北郵微波實驗報告(共29頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上信息與通信工程學(xué)院電磁場與微波技術(shù)實驗報告姓名班級學(xué)號班內(nèi)序號李亞東22實驗二 微帶分支線匹配器實驗?zāi)康?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(yīng)用3掌握Smith圖解法設(shè)計微帶線匹配網(wǎng)絡(luò)實驗原理1.支節(jié)匹配器 支節(jié)匹配器是在主傳輸線上并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娂{（或者串聯(lián)適當(dāng)?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(dá)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和分支線的長度l。匹配的基本思想是選擇d，使其在距離負(fù)載d處向主線看去的導(dǎo)納Y是𝑌0+𝑗𝐵 形式，即𝑌=w

2、884;0+𝑗𝐵 ，其中𝑌0=1/𝑍0 。并聯(lián)開路或短路分支線的作用是抵消Y的電納部分，使總電納為𝑌0 ，實現(xiàn)匹配，因此，并聯(lián)開路或短路分支線提供的電納為𝑗𝐵 ，根據(jù)該電納值確定并聯(lián)開路或短路分支線的長度l，這樣就達(dá)到匹配條件。雙支節(jié)匹配器：通過增加一支節(jié)，改進(jìn)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(dá)到匹配（注意雙支節(jié)匹配不是對任意負(fù)載阻抗都能匹配的，即存在一個不能得到匹配的禁區(qū)）。2.微帶線微帶線是有介質(zhì)𝜀𝑟(x

3、576;𝑟>1) 和空氣混合填充，基片上方是空氣，導(dǎo)體帶條和接地板之間是介質(zhì)𝜀𝑟 ，可以近似等效為均勻介質(zhì)填充的傳輸線，等效介質(zhì)電常數(shù)為𝜀𝑒 ，介于1和𝜀𝑟 之間，依賴于基片厚度H和導(dǎo)體寬度W。而微帶線的特性阻抗與其等效介質(zhì)電常數(shù)為𝜀𝑒 、基片厚度H和導(dǎo)體寬度W有關(guān)。實驗內(nèi)容已知：輸入阻抗 Zin=75 負(fù)載阻抗 Zl=（64+j35） 特性阻抗 Z0=75 介質(zhì)基片 r=2.55，H=1mm假定負(fù)載在2GHz時實現(xiàn)匹配，利用圖解法設(shè)計微帶線單支

4、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=1/4，兩分支線之間的距離為d2=1/8。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。實驗步驟1根據(jù)已知計算出各參量，確定項目頻率。2將歸一化阻抗和負(fù)載阻抗所在位置分別標(biāo)在smith圓上。3設(shè)計單枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，在圖上確定分支線與負(fù)載的距離以及分支線的長度，根據(jù)給定的介質(zhì)基片、特性阻抗和頻率用TXLINE計算微帶線物理長度和寬度。此處應(yīng)該注意電長度和實際長度的聯(lián)系。4畫出原理圖，在用微帶線畫出基本的原理圖時，注意還要把襯底添加到圖中，將各部分的參數(shù)填入。注意微帶分支線處的不均勻性所引起的影響，選擇適當(dāng)

5、的模型。5負(fù)載阻抗選擇電阻和電感串聯(lián)的形式，連接各端口，完成原理圖，并且將項目的頻率改為1.82.2GHz。6添加矩形圖，添加測量，點(diǎn)擊分析，測量輸入端的反射系數(shù)幅值。7同理設(shè)計雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，重復(fù)上面的步驟。仿真調(diào)測單支節(jié)1 根據(jù)已知計算出各參量。寫入Output Equations。zl為歸一化負(fù)載阻抗；zin為歸一化輸入阻抗；Tl為負(fù)載處反射系數(shù)；Tin 為輸入端反射系數(shù)；b為以0.01為步長掃描02*PI； R為阻抗處等反射系數(shù)圓；Rp為匹配圓；Rj為大圓。2將歸一化阻抗和負(fù)載阻抗所在位置分別標(biāo)在smith圓上圖表1以實部虛部方式顯示圖表2以幅度角度方式顯示繪制步驟：l 將歸一化輸入阻

