微波工程實驗報告

《微波有源與無源電路》實驗報告學(xué)院： 電子與通信工程學(xué)院班級： 碩777班 學(xué)號： 545566566 姓名： 4545554實驗一、整流器非線性分析、實驗?zāi)康?設(shè)計一個非線性二極管整流器，并進行非線性分析以及調(diào)節(jié)。二、實驗儀器:硬件：PC機軟件：MicrowaveOffice軟件三、設(shè)計步驟:創(chuàng)建原理圖:ACVSID=V1Mag=1.54VAng=ODegSDIODEOffset=0VID=SD1 V_METER□ o o □圖1.1—實驗原理電路圖2設(shè)置模擬頻率點擊Proj標(biāo)簽，回到工程瀏覽頁：從主菜單選擇Options\ProjectOptions,在FrequencyValues頁設(shè)置工作頻率；將右下角的unit項設(shè)為MHz;勾選Siglepoint項，輸

入500MHz，點擊APPLY按鈕，則在左側(cè)出現(xiàn)頻率范圍；點擊確定按鈕即可。CurrentRangeDeleteSelectedModifyRangeStart(MHz)0Stop(MHz)2500Step(MHz)50SinglepointCurrentRangeDeleteSelectedModifyRangeStart(MHz)0Stop(MHz)2500Step(MHz)50SinglepointAddDeleteoReplaceApplvSweepTypeaLinearExponentialDataEntryUnits|MHzDoesnotaffectglobalunits確定取消幫助確定取消幫助ProjectOptions?■亠1FrequenciesSchematics/Diagi-：=iitisGlobalUnitsInterpolaAioib'Fassivity圖1.2—設(shè)置頻率圖添加圖表以及測量項從主菜單中選擇Project\AddGraph,在彈出的窗口中選擇Rectangular項，點擊確定，添加Graphl，同理添加Graph2；前者是測量V-time項，后者是測量V-harm項，結(jié)果如下圖所示：

0.80.60.40.205-^|Vharm(ACVS.V1)|n(V)Rectifier導(dǎo)|Vharm(V_METERVM1)|[*](V)Rectifier0.80.60.40.205-^|Vharm(ACVS.V1)|n(V)Rectifier導(dǎo)|Vharm(V_METERVM1)|[*](V)Rectifier[j..3 E3￡1 c Graph222.51 1.5Frequency(GHz)p1:Freq=0.5GHzp2Freq=0.5GHz圖1.4一Graph2的分析結(jié)果圖四、實驗分析：從主菜單選Simulate\TuneTool，將鼠標(biāo)移至原理窗，此時將會出現(xiàn)一個調(diào)解工具符號，能將元件參數(shù)設(shè)為可以調(diào)的；用該工具選中ACVS中的Mag參數(shù)值，RES的R參數(shù)值。結(jié)果如下圖：

圖1.5—改變電壓后的圖(電壓變大)Graph2Graph2p1:Freq=0.5GHzp2:Freq=0.5GHz圖1.6—改變電壓后的結(jié)果(V=1.54v,R=50 )結(jié)論：1.改變電阻后紅色圖不變，藍(lán)色圖改變，電阻增，幅度增加。改變電壓后紅色圖、藍(lán)色圖都變化，電壓增，幅度增加。實驗二、集總元件濾波器的線性分析一、設(shè)計要求：設(shè)計一個電感輸入式集總元件濾波器。已知L1=L4=15nH,L2二L3二30nH,Cl二C3二8pF,C2二10pF,輸入和輸出端特性阻抗均為500。工作頻率100~1000MHz。（1） 畫出原理圖，測量s,S參數(shù)（單位dB）與頻率的關(guān)系曲線。1121（2） 調(diào)節(jié)元件值L1,L4,C1,C3,觀察S參數(shù)的相應(yīng)變化。（3） 優(yōu)化電路，使其滿足f<500MHz時，S<-17dB,S>-1dB1121f>700MHZ時'S21<-30dB記錄最終的優(yōu)化結(jié)果：各元件值，便量值及曲線圖。二、實驗儀器：硬件：PC機軟件：MicrowaveOffice軟件三、設(shè)計步驟:創(chuàng)建原理圖設(shè)置GlobeUnits中各個參數(shù)的單位畫圖，從Elem中選擇各元件。按照原理圖正確繪制。添加圖表及測量項設(shè)置工作頻率：100~1000MHz階長：10MHz.添加矩形圖，添加測量項:PortParameterS（dB）參數(shù)s,S。1「213?測量

