北郵微波仿真實驗報告

1、微波仿真實驗實驗報告 題目：微波仿真實驗學(xué)院：電子工程學(xué)院班級：姓名：學(xué)號：2013xxxxxx微波仿真課（1）一、 實驗要求：1. 了解ADS Schematic的使用和設(shè)置。打開ADS軟件（2009版本），選擇“以管理員身份運行”，新建工程并命名，新建Schematic窗口。截圖如下：2. 在Schematic里，分別仿真理想電容20pF和理想電感5nH，仿真頻率為（1Hz-100GHz），觀察仿真結(jié)果，并分析原因。 理想電容20pF，仿真頻率為（1Hz-100GHz）： 電路圖：對數(shù)曲線：分析：由計算可知：S11=Z/Z+2 S12=2/Z+2,該網(wǎng)絡(luò)互易對稱可知S21=S12, S22

2、=S11, Z=1/jC, 隨著頻率的增加，S11=Z/Z+2將會減小，最終趨向于0，即-70db, S12=2/Z+2，f=1HZ時，Z趨近于無窮，S12趨近于0，即1db, f逐漸增大到100GHZ時，Z=1, S12=1/3，仍然接近于0，即1db。 理想電感5nH，仿真頻率為（1Hz-100GHz）： 電路圖：史密斯圓圖：對數(shù)曲線：分析：由計算可知：S11=Z/Z+2 S12=2/Z+2。由該網(wǎng)絡(luò)互易對稱可知S21=S12, S22=S11, Z=jL, 隨著頻率的增加，S11=Z/Z+2將會增大，最終趨向于1，即0db, S12=2/Z+2將會隨著頻率的減小而減小，最終趨向于0，在圖

3、中即為-30db。3.Linecalc的使用：a) 計算中心頻率1GHz時，F(xiàn)R4基片的50微帶線的寬度；將FR4基片的參數(shù)輸入到Linecalc中，計算得到中心頻率1GHz時，F(xiàn)R4基片的50微帶線的寬度為1.543670mm，截圖如下：b) 計算中心頻率1GHz時，F(xiàn)R4基片的50共面波導(dǎo)（CPW）的橫截面尺寸（中心信號線寬度與接地板之間的距離）。將FR4基片的參數(shù)輸入到Linecalc中，計算得到中心頻率1GHz時，F(xiàn)R4基片的50共面波導(dǎo)（CPW）的中心信號線寬度為87.8355mm,與接地板之間的距離為5mm，截圖如下：4.基于FR4基板，仿真一段特性阻抗為50四分之一波長開路CPW

4、線的性能參數(shù)，中心工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分析原因。電路圖：Smith圓圖：分析：Smith圓圖上近似在r = 無窮的等電阻圓上轉(zhuǎn)一圈多，頻率每增加1G，圓就增加半圈，即/4電長度，由于CPW存在損耗，即衰減系數(shù)不為0，相位常數(shù)不為0，所以相位和大小均發(fā)生改變，所以反射系數(shù)成螺旋型，當(dāng)頻率為0時，位于史密斯原圖開路點處，1GHZ時，順時針旋轉(zhuǎn)半個周期到短路點處，反射系數(shù)的絕對值即為所在點到圓心的距離，雖然從500M到3G時，反射系數(shù)的大小都接近1（終端短路時的傳輸系數(shù)），但隨著頻率的升高，反射系數(shù)的絕對值略有減小，同時說明傳輸系數(shù)增大，說

5、明隨著頻率越高，衰減系數(shù)越小，即損耗越小。5.基于FR4基板，仿真一段特性阻抗為50四分之一波長短路CPW線的性能參數(shù)，中心工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗，分析變化原因。電路圖：史密斯圓圖：分析：阻抗計算結(jié)果：500MHz時，Zin = Z0*(0.069+j1.042) j*Z02GHz下， Zin = Z0*(0.034-j*0.026) 0變化原因：對以1GHz為中心頻率的1/4波長CPW而言，對1GHz對應(yīng)1/4波長，此時阻抗倒置，由短路點變?yōu)殚_路點； 2GHz下，頻率加倍，波長減半，對相同的波導(dǎo)

6、規(guī)格，電長度加倍，相當(dāng)于1/2波長，阻抗還原，仍為短路點，500MHz時，電長度相當(dāng)于1/8波長，相當(dāng)于從短路點（-1，0）在Smith圓圖中順時針（向源）旋轉(zhuǎn)了1/4個圓。6.分別用理想傳輸線和在FR4基片上的微帶傳輸線，仿真一段特性阻抗為50四分之一波長開路線的性能參數(shù)，工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗，分析變化原因。擴(kuò)展仿真頻率（500MHz-50GHz），分析曲線變化原因。理想傳輸線，特性阻抗為50四分之一波長，開路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-3GHz：電路圖：史密斯圓圖： 微帶傳

