微波技術虛擬實驗報告.docx

微波技術虛擬實驗報告 學 院： 電子工程學院 專 業(yè)： 信息對抗技術 班 級： 020532本碩班 姓 名： 朱明忠07056109 成 績： 實驗2 B 放大器非線性分析設計要求: 設計一放大器，分析其性能。實驗儀器：硬件：PC機，軟件：Microwave Office軟件設計步驟：（1） 創(chuàng)建原理圖， 添加元件，設置非線性端口激勵，輸入功率設置為Pwr=-20dbm,完成原理圖（2） 添加圖表，添加測量項，分析電路，觀察功率輸出頻譜。（3） 調節(jié)輸入功率電平，調節(jié)Pwr參數，觀察時域及頻域的相關變化。 實驗數據記錄與結果顯示：實驗結果分析與總結：調節(jié)輸入功率Pwr時，可以看出對輸出有明顯的影響。練習使用Microwave Office軟件，建立模型并進行仿真分析。實驗3 螺旋電感的電磁分析設計要求：設計一個螺旋電感，畫出電磁結構圖。進行電磁模擬分析，觀察二維及三維的電流分布。實驗儀器：硬件：PC機，軟件：Microwave Office軟件設計步驟：（1） 在新工程中正確創(chuàng)建電磁結構圖，設置邊界尺寸及網格大?。篨-Dimension=320,Y-Dimension=320,X-Divisions=32,Y-Divisions=32，添加介質層，設置Thickness=20;Add Conductor繪制螺旋電感；Add Rect Conductor繪制輸出線；Add Edge Port添加端口，Add Rect Conductor繪制電橋；Add添加通道。（2） 在Project Options 中的Frequency Values頁設置工作頻率：單位MHz,起始：400 終止：700 步長：100； 分析電路Analyze；分別激活2-D，3-D視圖，觀察靜態(tài)電流分布和動態(tài)電流分布。實驗結果記錄與顯示：EM Spiral 二維圖二維動態(tài)電流分布圖三維動態(tài)電流分布圖實驗結果分析與總結：由靜態(tài)以及動態(tài)電流分布可以看出，螺旋電感中電流的大小，方向都隨時間程周期性變化，所以其電磁分布是固定的。同時若改變螺旋電感的寬度電流的流向分布不變。設計螺旋電感的電磁分析的實驗，學會在AWR中如何建立電磁結構圖以及繪制螺旋電感，輸出線，介質層，電橋，端口，通道等 。以及進行實驗模擬，直觀的觀察螺旋電感的動態(tài)電流分布。試驗4 集總元件濾波器的線性分析設計要求：設計一個電感輸入式集總元件濾波器。已知輸入和輸出端特性阻抗均為。工作頻率。（1） 畫出原理圖，測量參數（單位dB）與頻率的關系曲線。（2） 調節(jié)元件值觀察參數的相應變化。（3） 優(yōu)化電路，使其滿足時， 時，記錄最終的優(yōu)化結果：各元件值，便量值及曲線圖。實驗儀器：硬件：PC機，軟件：Microwave Office軟件設計步驟：（1） 創(chuàng)建原理圖 設置Globe Units 中各個參數的單位.畫圖，從Elem中選擇各元件。按照原理圖正確繪制。（2） 添加圖表及測量項 設置工作頻率：1001000MHz 階長：10MHz.添加矩形圖，添加測量項：Port ParameterS（dB）參數。（3） 測量 Analyze分析電路，測量S參數的特性曲線。（4） 調節(jié) 將元件L1 ，L4 ，C1 ， C3 的數值設為可調，調節(jié)各值，觀察S參數的相應變化。（5） 優(yōu)化電路 定義變量：將L1，L4 的值設為變量Lin。C1，C3的值設為變量Cin.選擇優(yōu)化參數：將L2，L3，C2，Lin,Cin參數的優(yōu)化選項激活，依次設置上限60 ，60 ，20 ，30 ，16。設置優(yōu)化目標：逐步添加參數的優(yōu)化目標。時，；時，。執(zhí)行優(yōu)化：OptimizeRandom(Local)，最大迭代次數5000次。 開始執(zhí)行優(yōu)化。 實驗數據記錄與結果顯示 初始原理圖未優(yōu)化的測量圖優(yōu)化后結果圖參數Lin（nh）Cin（pf）L2（nh）L3（nh）C2（pf） 優(yōu)化值18.359.08832.9532.9510.08表1優(yōu)化后各元件及變量的值優(yōu)化后的期望測量圖實驗結果分析與總結：畫出原理圖后在初始數據條件下進行仿真分析，S參數是頻率的關系如初始測量圖，將L1，L4，C1，C3的值設置為可調后，調節(jié)各值，S參數都會隨著變化，的變化明顯；設置優(yōu)化后從測量圖中可以看出，基本滿足優(yōu)化電路的設計要求。即：當時，；當 時，集總元件濾波器的線性分析實驗的設計，熟練使用繪圖的各元件，設置各元件參數，更重要的是學會優(yōu)化電路的分析方法， 選擇優(yōu)化參數，設置優(yōu)化目標等。實驗5 功率分配器設計要求 ：設計一個三端口等功率分配器，采用微帶線結構。已知輸入端特性阻抗，共作頻率；微帶線基片測量特性指標(單位dB)與頻率()的關系曲線。