Analyze分析電路，測量S參數(shù)的特性曲線。調(diào)節(jié)將元件L1,L4,C1,C3的數(shù)值設(shè)為可調(diào)，調(diào)節(jié)各值，觀察S參數(shù)的相應(yīng)變化。優(yōu)化電路定義變量：將L1，L4的值設(shè)為變量Lin。Cl,C3的值設(shè)為變量Cin.選擇優(yōu)化參數(shù)：將L2,L3,C2,Lin,Cin參數(shù)的優(yōu)化選項激活，依次設(shè)置上限60，60，20，30，16。設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)：逐步添加s,sl121參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)。f<500MHz時，Sv—17dB,S>-1dB；f>700MHz時，1121sv—30dB。執(zhí)行優(yōu)化：OptimizeRandom(Local)，最大迭代次數(shù)5000210次。開始執(zhí)行優(yōu)化。四、實驗數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果顯示Lin=15Cin=8CAPID￡1Lin=15Cin=8CAPID￡1C￡inpFCAPID￡2C=10pFCAPID￡3C￡inpF[1□□ ■ □INDINDINDINDPORTID=L1ID￡2ID=L3ID￡4P=2L±innHL=30nHL=30nHL=JnnHZ=50Ohm-、￡、￡、、-11jl 1--OG-Q—uh―Q-OQ-—nn―EXn(1」-□_El-vUV'uVVPORTP=1Z=50Ohm□□圖2.1—初始原理圖Ex4_Spectrum-20-30-40-50100&廠A J-20-30-40-50100&廠A J「X妙么"-/\<\/'2\\TTIJ111111—DB(|S[1,1]|)Ex4_LPF\—DB(|S[2,1]|)Ex4_LPF300500 700Frequency(MHz)900 10002.22.2-未優(yōu)化的測量圖：…IQDataFilesB-F>]SystemDiagrams=…ISAnnotationsE)-F?~lCi『匚u狂Schematicsj…13Annotations：…西Ixjl白??區(qū)0EMStructures：…圈Annotations：…畫OutputEquationsH-ffiGraphsI白??應(yīng)Graph1j…fflIxjlDBdSdJJl)□-￡3OptimizerGoalsj…畫 [w=lL=2.Range|…畫I或1:D班知何二1』L=ZRangei…園 M二1』L二zRange=[園YieldGoals[53OutputFiles由冒]Wizards圖2.3—優(yōu)化參數(shù)設(shè)置圖(此處給出S(1,1)的優(yōu)化)PORTINDINDINDINDPORTP=IDL1IDL2IDL3IDL4P=>Z=50OhmL=_innHL=32.95nHL=32.95nHL=_innHZ=50OhmQ □ □Lin=18.35 CAP CAP CAPIDC1 ID￡2 ID￡3C￡inpF~ C=0.08pF C￡inpFCin=9.088Q □ □圖2.4-優(yōu)化后的原理圖表2.1-優(yōu)化后各元件及變量的值參數(shù)Lin(nh)Cin(pf)L2(nh)L3(nh)C2(pf)優(yōu)化值18.359.08832.9532.9510.08Ex4_Spectrum圖2.5-優(yōu)化后的期望測量圖五、實驗結(jié)果分析與總結(jié)：畫出原理圖后在初始數(shù)據(jù)條件下進行仿真分析，S參數(shù)是頻率的關(guān)系如初始測量圖，將L1,L4,C1,C3的值設(shè)置為可調(diào)后，調(diào)節(jié)各值，S參數(shù)都會隨著變化,S的變化明顯;設(shè)置優(yōu)化后從測量圖中可以看出,11基本滿足優(yōu)化電路的設(shè)計要求。即：當(dāng)f<500H時,s<-17dB,S>-1dB；當(dāng)f>700MHz時，s<-30dB21集總元件濾波器的線性分析實驗的設(shè)計，熟練使用繪圖的各元件，設(shè)置各元件參數(shù)，更重要的是學(xué)會優(yōu)化電路的分析方法，選擇優(yōu)化參數(shù)，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)等。實驗三、功率分配器一、 設(shè)計要求:設(shè)計一個三端口等功率分配器，采用微帶線結(jié)構(gòu)。已知輸入端特性阻抗Z二500，共作頻率f二3GHz；微帶線基片￡二9.8,h二1000um,T二1um.0 0 r測量特性指標(biāo)S,S,S(單位dB)與頻率(0.5f~1.5f)的關(guān)系曲線。調(diào)11 21 23 0 0節(jié)微帶線的尺寸，使功率分配器的性能達(dá)到最佳。二、 實驗儀器：硬件：PC機軟件：MicrowaveOffice軟件（1）阻值計算:圖中，Z、Z的長度均為九/4;計算得Z=Z=、/2z；Z=Z=Z；r=2Z02 03 0 02 03 0 04 05 0 0計算結(jié)果填寫在表3.1中?（1） 微帶線尺寸計算：利用TX-Line的自帶軟件帶入相關(guān)參數(shù)計算微帶線尺寸。（2） 完成電路圖：測量個特性指標(biāo)依次設(shè)置單位，工作頻率（1.5~4.5GHz,階長0.01），畫電路圖，添加圖表，測量項。分析電路，觀察所得曲線。（3） 調(diào)節(jié)電路：調(diào)節(jié)電阻r的長度，寬度，使得s,S在f處盡可能11 23 0小，S盡可能接近-3Db.記錄最終的調(diào)節(jié)結(jié)果。21四、實驗數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果顯示：表3.1(已知條件：￡二9.8,h二1000um,T二1um.f=3GHz)r 0參數(shù)阻值（Q）電長度（deg）L(um)W(um)Z050101073.2969.774Z,Z02 0370.7909950.45423.414Z,Z04 0550101073.2969.774r1005565.86135五、實驗原理圖如下：（圖3.1—參考電路圖）uMTRACE；ID-X1W-970umL-1073[J71BType-2M-Q.6LiMSUBEr-9.SH-iaaaumT-1um[Rho-1Tand-QErtNom-1[Wame-SOB1^OIRTZ-5QOhm調(diào)節(jié)后的TFR的尺寸：W=0.2061mm,L=0.4081mmGraph1亠Graph1亠DB(|S(")|)Schematic1甘DB(|S(Z3)|)Schematic1*DB(|S(2「)|)Schematic1圖3.2—測量期望圖六、實驗結(jié)果分析與總結(jié)：此三端口功率分配器采用微帶線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)等功率分配。功率分配器的設(shè)計繼續(xù)練習(xí)電路圖的繪制和結(jié)果的調(diào)節(jié)分析，使用TX-Line計算微帶線的尺寸。實驗四、微帶低通濾波器一、實驗要求本次實驗設(shè)計一個切比雪夫式微波低通濾波器,技術(shù)指標(biāo)為：截止頻率f二2.2GHz，在通帶內(nèi)最大波紋l=0.2dB,s小于T6dB；在阻帶c Ar 11頻率f=4GHz處，阻帶衰減l不小于30dB。輸入、輸出端特性阻抗s AsZ=50Q.0用同軸線實現(xiàn)，其外導(dǎo)體直徑為D二16mm；高阻抗特性阻抗0Z二138Q;低阻抗線內(nèi)、外導(dǎo)體間相對介電常數(shù)二2.54，低阻抗線Oh r特性阻抗z二100。ol確定濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸，測量濾波器的參數(shù)S、S，進行適當(dāng)1112調(diào)整，使之達(dá)到最佳。記錄濾波器的最終結(jié)構(gòu)尺寸，總結(jié)設(shè)計、調(diào)節(jié)經(jīng)驗。二、 實驗儀器硬件：PC機軟件：MicrowaveOffice軟件三、 設(shè)計步驟確定原型濾波器啟動軟件中Wizard模塊的AWRFilterSynthesisWizard（AMR濾波器綜合向?qū)В┕δ?，輸入各項技術(shù)指標(biāo)，即自動生成原型濾波器的原理圖。具體電路如下所示：Ca=1.938Cb=3.134L0=4.836

