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信息与通信工程专业
微波仿真实验报告
班 级: 211119
学 号: 0921056X
班内序号: 23
姓 名: XX

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。常见的匹配电路有: 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见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
假定负载在2GHz时实现匹配, 利用图解法设计微带线单支节和双支节匹配网络, 假设双支节网络分支线与负载的距离 d1=λ/4,两分支线之间的距离为d2=λ/8。画出几种可能的电路图而且比较输入端反射系数幅值从1.8GHz至2.2GHz的变化。

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, 而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、 实验截图
1、 单枝节匹配网络

输出方程

Y-Smith导纳圆图--显示导纳

Y-Smith导纳圆图--显示Θ

计算所得原理图

微调后原理图, 调整比例0.9%

反射系数测量图

2、 双枝节匹配网络

Y-Smith导纳圆图--显示Θ

Y-Smith导纳圆图--显示导纳

计算所得原理图

微调后原理图, 调整比例分别为5%和0.4%

微调后单枝节( 蓝) 和双枝节( 粉) 匹配网络反射系数
六、 实验总结
本次实验主要是单双枝节的匹配问题, 也是我第一次使用awr软件, 起到了熟悉的作用。实验要求使用导纳圆图, 与平时上课所使用的阻抗圆图正好相反, 给我的实验添了许多麻烦, 期间搞混淆了许多次才得到正确的结果。而且, 我也是刚刚知道, 原来计算出来的支线长度并不能直接用于生产, 还需要进行调整, 也对书本上的知识进行了补充, 让我受益匪浅。

实验3 微带多节阻抗变换器
一、 实验目的
1.掌握微带多节变阻器的设计
2.掌握用VOLTAIRE XL进行仿真及优化设计

二、 实验原理
变阻器是一种阻抗变换元件, 它能够接于不同数值的电源内阻和负载电阻之间, 将两者起一相互变换作用获得匹配, 以保证最大功率的功率: 另外, 在微带电路中, 将两不同特性阻抗的微带线连接在一起时为了避免线间反射, 也应在两者之间加变阻器。
单节λ/4变阻器是一种简单而有用的电路, 其缺点是频带太窄。为了获得较宽的频带, 能够采用多节阻抗变换器。采用综合设计法进行最佳多节变阻器设计, 当前较多使用的是最大平坦度以及契比雪夫多项式。等波纹特性多节变阻器比最平坦特性多节变阻器具有更宽的工作频带。
在微带线形式中, 当频率不太高而色散效应可忽略时, 各微带线的特性阻抗和相速均与频率无关, 因此属于均匀多节变阻器。
多节变阻器的每节电长度均为θ; Z为各节的特性阻抗, 为负载阻抗, 并假设Zn+1＞Zn,……Z2＞Z1, Z1＞Z0。其中ρi＝z i/z i-1 Γi=(ρi-1)/(ρi-1+1)
变阻器的阻抗由Z0变到Zn+1, 对Z0归一化, 即由z0＝0变到zn+1＝R, R即为阻抗变换比。其中ρ1, ρ2……ρn+1为相邻两传输线段连接处的驻波比。根据微波技术的基本原理, 其值等于大的特性阻抗对小的特性阻抗之比。Γ1, Γ2, ……Γn+1则为连接处的反射系数, 为了使设计简单, 往往取多节变阻器具有对称结构, 即使变阻器前后对称位置跳变点的反射系数相等, Γ1＝Γn+1,Γ2=Γn……。
定义下列公式为变阻器的相对带宽和中心波长:
Wq＝2(λg1-λg2)/( λg1+λg2)
λg0=2λg1λg2/(λg1+λg2)
其中λg1和λg2分别为频带边界的传输线波长, λg0为传输线中心波长, Wq为相对带宽。取变阻器每段为传输线波长的四分之一, 即1=λg0/4.
一般来讲, 微带变阻器的设计步骤为:
1. 根据给定的指标, 查表确定微带变阻器的节数n;
2. 查表得到各段线的特性阻抗;
3. 利用TXLINE计算相应微带线的长度及宽度。

三、 实验内容
设计仿真等波纹型微带多节变阻器
给定指标: 在2GHZ-6GHZ的频率范围内, 阻抗从50Ω变为10Ω, 驻波比不应超过1.15, 介质基片εr=9.6,厚度h=1mm,在此频率范围内色散效应可忽略。

