北邮通信工程微波实验报告

信息与通信工程学院电磁场与微波实验报告实验题目：电磁场与微波技术实验班级：姓名：学号：日期：2013年5/6月电磁场与微波技术实验报告第1页实验一分支线匹配器一、实验目的1.掌握支节匹配器的工作原理；2.掌握微带线的基本概念和元件模型；3.掌握微带分支线匹配器的设计与仿真。二、实验原理1.支节匹配器随着工作频率的提高及响应波长的减小，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GHz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上并联适当的电纳（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。图1.1支节匹配器原理单支节匹配的基本思想是选择支节到阻抗的距离d，使其在距负载d处向主线看去的导纳Y是0YjB形式。然后，此短截线的电纳选择为jB，根据该电纳值确定分支短截线的长度，这样就达到匹配条件。双支节匹配器，通过增加一支节，改进了单支节匹配器需要调节支节位置的不足，只需调节两个分支线的长度就能达到匹配。双支节匹配存在匹配禁区。图中假设主传输线和分支线的特性阻抗都是012,Zll、分别为两条分支线的长度，1d为负载与最近分支线的距离，2d为两分支线之间的距离，2d可以是/4、/8、3/8。本实验考虑2/8d的情况。电磁场与微波技术实验报告第2页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。我们仿真软件中有专门计算微带线特性阻抗的程序，在主窗口顶部的Window下拉菜单的TXLINE里。三、实验内容已知：输入阻抗75inZ负载阻抗(6435)LZj特性阻抗075Z介质基片2.55r，1Hmm，导体厚度T远小于介质片厚度H。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14d，两分支线之间的距离为28d。画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅值1.8GHz从至2.2GHz的变化。四、实验步骤1．建立新项目，确定项目中心频率为2GHz，步骤同实验一的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，步骤类似实验一的4-6步。3．设计单支节匹配网络，在圆图上确定分支线与负载的距离d以及分支线的长度l所对应的电长度，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°对应二分之一波长，即。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ELEMENTOPTIONS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，选择适当的模型。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，完电磁场与微波技术实验报告第3页成原理图，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、，重复上面步骤3~5。五、仿真过程1、单支节匹配在OutputEquation中添加方程，代码如下：其中zl、zin表示归一化后的负载阻抗和输入阻抗。b=step(-100,100,0.01)定义相角变量b从-100到100，步长为0.01弧度。R=zl*exp(j*b)表示模值为zl，相角为b的变量，对应等反射系数圆。Gamma=(Zl-Zo)/(Zl-Zo)表示反射系数。Rm=0.5*exp(j*b)-0.5表示g=1的匹配圆。Rs=exp(j*b)表示纯电纳圆(单位圆)。绘制的圆图如图1.2所示。标记出了归一化的输入阻抗zin和负载阻抗zl。绘出了负载等反射系数圆R，纯电纳等反射系数圆Rs和匹配圆Rm。图1.2单支节匹配Smith圆图电磁场与微波技术实验报告第4页单支节匹配按如下步骤进行：首先从负载处（标号15028）顺时针向源沿等反射系数圆R移动到与匹配圆交点处（标号18746），可知移动了93.57+104.6=198.17°（注意到圆图上360°对应半波长，故计算采用的角度为198.17/2=99.085°），对应的电尺寸可以使用TXLINE计算器得到，为L=28.800mm，W=0.14373mm。图1.3TXLINE计算单支节离负载距离其次从标号18746点处，得到单支节传输线阻抗为0.521j，在Rs圆上作出该点（标号为10097），其角度为55°，从开路点向源方向顺时针旋转到该点，可知移动了305°,L=44.586mm，W=0.14373mm。图1.4TXLINE计算单支节长宽电磁场与微波技术实验报告第5页由以上的分析与计算，可绘制电路图，如图1.5所示。PORT1表示端口，输入阻抗75inZ；TL1表示传输线特性阻抗075Z；TL3为T型接头，其分支的作用；MLEF(TL4)为终端开路微带线，作为并联的单支节线，其宽度和长度为计算得出的值。MLIN(TL2)为传输线，长度为之前计算得到值。RL1为电感电阻串联器件，表示负载阻抗(6435)LZj，最后接地。MSUB表示介质基片。图1.5单支节匹配器电路图输入端的反射系数曲线如图1.6所示(经调谐后l=44.726mm，d=27.700mm)。图1.6反射系数仿真图电磁场与微波技术实验报告第6页2、双支节匹配双支节匹配时在OutputEquation中添加如下方程。图1.7所示为双支节匹配Smith圆图。