即f〈2.2GHz時，S〈T6dB,S〉-0.2dB；f〉4GHz時，S〈-30dB；目112121標(biāo)設(shè)定完成后再進行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)束后，即得到原型濾波器的各個已優(yōu)化的參數(shù)值。計算濾波器的實際尺寸（1）微帶線結(jié)構(gòu)①高阻抗線先計算高阻抗線的寬度。已知條件：￡二9.0，f二1.1GHz，H=800um,TOC\o"1-5"\h\zr oT=10um，阻抗z二1060，計算得W,￡；再計算高阻抗線的長度：oh re丫 丫 L0L0*10-93*1014l=l=v= * umL1L2ZPh106 ￡oh "re②低阻抗線先計算低阻抗線的寬度。已知條件：￡=9.0，f=1.1GHz，H=800um,r oT=10um，阻抗z=100，計算得W,￡；再計算低阻抗線的長度：oh rel=l=ZvCC1 C3olplal=l=ZvCC1 C3olpla=10*3*1014*C*10-12umal=ZvCC2 olplb=10*3*1014i■￡“re*C*10-12umb注意：計算公式中的L0、Ca、Cb即為原型濾波器的優(yōu)化參數(shù)，僅為數(shù)值，不帶單位！計算結(jié)果的單位為微米。將結(jié)果填入表2。得到各個參數(shù)后，即可得到微帶線結(jié)構(gòu)濾波器原理圖:

