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微波仿真实验报告

班级：17班
学号：
姓名：
实验2 微带分支线匹配器
一、实验目的
1.熟悉支节匹配的匹配原理
2.了解微带线的工作原理和实际应用
3.掌握Smith图解法设计微带线匹配网络

二、实验原理
1.支节匹配器
随着工作频率的提高及相应波长的减小，分立元件的寄生参数效应就变得更加明显，当波长变得明显小于典型的电路元件长度时，分布参数元件替代分立元件而得到广泛应用。因此，在频率高达以上时，在负载和传输线之间并联或串联分支短截线，代替分立的电抗元件，实现阻抗匹配网络。常用的匹配电路有：支节匹配器，四分之一波长阻抗变换器，指数线匹配器等。
支节匹配器分单支节、双支节和三支节匹配。这类匹配器是在主传输线并联适当的电纳（或串联适当的电抗），用附加的反射来抵消主传输线上原来的反射波，以达到匹配的目的。此电纳或电抗元件常用一终端短路或开路段构成。

2. 微带线
从微波制造的观点看，这种调谐电路是方便的，因为不需要集总元件，而且并联调谐短截线特别容易制成微带线或带状线形式。微带线由于其结构小巧，可用印刷的方法做成平面电路，易于与其它无源和有源微波器件集成等特点，被广泛应用于实际微波电路中。

三、实验内容
已知： 输入阻抗 Zin=75Ω
负载阻抗 Zl=（64+j75）Ω
特性阻抗 Z0=75Ω
介质基片面性 εr=2.55 ,H=1mm

四、实验步骤
1.建立新项目，确定项目频率，步骤同实验1的1-3步。
2.将归一化输入阻抗和负载阻抗所在位置分别标在Y-Smith导纳图上，步骤类似实验1的4-6步。
3.设计单支节匹配网络，在圆图上确定分支z与负载的距离d以及分支线的长度1，根据给定的介质基片、特性阻抗和频率用TXLINE计算微带线物理长度和宽度。注意在圆图上标出的电角度360度对应二分之一波长，即λ/2。
4.在设计环境中将微带线放置在原理图中。将微带线的衬底材料放在原理图中，选择MSUB并将其拖放在原理图中，双击该元件打开ELEMENT OPTIONS 对话框，将介质的相对介电常数、介质厚度H、导体厚度依次输入。注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响，选择行当的模型。
5.负载阻抗选电阻与电感的串联形式，连接各元件端口。添加PORT，GND，完成原理图，并且将项目频率改为扫频1.8-2.2GHz.
6.在PROJ下添加图，添加测量，进行分析。
7.设计双支节匹配网络，重新建立一个新的原理图，在圆图上确定分支线的长度l1、l2，重复上面步骤3~5。

五、实验图
（1）单枝节匹配相关的图
输出方程：

史密斯导纳圆图

角度图：

电路图：

测量图：

（2）双枝节匹配

输出方程：

史密斯阻抗圆图：

角度的显示方式：

电路原理图：

测量图：

六、实验结果分析
从实验中可以看出，调谐是电路设计的一个重要步骤。在调谐之前，由于在Smith圆图上标点时可能存在一定误差等原因，中心频率可能会有所偏移，双枝节匹配时偏移比较明显。调谐的原因在于：理论和实际可能存在差距。在调谐过后，中心频率达到理想值，在实际中会有比较好的性能。
七、实验中遇到的问题和解决方法
1、这个实验包括单枝节和双枝节匹配两部分，设计方法和我们在做微波习题时所用方法相似。但是用的是导纳圆图。由于对期中以前的知识遗忘较多，而且本来对导纳圆图和阻抗原图之间的关系等等不熟悉，刚开始时花费了很多时间研读实验教材、回想以前做题的步骤。而且由于疏忽，误以为圆图最左方点为开路点，第一次得出的图不正确。后来改正了错误（将开路线改为了短截线），得到了正确的结果。
2、对于如何在圆图上画出负载阻抗点、输入阻抗点，开始时我直接画Rl、Rin，后来在老师的指导下明白了，史密斯圆图上的坐标是反射系数，要标阻抗点需要将其先转化成对应的反射系数。这样才正确地画出了各点。关于如何画反射系数圆、电阻圆等，也花了很多时间思考。不过正是在这个过程中，我们逐渐熟悉了Microwave Office的使用及微波电路设计方法。

实验三 四分之一波长阻抗变换器

一、 实验目的
（1）掌握单枝节和多枝节四分之一波长变换器的工作原理。
（2）了解单节和多节变换器工作带宽和反射系数的关系。
（3）掌握单节和多节四分之一波长变换器的设计和仿真。

二 实验原理
（1） 单节四分之一波长阻抗变化器
四分之一波长变阻器是一种阻抗变换元件，它可以用于负载或信号源内阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传输；此外，在微带电路中，将两端不同特性阻抗的微带连接在一起时为了避免线间反射，也应在两者之间加四分之一波长变换器。