6、抗和負(fù)載阻抗所在位置標(biāo)在導(dǎo)納圓圖上l 從負(fù)載阻抗處沿等反射系數(shù)圓向源旋轉(zhuǎn)，交匹配圓一點(diǎn)，由此確定單支節(jié)傳輸線阻抗為-0.*j，取此經(jīng)歷的電長度為分支線與負(fù)載的距離d=198.81°*半波長l 在導(dǎo)納圓圖上標(biāo)出該點(diǎn)位置，從開路點(diǎn)出發(fā)向源方向旋轉(zhuǎn)到標(biāo)識位置，取此經(jīng)歷的電長度為分支線的長度l=303.93°*半波長3 設(shè)計單枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，在圖上確定分支線與負(fù)載的距離以及分支線的長度，根據(jù)給定的介質(zhì)基片、特性阻抗和頻率用TXLINE計算微帶線物理長度和寬度。4 畫出原理圖。注意微帶分支線處的不均勻性所引起的影響，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀Ｕ{(diào)諧后的電路圖為：45 添加矩形圖，添加測量，測量輸入

7、端的反射系數(shù)幅值。雙支節(jié)1根據(jù)已知計算出各參量。寫入Output Equations。2 畫出Smith原圖。繪圖步驟：l 根據(jù)兩枝節(jié)間隔長度為1/8波長，繪出輔助圓位置l 在圖中標(biāo)出負(fù)載處位置，沿等反射系數(shù)圓向源方向旋轉(zhuǎn)180度，該點(diǎn)為y1點(diǎn)l 從y1點(diǎn)沿等電導(dǎo)圓旋轉(zhuǎn)，交輔助圓于y1點(diǎn)，通過y1點(diǎn)導(dǎo)納值減去y1點(diǎn)導(dǎo)納值得到第一個枝節(jié)的阻抗值。l 在圖中標(biāo)出該阻抗值點(diǎn)，從開路點(diǎn)向源方向旋轉(zhuǎn)到標(biāo)出的阻抗值點(diǎn)，經(jīng)過的電長度為第一枝節(jié)的長度。l 從y1點(diǎn)沿等反射系數(shù)圓向源方向旋轉(zhuǎn)，交匹配圓于y2點(diǎn)，1-y2的阻抗值為第二枝節(jié)的阻抗值，在圖中標(biāo)出該阻抗點(diǎn)，從開路點(diǎn)向源方向旋轉(zhuǎn)到該點(diǎn)，經(jīng)過的電長度為第二

8、枝節(jié)的長度3 畫出原理圖。調(diào)諧后的原理圖為：得到調(diào)諧后矩形圖：實驗三 微帶多節(jié)阻抗變阻器實驗?zāi)康?. 掌握微帶多節(jié)阻抗變阻器的工作原理2. 掌握微帶多節(jié)阻抗變阻器的設(shè)計和仿真實驗原理變阻器是一種阻抗變換元件，它可以接于不同數(shù)值的電源內(nèi)阻和負(fù)載電阻之間，將兩者起一相互變換作用獲得匹配，以保證最大功率的功率：此外，在微帶電路中，將兩不同特性阻抗的微帶線連接在一起時為了避免線間反射，也應(yīng)在兩者之間加變阻器。 單節(jié)/4變阻器是一種簡單而有用的電路，其缺點(diǎn)是頻帶太窄。為了獲得較寬的頻帶，常采用多節(jié)阻抗變換器。如下圖所示，多節(jié)變阻器的每節(jié)電長度均為；為各節(jié)的特性阻抗，為負(fù)載阻抗，并假設(shè)Zn+1Zn,Z2Z

