電磁場(chǎng)與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-北郵

1、實(shí)驗(yàn)二：分支線匹配器 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握支節(jié)匹配器的工作原理； 掌握微帶線的基本概念和元件模型； 掌握微帶線分支線匹配器的設(shè)計(jì)和仿真。 二、 實(shí)驗(yàn)原理 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?lái)抵消主傳輸線上原來(lái)的反射波，以達(dá)到匹配的目的。 單支節(jié)匹配器：調(diào)諧時(shí)，主要有兩個(gè)可調(diào)參量：距離 d 和分支線的長(zhǎng)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 = 𝑌0 + 𝑗𝐵 ，

2、其中 𝑌0 = 1/𝑍0 。并聯(lián)開(kāi)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(shí)現(xiàn)匹配，因此，并聯(lián)開(kāi)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(kāi)路或短路分支線的長(zhǎng)度 l，這樣就達(dá)到匹配條件。 雙支節(jié)匹配器：通過(guò)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(gè)分支線長(zhǎng)度，就能夠達(dá)到匹配（注意雙支節(jié)匹配不是對(duì)任意負(fù)載阻抗都能匹配的，即存在一個(gè)不能得到匹配的禁區(qū)）。 微帶線 微帶線是有介質(zhì) 𝜀𝑟(𝜀𝑟 &g

3、t; 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)。 三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 已知：輸入阻抗 𝑍𝑖𝑛 = 75 𝛺 負(fù)載阻抗 𝑍𝐿 = (64 +

4、𝑗35) 𝛺 特性阻抗 𝑍0 = 75 𝛺 介質(zhì)基片 𝜀𝑟 = 2.55，𝐻 = 1𝑚𝑚，導(dǎo)體厚度 𝑇 遠(yuǎn)小于介質(zhì)基片厚度 𝐻。 假定負(fù)載在 2GHz 時(shí)實(shí)現(xiàn)匹配，利用圖解法設(shè)計(jì)微帶線單支節(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 = 𝜆/4 ，兩分支線之間的距離為𝑑2 = 𝜆/8。畫(huà)出幾種可能的電路圖并且比較輸入端反射系數(shù)幅度從 1.8GH

5、z 至 2.2GHz 的變化。 四、 實(shí)驗(yàn)步驟 根據(jù)已知計(jì)算出各參量，確定項(xiàng)目頻率。 將歸一化阻抗和負(fù)載阻抗所在位置分別標(biāo)在 Smith 圓上。 設(shè)計(jì)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(zhǎng)度，根據(jù)給定的介質(zhì)基片、特性阻抗和頻率用 TXLine 計(jì)算微帶線物理長(zhǎng)度和寬度。此處應(yīng)該注意電長(zhǎng)度和實(shí)際長(zhǎng)度的聯(lián)系。 畫(huà)出原理圖，在用微帶線畫(huà)出基本的原理圖時(shí)，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)?shù)哪Ｐ汀?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(xiàng)目的頻率改為 1.82.2GHz。 添加矩形圖，添加測(cè)量，點(diǎn)

6、擊分析，測(cè)量輸入端的反射系數(shù)幅值。 同理設(shè)計(jì)雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，重復(fù)上面的步驟。 五、 實(shí)驗(yàn)仿真 1. 單支節(jié) （1）. 根據(jù)已知計(jì)算出各參量。寫(xiě)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(zhǎng)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。 ZL=64+j*35Z0=75 zl=ZL/Z0zl: (0.8533,0.4667) 1/zl: (0.9021,-0.4933)TI=(zl-1)/(zl+1)TI: (-0.0148,0.2555)Zin=7

