微波技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

前

言

本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)高等院校的微波技術(shù)課程教學(xué)而編寫，內(nèi)容涉及現(xiàn)行微波技術(shù)課程教學(xué)中的各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，對(duì)微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)提出恰當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，使學(xué)生能通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)微波技術(shù)課程有更深層次的理解。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋微波技術(shù)各種無(wú)源與有源器件實(shí)驗(yàn)以及小型微波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在重慶大學(xué)進(jìn)行了一年的實(shí)驗(yàn)性教學(xué)，效果良好。本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書是以微波技術(shù)理論為基礎(chǔ)，微波軟硬件為工具編寫的，并進(jìn)行了內(nèi)容擴(kuò)展，具有通用性。微波實(shí)驗(yàn)所需軟件的簡(jiǎn)介1)電路設(shè)計(jì)所需要的軟件(microwave

office、ADS、ansoft

Designer)2)ADS基本功能的簡(jiǎn)介(包括：S參數(shù)仿真、smith圓圖工具、Linecalc工具)實(shí)驗(yàn)一、傳輸線理論一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解基本傳輸線、微帶線的特性。2、利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)際測(cè)量以了解微帶線的特性。

3、利用ADS軟件進(jìn)行基本傳輸線和微帶線的電路設(shè)計(jì)和仿真。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目設(shè)備名稱數(shù)量備注1MOTECHRF2000測(cè)量?jī)x一臺(tái)亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2微帶線模組一套R(shí)F2KM1-1A,3MICROWAVE軟件1套微波電路設(shè)計(jì)軟件41MΩ

BNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）550Ω

BNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)三、理論分析（見書上無(wú)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(fù)載短路情況下的特性(在理想微帶線庫(kù)中選元件)(2)負(fù)載開路情況下的特性(3)負(fù)載為復(fù)阻抗下的特性(3)負(fù)載為純電抗下的特性軟件仿真任務(wù)：(1)仿真負(fù)載為不同阻抗(開路、短路、復(fù)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(cè)量測(cè)量步驟：1

MOD-1A的S11測(cè)量：設(shè)定頻段BAND-3;針對(duì)模組P1端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表(1-1)。2

MOD-1B的S11測(cè)量：設(shè)定頻段BAND-3;針對(duì)模組P2端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表(1-2)。3

MOD-1C的S11測(cè)量：設(shè)定頻段BAND-3;針對(duì)模組P3端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表(1-3)。

4

MOD-1C的S21測(cè)量：設(shè)定頻段BAND-3;針對(duì)模

組P3及P4端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表(1-4)。實(shí)驗(yàn)二、匹配理論一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒘私饣镜淖杩蛊ヅ淅碚摷白杩棺儞Q器的設(shè)計(jì)方法。2、利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)際測(cè)量以了解匹配電路的特性。3、學(xué)會(huì)使用軟件進(jìn)行相關(guān)電路的設(shè)計(jì)和仿真，分析結(jié)果。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目設(shè)備名稱數(shù)量備注1MOTECHRF2000測(cè)量?jī)x一臺(tái)亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2阻抗交換器模組一套R(shí)F2KM2-1A(mod-2A,mod-3MICROWAVE軟件1套微波電路設(shè)計(jì)軟件41MΩ

BNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）550Ω

BNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)三、理論分析（見書上）(1)集總元件實(shí)現(xiàn)的L型匹配網(wǎng)絡(luò)(2)分布參數(shù)實(shí)現(xiàn)的L型匹配網(wǎng)絡(luò)(3)雙枝節(jié)線匹配四、軟件的使用打開軟件的Smith圓圖工具確定工作頻率、負(fù)載的歸一化阻抗值(3)利用L－C網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)匹配同一個(gè)負(fù)載阻抗值采用分布參數(shù)實(shí)現(xiàn)匹配對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行S參數(shù)仿真L－C網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)匹配S參數(shù)仿真分布參數(shù)實(shí)現(xiàn)匹配S參數(shù)仿真軟件仿真任務(wù)：采用集總參數(shù)匹配負(fù)載采用單枝節(jié)分布參數(shù)匹配負(fù)載(3)采用雙枝節(jié)分布參數(shù)匹配負(fù)載五、硬件測(cè)量

