電磁場與微波技術實驗報告

電磁場與微波技術 電磁場與微波技術實驗報告班級：學號：姓名：班內(nèi)序號：目錄目錄 2實驗2微帶分支線匹配器 3一、實驗目的： 3二、實驗原理 3三、實驗內(nèi)容 3四、實驗步驟 3實驗三四分之一波長阻抗變換器 15實驗目的 15實驗原理 15單節(jié)阻抗變換器 16多節(jié)阻抗變換器 16實驗內(nèi)容 17實驗步驟 18實驗4低通濾波器 31實驗目的 31實驗原理 31低通原型濾波電路 32Richards變換 32Kuroda變換 33實驗內(nèi)容 33實驗步驟 33總結 41完成任務 41問題及解決 41心得與體會 41實驗2微帶分支線匹配器一、實驗目的：1．熟悉支節(jié)匹配器的匹配原理2.了解微帶線的工作原理和實際應用3．掌握Smith圖解法設計微帶線匹配網(wǎng)絡二、實驗原理支節(jié)匹配器是在主傳輸線上并聯(lián)適當?shù)碾娂{（或者串聯(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。單支節(jié)匹配器，調(diào)諧時主要有兩個可調(diào)參量：距離d和由并聯(lián)開路或短路短截線提供的電納。匹配的基本思想是選擇d，使其在距離負載d處向主線看去的導納Y是Y0+jB形式。然后，此短截線的電納選擇為-jB，根據(jù)該電納值確定分支短截線的長度，這樣就達到匹配條件。雙支節(jié)匹配器，通過增加一支節(jié)，改進了單支節(jié)匹配器需要調(diào)節(jié)支節(jié)位置的不足，只需調(diào)節(jié)兩個分支線長度，就能夠達到匹配（但是雙支節(jié)匹配不是對任意負載阻抗都能匹配的，即存在一個不能得到匹配的禁區(qū)）。三、實驗內(nèi)容已知：輸入阻抗Zin=75歐負載阻抗Zl=（64+j35）歐特性阻抗Z0=75歐介質(zhì)基片εr=2.55，H=1mm假定負載在2G赫茲時實現(xiàn)匹配，利用圖解法設計微帶線單支節(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=四分之一波長，兩分支線之間的距離為d2=八分之一波長。畫出幾種可能的電路圖并且比較輸入端反射系數(shù)幅度從1.8GHz至2.2GHz的變化四、實驗步驟（一）：單支節(jié)匹配在史密斯圓圖上找到等反射系數(shù)圓和g=1圓的交點，有兩個點選取距離最近的點g=1.00001，b=0.5447，在g=0的導納圓上找到b=-0.544421的點與其匹配。等反射系數(shù)圓上，g=1點距離負載點92.88+105.2=198.08’,d=198.08’*半波長，使用TXLINE計算，距離為28.787mm支節(jié)長度l=87’*半波長，計算為17.858mm輸入端口處也需要接一個微帶線，其寬度要和輸出端口的阻抗75歐匹配，長度任意。用TXLINE，輸入阻抗，算出微帶線L=26.159實驗原理圖如下所示：實驗中用到的計算式：采用計算出的參數(shù)得到的S參數(shù)曲線（dB圖）：調(diào)整支節(jié)長度和支節(jié)和負載的距離，調(diào)整范圍為+/-10%，使得在2GHz時S參數(shù)最小，如下圖所示：（二）、雙支節(jié)匹配在等導納圓上找到距離負載點（a點）四分之一波長的點（b點），該點與匹配點相距180’：算的該點距離負載點實際距離為26.159mm在輔助圓上找到和b點處g值相等的點，這樣的點有兩個，選擇與d1點較近的點（c點），該點為引入支節(jié)1后的d1處的導納值點：支節(jié)1只提供b值，不提供g值，算的b1=1.98987-0.469489=1.520381，在g=0的導納圓上找到該點（c’點）：這個點距離導納短路點相距(180’+113.4’)/2=146.7’,計算支節(jié)1的長度如下，l1=42.64mm：在g=1導納圓上找到它和c點所在的等反射系數(shù)圓的交點，有兩個，選擇上