調節(jié)微帶線的尺寸，使功率分配器的性能達到最佳。實驗儀器：硬件：PC機，軟件：Microwave Office軟件設計步驟：（1） 組織計算 的長度均為。將計算結果填入表1（2） 微帶線尺寸計算 利用TXLine的自帶軟件帶入相關參數計算微帶線尺寸 。（3） 完成電路圖，測量個特性指標 依次設置單位，工作頻率（1.54.5GHz,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。（4） 調節(jié)電路 調節(jié)電阻r的長度，寬度，使得在處盡可能小，盡可能接近-3Db.記錄最終的調節(jié)結果。 實驗數據記錄與結果顯示：表1（已知條件：）參數阻值（）電長度（deg）L()W()50101062.91010.470.711909864.5442.1950101062.91010.41005564.06138.06調節(jié)后的TFR的尺寸：W=0.2061mm， L=0.4081mm測量期望圖實驗結果分析與總結：此三端口功率分配器采用微帶線結構，實現等功率分配。功率分配器的設計繼續(xù)練習電路圖的繪制和結果的調節(jié)分析，使用TXLine計算微帶線的尺寸。實驗6 阻抗變換器設計要求：設計一個同軸線階梯阻抗變換器，使特性阻抗分別為的兩段同軸線匹配鏈接。要求：變換器，工作頻率。已知同軸線的介質為RT/Duriod5880(),外導體直徑。分別按以下方法設計方法一：最平坦通帶特性變換器（二項式）；方法二：等波紋特性變換器（切比雪夫式），反射系數模的最大值確定阻抗變換器的結構尺寸，完成電路圖。測量（即反射系數模）與頻率的關系曲線。調節(jié)電路使其達到指標要求，比較不同阻抗變換器的性能特點。實驗儀器：硬件：PC機，軟件：Microwave Office軟件設計步驟：（1） 電路阻值，尺寸計算 為阻抗變換器，長度均為。方法一：最平坦通帶特性 阻抗值的計算：，利用TXLine計算同軸線尺寸。將結果填入表1。方法二：阻抗值計算：，同軸線尺寸計算同方法一。將結果填入表二。（2） 完成電路圖 ，測量。 設置工作頻率（37GHz）完成電路圖后分析電路，觀察所得曲線。（3） 調節(jié)電路 要求：分別調節(jié) 的L及的尺寸，使其達到指標要求。比較不同 阻抗變換器的指標：工作頻率，比較性能優(yōu)劣。實驗數據記錄與結果顯示：表1（已知條件：）參數阻值（）電長度（deg）L(um)W(um)50303399.72054.959.4690101991629.684.099010199890.96100303399.7603.22表2（已知條件：）參數阻值（）電長度（deg）L(um)W(um)50303399.72054.960.590101991588.680.59010199972.92100303399.7603.22實驗結果分析與總結：當負載阻抗和傳輸線的特性阻抗不相等，或是連接兩段特性阻抗不同的傳輸線時，可以在其間接入一阻抗變換器，以獲得良好的匹配。本實驗采用的是由1/4波長傳輸線段組成2節(jié)階梯阻抗變換器。實驗7 阻抗調配器已知特性阻抗為的無耗均勻傳輸線，終端接的負載，工作頻率（即波長）。設計要求設計一個阻抗調配器，分別采用短路單支節(jié)和短路雙支節(jié)（兩支節(jié)間距），對傳輸線及負載進行匹配，用同軸線結構實現。（微帶線結構為選做實驗）在頻帶內測量特性指標，進行適當調整，使之達到最佳。記錄最終結果，即支節(jié)的位置及長度，并比較兩種調配器的特點。實驗儀器：硬件：PC機，軟件：Microwave Office軟件設計步驟：（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，算出各參數的實際值，填入表格。（2） 完成電路圖 ，測量 設置單位，工作頻率（515GHz），畫電路圖，添加表格，測量項，完成后分析電路，觀察所得曲線。（3） 調節(jié)電路 要求：分別調節(jié)單支節(jié)的位置，長度，調節(jié)雙支節(jié) 的長度，使其達到最佳，即盡可能小，記錄最終結果，并比較這兩種調配器的特點。實驗數據記錄與結果顯示：表1 同軸線結構（已知條件：）參數CAI軟件結果0.3960.4330.3060.444實際值（mm）11.8812.999.1813.32實驗結果分析與總結：無耗均勻傳輸線，采用短路單支節(jié)和短路雙支節(jié)，對傳輸線及負載進行匹配，用同軸線結構實現。 單支節(jié)匹配要調節(jié)L和d ,即要調節(jié)短路單支節(jié)的位置，而雙支節(jié)匹配只需對兩并聯支節(jié)的長度進行調節(jié)即可，不用調節(jié)各支節(jié)的位置，較單支節(jié)匹配要方便的多。實驗8 微波低通濾波器設計要求：設計一個切比雪夫式微波低通濾波器，技術指標為：截止頻率，在通帶內最大波紋在阻帶頻率處，阻帶衰減。輸入，輸出端特性阻抗。