1、MOD-2A的S11測(cè)量：設(shè)定頻段BAND-3.針對(duì)模組P1端子做S11測(cè)量，并講測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（2-1）中。

2、MOD-2A的S21測(cè)量：設(shè)定頻段:BAND-3.針對(duì)模組P1及P2端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（2-2）中。

3、MOD-2B的S11測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-3.針對(duì)模組P3端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（2-3）中。

4、MOD-2B的S21測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-3.針對(duì)模組P3及P4端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（2-4）中。實(shí)驗(yàn)三、功率衰減器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解功率衰減器的原理及基本設(shè)計(jì)方法。

2、利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)際測(cè)量以了解功率衰減器的特性。

3、學(xué)會(huì)使用微波軟件進(jìn)行功率衰減器的設(shè)計(jì)和仿真，并分析結(jié)果。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目設(shè)備名稱數(shù)量備注1MOTECH

RF2000測(cè)量?jī)x一臺(tái)亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2功率衰減器模組一套R(shí)F2KM3-1A(mod-3A,mod-3B)3MICROWAVE軟件1套微波電路設(shè)計(jì)軟件41MΩ

BNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）550Ω

BNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)三、理論分析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(diǎn)和不同點(diǎn)，以及他們的作用4、具體請(qǐng)參見實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。功率衰減器的指標(biāo)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(shí)現(xiàn)。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。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。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: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: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(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)T型，PI型同阻和異阻結(jié)構(gòu)的衰減器四、硬件測(cè)量

1、MOD-3A的S11測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-3;針對(duì)模組P1端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（3-1）中。

2、MOD-3A的S21測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-3;針對(duì)模組P1及P2端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（3-2）中。

3、MOD-3B的S11測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-3;針對(duì)模組P3端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（3-3）中。

4、MOD-3B的S21測(cè)量：設(shè)定頻段:BAND-3;針對(duì)模組

P3及P4端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（3-4）中。實(shí)驗(yàn)四、功率分配器1、了解功率分配器的原理及基本設(shè)計(jì)方法。

2、利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)際測(cè)量以了解功率分配器的特性。

3、學(xué)會(huì)使用ADS軟件對(duì)功分器設(shè)計(jì)及仿真，并分析結(jié)果。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目設(shè)備名稱數(shù)量備注1MOTECH

RF2000測(cè)量?jī)x一臺(tái)亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2功率分接器模組1A、2A一套R(shí)F2KM4-1ARF2KM4-2A350Ω終端負(fù)載1個(gè)LOAD4THRU端子1個(gè)THRU（RF2KM）5MICROWAVE軟件1套微波電路設(shè)計(jì)軟件61MΩ

BNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）750Ω

BNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)三、理論分析Power

dividerPort2

,P2Port3,p32、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(gòu)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(gòu)成微帶功率分配器。電阻式功率分配器的特點(diǎn)：頻帶寬、布線面積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是功率損耗較大(6dB)Port1P1功率分配器的技術(shù)指標(biāo)：頻率范圍、承受功率、插入損耗，支路隔離度、端口駐波比等等。1、功率分配器的原理功率分配器是一個(gè)三端口元件，如圖所示，根據(jù)能量守恒有Δ型電阻式功率分配器如圖所示由于電路的對(duì)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(wǎng)絡(luò)中。設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)公式四、硬件測(cè)量

1、MOD-4A之P1端子的S11測(cè)量：設(shè)定頻段：

BAND-3;將LOAD-1及LOAD-2分別接在模組P2及P3端子；針對(duì)模組P1端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（4-1）中

2、MOD-4A之P1及P2端子的S21測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-3;將LAOD-1接在P3端子上；針對(duì)模組P1及P2端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（4-2）中。

3、MOD-4A之P1及P3端子的S21測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-3;將LOAD-1接在模組P2端子上；針對(duì)模組P1及P3端子做S21測(cè)量，并將結(jié)果紀(jì)錄于表（4-3）中。

