微波技術虛擬實驗報告

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2B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：MicrowaveOffice 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，輸入功率設置為原理圖

Pwr=-20dbm,完成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(shù)，觀察時域及頻域的相關變化。實驗數(shù)據(jù)記錄與結果顯示：DCVSID=V1V=2VINDID=L1CAPL=100nHID=C2C=1pFPORT1CAPP=12Z=50OhmID=C1PORTPwr=-17.7dBmC=1pFTOM1P=21Z=50OhmID=F1AFAC=1NFING=13TimeDomain1050-5Itime[PORT_1,1,1](mA)AmplifierNonlinearAnalyse-10Itime[PORT_2,1,1](mA)AmplifierNonlinearAnalyse-150 0.5 1 1.5 2Time(ns)10SpectrumGraph|Iharm[PORT_1,1,1]|(mA)8AmplifierNonlinearAnalyse|Iharm[PORT_2,1,1]|(mA)6AmplifierNonlinearAnalyse420012345Frequency(GHz)TimeDomain1050Itime[PORT_1,1,1](mA)-5AmplifierNonlinearAnalyseItime[PORT_2,1,1](mA)AmplifierNonlinearAnalyse-1000.511.52Time(ns)SpectrumGraph6|Iharm[PORT_1,1,1]|(mA)AmplifierNonlinearAnalyse|Iharm[PORT_2,1,1]|(mA)4AmplifierNonlinearAnalyse200 1 2 3 4 5Frequency(GHz)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 MicrowaveOffice 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：MicrowaveOffice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(wǎng)格大?。篨-Dimension=320,Y-Dimension=320,X-Divisions=32,Y-Divisions=32 ，添加介質層，設置 Thickness=20;AddConductor 繪制螺旋電感； AddRectConductor繪制輸出線；AddEdgePort添加端口，AddRectConductor繪制電橋；Add添加通道。（2） 在ProjectOptions 中的FrequencyValues 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：EMSpiral 二維圖12二維動態(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L1L415nH,L2L330nH,C1C38pF,C210pF,輸入和輸出端特性阻抗均為50。工作頻率100~1000MHz。（1）畫出原理圖，測量S11,S21參數(shù)（單位dB）與頻率的關系曲線。（2）調節(jié)元件值L1,L4,C1,C3,觀察S參數(shù)的相應變化。（3）優(yōu)化電路，使其滿足f500MHz時，S1117dB,S211dBf700MHz時，S2130dB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：MicrowaveOffice軟件設計步驟：（1）創(chuàng)建原理圖設置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。（2）添加圖表及測量項設置工作頻率：100~1000MHz階長：10MHz.添加矩形圖，添加測量項：PortParameterS（dB）參數(shù)S11,S21。（3）測量Analyze分析電路，測量S參數(shù)的特性曲線。（4）調節(jié)將元件L1，L4，C1，C3的數(shù)值設為可調，調節(jié)各值，觀察S參數(shù)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(shù)：將L2，L3，C2，Lin,Cin參數(shù)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S11,S21參數(shù)的優(yōu)化目標。f500MHz時，S1117dB,S211dB；f700MHz時，S2130dB。執(zhí)行優(yōu)化：OptimizeRandom(Local)，最大迭代次數(shù)5000次。開始執(zhí)行優(yōu)化。實驗數(shù)據(jù)記錄與結果顯示PORTINDINDINDINDPORTID=L1ID=L2ID=L3ID=L4P=2P=1Z=50OhmL=LinnHL=30nHL=30nHL=LinnHZ=50OhmLin=15

CAPID=C1

CAPID=C2

CAPID=C3C=CinpF

C=10pF

C=CinpFCin=8初始原理圖Ex4_Spectrum0-10-20-30DB(|S[1,1]|)Ex4_LPF-40DB(|S[2,1]|)Ex4_LPF-50100 300 500 700 900 1000Frequency(MHz)未優(yōu)化的測量圖PORTINDINDINDINDPORTP=1ID=L1ID=L2ID=L3ID=L4P=2Z=50OhmL=LinnHL=32.95nHL=32.95nHL=LinnHZ=50OhmLin=18.35

CAPID=C1

CAPID=C2

CAPID=C3C=CinpF

C=10.08pF

C=CinpFCin=9.088優(yōu)化后結果圖參數(shù)