（2） 负载阻抗为负数Zl
Z1=sqrt（Z0*Z0/p）
将入/4变换器接在电压驻波波节位置（离负载为Lm处）。
（3） 切比雪夫多节阻抗变换器
切比雪夫阻抗变换器的设计方法是：使它的反射系数的模随角度按切比雪夫多项式变化，参数见书上的表格

三、实验内容
（1）已知：负载阻抗为纯电阻RL=150欧姆，中心频率f0=3Ghz，主传输线特性阻抗Z0=50欧姆，介质基片面性 εr=2.55 ,H=1mm，最大反射系数不应超过0.1，设计1,2,3节二项式变阻器，在给定的反射系数条件下比较它们的工作带宽，要求用微带线形式实现。
（2）已知负载阻抗为复试：Zl=85-j*45欧姆，中心频率f0=3Ghz，主传输线特性阻抗Z0=50欧姆，在电压驻波波节处利用单节四分之一波长阻抗变换器，设计微带线变阻器。

四 、实验步骤
（1） 按照书上的公式进行1,2,3节的电阻的计算，然后再用Txline进行计算，标注到电路原理图即可
（2） 对于负载阻抗是复数的，首先在史密斯圆图上标注在出阻抗和反射系数，从负载点沿等驻波系数圆向源方向旋转，与史密斯圆图左半实轴的交点。
（3） 查阅相关的系数，设计切比雪夫变阻器。

五、相关的实验图

（1）1,2,3节四分之一波长变换器

1节的电路原理图：

2节电路原理图：

3节电路原理图：

1，2，3节的测量图：

（2）负载阻抗是复数

输出方程：

史密斯阻抗圆图：

相应的角度图：

电路图：
波节：

波腹

测量图：

（4） 切比雪夫阻抗变换器

电路图：

切比雪夫和二项式的测量图对比：

切比雪夫的工作带宽更宽，但是带内有波动，不够平坦

六、实验结果分析
随着变阻器节数的增加，处带宽逐渐增加，与理论计算结果基本相同。比较二

项式变阻器与切比雪夫阻抗变换器的通带特性可发现，二项式阻抗变换器具有最平坦的通带特性，而工作带宽较切比雪夫变换器窄；与二项式阻抗变换器相比，切比雪夫阻抗变换器是以通带内的波纹为代价而得到最佳带宽的，因此带内平坦度不如二项式变阻器。

七、实验中遇到的问题及解决方法
1、这个实验包括的内容较多，做起来也有一点难度。例如负载为复数时的二项式变阻器，需要先将复数负载利用一段传输线转化为实数负载，刚开始时我就没有太明白。后来仔细看书、与同学讨论后才理解了原理，在此基础上很快做出来了。
2、第一次做时我分别建了多个工程，实现单节、二三节二项式、三节切比雪夫变阻器。后来发现这样做不利于比较变阻器的带宽以及平坦特性等，因此将它们都挪到了一个原理图中，测量结果画在同一张图里。这样能够比较清楚地对结果进行分析比较。
实验六 微带功分器

一 实验目的
1．掌握微波网络的S参数
2． 熟悉微带功分器的工作原理及其特点
3. 掌握微带功分器的设计和仿真

二 实验原理
功分器是一种功率分配元件，它是将输入功率分成相等或不相等的几路功率，当然也可以将几路功率合成，而成为功率合成元件。在电路中常用到微带功分器，其基本原理和设计公式如下：

图表 1 二路功分器
图1是二路功分器的原理图。图中输入线的特性组抗为 ,两路分支线的特性阻抗分别为和，线长为，为中心频率时的带内波长。图中为负载阻抗，R为隔离阻抗。
对功分器的要求是：两输出口2和3的功率按一定比例分配，并且两口之间相互隔离，当两口接匹配负载时，1口无反射。下面根据上述要求，确定， 及R的计算公式。
设2口、3口的输出功率分别为 ，对应的电压为 .根据对功分器的要求，则有：
P3=K2P2
|V3|2/R3=K2|V2|2/R2
式中K为比例系数。为了使在正常工作时，隔离电阻R上不流过电流，则应
V3=V2 于是得 R2=K2R3
若取 R2=KZ0
则 R3=Z0/K
因为分支线长为λe0/4，故在1口处的输入阻抗为：
Zin2=Z022/R2
Zin3=Z032/R3
为使1口无反射，则两分支线在1处的总输入阻抗应等于引出线的，即
Y0=1/Z0=R2/Z022+R3/Z032
若电路无损耗，则
|V1|2/Zin3=k2|V1|2/Zin2
式中V1为1口处的电压
所以 Zin=K2Z03
Z02=Z0[(1+K2)/K3]0.5
Z03=Z0[(1+K2)K]0.5
下面确定隔离电阻R的计算式。
跨接在端口2、3间的电阻R，是为了得到2、3口之间互相隔离得作用。当信号1口输入，2、3口接负载电阻 时，2、3两口等电位，故电阻R没有电流流过，相当于R不起作用；而当2口或3口得外接负载不等于R2或R3时，负载有反射，这时为使2、3两端口彼此隔离，R必有确定的值，经计算R=Z0(1+K2)/K
图1中两路线带之间的距离不宜过大，一般取2～3带条宽度。这样可使跨接在两带线之间的寄生效应尽量减小。