9、1，Z1Z0。其中iz i/z i-1 i=(i-1)/(i-1+1) 在上圖中，變阻器的阻抗由Z0變到Zn+1，對Z0歸一化，即由z00變到zn+1R，R即為阻抗變換比。其中1，2n+1為相鄰兩傳輸線段連接處的駐波比。根據(jù)微波技術(shù)的基本原理，其值等于大的特性阻抗對小的特性阻抗之比。1，2，n+1則為連接處的反射系數(shù)，為了使設(shè)計簡單，往往取多節(jié)變阻器具有對稱結(jié)構(gòu)，即使變阻器前后對稱位置跳變點(diǎn)的反射系數(shù)相等，1n+1,2=n。定義下列公式為變阻器的相對帶寬和中心波長：其中 和 分別為頻帶邊界的傳輸線波長， 為傳輸線中心波長，D為相對帶寬。實驗內(nèi)容設(shè)計仿真等波紋型微帶多節(jié)變阻器。給定指標(biāo)：在2GH

10、Z-6GHZ的頻率范圍內(nèi)，阻抗從50歐變?yōu)?0歐，駐波比不應(yīng)超過1.15，介質(zhì)基片H=1mm，在此頻率范圍內(nèi)色散效應(yīng)可忽略。實驗步驟（1）. 對于純電阻負(fù)載，根據(jù)已知條件，算出單節(jié)和多節(jié)傳輸線的特性阻抗、相對帶寬。（2）. 根據(jù)各節(jié)特性阻抗，利用TXLine計算相應(yīng)的微帶線的長度和寬度。每段變阻器的長度為四分之一波長（在中心頻率），即𝑙=𝜆𝑔0/4。（3）. 對于復(fù)數(shù)負(fù)載𝑍𝐿 ，根據(jù)負(fù)載阻抗𝑍𝐿 、特性阻抗𝑍0 ，計算歸一化負(fù)載阻抗和反射系數(shù)，將負(fù)載反射系數(shù)標(biāo)注在Sm

11、ith圓圖上，從負(fù)載點(diǎn)沿等駐波系數(shù)圓向源方向旋轉(zhuǎn)，與Smith圓圖左、右半實軸交點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)過的電長度𝐿𝑀、𝐿𝑁 ，計算變換器的特性阻抗。（4）. 根據(jù)傳輸線的特性阻抗，利用TXLine計算相應(yīng)微帶線的長度及寬度，以及對應(yīng)電長度𝐿𝑀、𝐿𝑁 的微帶線長度。（5）. 設(shè)計并完成原理圖。（6）. 添加并測試Rectangular圖。（7）. 調(diào)諧電路元件參數(shù)，使反射系數(shù)幅值在中心頻率3GHz處最低。（8）. 對于純電阻負(fù)載，上述指標(biāo)不變，采用3節(jié)切比雪夫變阻器重新設(shè)計上述阻抗變

12、換器。五、 實驗仿真1. 單節(jié)變換器（1）. 利用式（1）算得Z1=86.603，利用TXLine計算各微帶線參數(shù)，如下表：微帶線Z0Z1可調(diào)RLImpedance()5086.603150Frequency(GHz)333Electrical Length（deg）909090Physical Width（mm）1.89860.628010.10292Physical Length（mm）13.25413.8314.314（2）. 調(diào)諧后的原理圖：2. 2支節(jié)變換器（1）. 利用式（4）算得Z1=65.804，Z2=113.975，利用TXLine計算各微帶線參數(shù)，如下表：微帶線Z0Z1可調(diào)

13、Z2可調(diào)RLImpedance()5065.804113.975150Frequency(GHz)3333Electrical Length（deg）90909090Physical Width（mm）1.89861.15230.286860.10292Physical Length（mm）13.25413.54714.10314.314（2）. 調(diào)諧后的原理圖：3. 3支節(jié)變換器（1）. 利用式（4）算得Z1=57.360，Z2=86.603，Z3=130.753，利用TXLine計算各微帶線參數(shù)，如下表：微帶線Z0Z1可調(diào)Z2可調(diào)Z3可調(diào)RLImpedance()5057.36086.60