7、輸線，特性阻抗為50四分之一波長，開路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-3GHz： 電路圖：史密斯圓圖： 理想傳輸線，特性阻抗為50四分之一波長，開路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-50GHz：電路圖：史密斯圓圖：微帶傳輸線，特性阻抗為50四分之一波長，開路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-50GHz：電路圖：史密斯圓圖：分析：理想傳輸線的史密斯圓圖在開路圓山重復(fù)旋轉(zhuǎn)將近一圈多，而微帶傳輸線的史密斯圓圖的曲線呈螺旋型，且隨著頻率的增大，波長變小，即對應(yīng)相同的波導(dǎo)，電長度變大，此時反射系數(shù)的模值變小，即說明理想傳輸線不存在損耗，而微帶線的損耗隨著頻率的增加而

8、減小。對于1Ghz對應(yīng)的/4的理想傳輸線，2Ghz對應(yīng)/2的理想傳輸線，相當(dāng)于阻抗還原，對于沒有損耗的理想傳輸線來說，其輸入阻抗接近無窮，而對應(yīng)微帶傳輸線來說，其因為存在損耗，所以值會略有減小。500Mhz對應(yīng)的是/8，即從開路點處朝源的方向，即順時針旋轉(zhuǎn)/8長度得到的輸入阻抗，同理，微帶線比理想線略小。擴(kuò)展仿真頻率，由于理想傳輸線不存在損耗，所以即時頻率擴(kuò)展了，也仍以2G為一個頻率周期重復(fù)再開路圓上畫圓，而由于微帶線存在損耗，隨著頻率越來越大，反射系數(shù)的模值將會越來越小。7.分別用理想傳輸線和在FR4基片上的微帶傳輸線，仿真一段特性阻抗為50四分之一波長短路線的性能參數(shù)，工作頻率為1GHz。

9、仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗，分析變化原因。擴(kuò)展仿真頻率（500MHz-50GHz），分析曲線變化原因。理想傳輸線，特性阻抗為50四分之一波長，短路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-3GHz：電路圖：史密斯圓圖： 微帶傳輸線，特性阻抗為50四分之一波長，短路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-3GHz： 電路圖：史密斯圓圖： 理想傳輸線，特性阻抗為50四分之一波長，短路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-50GHz：電路圖：史密斯圓圖： 微帶傳輸線，特性阻抗為50四分之一波長，短路線，工作頻

10、率為1GHz，仿真頻段500MHz-50GHz： 電路圖：史密斯圓圖：分析：四分之一波長短路線的短路點在1GHz，即中心工作頻率。對于理想傳輸線，能量并不會隨頻率升高而衰減，因此史密斯原圖無變化。而對于微帶線，因為微帶線有耗，損耗隨功率升高而增大，因此反射系數(shù)逐漸減小，從而隨著頻率的升高，半徑越來越小。8.分別用理想傳輸線和在FR4基片上的微帶傳輸線，仿真一段特性阻抗為50二分之一波長開路線的性能參數(shù)，工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗，分析變化原因。擴(kuò)展仿真頻率（500MHz-50GHz），分析曲線變化原因

11、。理想傳輸線，特性阻抗為50二分之一波長，開路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-3GHz：電路圖：史密斯圓圖： 微帶傳輸線，特性阻抗為50二分之一波長，開路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-3GHz：電路圖：史密斯圓圖： 理想傳輸線，特性阻抗為50二分之一波長，開路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-50GHz： 電路圖：史密斯圓圖：微帶傳輸線，特性阻抗為50二分之一波長，開路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-50GHz：電路圖：史密斯圓圖：分析：二分之一波長開路線的開路點在1GHz，即中心工作頻率。對于理想傳輸線，能量并不會隨頻率升高而衰減，因此

12、史密斯原圖無變化。而對于微帶線，因為微帶線有耗，損耗隨功率升高而增大，因此反射系數(shù)逐漸減小，從而隨著頻率的升高，半徑越來越小。9.分別用理想傳輸線和在FR4基片上的微帶傳輸線，仿真一段特性阻抗為50二分之一波長短路線的性能參數(shù)，工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗，分析變化原因。擴(kuò)展仿真頻率（500MHz-50GHz），分析曲線變化原因。理想傳輸線，特性阻抗為50二分之一波長，短路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-3GHz：電路圖：史密斯圓圖： 微帶傳輸線，特性阻抗為50二分之一波長，短路線，工作頻