四、 实验设计及结果截图
我们已知, D=1HZ, R=5, 由于要求驻波比不能超过1.15, 因此我们经过查表可知, n=4,Z0=10Ω,Z1=12.17Ω,Z2=17.73Ω,Z3=28.20Ω,Z4=41.08Ω, Z=50Ω, 因此一共用六节微带线, 其中, 阻抗比R=5, 中心频率为4GHZ,介质基片εr=9.6,厚度h=1mm, t=0.001mm。
1、 各节变阻器设计如下:
Z0=10Ω, W= 10.614mm,L= 6.269mm
Z1=12.17Ω,W= 8.4361mm,L= 6.3418mm
Z2=17.73Ω,W= 5.3008mm,L= 6.5178mm
Z3=28.20Ω,W= 2.796mm,L= 6.7927mm
Z4=41.08Ω,W= 1.5179mm,L= 7.0511mm
Z=50Ω,W= 1.0439mm,L= 7.1929mm
设计的电路原理图如下:

理论计算得到的驻波比, 能够看出在5.5~6GHz处的驻波比超过指标值1.15

微调后的原理图, 四个变换器的调整比例分别为0.4%, 0.9%, 5.6%, 1.9%

微调后的驻波比图, 在2GHz~6GHz处的驻波比均小于1.15

五、 实验总结
在这次微波实验中, 我主要复习了阻抗变换器的知识。单节λ/4阻抗变换器能够使负载阻抗和传输线相匹配, 可是单节λ/4阻抗变换器只有在中心频率处才能完全匹配, 频带太窄, 只有在很小的带宽内才能达到设计要求, 因此单节的不能选择。多节阻抗匹配器克服了这个缺点, 多节λ/4阻抗匹配变换器能够使驻波比在一个较宽的频率范围内小幅波动, 且其峰值可达到一定的要求, 因此我们采用多节λ/4阻抗变换器, 就能够获得较宽的频带。在实验中, 在要求驻波比小于1.15的指标下, 最开始的理论值并不能满足要求, 微调后得以实现, 更体现出来实际工程与理论计算的区别。

实验4 微带功分器
一、 实验目的
1.掌握微波网络的S参数
2.掌握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与仿真

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,当然也能够将几路功率合成,而成为功率合成元件.在电路中常见到微带功分器,其基本原理和设计公式设计如下:
图5.38 是二路功分器的原理图.图中输入线的阻抗为Z0,两路分支线的特性阻抗分别为Z02 和Z03,线长为λe0/4, λe0/4 为中心频率时的带内波长.图中R2 和R3 为负载阻抗,R为隔离电阻.

对功分器的要求是:两输入口2 和3 的功率按一定比例分配,而且两口之间互相隔离,当2,3 口接匹配负载时,1 口无反射.下面根据上述要求,确定Z02, Z03,R2,R3 及R 的计算式.
设2 口,3 口的输出功率分别为P2,P3,对应的电压为V2,V3.根据对功分器的要求,则有P3=k2P2
V32/R3=k2|V2|/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。因为分支线为λe0/4,故在1 入口处的输入阻抗为:
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Z0,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, 因此 Z02 = k2 Z03
Z03 =Z0[(1+ k2)/k3]0.5
Z02=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 口之间互相隔离的作用.当信号1 口输入,2,3 口接负载电阻R2 ,R3 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口的外接负载不等于R2 或R3 时,负载有反射,这时为使2,3 端口彼此隔离,R 必有确定的值,经计算R= Z0(1+ k2)/k..图5.38 中两路带线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电阻的寄生效应尽量小.

三、 实验内容
设计仿真一个微带功分器,指标为: 中心频率 f0=2GHZ、 耦合度 k=2、 引出线 Z0=50Ω、 介质基片 εr=2.55,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) , 选择线性功率类型而且指定端口。
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、 实验指标
本次实验是要利用功分器将输入功率分成功率比为1: K2 ( 4) 的两路, 即S[3,1]比S[2,1]大3dB。S[3,2]是3端口和2端口的隔离度, 它的绝对值不能小于17.5dB。对于功分器, 由于两支路设计的对称性, 其相位应是相同的。而且要求在中心频率2GHZ处, S31和S21的绝对值相差在5.9-6.1dB。

六、 实验设计及结果截图
经过计算, 我们能够得到:
Z02=158.112Ω,Z03=39.528Ω,R=125Ω,Z04=70.711Ω,Z05=35.355Ω, εr=2.55 ,H=1mm, Z0=50Ω, 耦合度k=2, 中心频率为2GHZ。

根据理论值设计的原理图

由理论值得到的S参数, 能够看出并不满足设计指标

适当调整Z02和Z03的长度分配, 得到调整后的原理图

调整后得到的S参数均已满足指标
七、 实验总结
本次实验, 原理比实验二简单许多, 可是调参数则是一个很大的难题, 实验中许多地方的长度尺寸要求相等。在验收之前, 我调好了参数, 可是老师却指出某些地方由于长度不相等, 故不能工业上实现。最后, 我又请教了许多同学, 才调处了确定的实验结果。经过本次实验, 我深深体会到, 无论是实验上还是工业上, 某些长度指标真的马虎不得。