14、3130.753150Frequency(GHz)33333Electrical Length（deg）9090909090Physical Width（mm）1.89861.49460.628010.178220.10292Physical Length（mm）13.25413.413.8314.21614.314（2）. 調(diào)諧后的原理圖：4. 切比雪夫（Chebyshev）阻抗變換器（1）. 利用式（5），算得R=150/50=3；式（6），算得𝜌𝑚 = 1+0.1 10.1 = 1.222，取𝜌𝑚 = 1。參照課本附錄6給出

15、的切比雪夫阻抗變換器的設(shè)計表格，易知：歸一化的𝑧1 = 1.24988，𝑧2 = 𝑅 = 3，𝑧3 = 𝑅/ 𝑍1 = 3/1.24988 ，則實際阻抗為𝑍1 = 𝑧1 𝑍0 = 62.494𝛺，𝑍2 = 𝑧2 𝑍0 = 86.603𝛺，𝑍3 = 𝑧3 𝑍0 = 120.012𝛺。（2）. 利用TXLine計算

16、各微帶線參數(shù)，如下表：微帶線Z0Z1可調(diào)Z2可調(diào)Z3可調(diào)RLImpedance()5062.49486.603120.012150Frequency(GHz)33333Electrical Length（deg）9090909090Physical Width（mm）1.89861.27420.628010.241730.10292Physical Length（mm）13.25413.49213.8314.21614.314（3）. 調(diào)諧后的原理圖：調(diào)諧后的S參數(shù)（與3支節(jié)畫在一起，可以比較）：可以看出：多級變換器比單節(jié)變換器能夠提供更寬的有效帶寬，且節(jié)數(shù)越多，帶寬越寬。切比雪夫變換器比二項

17、式變換器的帶寬有明顯增加，但是二項式帶內(nèi)平坦度較好。5. 波節(jié)點(diǎn)、波腹點(diǎn)（1）. 計算歸一化負(fù)載阻抗和反射系數(shù)，將負(fù)載反射系數(shù)標(biāo)注在Smith圓圖上，在Smith圓圖上標(biāo)出波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)，分別以實部虛部、幅度角度方式顯示：波節(jié)點(diǎn)：電長度𝐿𝑀 = （180° 33.69°）/2 = 73.155°，駐波比𝜌 = 1+|𝛤| 1|𝛤| = 2.333，𝑍1 = 𝑍01/𝜌 = 32.735𝛺 波腹點(diǎn)：電長度𝐿&

18、#119873; = (360° 33.69°)/2 = 163.155°，駐波比𝜌 = 1+|𝛤| 1|𝛤| = 2.333，𝑍1 = 𝑍0𝜌 = 76.371𝛺（2）. 利用TXLine計算各微帶線參數(shù)，如下表：節(jié)點(diǎn)波節(jié)點(diǎn)波腹點(diǎn)微帶線Z0可調(diào)Z1Z1可調(diào)Z0Impedance()32.7355076.37150Frequency(GHz)3333Electrical Length（deg）9073.155（）90163.155()Physical W

19、idth（mm）3.62691.8990.84331.8986Physical Length（mm）12.8310.7413.70524.027（3）. 調(diào)諧后的波節(jié)點(diǎn)、波腹點(diǎn)原理圖：調(diào)諧后的S參數(shù)：實驗六 功率分配器實驗?zāi)康?. 掌握功率分配器的工作原理和分析方法；2. 掌握微帶線功率分配器的設(shè)計和仿真。實驗原理功分器是一種功率分配元件，它是將輸入功率分成相等或不相等的幾路功率，當(dāng)然也可以將幾路功率合成，而成為功率合成元件。在電路中常用到微帶功分器，其基本原理和設(shè)計公式如下：圖表 1 二路功分器圖1是二路功分器的原理圖。圖中輸入線的特性組抗為 ,兩路分支線的特性阻抗分別為和，線長為，為中心頻