4、MOD-4B之P1端子的S11測(cè)量：設(shè)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(duì)模組P1端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（5-1）中。

5、MOD-4B之P1及P2端子的S21測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-4;將LOAD-1接在P3端子上；針對(duì)模組P1及P2端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（5-2）中。

6、MOD-4B之P1及P3端子的S21測(cè)量：設(shè)定頻段：BAND-4;將LOAD-1接在模組P2端子上；針對(duì)模組P1及P3端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（5-3）中。實(shí)驗(yàn)五、定向耦合器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解方向耦合器的原理及基本設(shè)計(jì)方法。2、利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)際測(cè)量以了解方向耦合器的特性。3、學(xué)會(huì)使用微波軟件對(duì)方向耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，并分析結(jié)果。?二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目設(shè)備名稱數(shù)量備注1MOTECH

RF2000測(cè)量?jī)x一臺(tái)亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2方向耦合器模組2組RF2KM5-1ARF2KM5-2A350Ω終端負(fù)載1個(gè)LOAD-1、LOAD-2450Ω負(fù)載端子2個(gè)550Ω

BNC接頭2個(gè)THRU6MICROWAVE軟件1套微波電路設(shè)計(jì)軟件71MΩ

BNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）850Ω

BNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)三、理論分析定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)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(hào)傳輸端口的功率為P2,信號(hào)耦合端口的功率為P3,信號(hào)隔離端口的功率為P4。1、集總參數(shù)定向耦合器的設(shè)計(jì)集總參數(shù)構(gòu)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(biāo)，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(jìn)行計(jì)算：3、分別對(duì)構(gòu)成定向耦合器的不同結(jié)構(gòu)計(jì)算元件值a.低通結(jié)構(gòu)b.高通結(jié)構(gòu)例子:設(shè)計(jì)一個(gè)工作頻率為1GHz,-10dB低通L-C支路耦合器，端口阻抗為50歐。2）微帶3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)，其支線阻抗如圖所示微帶3dB定向耦合器的分析：1）奇、偶模激勵(lì)(等效觀點(diǎn),將特性阻抗進(jìn)行歸一化分析)2）偶模激勵(lì)3）奇模激勵(lì)對(duì)于偶模激勵(lì)對(duì)應(yīng)的ABCD矩陣可以表示為參見書上(表6.6-1)：各個(gè)端口的歸一化出射波的電壓幅度：根據(jù)ABCD矩陣和傳輸，反射系數(shù)的關(guān)系有(見公式6.5-5)：對(duì)于奇模激勵(lì)對(duì)應(yīng)的ABCD矩陣可以表示為：綜上所述：：**設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)集總參數(shù)的定向耦合器和一個(gè)微帶的3dB定向耦合器四、硬件測(cè)量

1、MOD-5A之P1端子的S11測(cè)量：設(shè)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RF2000

RF-IN端子連接的CA-1接在模組P3端子上；針對(duì)模組P1端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（6-1）中。

2、MOD-5A之P1及P2端子的S21測(cè)量：設(shè)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(duì)模組P1及P2端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（6-2）中。

3、MOD-51之P1及P3端子的S21測(cè)量：設(shè)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(duì)模組P1及P3端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果紀(jì)錄于表（6-3）中。

4、MOD-5A之P1及P4端子的S21測(cè)量：設(shè)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(duì)模組P1及實(shí)驗(yàn)六、濾波器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解基本低通及帶通濾波器之設(shè)計(jì)方法。

2、利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)際測(cè)量以了解濾波器的特性。

3、學(xué)會(huì)使用微波軟件對(duì)低通和高通濾波器的設(shè)計(jì)和仿真，并分析結(jié)果。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目設(shè)備名稱數(shù)量備注1MOTECH

RF2000測(cè)量?jī)x一臺(tái)亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2低通濾波器模組1組RF2KM6-1A，（mod-6A）350Ω終端負(fù)載1個(gè)LOAD-1、LOAD-24帶通濾波器模組1個(gè)RF2KM6-1A，（mod-6B）6MICROWAVE軟件1套微波電路設(shè)計(jì)軟件71MΩ

