微波技術基礎實驗

微波技術基礎實驗第一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二前言本實驗主要針對高等院校的微波技術課程教學而編寫，內容涉及現(xiàn)行微波技術課程教學中的各個實驗環(huán)節(jié)，對微波技術實驗提出恰當?shù)闹笇?，使學生能通過實驗對微波技術課程有更深層次的理解。實驗內容涵蓋微波技術各種無源與有源器件實驗以及小型微波系統(tǒng)實驗，在重慶大學進行了一年的實驗性教學，效果良好。本實驗指導書是以微波技術理論為基礎，微波軟硬件為工具編寫的，并進行了內容擴展，具有通用性。第二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二微波實驗所需軟件的簡介1)電路設計所需要的軟件(microwaveoffice、ADS、ansoftDesigner)2)ADS基本功能的簡介(包括：S參數(shù)仿真、smith圓圖工具、Linecalc工具)第三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二實驗一、傳輸線理論一、實驗目的1、了解基本傳輸線、微帶線的特性。2、利用實驗模組實際測量以了解微帶線的特性。3、利用ADS軟件進行基本傳輸線和微帶線的電路設計和仿真。第四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二二、實驗設備項目設備名稱數(shù)量備注1MOTECHRF2000測量儀一臺亦可用網絡分析儀2微帶線模組一套RF2KM1-1A,3MICROWAVE軟件1套微波電路設計軟件41MΩBNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）550ΩBNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)第五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二三、理論分析（見書上無耗傳輸線輸入阻抗公式）四、軟件仿真（得到反射系數(shù)、輸入阻抗）(1)負載短路情況下的特性(在理想微帶線庫中選元件)第六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二(2)負載開路情況下的特性第七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二(3)負載為復阻抗下的特性第八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二(3)負載為純電抗下的特性第九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二軟件仿真任務：(1)仿真負載為不同阻抗(開路、短路、復阻抗、純電抗條件下的傳輸線的反射系數(shù)、輸入阻抗)四、硬件測量測量步驟：1MOD-1A的S11測量：設定頻段BAND-3;針對模組P1端子做S11測量，并將測量結果紀錄于表(1-1)。2MOD-1B的S11測量：設定頻段BAND-3;針對模組P2端子做S11測量，并將測量結果紀錄于表(1-2)。3MOD-1C的S11測量：設定頻段BAND-3;針對模組P3端子做S11測量，并將測量結果紀錄于表(1-3)。4MOD-1C的S21測量：設定頻段BAND-3;針對模組P3及P4端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表(1-4)。第十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二實驗二、匹配理論一、實驗目的、了解基本的阻抗匹配理論及阻抗變換器的設計方法。2、利用實驗模組實際測量以了解匹配電路的特性。3、學會使用軟件進行相關電路的設計和仿真，分析結果。第十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二二、實驗設備項目設備名稱數(shù)量備注1MOTECHRF2000測量儀一臺亦可用網絡分析儀2阻抗交換器模組一套RF2KM2-1A(mod-2A,mod-3MICROWAVE軟件1套微波電路設計軟件41MΩBNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）550ΩBNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)第十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二三、理論分析（見書上）(1)集總元件實現(xiàn)的L型匹配網絡(2)分布參數(shù)實現(xiàn)的L型匹配網絡(3)雙枝節(jié)線匹配四、軟件的使用(1)打開軟件的Smith圓圖工具(2)確定工作頻率、負載的歸一化阻抗值(3)利用L－C網絡實現(xiàn)匹配(4)同一個負載阻抗值采用分布參數(shù)實現(xiàn)匹配(5)對匹配網絡進行S參數(shù)仿真第十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二L－C網絡實現(xiàn)匹配S參數(shù)仿真第十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二第十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二分布參數(shù)實現(xiàn)匹配S參數(shù)仿真第十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二第十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二軟件仿真任務：(1)采用集總參數(shù)匹配負載(2)采用單枝節(jié)分布參數(shù)匹配負載(3)采用雙枝節(jié)分布參數(shù)匹配負載第十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二五、硬件測量1、MOD-2A的S11測量：設定頻段BAND-3.針對模組P1端子做S11測量，并講測量結果紀錄于表（2-1）中。2、MOD-2A的S21測量：設定頻段:BAND-3.針對模組P1及P2端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表（2-2）中。3、MOD-2B的S11測量：設定頻段：BAND-3.針對模組P3端子做S11測量，并將測量結果紀錄于表（2-3）中。4、MOD-2B的S21測量：設定頻段：BAND-3.針對模組P3及P4端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表（2-4）中。第十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二實驗三、功率衰減器一、實驗目的1、了解功率衰減器的原理及基本設計方法。2、利用實驗模組實際測量以了解功率衰減器的特性。3、學會使用微波軟件進行功率衰減器的設計和仿真，并分析結果。