面的那一個（d點），因為該點應是c點在它的反射系數(shù)圓上順時針繞90’所得的點，也就是d2處沒有引入支節(jié)二時候的導納點：支節(jié)1和支節(jié)2之間的長度d2：在g=0的導納圓上找到與d點b值相反的點：改為幅度與角度模式，獲得支節(jié)2的電長度（180’+130.3’）/2=155.15’：計算支節(jié)2的長度：實驗原理圖：實驗中用到的計算式：采用計算值得到的S系數(shù)曲線圖：調(diào)節(jié)兩個支節(jié)的長度，調(diào)整幅度為+/-10%，找到2GHz時S最小的點，對應的支節(jié)長度為，支節(jié)1是41.92mm，支節(jié)2是44.62mm：調(diào)整后的原理圖：Ps：因為忘了保存工程文件，附帶的工程文件為后來補做的，在史密斯圓圖上選點時可能會出現(xiàn)與實驗報告數(shù)據(jù)偏差。實驗三四分之一波長阻抗變換器實驗目的掌握單節(jié)與多節(jié)四分之一波長變阻器的工作原理；了解單節(jié)與多節(jié)四分之一波長變阻器的工作帶寬與反射系數(shù)的關系；掌握單節(jié)與多節(jié)四分之一波長變阻器的設計與仿真。實驗原理單節(jié)阻抗變換器阻抗變換器由一段特性阻抗為的傳輸線構成。如圖4所示，圖1.4阻抗變換器假設負載為純電阻，即。則有：為了使實現(xiàn)匹配，則必須使由于無耗線的特性阻抗為實數(shù)，故阻抗變換器只能匹配純電阻負載。若當為復數(shù)時,根據(jù)行駐波的電壓波腹和波節(jié)點處的輸入阻抗為純組：可將阻抗變換器接在靠近終端的電壓波腹或波節(jié)點處來實現(xiàn)阻抗匹配。若線在電壓波腹點接入，則線的特性阻抗為：若線在電壓波節(jié)點接入，則線的特性阻抗為多節(jié)阻抗變換器實驗內(nèi)容已知負載阻抗為純阻抗RL=150歐姆，中心頻率3GHz，主傳輸線特性阻抗Z0=50歐姆，介質(zhì)基片Er=4.6，H=1mm，最大反射系數(shù)模不超過0.1，設計1、2、3節(jié)二項式變阻器。已知負載阻抗為復數(shù)ZL=85-j45歐姆，中心頻率3GHz，主傳輸線特性阻抗Z0=50歐姆，在電壓駐波波腹點或者波節(jié)點利用四分之一波長阻抗變換器，設計微帶線變阻器，微帶線介質(zhì)參數(shù)同上。實驗步驟實驗中用到的公式，計算出純阻負載時，1、2、3節(jié)二項式變換器每節(jié)變換器的對應特性阻抗，如下圖所示(2)分別計算各個特性阻抗對應的四分之一波長變換器的長度與寬度Z0=50，計算可得，L=13.254mm，W=1.8986mm1節(jié)二項式變換器，Z1=86.6，計算可得，L=13.83mm，W=0.62807mm2節(jié)二項式變化器第1節(jié)，Z21=65.8，計算可得，L=13.548mm，W=1.1525mm2節(jié)二項式變換器第2節(jié)，Z22=114，計算可得，L=14.104mm，W=0.2857mm3節(jié)二項式變換器第1節(jié)，R31=57.36，計算可得，L=13.4mm，W=1.4946mm3節(jié)二項式變換器第2節(jié)，Z32=86.6，計算可得，L=13.83mm，W=0.62807mm3節(jié)二項式變換器第3節(jié)，Z33=130.8，就算可得，L=14.216，W=0.17796mm(3)等反射系數(shù)rj圓等反射系數(shù)圓與實軸的兩個交點如下圖所示，左側(cè)對應LM，右側(cè)對應LN顯示幅度值，LM對應180Deg，LN對應0Deg顯示阻抗值波節(jié)點LM：電長度（180-33.69*）/2u=2.33675Z1=Z0*sqrt（1/u）=32.71波腹點LN：電長度（360-33.69）/2Z1=Z0*sqrt（u）=76.43（4）LM-Z1:采用在波節(jié)點處連接變化器時，L=12.831mm，W=3.6308mmLN-Z1：采用才波腹點處連接變換器時，L=