7、5zin=Zin/Z0Tin=(zin-1)/(zin+1)Tin: 0 b=stepped(0,2*_PI,0.01)R=TI*exp(j*b)Rj=exp(j*b)Rp=0.5*exp(j*b)-0.5 . 在 Smith 導(dǎo)納圓圖上畫(huà)出負(fù)載 𝑍𝐿 所處的 VSWR 圓，標(biāo)出其與單位電導(dǎo)圓的交點(diǎn)。這里可以有兩個(gè)交點(diǎn)，選擇離負(fù)載較近的那個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。下面以分別實(shí)部虛部、幅度角度方式顯示： 角度：93.31° (104.9°) = 198.21 198.21°/2 = 99.105° 由圖得出支節(jié)的電納為 j0.52966

8、5。 . 已知角度后，用 TXLine 算出負(fù)載距離支節(jié)間的微帶線的參數(shù)。W=1.4373mm，L=28.806mm。 . 由圖求出短路點(diǎn)距離支節(jié)接入點(diǎn)的電長(zhǎng)度，角度為(180° 55.82°)/2 = 62.09°。 再由 TXLine，輸入角度值，算出微帶線的參數(shù)。L=18.047mm，W=1.4373mm。 . 輸入端口處也需要接一個(gè)微帶線，其寬度要和輸出端口的阻抗 75 匹配，長(zhǎng)度任意。用 TXLine，輸入阻抗，算出微帶線參數(shù) W=1.4373mm， L=26.159mm。 . 根據(jù)上述步驟，設(shè)計(jì)出的參數(shù)為 負(fù)載到支節(jié)的微帶線（TL2）：L=28.806

9、mm W=1.4373mm 支節(jié)的微帶線（TL3）： L=18.047mm W=1.4373mm 端口處接的微帶線（TL1）： L=26.159mm W=1.4373mm 由此搭建電路： MLINMLIN . 根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)建立原始電路測(cè)量其 S 參數(shù)： 在中心頻率處，反射系數(shù)還不是很低，所以要調(diào)諧系統(tǒng)以改善性能。 . 設(shè) TL2 和 TL3 的長(zhǎng)度可變，調(diào)諧前后對(duì)比： ID TL2 TL3 原始參數(shù) 28.806mm 18.047mm 調(diào)諧后參數(shù) 28.206mm 18.647mm 調(diào)諧后的電路： MLINMLINPORTID=TL1 ID=TL2 RESINDP=1 W=1.437 mmM

10、TEE$W=1.437 mmID=R1 ID=L1 Z=75 OhmL=26.16 mmID= TL4 L=28.21 mmR=64 OhmL=2.787 nH 調(diào)諧后的電路 S 參數(shù)： 顯然，調(diào)諧后的電路，在中心頻率 2GHz 處的 S 參數(shù)比調(diào)諧前的低得多，說(shuō)明電路的性能有所提高，已經(jīng)特別接近最理想的 0。 2. 雙支節(jié) （1）. 根據(jù)已知計(jì)算出各參量。寫(xiě)入 Output Equations。 e：大圓，等反射系數(shù)圓；g：1+jx 匹配元；g2：輔助圓；r：負(fù)載所在的等反射系數(shù)圓； r2：負(fù)載與第一個(gè)支節(jié)并聯(lián)后的等反射系數(shù)圓；Rd：等電導(dǎo)圓。 ZL=64+j*35 Z0=75zl=ZL/Z

11、0zl: (0.8533,0.4667)1/zl: (0.9021,-0.4933)T1=(zl-1)/(zl+1)T1: (-0.0148,0.2555)Zin=75 zin=Zin/Z0zin: 1T2=(zin-1)/(zin+1)T2: 0 b=stepped(0,2*_PI,0.01) r=T1*exp(j*b) g=0.5*exp(j*b)-0.5 e=1*exp(j*b) g2=0.5*exp(j*b)-0.5*j r2=0.7328*exp(j*b) p=0.9021Rd=(1/(1+p)*exp(j*b)-p/(1+p) . 在 Smith 導(dǎo)納原圖上畫(huà)出負(fù)載 ⻔