13、率為1GHz，仿真頻段500MHz-3GHz：電路圖：史密斯圓圖： 理想傳輸線，特性阻抗為50二分之一波長，短路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-50GHz：電路圖：史密斯圓圖： 微帶傳輸線，特性阻抗為50二分之一波長，短路線，工作頻率為1GHz，仿真頻段500MHz-50GHz： 電路圖：史密斯圓圖：注：FR4基片：介電常數(shù)為4.4,厚度為1.6mm，損耗角正切為0.02。分析：二分之一波長開路線阻抗不變，所以開路經(jīng)阻抗變換后還是開路。微波仿真課（2）一、實驗要求：1.用一段理想四分之一波長阻抗變換器匹配10歐姆到50歐姆，仿真S參數(shù)，給出-20dB帶寬特性，工作頻率為1GHz。

14、理想四分之一波長阻抗變換器，匹配10歐姆到50歐姆，工作頻率為1GHz，頻率范圍取0-3GHz：電路圖：對數(shù)曲線：2.用一段FR4基片上四分之一波長阻抗變換器匹配10歐姆到50歐姆，仿真S參數(shù)，給出-20dB帶寬特性，工作頻率為1GHz，比較分析題1和題2的結(jié)果。FR4基片上四分之一波長阻抗變換器，匹配10歐姆到50歐姆，工作頻率為1GHz，頻率范圍取0-3GHz，步長取1MHz：電路圖：對數(shù)曲線：分析：由圖可知，-20dB的帶寬W=1065-921=143MHz，最低點對應(yīng)頻率為1GHz，即史密斯圓圖的圓心處，由此可見已完成匹配，帶寬略大于理想傳輸線。3.設(shè)計一個3節(jié)二項式匹配變換器，用于匹

15、配10歐姆到50歐姆的傳輸線，中心頻率是1GHz，該電路在FR4基片上用微帶線實現(xiàn)，設(shè)計這個匹配變換器并計算的帶寬，給出回波損耗和插入損耗與頻率的關(guān)系曲線，比較分析題2和題3的結(jié)果。取頻率范圍為0-3GHz，步長為0.001GHz，由題目可知，ZL=10，ZS=50，所以：Z1=ZL(7/8)ZS(1/8)=12.23，Z2=ZL(1/2)ZS(1/2)=22.36， Z3=ZL(1/8)ZS(7/8)=40.89 。電路圖：對數(shù)曲線：分析：由該反射系數(shù)幅頻特性曲線可以看出，回波損耗最低點約在1Ghz附近，說明在1GHz附近實現(xiàn)阻抗匹配。的帶寬：即為-20db,所以有圖可以

16、看出，帶寬為(1325-677)MHZ=648MHZ。比較：與理性傳輸線相比較而言，并不十分標(biāo)準(zhǔn)的在中心工作頻率出實現(xiàn)匹配，略有偏差，因為微帶線存在損耗。與單支節(jié)的微帶匹配相比，帶寬增加，且傳輸特性更為平坦，可以看出多節(jié)變換器比單節(jié)變換器能夠提供更大的帶寬，在接近設(shè)計頻率處，傳輸較為平坦。4.題3中，若用3節(jié)切比雪夫匹配變換器實現(xiàn)，比較同樣情況下的帶寬，回波損耗和插入損耗與頻率的關(guān)系曲線，比較分析題3和題4結(jié)果。取頻率范圍為0-3GHz，步長為0.001GHz1）計算出三節(jié)微帶傳輸線的特性阻抗利用理論知識，計算出切比雪夫阻抗變換器的多節(jié)特征阻抗值，并利用linecalc計算出微帶線的參數(shù)，繪制

17、仿真原理圖。電路圖：對數(shù)曲線圖：分析：該反射系數(shù)反映了切比雪夫阻抗變換器的等波紋特性，反射系數(shù)在Tm與0之間來回波動，傳輸特性不夠平坦，其帶寬為（2524-1640）=884MHZ.比較：切比雪夫阻抗變換器與二項式變換器相比較，傳輸特性不如二項式平坦，但相同的節(jié)數(shù)帶寬更寬，且獲得陡峭的帶外衰減。5.對于一個負(fù)載阻抗ZL=60-j80歐姆，利用Smith Chart Utility功能，分別設(shè)計并聯(lián)短路單枝節(jié)和并聯(lián)開路單枝節(jié)匹配，并將Smith Chart Utility給出的匹配結(jié)果在Schematic中仿真，給出1-3GHz的回波損耗與頻率的關(guān)系曲線，并給出的帶寬。并聯(lián)短路單支節(jié)匹配：史密斯