第二十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二二、實驗設備項目設備名稱數(shù)量備注1MOTECHRF2000測量儀一臺亦可用網絡分析儀2功率衰減器模組一套RF2KM3-1A(mod-3A,mod-3B)3MICROWAVE軟件1套微波電路設計軟件41MΩBNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）550ΩBNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)第二十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二1、熟悉功率衰減器的原理。2、了解和掌握兩種類型的衰減器的原理熟悉兩種類型的衰減器的相似點和不同點，以及他們的作用4、具體請參見實驗指導書。三、理論分析功率衰減器的指標包含工作頻率范圍，衰減量、功率容量、回波損耗等等。一般低頻的才采用電阻的形式實現(xiàn)。第二十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二例如衰減10dB，輸入、輸出阻抗為50歐，代入上面的公式有R3＝71.15歐，R2＝96.25歐，R1=96.25歐。第二十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二第二十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二例如衰減3dB，輸入、輸出阻抗為50歐，代入上面的公式有R3＝141.2歐，R2＝8.6歐，R1=8.6歐。第二十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二第二十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二例如衰減3dB，輸入阻抗為50、輸出阻抗為75歐，代入上面的公式有:第二十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二第二十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二例如衰減6dB，輸入阻抗為50、輸出阻抗為75歐，代入上面的公式有:第二十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二第三十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二例如衰減3dB，輸入阻抗為50、輸出阻抗為75歐，代入上面的公式有:設計任務：設計T型，PI型同阻和異阻結構的衰減器第三十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二四、硬件測量1、MOD-3A的S11測量：設定頻段：BAND-3;針對模組P1端子做S11測量，并將測量結果紀錄于表（3-1）中。2、MOD-3A的S21測量：設定頻段：BAND-3;針對模組P1及P2端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表（3-2）中。3、MOD-3B的S11測量：設定頻段：BAND-3;針對模組P3端子做S11測量，并將測量結果紀錄于表（3-3）中。4、MOD-3B的S21測量：設定頻段:BAND-3;針對模組P3及P4端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表（3-4）中。第三十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二實驗四、功率分配器1、了解功率分配器的原理及基本設計方法。2、利用實驗模組實際測量以了解功率分配器的特性。3、學會使用ADS軟件對功分器設計及仿真，并分析結果。一、實驗目的第三十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二二、實驗設備項目設備名稱數(shù)量備注1MOTECHRF2000測量儀一臺亦可用網絡分析儀2功率分接器模組1A、2A一套RF2KM4-1ARF2KM4-2A350Ω終端負載1個LOAD4THRU端子1個THRU（RF2KM）5MICROWAVE軟件1套微波電路設計軟件61MΩBNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）750ΩBNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)第三十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二三、理論分析

功率分配器的技術指標：頻率范圍、承受功率、插入損耗，支路隔離度、端口駐波比等等。2、各類型等功率分配器：

根據(jù)功率分配器的組成形式可以分為三種類型功率分配器，即集總參數(shù)構成的Δ型電阻式功率分配，Y型電阻式功率分配器；分布參數(shù)構成微帶功率分配器。電阻式功率分配器的特點：頻帶寬、布線面積小、設計簡單，缺點是功率損耗較大(6dB)