12、5;𝐿 的位置，沿 VSWR 圓轉(zhuǎn) 180°處即為距離負(fù)載距離為 1/4 波長(zhǎng)處的導(dǎo)納。用 TXLine，輸入角度，求出負(fù)載和第一個(gè)支節(jié)之間的微帶線參數(shù)，L=26.159mm,W=1.4373mm . 再求出其所在的等電導(dǎo)圓與輔助圓的交點(diǎn)，一共可得兩個(gè)交點(diǎn)，選擇靠下的那個(gè)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)。得第一個(gè)支節(jié)的導(dǎo)納為j（2,01944 0.475059） = j1.542381，短路點(diǎn)離它的距離，兩者之間的角度（180° + 114.1°）/2 = 147.05° 。用 TXLine，輸入角度，算出第一個(gè)支節(jié)的微帶線參數(shù)。L=42.742mm，W=1.4

13、373mm . 因?yàn)閮蓚€(gè)支節(jié)之間的距離為 1/8 波長(zhǎng)，所以對(duì)應(yīng)的角度為 90°/2 = 45° ，其微帶線參數(shù)可由 TXLine 算得。L=13.08mm，W=1.4373mm . 在 Smitn 圖上使該點(diǎn)繞其 VSWR 圓順時(shí)針轉(zhuǎn) 90°，必然和單位電導(dǎo)圓交于一點(diǎn)，由該點(diǎn)可讀出第二個(gè)支節(jié)需要的電納值為 j2.15449。在單位電抗圓上標(biāo)出該交點(diǎn)的位置，計(jì)算短路點(diǎn)離它的距離，兩者之間的角度為（180° + 130.2°）/2 = 155.1° ，用 TXLine 輸入角度，算得第二條支節(jié)的微帶線參數(shù)：L=45.081mm，W=1.

14、4373mm . 由于在 Port 端口與第二個(gè)支節(jié)之間接的微帶線長(zhǎng)度任意，但是寬度要與 Port 的阻值 75 相匹配，所以用 TXLine 算其參數(shù)，L=26.159mm ，W=1.4373。 . 由上所述，設(shè)計(jì)出來(lái)的各參數(shù)如下 負(fù)載和第一個(gè)支節(jié)的微帶線（TL3）： L=26.159mm，W=1.4373mm 第一個(gè)支節(jié)的微帶線（TL5）： L=42.742mm，W=1.4373mm 第一個(gè)支節(jié)到第二個(gè)支節(jié)的微帶線（TL2）： L=13.08mm，W=1.4373mm 第二個(gè)支節(jié)的微帶線（TL4）： L=45.081mm，W=1.4373mm 第二個(gè)支節(jié)和輸入端口之間的微帶線（TL1）：L

15、=26.159mm，W=1.4373mm 由此畫(huà)出電路： MLINMLINMLIN . 根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)建立原始電路測(cè)量其 S 參數(shù) 偏離中心頻率，且在中心頻率 2GHZ 處，反射系數(shù)還不是很低，所以要調(diào)諧系統(tǒng)以改善性能。 . 將兩個(gè)支節(jié)（TL4 和 TL5）的長(zhǎng)度設(shè)為可調(diào)，調(diào)諧后電路 ID 第一個(gè)支節(jié) TL5 第二個(gè)支節(jié) TL4 原始長(zhǎng)度 42.742mm 45.081mm 調(diào)諧后長(zhǎng)度 42.022mm 44.541mm 調(diào)諧后的電路： PORTP=1 Z=75 OhmMLINID=TL1 W=1.437 mm L= 26.16 mmMTEE$ID= TL6 MLINID=TL2 W=1.43