13.706mm，W=0.84186mmLM，波節(jié)點距離負載73.155電長度，L=10.773mm，W=1.8986mmLN，波腹點距離負載163.155電長度，L=24.027mm，W=1.8986mm(5)-(7)負載為復數(shù)時，單節(jié)四分之一波長變換器原理圖采用波節(jié)處連接變換器（藍線），未調(diào)諧前得到的S參數(shù)調(diào)諧后得到的S參數(shù)，此時，變換器的長度為12.69mmm，達到-53.22dB采用波腹處連接變換器（粉線），未調(diào)諧前得到的S參數(shù)調(diào)諧后得到的S參數(shù)，此時，變換器的長度為13.406mm，達到-48.74負載為純阻時的原理圖：采用單節(jié)變化器（藍色），雙節(jié)二項式變換器（粉色），三節(jié)二項式變換器（褐色），調(diào)諧后的S參數(shù)，此時變換器長度調(diào)諧為單節(jié)：13.9mm雙節(jié)：14.12mm，13.37mm三節(jié)：13.83mm，13.38mm，14.6mm調(diào)諧結果：（8）對于純電阻負載，采用3節(jié)切比雪夫變換器設計：n=3，R=RL/Z0=3,rm=0.1,pm=1.22查表Wq=1.0,此時pm=1.1818<1.22歸一化阻抗：z1=1.24988Z1=1.4988*50=62.49z2=1.7321Z2=86.605z3=2.400Z3=120測得的駐波比如下所示：反射系數(shù)：實驗4低通濾波器實驗目的掌握集總參數(shù)元件低通濾波器的方法；掌握分布參數(shù)元件低通濾波器的方法；掌握集總參數(shù)元件和微帶線低通濾波器的設計與仿真。實驗原理設計微帶線濾波器的步驟為：微帶線結構的實現(xiàn)微帶線結構的實現(xiàn)頻率和阻抗定標、變換濾波器性能指標低通原型濾波電路Richards變換Kuroda變換實驗內(nèi)容設計一個輸入輸出阻抗為50歐姆的等波紋低通濾波器，截止頻率2GHz，帶內(nèi)博文0.5GHz，當頻率大于截止頻率2倍時損耗不小于40dB，微帶線介質(zhì)基片材料，Er=4.6，H=0.635mm（25mil）實驗步驟（1）已知0.5dB，頻率大于截止頻率2倍時衰減不能低于40dB，查圖可知，n=5g1=1.7058g2=1.2296g3=2.5408g4=1.2296g5=1.7058g6=1采用并聯(lián)電容優(yōu)先，對應的電路圖如下(2)-(3)利用Richards和Kuroda變換，計算對應的微帶結構各參數(shù)<1>第一步變換在源和負載插入單位元件，采用Kuroda（a）變換單位元件Z1=1，1/Z2=1.7058，Z2=0.5862,N=1+Z2/Z1=1.5862變換后：Z2/N=0.3696,Z1/N=0.6304變換結果：<2>第二步變換在源和負載插入單位元件，采用Kuroda（b）變換：第一部分：Z1=0.6304，Z2=1，N=1+1/0.6304=2.5863變換后：NZ1=1.6304，1/(NZ2)=0.3867,NZ2=2.5863第二部分：Z1=1.2296，Z2=0.3696.，N=1+0.3696/1.2296=1.3005變換后：NZ1=1.5991，1/(NZ2)=2.0803,NZ2=0.4807變換結果：(3)將單位元件和微帶開路線反歸一化：Z0=50Z1=(1/0.3867)*50=129.315Z2=1.6304*50=81.52Z3=(1/2.0803)*50=24.035Z4=1.5991*50=79.955Z5=(1/2.5408)*50=19.68計算每個微帶線對應的L和W值：Z0：Z1：Z2:Z3：Z4：Z5：(5)原理圖：對參數(shù)S21進行仿真，結果為：分別對各并聯(lián)的微帶線長度進行調(diào)諧，最后在4Hz附近達到-115.4dB衰減下圖為調(diào)諧后的參數(shù)：(6)采用濾波器綜合向?qū)гO計集中參數(shù)