòng)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(jì)算器計(jì)算過程根據(jù)以上分析和作

8、圖，由TXLINE計(jì)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(fù)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(yán)重偏離2GHz，經(jīng)過調(diào)解微帶線長(zhǎng)度，反射系數(shù)幅值基本在2GHz處。調(diào)諧的

9、原因：理論和實(shí)際可能存在差距。在調(diào)諧過后，中心頻率達(dá)到理想值，在實(shí)際中會(huì)有比較好的性能?？紤]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(zhǎng)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(huì)偏離2GHz處。六、實(shí)驗(yàn)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(luò)放在負(fù)載和傳輸線之間。通常設(shè)計(jì)成向匹配網(wǎng)絡(luò)看去阻抗是。雖然在匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載之間有多次反射，但是在匹配網(wǎng)絡(luò)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(shí)驗(yàn)采用的是短截線匹配，重點(diǎn)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(dá)到匹配，讀取結(jié)果計(jì)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(luò)的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)在于標(biāo)記阻抗值、繪制圓圖中的等反射系數(shù)圓和導(dǎo)納圓。阻抗值的標(biāo)記需要進(jìn)行變換，否則無法在導(dǎo)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(diǎn)的方法。導(dǎo)納圓的繪制需要結(jié)合使用旋轉(zhuǎn)描點(diǎn)（單支節(jié)匹配時(shí)使用）、圓方程繪圖的方法（雙支節(jié)匹配時(shí)使用）及在圓圖上旋轉(zhuǎn)找交點(diǎn)讀數(shù)得結(jié)果。實(shí)驗(yàn)三 四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握單枝節(jié)和多枝節(jié)四分之一波長(zhǎng)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(zhǎng)變換器的設(shè)計(jì)和仿真。二、 實(shí)驗(yàn)原理1.單節(jié)四分之一波長(zhǎng)阻抗變化器四分之一波長(zhǎng)變阻器是一種阻抗變換元件，它可以用于負(fù)載或信號(hào)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(shí)為了避免線間反射，也應(yīng)在兩者之間加四分之一波長(zhǎng)變換器。1) 負(fù)載阻抗為純電阻RL2) 負(fù)載阻抗為負(fù)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(fù)載為L(zhǎng)m處）。Z1=sqrt（Z0*Z0*p）將入/4變換器接在電壓駐波波腹位置（離負(fù)載為L(zhǎng)n處）。2.多節(jié)四分之一波長(zhǎng)阻抗變化器單節(jié)變阻器是一種簡(jiǎn)單而有用的電路，其缺點(diǎn)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，設(shè)置單調(diào)遞增或單調(diào)遞減，所有符號(hào)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(duì)帶寬，則有如下定義(2.2)(2.3)取每段變阻器的長(zhǎng)度為傳輸線波長(zhǎng)的四分之一，即。1) 二項(xiàng)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(shè)計(jì)方法是：使它的反射系數(shù)的模隨角度按切比雪夫多項(xiàng)式變化。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）已知：負(fù)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(yīng)超過0.1，設(shè)計(jì)1,2,3節(jié)二項(xiàng)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(shí)現(xiàn)。（2）已知負(fù)載阻抗為復(fù)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(zhǎng)阻抗變換器，設(shè)計(jì)微帶線變阻器。四 、實(shí)驗(yàn)步驟（1） 按照書上的公式進(jìn)行1,2,3節(jié)的電阻的計(jì)算，然后再用Txline進(jìn)行計(jì)算，標(biāo)注到電路原理圖即可（2） 對(duì)于負(fù)載阻抗是復(fù)數(shù)的，首先在史密斯圓圖上標(biāo)注在出阻抗和反射系數(shù)，從負(fù)載點(diǎn)沿等駐波系數(shù)圓向源方向旋轉(zhuǎn)，與史密斯圓圖左半實(shí)軸的交點(diǎn)。（3） 查閱相關(guān)的系數(shù)，設(shè)計(jì)切比雪夫變阻器。五、

14、相關(guān)的實(shí)驗(yàn)圖1. 1,2,3節(jié)四分之一波長(zhǎng)變換器1) 負(fù)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(fù)載MSTEP$：寬度階梯變換器MSUB表示微帶線襯底材料2節(jié)電路原理圖：所選微帶線模型的含義：TL4：匹配源TL6：第二支節(jié)TL1：第一支節(jié)TL3：匹配負(fù)載150歐MSTEP$：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(fù)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(cè)量圖：結(jié)論：將純電阻負(fù)載三種

15、二項(xiàng)式變阻器的反射系數(shù)曲線繪制在一個(gè)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(zhǎng)變阻器是一種簡(jiǎn)單而有用的電路，單其頻帶太窄的缺點(diǎn)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(fù)載阻抗是復(fù)數(shù)史密斯阻抗圓圖：相應(yīng)的角度圖：起始角度終止角度TXLINE角度LWZ電壓波節(jié)點(diǎn)-33.65-179.97310.7424.0332.71電壓波腹點(diǎn)-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：?jiǎn)喂?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(cè)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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書附錄的相對(duì)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(jì)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