16、7 mm L= 13.08 mmMTEE$ID= TL7 MLINID=TL3 W=1.437 mm L= 26.16 mmRESID=R1 R=64 Ohm 調(diào)諧后電路的 S 參數(shù)： 很明顯可以看出，在中心頻率處，調(diào)諧后的 S 參量大大低于未調(diào)諧的，而且很接近于零，說(shuō)明在中心頻率處，系統(tǒng)設(shè)計(jì)接近理想狀態(tài)。 實(shí)驗(yàn)三：四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握單節(jié)和多節(jié)四分之一波長(zhǎng)變阻器的工作原理； 了解單節(jié)和多節(jié)變阻器工作帶寬和反射系數(shù)的關(guān)系； 掌握單節(jié)和多節(jié)四分之一波長(zhǎng)變換器的設(shè)計(jì)與仿真。 二、 實(shí)驗(yàn)原理 四分之一波長(zhǎng)變阻器是一種阻抗變換元件，用于負(fù)載阻抗或信號(hào)源內(nèi)阻與傳輸線的匹配，以保證

17、最大功率的傳輸。實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗與傳輸線匹配，其實(shí)質(zhì)是利用“補(bǔ)償原理”，即由可調(diào)的匹配器產(chǎn)生一個(gè)合適的附加反射波，它與負(fù)載阻抗所產(chǎn)生的反射波在指定的參考面上等幅反相，從而互相抵消。 1. 單節(jié)四分之一波長(zhǎng)變阻器 . 負(fù)載阻抗為純電阻 RL： （1） . 負(fù)載阻抗為復(fù)數(shù) ZL： 波節(jié)點(diǎn)： （2）波腹點(diǎn)： （3） 多節(jié)四分之一波長(zhǎng)變阻器 （4） 切比雪夫阻抗變換器 R = RL/𝑍0 （5） （6） 三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 . 已知：負(fù)載阻抗為純電阻 𝑅𝐿 = 150𝛺，中心頻率 𝑓0 = 3𝐺𝐻&

18、#119911;，主傳輸線特性阻抗 𝑍0 = 50𝛺，介質(zhì)基片 𝜀𝑟 = 4.6，厚度 𝐻 = 1𝑚𝑚，最大反射系數(shù)模 𝛤𝑚 不應(yīng)超過(guò) 0.1，設(shè)計(jì) 1，2，3 節(jié)二項(xiàng)式變阻器，在給定的反射系數(shù)條件下比較它們的工作帶寬，要求用微帶線形式實(shí)現(xiàn)。 . 已知負(fù)載阻抗為復(fù)數(shù)：𝑍𝐿 = 85 𝑗45𝛺，中心頻率 𝑓0 = 3𝐺𝐻𝑧，主傳

19、輸線特性阻抗 𝑍0 = 50𝛺，在電壓駐波波腹或波節(jié)點(diǎn)利用單節(jié)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器，設(shè)計(jì)微帶線變阻器。微帶線介質(zhì)參數(shù)同上。 四、 實(shí)驗(yàn)步驟 . 對(duì)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(duì)帶寬。 . 根據(jù)各節(jié)特性阻抗，利用 TXLine 計(jì)算相應(yīng)的微帶線的長(zhǎng)度和寬度。每段變阻器的長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)（在中心頻率），即 𝑙 = 𝜆𝑔0/4。 . 對(duì)于復(fù)數(shù)負(fù)載 𝑍𝐿 ，根據(jù)負(fù)載阻抗 𝑍𝐿 、特性阻抗 𝑍0 ，計(jì)算歸一化

20、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，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(shí)軸交點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)的電長(zhǎng)度 𝐿𝑀、𝐿𝑁 ，計(jì)算變換器的特性阻抗。 . 根據(jù)傳輸線的特性阻抗，利用 TXLine 計(jì)算相應(yīng)微帶線的長(zhǎng)度及寬度，以及對(duì)應(yīng)電長(zhǎng)度 𝐿𝑀、𝐿𝑁 的微帶線長(zhǎng)度。 . 設(shè)計(jì)并完成原理圖。 . 添加并測(cè)試 Rectangular 圖。 . 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。 . 對(duì)于純電阻負(fù)載，上述指