Lin

（nh）

Cin（pf）

L2（nh）

L3（nh）

C2（pf）優(yōu)化值

18.35

9.088

32.95

32.95 10.08表1優(yōu)化后各元件及變量的值0-10-20-30-40-50

Ex4_Spectrum500.05MHz-0.08999dB700MHz-29.84dBDB(|S[1,1]|)Ex4_LPFDB(|S[2,1]|)Ex4_LPF-60100 300 500 700 900 1000Frequency(MHz)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(shù)據(jù)條件下進行仿真分析， S參數(shù)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(shù)都會隨著變化，S11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f500MHz，時S17dB,S1dB；當f700MHz時，S30dB112121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(shù)， 更重要的是學會優(yōu)化電路的分析方法， 選擇優(yōu)化參數(shù)，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 Z0 50 ，共作頻率f0 3GHz；微帶線基片 r 9.8,h 1000um,T 1um.測量特性指標 S11,S21,S23(單位dB)與頻率(0.5f0~1.5f0)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：MicrowaveOffice 軟件設計步驟：（1）組織計算Z02,Z03的長度均為p0/4。Z02Z032Z0;Z04Z05Z0;r2Z0,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(shù)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1.5~4.5GHz,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。（4） 調節(jié)電路 調節(jié)電阻 r的長度，寬度，使得S11,S23在f0處盡可能小，S21盡可能接近-3Db.記錄最終的調節(jié)結果。實驗數(shù)據(jù)記錄與結果顯示：表1（已知條件：9.8,1000,1.）rhumTumf03GHz參數(shù)阻值（）電長度（deg）L(um)W(um)Z050101062.91010.4Z02,Z0370.711909864.5442.19Z04,Z0550101062.91010.4r1005564.06138.06PORTP=2

PORTP=3Z=50Ohm

Z=50OhmMLINMLINID=TL5ID=TL3W=1.01mmW=1.01mmL=1.063mmL=1.063mmTFRID=TL1W=0.2061mmL=0.4081mm2RS=501F=3GHzMTEE$33MTEE$ID=TL2ID=TL412MTRACEMTRACEID=X3ID=X2W=0.4422mmW=0.4422mmL=9.865mmL=9.865mmBType=2BType=2M=0.6MTEE$M=0.6ID=TL1123MSUBEr=9.8H=1mmT=0.001mmRho=1MTRACETand=0ErNom=1ID=X1W=1.01mmName=SUB1L=1.063mmBType=2M=0.6PORTP=1Z=50Ohm調節(jié)后的 TFR的尺寸：W=0.2061mm，L=0.4081mm0-10

Ex5_PwrDivider3GHz-3.069dB-20-30-40-50

DB(|S[1,1]|)Ex5_PwrDividerDB(|S[2,3]|)Ex5_PwrDividerDB(|S[2,1]|)Ex5_PwrDivider1.5 2.5 3.5 4.5Frequency(GHz)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(xiàn)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 Z01 50 ,Z02 100 的兩段同軸線匹配鏈接。要求：變換器 N 2，工作頻率 f0 5GHz。已知同軸線的介質為RT/Duriod5880( r 2.16),外導體直徑D0 7mm。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(shù)模的最大值 | m|0.05確定阻抗變換器的結構尺寸，完成電路圖。測量 |S11|（即反射系數(shù)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：MicrowaveOffice軟件設計步驟：（1）電路阻值，尺寸計算Z1,Z2為阻抗變換器，長度均為P0/4。1331方法一：最平坦通帶特性阻抗值的計算：Z1Z024Z014,Z2Z024Z014，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：Z11.21Z01,Z21.61Z01，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（3~7GHz）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)Z1,Z2的L及Di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f1~f2，比較性能優(yōu)劣。實驗數(shù)據(jù)記錄與結果顯示：表1（已知條件：r2.16,D07000um,f05GHz）參數(shù)阻值（）電長度（deg）L(um)W(um)Z0150303399.72054.9Z159.4690101991629.6Z284.099010199890.96Z02100303399.7603.22COAXP2COAXP2COAXP2COAXP2ID=CX1ID=CX2ID=CX3ID=CX4Di=2055umDi=1630umDi=891umDi=603.2umDo=7000umDo=7000umDo=7000umDo=7000umPORTL=3400umL=1.02e4umL=1.02e4umL=3400umP=2PORTK=2.16K=2.16K=2.16K=2.16Z=100OhmA=0.0833A=0.0833A=0.0833A=0.0833P=1Z=50OhmF=5GHzF=5GHzF=5GHzF=0.1GHz表2（已知條件：r2.16,D07000um,f05GHz）參數(shù)阻值（）電長度（deg）L(um)W(um)Z0150303399.72054.9Z160.590101991588.680.59010199972.92Z2100 30 3399.7 603.22Z02COAXP2COAXP2COAXP2COAXP2ID=CX1ID=CX2ID=CX3ID=CX4Di=2055umDi=1589umDi=972.9umDi=603.2umDo=7000umDo=7000umDo=7000umDo=7000umPORTL=3400umL=1.02e4umL=1.02e4umL=3400umP=2PORTK=2.16K=2.16K=2.16K=2.16Z=100OhmP=1A=0.0833A=0.0833A=0.0833A=0.0833Z=50OhmF=5GHzF=5GHzF=5GHzF=5GHz0.150.1