20、率時的帶內(nèi)波長。圖中為負(fù)載阻抗，R為隔離阻抗。對功分器的要求是：兩輸出口2和3的功率按一定比例分配，并且兩口之間相互隔離，當(dāng)兩口接匹配負(fù)載時，1口無反射。下面根據(jù)上述要求，確定， 及R的計算公式。設(shè)2口、3口的輸出功率分別為 ，對應(yīng)的電壓為 .根據(jù)對功分器的要求，則有： P3=K2P2|V3|2/R3=K2|V2|2/R2式中K為比例系數(shù)。為了使在正常工作時，隔離電阻R上不流過電流，則應(yīng) V3=V2 于是得 R2=K2R3若取 R2=KZ0則 R3=Z0/K因為分支線長為e0/4，故在1口處的輸入阻抗為： Zin2=Z022/R2 Zin3=Z032/R3為使1口無反射，則兩分支線在1處的總輸

21、入阻抗應(yīng)等于引出線的，即 Y0=1/Z0=R2/Z022+R3/Z032若電路無損耗，則 |V1|2/Zin3=k2|V1|2/Zin2式中V1為1口處的電壓所以 Zin=K2Z03 Z02=Z0(1+K2)/K30.5 Z03=Z0(1+K2)K0.5下面確定隔離電阻R的計算式。跨接在端口2、3間的電阻R，是為了得到2、3口之間互相隔離得作用。當(dāng)信號1口輸入，2、3口接負(fù)載電阻 時，2、3兩口等電位，故電阻R沒有電流流過，相當(dāng)于R不起作用；而當(dāng)2口或3口得外接負(fù)載不等于R2或R3時，負(fù)載有反射，這時為使2、3兩端口彼此隔離，R必有確定的值，經(jīng)計算R=Z0(1+K2)/K圖1中兩路線帶之間的距

22、離不宜過大，一般取23帶條寬度。這樣可使跨接在兩帶線之間的寄生效應(yīng)盡量減小。實驗內(nèi)容設(shè)計仿真一個兩路微帶功分器。已知：端口特性阻抗：𝑍0= 50 𝛺 ，功分比：𝑘2=1.5 ，介質(zhì)基片：𝜀𝑟=4.6，𝐻=1𝑚𝑚，導(dǎo)體厚度𝑇 遠(yuǎn)小于介質(zhì)基片厚度𝐻。指標(biāo)如下：當(dāng)中心頻率2GHz，相對帶寬為20%時，（1）兩端輸出的功分比（|𝑆31𝑆21|2）為1.4951.505（即兩端口的傳輸功率|𝑆31|

23、和|𝑆21|相差10𝑙𝑔1.49510𝑙𝑔1.505，也即𝟏.𝟕𝟒𝟔𝟒𝟏𝟗𝟏.𝟕𝟕𝟓𝟑𝟔𝟓𝒅𝑩）；（2）兩輸出端口的隔離度（20𝑙𝑔|𝑆32|）不小于25dB。實驗步驟（1）. 根據(jù)已知條件利用上述公式計算各電阻及阻

24、抗值。（2）. 利用TXLine計算相應(yīng)微帶線的長度及寬度。建立一個新項目，選擇單位和項目頻率1.82.2GHz。（3）. 輸入原理圖，根據(jù)微帶線的不均勻性，選擇適當(dāng)模型。注意：用兩段微帶線與電阻R的兩端相連接，微帶線的阻抗特性與R一致，其寬度由R決定，長度可以調(diào)節(jié)。（4）. 添加測量，測量輸入端口到兩個輸出端口的傳輸系數(shù)以及隔離度。（5）. 仿真分析。（6）. 調(diào)諧元件參數(shù)。實驗仿真1. 功分比𝒌𝟐=𝟏.𝟓（1）. 按照指標(biāo)要求用公式計算各阻抗值。計算結(jié)果：𝑹𝟐=61.237 𝛺，

25、𝑹𝟑=40.825 𝛺，𝒁𝟎𝟐=87.491 𝛺，𝒁𝟎𝟑=58.327 𝛺，𝑹=102.062 𝛺，𝒁𝟎𝟒=55.334 𝛺，𝒁𝟎𝟓= 45.180 𝛺（2）. 再由TXLine算得其對應(yīng)的微帶線參數(shù)。𝒁𝟎𝟐=87.