结合上述方程，Rf是旋转后的匹配圆，zl1是负载阻抗沿着传输线移动/4即180°以后得到的点（点15969），Rm1是zl1点所在的等电导圆，沿着该圆顺时针旋转到Rf圆的交点（点12208），作出该交点的等发射系数圆Rr，交匹配圆Rm于点7653。图1.7双支节匹配Smith圆图第一支节的导纳值为15969点到12208点导纳之差1.98986-0.467972=1.5219，第二支节的导纳值为7653点导纳的相反数，为2.17。在纯电纳等反射系数圆（即最大的圆Rs）上作出两个支节的阻抗值，从开路点顺时针移动到此两点(点6661.5和点18569)，读出移动的角度分别为113.4°和130.6°。根据以上分析和作图，由TXLINE计算可得到电尺寸数值，第一支节16.48Lmm，1.4373Wmm，第二支节18.98Lmm，1.4373Wmm。第一段传输线（从负载到第一支节）26.16Lmm，第二段传输线（从第一支节到第二支节）13.03Lmm，宽度均为1.4373Wmm。电磁场与微波技术实验报告第7页作出电路图如图1.8所示(参数为调谐后的值)。图1.8双支节匹配器电路图调谐一般不调节微带线的宽度，只调整微带线的长度，调整范围为正负10%。步骤先在电路图中更改需要调谐元件的property，如图1.9，在L的Tune和Limit下打勾，在Lower和Upper中写上正负10%所对应的值，点确定即可，就可见电路图中相应元件的L变为蓝色。图1.9调谐界面在Graph中，点菜单栏的Tune图标，会出现上图VariableTuner的方框，在里面移动调谐变量的箭头，观察图的变化，选择最佳的值，使输入端口的反射系数幅值在中心频率2GHz处最低。调谐前后的反射系数如图1.10所示，粉红色为调谐前的反射系数，蓝色为调谐后反射系数。电磁场与微波技术实验报告第8页图1.10输入端反射系数仿真图调谐前后参数变化见下表:参数变化第一支节长度L1第二支节长度L2调谐前(mm)16.4818.98调谐后(mm)15.4918.08表1.1调谐前后参数值比较可见参数变化均在理论值的正负10%范围内。调谐前反射系数幅值出现在1.9498GHz处，调谐后L1、L2均减小，反射系数幅值移动到2GHz，幅度变化很小。3、思考题如果不考虑微带线不均匀性模型如T型接头、阻抗跳变器等，仿真的结果有何变化？分析变化的原因。答：除去T型接头后，双支节匹配的电路图如下图所示：电磁场与微波技术实验报告第9页图1.11除去T型接头后的电路原理图仿真的反射系数如下图1.12所示：（蓝色为不考虑不均匀模型时的仿真，粉红色和棕色表示考虑不均匀模型调谐前后的仿真）图1.12除去T型接头后的仿真图比较清楚看到，在本实验中，不考虑微带线不均匀模型时，反射系数赋值在各频率都比考虑这种不均匀性时小(类似于曲线上移)，且频率偏离中心频率。在软件中，终端开路微带线MLEF、宽度阶梯变换MSTEP、T型接头MTEE和折弯MBENDA，是针对微带线的不均匀性而专门设计的。由于一般的微带电路元件都包含着一些不均匀性；在微带变阻器的不同特性阻抗微带段的连接处存在微带线宽度的尺寸跳变；为使结构紧凑而适应走线方向的要求，时常需要使微带压弯。由此，不均匀性在微带电路中是必不可少电磁场与微波技术实验报告第10页的。由于微带电路是分布参数电路，其尺寸已可与工作波长相比拟，因此其不均匀性必然会对电路产生影响。从等效电路来看，它相当于并联或串联一些电抗元件，或是使参考面发生一些变化。在设计微带电路（特别是精确设计）时，必须考虑到不均匀性所带来的影响，将其等效参量计入电路参量中，否则将引起较大误差。五、结论与思考本次分支线匹配器实验是微波第一次实验，由于基础知识不牢固和对软件不太熟悉，实验做得磕磕绊绊，但通过我不断复习、反思、改正，实验的结果还是令人满意的。这次实验中，我对书本上介绍的单支节匹配和双支节匹配进行了仿真。随着工作频率的提高及相应波长的减小，集总参数元件的寄生参数效应就会变得明显，当波长明显小于典型的电路元件长度时，分布参数元件得到了广泛的应用。此时，实现阻抗匹配需要在负载和传输线之间并联或串联分支短截线，代替分立元件。阻抗匹配通常是为了获得最大传输功率，改善系统的信噪比，在功分网络中降低振幅相位误差。本实验仿真的主要方法是利用Smith圆图，依据并联阻抗特性，旋转圆图，达到匹配，读取结果计算得到电路尺寸，然后绘制出电路图，经过调谐得到匹配网络的参数，最后得到反射系数幅值随频率变化的曲线。实验中的难点在于如何借助Smith圆图得到微带线的电尺寸。首先，需要按照单支节。双支节匹配的步骤，画出等反射系数圆、单位圆、等电导圆等作为辅助，标出负载点，运用旋转描点标出中间点，导纳圆的绘制需要结合使用旋转描点（单支节匹配时使用）和圆方程绘图的方法（双支节匹配时使用），读出中间点的角度、电纳等值进行计算，得到离负载的距离、支节线的长度、宽度等值。验收时发现的问题是在双支节匹配调谐时，我不仅调了两个支节的长度，还调了负载到第一个支节的距离，老师及时给我指出。实验内容要求负载到第一个负载的距离是四分之一波长，这和两个支节之间的距离一样都是固定的，我自己设计的部分就是两个支节的长度。验收后经过修改，这个错误得到改正。在实验中，我遇到了不少阻碍，通过阅读教材和实验书，跟老师和同学交流，慢慢摸索微波仿真软件，最后顺利完成。此次实验为微波仿真入门奠定了很好的基础。电磁场与微波技术实验报告第11页实验二四分之一波长阻抗变换器一、实验目的1.掌握单节和多节四分之一波长阻抗变换器的工作原理。2.了解单节和多节变阻器工作带宽与反射系数的关系。3.掌握单节和多节四分之一波长阻抗变阻器的设计和仿真。二、实验原理四分之一波长变阻器是一种阻抗变换元件，它可以用于负载阻抗或信号源内阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传