21、標(biāo)不變，采用 3 節(jié)切比雪夫變阻器重新設(shè)計(jì)上述阻抗變換器。 五、 實(shí)驗(yàn)仿真 1. 單節(jié)變換器 . 利用式（1）算得 Z1 = 86.603，利用 TXLine 計(jì)算各微帶線參數(shù)，如下表： 微帶線 TL1（𝒁𝟎） TL2（𝒁𝟏）可調(diào) TL3（𝑹𝑳） Impedance（） 50 86.603 150 Frequency（GHz） 3 3 3 Electrical Length（deg） 90 90 90 Physical Width（mm） 1.8986 0.62801 0.10292 Physica

22、l Length（mm） 13.254 13.83 14.314 . 調(diào)諧后的原理圖： MLINMLINMLINPORTID=TL1 ID=TL2 ID=TL3 P=1 W=1.899 mmMSTEP$W=0.628 mmMSTEP$W=0.1029 mmZ=50 OhmL=13.25 mmID= TL4 L=13.66 mmID= TL5 L=14.31 mmMSUBPORT Er=4.6 P=2 H=1 mmZ=150 OhmT=0.001 mmRho=1 Tand=0 ErNom=4.6 Name=SUB1 2. 2 支節(jié)變換器 . 利用式（4）算得 Z1 = 65.804，Z2 = 1

23、13.975，利用 TXLine 計(jì)算各微帶線參數(shù)，如下表： 微帶線 TL1（𝒁𝟎） TL2（𝒁𝟏）可調(diào) TL3（𝒁𝟐）可調(diào) TL4（𝑹𝑳） Impedance（） 50 65.804 113.975 150 Frequency（GHz） 3 3 3 3 Electrical Length（deg） 90 90 90 90 Physical Width（mm） 1.8986 1.1523 0.28686 0.10292 Physical Length（mm） 13.2

24、54 13.547 14.103 14.314 . 調(diào)諧后的原理圖： MLINMLINID=TL2 ID=TL3 3. 3 支節(jié)變換器 . 利用式（4）算得 Z1 = 57.360，Z2 = 86.603，Z3 = 130.753，利用 TXLine 計(jì)算各微帶線參數(shù)，如下表： 微帶線 TL1（𝒁𝟎） TL2（𝒁𝟏）可調(diào) TL3（𝒁𝟐）可調(diào) TL4（𝒁𝟑）可調(diào) TL5（𝑹𝑳） Impedance（） 50 57.360 86.603 1

25、30.753 150 Frequency（GHz） 3 3 3 3 3 Electrical Length（deg） 90 90 90 90 90 Physical Width（mm） 1.8986 1.4946 0.62801 0.17822 0.10292 Physical Length（mm） 13.254 13.4 13.83 14.216 14.314 . 調(diào)諧后的原理圖： MLINMLINMLIN 調(diào)諧后的 S 參數(shù)（1、2、3 支節(jié)畫(huà)在一起，可以比較）： 可以看出：多級(jí)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。 4. 波節(jié)點(diǎn)、波腹點(diǎn) . 計(jì)算歸一化負(fù)載阻抗和

26、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(shí)部虛部、幅度角度方式顯示： 波節(jié)點(diǎn)：電長(zhǎng)度 𝐿𝑀 = （180° 33.69°）/2 = 73.155°，駐波比， 波腹點(diǎn)：電長(zhǎng)度 𝐿𝑁 = (360° 33.69°)/2 = 163.155°，駐波比， . 利用 TXLine 計(jì)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 TL1（𝒁𝟎）可調(diào) TL2（𝒁

27、0783;） TL1（𝒁𝟏）可調(diào) TL2（𝒁𝟎） Impedance（） 32.735 50 76.371 50 Frequency（GHz） 3 3 3 3 Electrical Length（deg） 90 73.155（𝐿𝑁） 90 163.155（𝐿𝑀） Physical Width（mm） 3.6269 1.899 0.8433 1.8986 Physical Length（mm） 12.83 10.74 13.705 24.027 . 調(diào)諧后的波節(jié)點(diǎn)、波腹