方法一（必做）：用微帶線實現，基片厚度H=800um，T=10um，相對介電常數；高阻抗特性阻抗，低阻抗線。方法二（選做）：.確定濾波器的結構尺寸，測量濾波器的參數。進行適當調節(jié)，使之達到最佳。記錄濾波器的最終結構尺寸，總結設計調節(jié)經驗。實驗儀器：硬件：PC機，軟件：Microwave Office軟件設計步驟: （1） 確定原型濾波器 啟動軟件中的Wizard模塊的Filter Synthesie Wizard 功能，輸入各項技術指標，即可自帶畫出原型濾波器的原理圖，各個元件值還可以進行優(yōu)化。 依次選擇Lowpass;Chebyshev;在參數定義頁，設置N=5，FC=2.2，PP：Ripple(db),PV=0.2,RS=50,RL=50再依次選擇Ideal Electrical Model;Lumped Element;Shunt Element First;最后生成名為Filter的原型濾波器的原理圖，以及相關的測量圖，優(yōu)化項。將變量名C0 改為Ca，C1 改為Cb ,相應地改變電路中的值，設置工作頻率（15GHz），分析即得濾波器相應圖，包括S參數。 優(yōu)化 重新設置優(yōu)化目標：。進行優(yōu)化。 優(yōu)化后將結果填入表1（2） 計算濾波器的實際尺寸：微帶線結構 高阻抗線，已知條件：，計算。再由計算出長度，填入表格；低阻抗線 計算，再由計算長度填入表格。（3） 完成電路，測量各特性指標 創(chuàng)建新原理圖，工作頻率保持不變完成后分析電路，觀察所得曲線。激活實際結構濾波器原理圖，觀察二維布線圖以及三維布線圖。記錄實際結構濾波器的優(yōu)化結果。實驗數據記錄與結果顯示：圖1原形濾波器參考電路圖（未優(yōu)化）優(yōu)化，重新設置優(yōu)化目標：即時，； 時，。元件IDC1（PF）C2(pF)C3(pF)L1(nH)L2(nH)元件變量CaCbCaL0L0優(yōu)化值1.8023.0731.0824.7594.759原型濾波器測量圖微帶線結構濾波器原理圖實際濾波器優(yōu)化后期望測量圖二維布線圖三維布線圖實驗結果分析與總結：若性能不符合指標要求，需對實際結構的濾波器進行優(yōu)化。將各高，低阻抗線的長度設為可優(yōu)化參數，再重新添加優(yōu)化目標。優(yōu)化電路，直到各項參數符合指標要求。 微波技術虛擬實驗總結： 對兩大軟件的認識：AnsoftHFSS，是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件；是世界上第一個商業(yè)化的三維結構電磁場仿真軟件，業(yè)界公認的三維電磁場設計和分析的電子設計工業(yè)標準。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結構的S參數和全波電磁場。HFSS軟件擁有強大的天線設計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。使用HFSS，可以計算：基本電磁場數值解和開邊界問題，近遠場輻射問題；端口特征阻抗和傳輸常數；S參數和相應端口阻抗的歸一化S參數；結構的本征?；蛑C振解。而且，由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner構成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎的高頻設計解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設計手段，覆蓋了高頻設計的所有環(huán)節(jié)。MicrowaveOffice，是AWR公司推出的微波EDA軟件，是進行射頻微波電路設計及仿真的專業(yè)軟件，為微波平面電路設計提供了最完整,最快速和最精確的解答。可以進行微波電路的線性和非線性仿真及電磁仿真，對電路進行分析優(yōu)化，還可以將原理圖轉換為布線圖，最后生成印制線路版圖，它是通過兩個模擬器來對微波平面電路進行模擬和仿真的。對于由集總元件構成的電路，用電路的方法來處理較為簡便；該軟件設有VoltaireXL的模擬器來處理集總元件構成的微波平面電路問題。而對于由具體的微帶幾何圖形構成的分布參數微波平面電路則采用場的方法較為有效；該軟件采用的是EMSight的模擬器來處理任何多層平面結構的三維電磁場的問題。VoltaireXL模擬器內設一個元件庫，在建立電路模型時，可以調出微波電路所用的元件，其中無源器件有電感、電阻、電容、諧振電路、微帶線、帶狀線、同軸線等等，非線性器件有雙極晶體管，場效應晶體管，二極管等等。EMSight模擬器是一個三維電磁場模擬程序包，可用于平面高頻電路和天線結構的分析。特點是把修正譜域矩量法與直觀的視窗圖形用戶界面（GUI）技術結合起來，使得計算速度加快許多。MWO可以分析射頻集成電路（RFIC）、微波單片集成電路（MMIC）、微帶貼片天線和高速印制電路（P