Ex6_ImpedanceTransformer|S[1,1]|Ex6_ImpedanceTransformer1|S[1,1]|Ex6_ImpedanceTransformer23.275GHz6.726GHz0.050620.050720.0503 4 5 6 7Frequency(GHz)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 Z0 50 的無耗均勻傳輸線，終端接 ZL 25 j75 的負載，工作頻率f0 10GHz（即波長 0 30mm）。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 0/8），對傳輸線及負載進行匹配，用同軸線結構實現(xiàn)。 （微帶線結構為選做實驗）在0.5f0~1.5f0頻帶內(nèi)測量特性指標 S11，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：MicrowaveOffice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(shù)的實際值，填入表格。（2）完成電路圖，測量設置單位，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。（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S11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(shù)據(jù)記錄與結果顯示：表1同軸線結構（已知條件：Z050,ZL25j75,L0.250,D0/8,030mm）參數(shù)dlLALBCAI軟件結果0.39600.43300.30600.4440實際值（mm）11.8812.999.1813.32TLSCPID=TL1Z0=50OhmL=1.299e4umEeff=1Loss=0F0=10GHzCOAXI2COAXI2ID=CX1ID=CX2Z=50Z=50L=30umL=1.188e4umSRLPORTK=1K=1ID=RL1P=1A=0A=0R=25OhmZ=50OhmF=10GHzF=10GHzL=1.194nH10.80.60.40.205TLSCPID=TL_LBZ0=50OhmL=1.332e4umEeff=1Loss=0F0=10GHzCOAXI2ID=CX1Z=50L=100umPORTK=1P=1A=0Z=50OhmF=10GHz

Ex7_ImpedanceMatch1|S[1,1]|Ex7_ImpedanceMatch1GHz0.00611810 15Frequency(GHz)TLSCPID=TL_LAZ0=50OhmL=9080umEeff=1Loss=0F0=10GHzCOAXI2COAXI2ID=CX2ID=CX3Z=50Z=50L=3750umL=7500umSRLK=1K=1ID=RL1A=0A=0R=25OhmF=10GHzF=10GHzL=1.194nHEx7_ImpedanceMatch210.80.60.40.2|S[1,1]|10GHz0.01475Ex7_ImpedanceMatch2051015Frequency(GHz)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(xiàn)。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(lián)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2.2，在通帶fcGHz內(nèi)最大波紋LAr0.2dB,S1116dB;在阻帶頻率fs4GHz處，阻帶衰減LAr30dB。輸入，輸出端特性阻抗 Z0 50 。方法一（必做）：用微帶線實現(xiàn)，基片厚度H=800um，T=10um，相對介電常數(shù)r9.0；高阻抗特性阻抗Z0h106，低阻抗線Z0l10。方法二（選做）：????.確定濾波器的結構尺寸，測量濾波器的參數(shù)S11,S21。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(jīng)驗。實驗儀器：硬件：PC機，軟件：MicrowaveOffice軟件設計步驟:（1）確定原型濾波器啟動軟件中的Wizard模塊的FilterSynthesieWizard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(shù)定義頁，設置N=5，F(xiàn)C=2.2，PP：Ripple(db),PV=0.2,RS=50,RL=50再依次選擇IdealElectricalModel;LumpedElement;ShuntElementFirst;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（1~5GHz），分析即得濾波器相應圖，包括S參數(shù)。優(yōu)化重新設置優(yōu)化目標：f2.2GHz:S1116dB,S210.2dB;f4GHz:S2130dB。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：r9,f01.1GHz,H800um,T10um,Z0h106，計算W,re。再由lL1lL2L0vphL010931014um計算出長度，填入表格；Z0h106re低阻抗線Z010計算W,re，再由lC1(um)lC3Z0lvplCa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(shù)據(jù)記錄與結果顯示：Ca=1.93799Cb=3.13398L0=4.8362PORTINDINDPORTP=1ID=L1ID=L2P=2Z=50OhmL=L0nHL=L0nHZ=50OhmCAPID=C1

CAPID=C2

CAPID=C3C=CapF

C=CbpF

C=CapF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

f

2.2GHz

時，

S11

16dB,S21

0.2dB；f

4GHz時，

S21

30dB。元件ID

C1（PF）

C2(pF)

C3(pF)

L1(nH)

L2(nH)元件變量

Ca

Cb

Ca

L0

L0優(yōu)化值

1.802

3.073

1.082

4.759

4.759Ex8_IdealFilter0-20-40-60-80

DB(|S[1,1]|)Ex8_IdealFilterDB(|S[2,1]|)Ex8_IdealFilter1 2 3 4 5Frequency(GHz)原型濾波器測量圖MLINMLINMLINMLINMLINPORTID=TL1ID=TL2ID=TL3ID=TL4ID=TL5P=1W=8498umW=84.23umW=8498umW=84.23umW=8498umZ=50OhmL=1954umL=5523umL=3252umL=5549umL=1999umPORTP=2Z=50OhmMSUBEr=9H=800umT=10umRho=1Tand=1e-12ErNom= 9Name=SUB1微帶線結構濾波器原理圖Ex8_RealFilter0-10-20

4.004GHz-28.49dB2.204GHz-0.5744dB-30-40DB(|S[1,1]|)Ex8_RealFilter-50DB(|S[2,1]|)Ex8_RealFilter-6012345Frequency(GHz)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(shù)，再重新添加優(yōu)化目標。優(yōu)化電路，直到各項參數(shù)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(shù)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：①基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠場輻射問題；②端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；③S參數(shù)和相應端口阻抗的歸一化S參數(shù)；④結構的本征模或諧振解。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