三 实验内容
用VOLTERRA设计仿真一个微带功分器，指标为
中心频率 f0=2GHZ
耦合度 K=sqrt(1.5)
引出线 Z0=50Ω
介质基片 εr=4.6,h=1mm

四 实验步骤
1．按照指标要求用上述公式计算R2、R3、Z02、Z03、R的值，为了匹配需要在引出线Z0与2、3端口处各接一段 阻抗变换段。变换段的特性阻抗分别为Z04、Z05,则 Z04=(R2Z0)0.5、Z05=(R3Z0)0.5。
2．建立一个新项目，在下拉菜单选择文件、新项目；在下拉菜单选择文件、保存项目，输入项目名称。
3．建立一个新原理图，选择文件/新原理图。输入原理图名称。
4．确定项目频率范围，在下拉菜单选择OQTIONS，点击确定项目频率，输入1——10GHZ；选择UNITS指定单位；长度：毫米，阻抗：欧姆，功率：毫瓦。
5．在项目中的普通方程菜单下，添加方程，有微带线的特性阻抗、εr、h反求微带线的宽度，有效介电常数εe,设置变量代入公式分析变量即可。微带线的长度λe0=(λ0/εe0.5)。
6．放置元件，在元件浏览器里找到微带线，拖到原理图中；在集总库里找到电阻，拖到原理图中；按计算好的结果定义各参数。连接各元件，添加端口（50欧）和地，在元件浏览器里找到端口，选择信号PORT1源阻抗50欧，功率5毫瓦；在元件浏览器里双击测量，选择功率测量端口P-METER3,分别连接到电路的端口2、3，完成原理图。
7．添加图（在PROJ下），选择矩形图。
8．添加测量（在PROJ/ADD MEASUREMENT），选择线性功率类型并且指定端口。
9．分析电路，观察各端口的功率是否满足设计要求。
10．调协电路，左击调协图标，激活要调协的元件参数（蓝色），变量调谐器对话框出现，输入新的参数；左击SWEEP在图上显示新的仿真结果，观察端口功率的变化，选择最佳值。

五 实验截图
（1） kk=sqrt（1.5）
输出方程：

电路图：

测量图：
可见此时中心频率在2GHz，在1.8~2.2GHz频率范围内隔离度大约在25dB以上。上 面的两条横线之间的距离，即20lg||-20lg||=[-2.339-(-4.111)]=1.772，因此功分比也满足要求。

（2） kk=1
输出方程：

电路图：

测量图：
可见此时中心频率在2GHz，在1.8~2.2GHz频率范围内隔离度大约在25dB以上。上面的两条横线距离较小，因此功分比也基本满足要求。

六、实验结果分析
调谐前后电路性能指标变化较大。调谐前中心频率、隔离度、带宽、功分比等不满足性能要求，但经过调谐后基本满足性能指标。调谐过程中Y的变化对中心频率和隔离度的影响较大，而、的长度值会分别影响端口2、3的反射系数，从而影响功分比。A（即连接电阻的两端微带线的长度）的变化对隔离度和功分比影响都不大。
=1.5时和=1时根据公式算出的元件参数值是不同的。在=1时，、的值相等，、的值相等且等于50。因此在电路结构上，这时不再需要用来与端口匹配的两条微带线，其余结构都是类似的。性能指标的不同主要体现在功分比上。对=1.5来讲，两输出端口的功分比大约为1.5；而等分功分器中两端口输出功率几乎相等。

七、实验中遇到的问题和解决方法
1、这个实验更加灵活一些。由于做实验时还没学过功分器，对原理不甚了解，所以画原理图时也遇到了一些困难。特别是需要自己设定Y值等，刚开始时都不是很理解，通过向做过的同学请教，最后还是画出了原理图，得到了基本正确的结果。
2、这个实验的调谐比较困难。调节Y值可以比较容易地调整中心频率，但是、的长度值对端口2、3的反射系数影响并不大。在=1.5的情况下，一开始功分比就太大，不满足要求，调节、的长度值后仍然偏大。我不得不扩大了调谐的范围，并且结合Y和A进行调整，才勉强使功分比进入了允许的范围。但是这时隔离度有下降，几乎不到25dB了。而在=1.5的情况下，本来功分比是1，但在调节Y后功分比不再是1了，之后再调节、的长度才勉强使其回到1，可能是因为调谐后使两路不对称了。调谐中遇到的困难可能是因为我们缺乏经验，不懂得如何协调各个参数，也进一步说明理论设计的电路与实际可能是有区别的。