18、圓圖：串聯(lián)支節(jié)參數(shù)：并聯(lián)支節(jié)參數(shù)：曲線圖：電路圖：底層模型：史密斯圓圖仿真結(jié)果：分析：在2GHZ頻率處，歸一化輸入阻抗接近為1，即實現(xiàn)阻抗匹配，且S11為反射系數(shù)，在2GHZ頻率處，反射系數(shù)位于原點，即反射系數(shù)的模值為0，即不反射，從另一角度說明此時實現(xiàn)功率全部傳入負(fù)載，即實現(xiàn)負(fù)載匹配。反射系數(shù)幅頻特性曲線：并聯(lián)短路單支節(jié)匹配的-20db帶寬為(2.089-1.888)GHZ=99MHZ。并聯(lián)開路單支節(jié)匹配：史密斯圓圖：串聯(lián)支節(jié)參數(shù)：并聯(lián)支結(jié)參數(shù)：曲線圖：電路圖：底層模型：仿真結(jié)果及分析：S11的史密斯圓圖仿真：S11的幅頻特性曲線：開路單支節(jié)匹配的-20db帶寬為(2.051-1.958)G

19、HZ=93MHZ。分析:由實驗結(jié)果可以看出，短路單支節(jié)匹配的帶寬遠(yuǎn)大于開路單支節(jié)匹配的帶寬。再比較兩次實驗結(jié)果可以看出回波損耗的最小值都位于2Ghz,反射系數(shù)也在該頻率處模值為0，即開路單支節(jié)和短路單支節(jié)均可在中心頻率處實現(xiàn)匹配。但相比之下，短路單支節(jié)匹配的帶寬要更大。6.并聯(lián)雙枝節(jié)匹配電路，并聯(lián)雙枝節(jié)為開路，枝節(jié)之間相距/8，中心工作頻率為2GHz,利用理想傳輸線，給出1-3GHz的回波損耗與頻率的關(guān)系曲線，并給出的帶寬。史密斯圓圖：支結(jié)參數(shù)：曲線圖：電路圖：對數(shù)曲線：分析：-20db帶寬為（2.054-1.941）GHZ=0.113Ghz?；夭〒p耗最低點在2GHZ，說明在中心工作頻率處實現(xiàn)

20、阻抗匹配。史密斯圓圖：分析：在2Ghz處，輸入阻抗歸一化的值接近1，說明此時實現(xiàn)負(fù)載匹配。微波仿真課（3）一、實驗要求：Momentum：1.在FR4基板上分別仿真四分之一波長開路線，四分之一波長短路線，二分之一波長開路線和二分之一波長短路線，中心工作頻率為1GHz，并與Schematic仿真結(jié)果比較。仿真的頻率: 0-3GHz。四分之一波長開路線: 四分之一波長短路線: 二分之一波長開路線: 二分之一波長短路線:比較：與Schematic仿真結(jié)果相比，Momentum仿真結(jié)果不是很準(zhǔn)確，仿真點沒有在smith圓圖開路點和短路點的位置上。2.針對第1題，改變仿真的頻率為: 0-40GHz，觀察

21、上述傳輸線的性能變化并分析原因。/4短路仿真（改變仿真頻率）/4開路仿真（改變仿真頻率）/2短路仿真（改變仿真頻率）/2開路仿真（改變仿真頻率）分析：與上一題相比，由于仿真頻率范圍的增大，仿真結(jié)果更加精確，但同時也產(chǎn)生較多的失真。對于/2微帶線來說，0到40Ghz約為40個周期，對于/2微帶線來說，約為20個周期，且隨著頻率增大，波長減小，電長度增大，由于材料不是理想傳輸線，所以損耗隨頻率增大，即反射系數(shù)的模值隨頻率增大而減小。但隨著仿真頻率的大大提高，導(dǎo)致誤差越來越大，甚至不再是規(guī)律的螺旋線。3.在Momentum 里，仿真一個大小為40mm*45mm端接3mm*1mm的負(fù)載（頻率:0.5-2.5GHz），結(jié)構(gòu)如下：45mm40mm3mm1mm求出f=1.6GHz的阻抗值，并在該頻率下針對該負(fù)載分別設(shè)計并聯(lián)開路單枝節(jié)和并聯(lián)短路單枝節(jié)匹配到50（如果中心頻率出現(xiàn)偏移，試看能否通過調(diào)整傳輸線尺寸，將其性能調(diào)