28、點(diǎn)原理圖： MLINMLINP=Z=PORT501 OhmID=W=L=TL1 3.627 12.83 mm mmID=MSTEP$ TL3 ID=W=L=10.74TL2 1.899 mm mmID=RESR=R1 85 OhmID=CAPC=1.18C1 pFMSUBEr=4.6 H=1 mmT=0.001 mmRho=1 Tand=0 ErNom=4.6 Name=SUB1 MLINMLINP=Z=PORT501 OhmID=W=L=TL1 0.843313.31 mm mmID=MSTEP$ TL3 ID=W=L=TL2 1.899 24.03 mm mmID=RESR=R1 85 O

29、hmID=CAPC=1.18C1 pFMSUBEr=4.6 H=1 mmT=0.001 mmRho=1 Tand=0 ErNom=4.6 Name=SUB1 調(diào)諧后的 S 參數(shù)： |S1,1| * bojie|S1,1| * bofu 5. 切比雪夫（Chebyshev）阻抗變換器 . 利用式（5），算得 R=150/50=3；式（6），算得 。參照課本附錄 6 給出的切比雪夫阻抗變換器的設(shè)計(jì)表格，易知：歸一化的 𝑧1 =1.24988， 𝑧2 = 𝑅 = 3， 𝑧3 = 𝑅/ 𝑍1 = 3/1.2

30、4988 ，則實(shí)際阻抗為 𝑍1 = 𝑧1 𝑍0 =62.494𝛺， 𝑍2 = 𝑧2 𝑍0 = 86.603𝛺， 𝑍3 = 𝑧3 𝑍0 = 120.012𝛺。 . 利用 TXLine 計(jì)算各微帶線參數(shù)，如下表： 微帶線 TL1（𝒁𝟎） TL2（𝒁𝟏）可調(diào) TL3（𝒁𝟐）可調(diào) TL4（𝒁ҷ

31、85;）可調(diào) TL5（𝑹𝑳） Impedance（） 50 62.494 86.603 120.012 150 Frequency（GHz） 3 3 3 3 3 Electrical Length（deg） 90 90 90 90 90 Physical Width（mm） 1.8986 1.2742 0.62801 0.24173 0.10292 Physical Length（mm） 13.254 13.492 13.83 14.147 14.314 . 調(diào)諧后的原理圖： MLINMLINMLIN 調(diào)諧后的 S 參數(shù)（與 3 支節(jié)畫(huà)在一起，可以比較）： 可以

32、看出：切比雪夫變換器比二項(xiàng)式變換器的帶寬有明顯增加，但是二項(xiàng)式帶內(nèi)平坦度較好。 實(shí)驗(yàn)六：功率分配器 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握功率分配器的工作原理和分析方法； 掌握微帶線功率分配器的設(shè)計(jì)和仿真。 二、 實(shí)驗(yàn)原理 1. 功率分配器 功率分配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，而成為功率合成器件。在電路中常用到微帶功分器。 兩路微帶線功分器等效電路，如下圖： 2 𝑷𝟏 𝒁𝟎 𝑷𝟐 𝑷𝟑 1 3 𝑹 w

33、937;𝟎𝟐 𝒁𝟎𝟑 𝒁𝒊𝒏𝟐 𝒁𝒊𝒏𝟑 𝛌𝒈/𝟒 𝑹𝟐 𝑹𝟑 功率從 1 端口輸入，分成兩路，經(jīng)過(guò)一段四分之一波長(zhǎng)的微帶線傳輸后，到達(dá) 2 端口和 3 端口。1 端口的特性阻抗為 𝑍0，1 到 2 端口、1 到 3 端口的微帶線的特性阻抗分別為 𝑍