PowerdividerPort2,P2Port3,p3

Port1

P11、功率分配器的原理功率分配器是一個三端口元件，如圖所示，根據(jù)能量守恒有第三十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二Δ型電阻式功率分配器如圖所示由于電路的對稱型，因此端口2和端口3的輸出電壓是相等的。其端口2的電壓等于：Y型電阻式功率分配器如圖所示第三十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二由上面的電路分析可以知道，電阻功率分配器，輸出端口總的功率為輸入端口功率的0.5倍，因此有一半的功率被消耗在電阻網絡中。第三十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二設計任務：設計兩種集總參數(shù)電阻等功率分配器；微帶wilkinson等功率分配器微帶wilkinson等功率分配器微帶wilkinson功率分配器設計公式第三十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二四、硬件測量1、MOD-4A之P1端子的S11測量：設定頻段：BAND-3;將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P2及P3端子；針對模組P1端子做S11測量，并將測量結果紀錄于表（4-1）中2、MOD-4A之P1及P2端子的S21測量：設定頻段：BAND-3;將LAOD-1接在P3端子上；針對模組P1及P2端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表（4-2）中。3、MOD-4A之P1及P3端子的S21測量：設定頻段：BAND-3;將LOAD-1接在模組P2端子上；針對模組P1及P3端子做S21測量，并將結果紀錄于表（4-3）中。第三十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二4、MOD-4B之P1端子的S11測量：設定頻段：BAND-4;將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P2及P3端子上。針對模組P1端子做S11測量，并將測量結果紀錄于表（5-1）中。5、MOD-4B之P1及P2端子的S21測量：設定頻段：BAND-4;將LOAD-1接在P3端子上；針對模組P1及P2端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表（5-2）中。6、MOD-4B之P1及P3端子的S21測量：設定頻段：BAND-4;將LOAD-1接在模組P2端子上；針對模組P1及P3端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表（5-3）中。第四十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二實驗五、定向耦合器一、實驗目的1、了解方向耦合器的原理及基本設計方法。2、利用實驗模組實際測量以了解方向耦合器的特性。3、學會使用微波軟件對方向耦合器進行設計和仿真，并分析結果。

第四十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二二、實驗設備項目設備名稱數(shù)量備注1MOTECHRF2000測量儀一臺亦可用網絡分析儀2方向耦合器模組2組RF2KM5-1ARF2KM5-2A350Ω終端負載1個LOAD-1、LOAD-2450Ω負載端子2個550ΩBNC接頭2個THRU6MICROWAVE軟件1套微波電路設計軟件71MΩBNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）850ΩBNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)第四十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二三、理論分析定向耦合器的技術指標包括頻率范圍、插入損耗、耦合度、隔離度、方向性性等。如圖所示輸入端口的功率為P1,信號傳輸端口的功率為P2,信號耦合端口的功率為P3,信號隔離端口的功率為P4。第四十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二1、集總參數(shù)定向耦合器的設計

集總參數(shù)構成的定向耦合器有低通L-C,和高通L-C兩種形式。如圖所示1、確定耦合器的指標，包括耦合系數(shù)C(dB)、端口的等效阻抗Z0、電路的工作頻率f。