MLINID=TL2W=40umL=100umPORTP=1MLINID=TL2W=40umL=100umPORTP=1Z=50OhmMLINID=TL1W=40umL=10QumMLINID=TL3W=40umL=100umMLINID=TL4W=40umL=10QumMLIN P°RTID=TL5 P=2W=40umZ=50OhmL=100umMSUBEr=9H=S00umT=10umRho=1Tand=1e-12ErNom=9Name=SU01圖4.2—微帶線結(jié)構(gòu)濾波器原理圖實驗數(shù)據(jù)記錄表4.1—原型濾波器參數(shù)元件IDC1(pF)C2(pF)C3(pF)L1(nH)L2(nH)元件變量CaCbCaL0L0優(yōu)化值1.7883.0581.7884.7474.747表4.2—微帶線結(jié)構(gòu)參數(shù)W(um)rel、lL1 L2l、lC1 C2lC2高阻抗線92.41995.376075794.32低阻抗線8429.867.830711916.853278.37原型濾波器仿真結(jié)果:

圖4.3—原型濾波器仿真結(jié)果（優(yōu)化后）微帶線結(jié)構(gòu)濾波器仿真結(jié)果：圖4.4—微帶線結(jié)構(gòu)濾波器仿真結(jié)果（優(yōu)化后）二維布線圖如下:

圖4.5—二維布線圖三維效果圖如下：首先對原型濾波器仿真結(jié)果完全符合預(yù)期要求。而在自行繪制的原理圖中，即圖4.4中，我們可以清楚地看到，其實際指標(biāo)與所要求的指標(biāo)均有較大差距，濾波器在高頻段不能很好的達(dá)到設(shè)計要求，雖然這個結(jié)果在允許范圍內(nèi)，但還是希望能分析出真正原因。六、實驗總結(jié)實驗中用到的“傳輸線理論CAI軟件”主要用于計算單支節(jié)匹配和雙支節(jié)匹配下支節(jié)的位置和長度;也可以直觀的觀察入射波與反射波的波形變化。雖然功能較為單一，但使用起來簡單方便，能夠有效地解決實驗過程中遇到的數(shù)值計算問題。實驗五、阻抗調(diào)配器_、設(shè)計要求：已知特性阻抗為Z二500的無耗均勻傳輸線,終端接Z二25+j75Q的負(fù)0 L載，工作頻率f二10GHz（即波長九二30mm）。00設(shè)計一個阻抗調(diào)配器，分別采用短路單支節(jié)和短路雙支節(jié)（兩支節(jié)間距九/8），對傳輸線及負(fù)載進行匹配，用同軸線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。（微帶線結(jié)0構(gòu)為選做實驗）在0.5f?1.5f頻帶內(nèi)測量特性指標(biāo)s，進行適當(dāng)調(diào)整，使之達(dá)到最佳。0011記錄最終結(jié)果，即支節(jié)的位置及長度，并比較兩種調(diào)配器的特點。二、實驗儀器：硬件：PC機,軟件：MicrowaveOffice軟件三、設(shè)計步驟:1?計算支節(jié)的位置，長度利用傳輸線理論CAI軟件計算，取第二組解，算出各參數(shù)的實際值，填入表格。2?完成電路圖，測量設(shè)置單位，工作頻率（5~15GHz）,畫電路圖，添加表格，測量項，完成后分析電路，觀察所得曲線。調(diào)節(jié)電路要求：分別調(diào)節(jié)單支節(jié)的位置，長度，調(diào)節(jié)雙支節(jié)的長度，使其達(dá)到最佳，即s盡可能小，記錄最終結(jié)果，并比較這兩種調(diào)配器的特點。11四、實驗數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果顯示：表5.1—同軸線結(jié)構(gòu)（已知條件：Z二500,Z二25+j750,L二0.25九,D二九/&九二30mm）0 L 0 0 0參數(shù)dlLALBCAI軟件結(jié)果0.396九0.433九0.306九0.444九0000實際值（mm）11.8812.999.1813.324.1實驗電路圖以及測量圖（單支節(jié)匹配）I'[-PORTP=1Z=50OhmTLSCP圖5.1—同軸線單支節(jié)匹配圖0.80.60.40.2Graph1|S(1,