34、;02、𝑍03，線長(zhǎng)為 𝑔/4。R2，R3 分別為從 2 端口、3 端口向負(fù)載看過(guò)去的阻抗。R 為 2 端口、3 端口之間的隔離電阻。各參數(shù)計(jì)算公式： 𝑹𝟐 = 𝒌𝒁𝟎 𝑹𝟑 = 𝒁𝟎/𝒌 𝒁𝟎𝟐 = 𝒁𝟎(𝟏 + 𝒌𝟐)𝒌𝟎.𝟓

35、𝒁𝟎𝟑 = 𝒁𝟎(𝟏 + 𝒌𝟐)/𝒌𝟑𝟎.𝟓 𝒁𝟎𝟒 = (𝑹𝟐𝒁𝟎)𝟎.𝟓 𝒁𝟎𝟓 = (𝑹𝟑𝒁𝟎)𝟎.𝟓 三、 實(shí)驗(yàn)

36、內(nèi)容 設(shè)計(jì)仿真一個(gè)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(duì)帶寬為 20%時(shí)，（1）兩端輸出的功分比（）為 1.4951.505（即兩端口的傳輸功率 |𝑆31| 和 |𝑆21| 相差 10𝑙𝑔1.49510&#

37、119897;𝑔1.505 ，也即𝟏. 𝟕𝟒𝟔𝟒𝟏𝟗𝟏. 𝟕𝟕𝟓𝟑𝟔𝟓𝒅𝑩）；（2）兩輸出端口的隔離度（20𝑙𝑔|𝑆32|）不小于 25dB。 四、 實(shí)驗(yàn)步驟 . 根據(jù)已知條件利用上述公式計(jì)算各電阻及阻抗值。 . 利用 TXLine 計(jì)算相應(yīng)微帶線的長(zhǎng)度及寬度。建立一個(gè)新項(xiàng)目，選

38、擇單位和項(xiàng)目頻率 1.82.2GHz。 . 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(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)。 . 添加測(cè)量，測(cè)量輸入端口到兩個(gè)輸出端口的傳輸系數(shù)以及隔離度。 . 仿真分析。 . 調(diào)諧元件參數(shù)。 五、 實(shí)驗(yàn)仿真 1. 功分比 𝒌𝟐 = 𝟏. 𝟓 （1）. 按照指標(biāo)要求用公式計(jì)算各阻抗值。 Z0=50k=1.50.5k: 1.225R2=k*Z0R2: 61.24R3=Z0/kR3: 40.82Z03=Z0*(1+k2)/k3)

39、0.5Z03: 58.33Z02=Z0*(1+k2)*k)0.5Z02: 87.49R=Z0*(1+k2)/kR: 102.1Z04=(R2*Z0)0.5Z04: 55.33Z05=(R3*Z0)0.5 Z0=50Z05: 45.18 計(jì)算結(jié)果：𝑹𝟐 = 61.237 𝛺，𝑹𝟑 = 40.825 𝛺， 𝒁𝟎𝟐 = 87.491 𝛺，𝒁𝟎𝟑 = 58.327 𝛺，ү

40、29; =102.062 𝛺，𝒁𝟎𝟒 = 55.334 𝛺，𝒁𝟎𝟓 = 45.180 𝛺 . 再由 TXLine 算得其對(duì)應(yīng)的微帶線參數(shù)。 𝒁𝟎𝟐 = 87.491 𝛺 W=0.60617mm，L=20.83mm 𝒁𝟎𝟑 = 58.327 𝛺 W=1.4371mm，L=20.213mm 𝑹 = 102.062

41、𝛺 W=0.40064mm，L=21.033mm 𝒁𝟎𝟒 = 55.334 𝛺 W=1.5804mm，L=20.13mm 𝒁𝟎𝟓 = 45.180 𝛺 W=2.2223mm，L=19.818mm 𝒁𝟎 = 50 𝛺 W=1.8825mm，L=19.972mm . 先設(shè)計(jì) TL1，TL4，TL11，TL2，TL5： TL1 ，TL4，TL11 應(yīng)該與 𝒁𝟎 匹配：W=1.88