2、利用下面的公式進行計算：第四十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二3、分別對構成定向耦合器的不同結構計算元件值a.低通結構b.高通結構第四十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二例子:設計一個工作頻率為1GHz,-10dB低通L-C支路耦合器，端口阻抗為50歐。第四十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二2）微帶3dB定向耦合器的設計，其支線阻抗如圖所示第四十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二微帶3dB定向耦合器的分析：1）奇、偶模激勵(等效觀點,將特性阻抗進行歸一化分析)2）偶模激勵第四十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二3）奇模激勵第四十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二對于偶模激勵對應的ABCD矩陣可以表示為參見書上(表6.6-1)：各個端口的歸一化出射波的電壓幅度：第五十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二根據(jù)ABCD矩陣和傳輸，反射系數(shù)的關系有(見公式6.5-5)：對于奇模激勵對應的ABCD矩陣可以表示為：第五十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二綜上所述：：第五十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二第五十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二**設計任務設計一個集總參數(shù)的定向耦合器和一個微帶的3dB定向耦合器四、硬件測量1、MOD-5A之P1端子的S11測量：設定頻段：BAND-3;將LOAD-1及LAOD-2分別接在模組P2及P4端子上；將于RF2000RF-IN端子連接的CA-1接在模組P3端子上；針對模組P1端子做S11測量，并將測量結果紀錄于表（6-1）中。2、MOD-5A之P1及P2端子的S21測量：設定頻段：BAND-3;將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P3及P4端子上；針對模組P1及P2端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表（6-2）中。3、MOD-51之P1及P3端子的S21測量：設定頻段：BAND-3;將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P2及P4端子上；針對模組P1及P3端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表（6-3）中。4、MOD-5A之P1及P4端子的S21測量：設定頻段：BAND-3;將LAOD-1及LOAD-2分別接在模組P2及P3端子上；針對模組P1及P4端子做S21測量，并將測量結果紀錄于表（6-4）中。第五十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二實驗六、濾波器設計一、實驗目的1、了解基本低通及帶通濾波器之設計方法。2、利用實驗模組實際測量以了解濾波器的特性。3、學會使用微波軟件對低通和高通濾波器的設計和仿真，并分析結果。第五十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二二、實驗設備項目設備名稱數(shù)量備注1MOTECHRF2000測量儀一臺亦可用網絡分析儀2低通濾波器模組1組RF2KM6-1A，（mod-6A）350Ω終端負載1個LOAD-1、LOAD-24帶通濾波器模組1個RF2KM6-1A，（mod-6B）6MICROWAVE軟件1套微波電路設計軟件71MΩBNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）850ΩBNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)第五十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二三、理論分析1、濾波器的類型a)低通濾波器b)高通濾波器c)帶通濾波器d)帶阻濾波器2技術參數(shù)a)插入損耗：定量描述功率響應幅度和0dB基準的差值第五十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二b)波紋：描述通帶內信號響應的平坦度c)3dB帶寬：定義為通帶內衰減3dB處上邊帶頻率和下邊帶頻率之間的差值(分數(shù)帶寬)d)帶外抑制（阻帶抑制):在理想的情況下，希望濾波器在阻帶中具有無窮大的衰減量，但實際中只能使用有限的元件數(shù)目來實現(xiàn)濾波器，因此通常將60dB作為阻帶計算的設計值第五十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二兩種歸一化低通濾波器的實現(xiàn)方式如下圖所示，其中串聯(lián)電感和并聯(lián)電容交替出現(xiàn)。g0為電路的源電阻或電導，gi為串聯(lián)電感或并聯(lián)電容，gN+1為負載電阻或電導等波紋切比雪夫低通原型的值可以通過下面的公式來求取第五十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二為了滿足需要的通帶波紋大小LAr，以及在頻率ΩS處的阻帶衰減量LAS，Chebyshev濾波器低通原型的階數(shù)可以通過下式確定(a)低通濾波器原型(b)低通濾波器響應的頻率定標如圖所示為了將低通原型的截止頻率從1變換到ωC，需要乘以因子1/ωC來定標濾波器的頻率，這是通過用ω/ωC來代替ω得到的.第六十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二對于低通原型中的串聯(lián)電感jXL,并聯(lián)電容jXC,變換為低通濾波器中的感抗、容抗為：由上面的式子可以知道由低通原型變換為低通濾波器，其元件的性質不變，只是元件的值進行一定比例的變化，其變化的大小關系由上式確定.（即頻率變換）得到了低通實際低通濾波器的電容、電感值，需要將其變換為實際源、負載阻抗條件下的電容、電感值。（即阻抗變換）第六十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二由低通原型到低通濾波器實際元件值的計算的公式為：例子：設計一個最平坦的低通濾波器，其截止頻率為2GHz,源阻抗為50歐，在3GHz頻率處至少具有15dB的衰減，計算和畫出頻率為0到4GHz范圍內的頻率響應。ωC為中心角頻率第六十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二首先找出在頻率為3GHz處滿足插入損耗特性要求的最大平坦響應的濾波器階數(shù)。|ω/ωC|-1=

|3/2|-1=0.5,即元件數(shù)n=5可以滿足，對應的低通原型值為：g1=0.618,g2=1.618,g3=2.000,g4=1.618,g5=0.618以第一個低通元件為并聯(lián)電容作為電路的結構,由設計公式第六十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二第六十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二2、帶通濾波器的設計:帶通濾波器由低通原型變換而來，其中低通原型中的串聯(lián)電感變?yōu)閹V波器中的L,C串聯(lián)諧振器，低通原型中的并聯(lián)電容變換成帶通濾波器中的LC并聯(lián)諧振器低通原型