26、491 𝛺 W=0.60617mm，L=20.83mm𝒁𝟎𝟑=58.327 𝛺 W=1.4371mm，L=20.213mm𝑹=102.062 𝛺 W=0.40064mm，L=21.033mm𝒁𝟎𝟒=55.334 𝛺 W=1.5804mm，L=20.13mm𝒁𝟎𝟓= 45.180 𝛺 W=2.2223mm，L=19.818mm𝒁𝟎

27、;= 50 𝛺 W=1.8825mm，L=19.972mm（3）. 先設(shè)計TL1，TL4，TL11，TL2，TL5：TL1，TL4，TL11應(yīng)該與𝒁𝟎 匹配：W=1.8825mm，L=19.972mmTL2為𝒁𝟎𝟒 ：W=2.2223mm，L=19.818mmTL5為𝒁𝟎𝟓 ：W=2.2223mm，L=19.818mm（4）. 以下設(shè)計TL3，TL6，TL9，TL10：TL3加上TL9為𝒁𝟎𝟐 ，所以W3

28、=W9=0.60617mm，L3+L9=LZ02=20.83mmTL4加上TL10為𝑍03 ，所以W4=W10=1.4371mm ，L6+L10=LZ03=20.213mm又因為兩路帶線之間的距離不宜過大,一般取24帶條寬度（對應(yīng)特征阻抗𝒁𝟎𝟒 ，𝒁𝟎𝟓 較寬的帶條寬度，這里帶條寬度為W5=2.2223mm），且寬度相等（即L3=L6），設(shè)電阻的長度為3mm。（5）. 以下設(shè)計TL7，TL8：因為TL7和TL8的寬度要與𝑹 = 𝟏𝟎&#

29、120784;. 𝟎𝟔𝟐 𝜴 匹配（即W7=W8=WR），并且電阻R的長度加TL7、TL8的長度之和等于TL9，TL10長度之和，即R+L7+L8=L3+L6。（6）. 由于圖中變量很多，且相互約束，為了減少調(diào)諧時的麻煩，采用全局變量的方法，全局變量申明為：設(shè)L3=L6=X，L7=Y1，L8=Y2，L9=a，L10=b。（7）. 調(diào)諧后的各參數(shù)：TL9：W9=0.60617mm，L9=2.87mm；TL10: W10= 1.4371mm，L10=2.253mm；TL3：W3=0.60617mm，L3=17.96mm；TL6：W4=

30、3.989mm，L4=17.96mm；TL7：W7=0.40064mm ，L7=0.6488mm；TL8：W8=0.40064mm，L8=1.474mm；且（𝑳𝟗 + 𝑳𝟏𝟎）/𝑾𝟓 = 𝟐. 𝟑𝟎𝟓，在24倍之間，在符合要求。（8）. 調(diào)諧后的原理圖：（9）. 調(diào)諧后的S參數(shù)：可以看出：在2Ghz時，S2,1，S3,1的差為1.774dB，在𝟏. 𝟕𝟒𝟔&

31、#120786;𝟏𝟗𝟏. 𝟕𝟕𝟓𝟑𝟔𝟓𝒅𝑩 之間，隔離度S3,2都不小于25dB，符合要求。2. 功分比𝒌𝟐 = 𝟏 同上述原理：（1）. 按照指標(biāo)要求用公式計算各阻抗值及其對應(yīng)的微帶線參數(shù)：𝑹𝟐 = 𝑹𝟑 = 50 𝛺 𝒁𝟎𝟐 = 70.71 𝛺 W=0.98629mm，L=20.515mm𝒁𝟎𝟑 = 70.71 𝛺 W=0.98629mm，L=20.515mm𝑹 = 100 𝛺 W=0.42472mm，L=21.007mm𝒁𝟎𝟒 =