42、25mm，L=19.972mm TL2 為 𝒁𝟎𝟒 ： W=2.2223mm，L=19.818mm TL5 為 𝒁𝟎𝟓 ： W=2.2223mm，L=19.818mm . 以下設(shè)計(jì) TL3，TL6，TL9，TL10： TL3 加上 TL9 為 𝒁𝟎𝟐 ，所以 W3=W9=0.60617mm， L3+L9=LZ02=20.83mm TL4 加上 TL10 為 𝑍03 ，所以 W4=W10=1.4371mm ，L6+L10=LZ03=20.

43、213mm 又因?yàn)閮陕穾Ь€之間的距離不宜過(guò)大,一般取 24 帶條寬度（對(duì)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(zhǎng)度為 3mm。 . 以下設(shè)計(jì) TL7，TL8：因?yàn)?TL7 和 TL8 的寬度要與 𝑹 = 𝟏𝟎𝟐. 𝟎𝟔𝟐 𝜴 匹配（即 W7=W8=WR），并且電阻 R 的長(zhǎng)度加 TL7

44、、TL8 的長(zhǎng)度之和等于 TL9，TL10 長(zhǎng)度之和，即 R+L7+L8=L3+L6。 . 由于圖中變量很多，且相互約束，為了減少調(diào)諧時(shí)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=alpha，L10=beta。 X=17.96alpha=20.83-Xalpha: 2.87beta=20.213-Xbeta: 2.253alpha+beta: 5.123(alpha+beta)/2.2223: 2.305Y1=0.6488Y2=alpha+beta-Y1-3Y2: 1.474 . 調(diào)諧后的各參數(shù)： TL9：W9=0.60617mm， L9=2.

45、87mm； TL10: W10= 1.4371mm， L10=2.253mm； TL3：W3=0.60617mm， L3=17.96mm； TL6：W4=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。 . 調(diào)諧后的原理圖： . 調(diào)

46、諧后的 S 參數(shù)： 可以看出：在 2Ghz 時(shí)，S2,1， S3,1的差為 1.774dB，在𝟏. 𝟕𝟒𝟔𝟒𝟏𝟗𝟏. 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(jì)算各阻抗值及其對(duì)應(yīng)的微帶線參數(shù)：

47、Z0=50k=1R2=k*Z0R2: 50R3=Z0/kR3: 50Z03=Z0*(1+k2)/k3)0.5Z03: 70.71Z02=Z0*(1+k2)*k)0.5Z02: 70.71R=Z0*(1+k2)/kR: 100Z04=(R2*Z0)0.5Z04: 50Z05=(R3*Z0)0.5Z05: 50 𝑹𝟐 = 𝑹𝟑 = 50 𝛺 𝒁𝟎𝟐 = 70.71 𝛺 W=0.98629mm，L=20.515mm 𝒁𝟎

48、20785; = 70.71 𝛺 W=0.98629mm，L=20.515mm 𝑹 = 100 𝛺 W=0.42472mm，L=21.007mm 𝒁𝟎𝟒 = 50 𝛺 W=1.8825mm， L=19.972mm 𝒁𝟎𝟓 = 50 𝛺 W=1.8825mm ，L=19.972mm 𝒁𝟎 = 50 𝛺 W=1.8825mm， L=19.972mm . 調(diào)諧后的各微帶線參數(shù)： TL1 ，TL4，TL11 與 𝒁𝟎 匹配：W=1.8825mm，L=19.972mm TL2： W2=1.8825mm， L2=19.972mm TL5： W5=1.8825mm， L5=19.972mm； TL9： W9=0.98629mm， L9=2.495mm； TL10：W10= 0.98629mm，L10=2.495mm； TL3： W3=0.9862