BNC連接線2條CA-3、CA-4（黑色）850Ω

BNC連接線2條CA-1、CA-2(粉紅色)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(shù)參數(shù)插入損耗：定量描述功率響應(yīng)幅度和0dB基準(zhǔn)的差值b)波紋：描述通帶內(nèi)信號(hào)響應(yīng)的平坦度c)3dB帶寬：定義為通帶內(nèi)衰減3dB處上邊帶頻率和下邊帶頻率之間的差值(分?jǐn)?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(wú)窮大的衰減量，但實(shí)際中只能使用有限的元件數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器，因此通常將60dB作為阻帶計(jì)算的設(shè)計(jì)值兩種歸一化低通濾波器的實(shí)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(dǎo)，gi為串聯(lián)電感或并聯(lián)電容，

gN+1為負(fù)載電阻或電導(dǎo)等波紋切比雪夫低通原型的值可以通過(guò)下面的公式來(lái)求取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(guò)下式確定(a)低通濾波器原型 (b)低通濾波器響應(yīng)的頻率定標(biāo)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(lái)定標(biāo)濾波器的頻率，這是通過(guò)用ω/ωC來(lái)代替ω得到的.對(duì)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(zhì)不變，只是元件的值進(jìn)行一定比例的變化，其變化的大小關(guān)系由上式確定.（即頻率變換）得到了低通實(shí)際低通濾波器的電容、電感值，需要將其變換為實(shí)際源、負(fù)載阻抗條件下的電容、電感值。（即阻抗變換）由低通原型到低通濾波器實(shí)際元件值的計(jì)算的公式為：例子：設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)算和畫出頻率為0到4GHz范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)。

ωC為中心角頻率首先找出在頻率為3GHz處滿足插入損耗特性要求的最大平坦響應(yīng)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(duì)應(yīng)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(gè)低通元件為并聯(lián)電容作為電路的結(jié)構(gòu),由設(shè)計(jì)公式2、帶通濾波器的設(shè)計(jì):帶通濾波器由低通原型變換而來(lái)，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)諧振器低通原型中的串聯(lián)電感變換為帶通濾波器中的的LC串聯(lián)，電感、電容值可以由下式求出：低通原型中的并聯(lián)電容變換為帶通濾波器中的的LC并聯(lián)，電容、電感值可以由下式求出：例子：設(shè)計(jì)一個(gè)通帶波紋為0.5dB的三階切比雪夫帶通濾波器，其中心頻率為4GHz，分?jǐn)?shù)帶寬為5%,源、負(fù)載阻抗為50歐。解：查表可以知道其對(duì)應(yīng)的低通原型值為g1=g3=1.5963,g2=1.0967,g0=g4=1如圖所示，選擇的低通原型第一個(gè)元件為并聯(lián)電容，則根據(jù)(5-40),(5-41)對(duì)于低通原型的并聯(lián)電容，轉(zhuǎn)換為帶通濾波器中的LC并聯(lián)，其電容、電感值為：對(duì)于低通原型的串聯(lián)電感，轉(zhuǎn)換為帶通濾波器中的LC串聯(lián)，其電容、電感值為：例子：設(shè)計(jì)一個(gè)通帶波紋為0.1dB的4階切比雪夫帶通濾波器，其中心頻率為4GHz，分?jǐn)?shù)帶寬為5%。附錄：低通原型值：Buttworth型Chebyshev型四、硬件測(cè)量

2、MOD-6A之P1及P2端子的S21測(cè)量：設(shè)定頻段：

BAND-1;針對(duì)模組P1及P2端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄于表（8-2）中。1、MOD-6A之P1端子的S11測(cè)量：設(shè)定頻段BAND-1;針對(duì)模組P1端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄于表（8-1）中。

3、MOD-6B之P3端子的S11測(cè)量：設(shè)定頻段：

BAND-2;針對(duì)模組P3端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄于表(8-3)中。

4、MOD-6B之