北邮 微波仿真 实验报告 2014最新
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
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并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,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:
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)
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
切
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)
比雪夫阻抗变换器
电路图: 切
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,m0.1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Z02,Z03 R2,R3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=KR3
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=Z02/R2 22
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/Z02+R3/Z0322
若电路无损耗,则
|V1|/Zin3=k|V1|/Zin2
式中V1为1口处的电压
所以 Zin=KZ03 2222
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,
2R必有确定的值,经计算R=Z0(1+K)/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)
k=sqrt(1.5)
输出方程: k
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|S31|-20lg|S21|=[-2.339-(-4.111)]=1.772,因此功
分比也满足要求。
(2)
k=1
输出方程: k
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Z04、Z05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。
k2=1.5时和k2=1时根据公式算出的元件参数值是不同的。在k2=1时,Z02、Z03的值相等,Z04、Z05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k=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。 2
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。