电磁场与微波技术实验报告(全)

1信息与通信工程学院电磁场与微波技术实验报告班级：姓名：学号序号：日期：2实验二：分支线匹配器一、实验目的掌握支节匹配器的工作原理；掌握微带线的基本概念和元件模型；掌握微带线分支线匹配器的设计和仿真。二、实验原理支节匹配器支节匹配器是在主传输线上并联适当的电纳（或者串联适当的电抗），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。单支节匹配器：调谐时，主要有两个可调参量：距离d和分支线的长度l。匹配的基本思想是选择d，使其在距离负载d处向主线看去的导纳Y是𝑌0+𝑗𝐵形式，即𝑌=𝑌0+𝑗𝐵，其中𝑌0=1/𝑍0。并联开路或短路分支线的作用是抵消Y的电纳部分，使总电纳为𝑌0，实现匹配，因此，并联开路或短路分支线提供的电纳为−𝑗𝐵，根据该电纳值确定并联开路或短路分支线的长度l，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长度，就能够达到匹配（注意双支节匹配不是对任意负载阻抗都能匹配的，即存在一个不能得到匹配的禁区）。微带线微带线是有介质𝜀𝑟(𝜀𝑟1)和空气混合填充，基片上方是空气，导体带条和接地板之间是介质𝜀𝑟，可以近似等效为均匀介质填充的传输线，等效介质电常数为𝜀𝑒，介于1和𝜀𝑟之间，依赖于基片厚度H和导体宽度W。而微带线的特性阻抗与其等效介质电常数为𝜀𝑒、基片厚度H和导体宽度W有关。三、实验内容已知：输入阻抗𝑍𝑖𝑛=75𝛺负载阻抗𝑍𝐿=(64+𝑗35)𝛺特性阻抗𝑍0=75𝛺介质基片𝜀𝑟=2.55，𝐻=1𝑚𝑚，导体厚度𝑇远小于介质基片厚度𝐻。3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度从1.8GHz至2.2GHz的变化。四、实验步骤根据已知计算出各参量，确定项目频率。将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在Smith圆上。设计单枝节匹配网络，在图上确定分支线与负载的距离以及分支线的长度，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。此处应该注意电长度和实际长度的联系。画出原理图，在用微带线画出基本的原理图时，注意还要把衬底添加到图中，将各部分的参数填入。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。负载阻抗选择电阻和电感串联的形式，连接各端口，完成原理图，并且将项目的频率改为1.8—2.2GHz。添加矩形图，添加测量，点击分析，测量输入端的反射系数幅值。同理设计双枝节匹配网络，重复上面的步骤。五、实验仿真1.单支节（1）.根据已知计算出各参量。写入OutputEquations。zl为归一化负载阻抗；zin为归一化输入阻抗；Tl为负载处反射系数；Tin为输入端反射系数；b为以0.01为步长扫描0~2*PI；R为阻抗处等反射系数圆；Rp为匹配圆；Rj为大圆。ZL=64+j*35Z0=75zl=ZL/Z0zl:(0.8533,0.4667)1/zl:(0.9021,-0.4933)TI=(zl-1)/(zl+1)TI:(-0.0148,0.2555)Zin=75zin=Zin/Z0Tin=(zin-1)/(zin+1)Tin:0b=stepped(0,2*_PI,0.01)4R=TI*exp(j*b)Rj=exp(j*b)Rp=0.5*exp(j*b)-0.5.在Smith导纳圆图上画出负载𝑍𝐿所处的VSWR圆，标出其与单位电导圆的交点。这里可以有两个交点，选择离负载较近的那个点进行计算。下面以分别实部虚部、幅度角度方式显示：角度：93.31°−(−104.9°)=198.21198.21°/2=99.105°由图得出支节的电纳为j0.529665。5.已知角度后，用TXLine算出负载距离支节间的微带线的参数。W=1.4373mm，L=28.806mm。.由图求出短路点距离支节接入点的电长度，角度为(180°−55.82°)/2=62.09°。再由TXLine，输入角度值，算出微带线的参数。L=18.047mm，W=1.4373mm。6.输入端口处也需要接一个微带线，其宽度要和输出端口的阻抗75Ω匹配，长度任意。用TXLine，输入阻抗，算出微带线参数W=1.4373mm，L=26.159mm。.根据上述步骤，设计出的参数为负载到支节的微带线（TL2）：L=28.806mmW=1.4373mm支节的微带线（TL3）：L=18.047mmW=1.4373mm端口处接的微带线（TL1）：L=26.159mmW=1.4373mm由此搭建电路：MLINMLIN7.根据设计的参数建立原始电路测量其S参数：8在中心频率处，反射系数还不是很低，所以要调谐系统以改善性能。.设TL2和TL3的长度可变，调谐前后对比：IDTL2TL3原始参数28.806mm18.047mm调谐后参数28.206mm18.647mm调谐后的电路：MLINMLINPORTID=TL1ID=TL2RESINDP=1W=1.437mmMTEE$W=1.437mmID=R1ID=L19Z=75OhmL=26.16mmID=TL4L=28.21mmR=64OhmL=2.787nH调谐后的电路S参数：10显然，调谐后的电路，在中心频率2GHz处的S参数比调谐前的低得多，说明电路的性能有所提高，已经特别接近最理想的0。2.双支节（1）.根据已知计算出各参量。写入OutputEquations。e：大圆，等反射系数圆；g：1+jx匹配元；g2：辅助圆；r：负载所在的等反射系数圆；r2：负载与第一个支节并联后的等反射系数圆；Rd：等电导圆。ZL=64+j*35Z0=75zl=ZL/Z0zl:(0.8533,0.4667)1/zl:(0.9021,-0.4933)T1=(zl-1)/(zl+1)T1:(-0.0148,0.2555)Zin=75zin=Zin/Z0zin:1T2=(zin-1)/(zin+1)T2:0b=stepped(0,2*_PI,0.01)r=T1*exp(j*b)g=0.5*exp(j*b)-0.5e=1*exp(j*b)g2=0.5*exp(j*b)-0.5*jr2=0.7328*exp(j*b)p=0.9021Rd=(1/(1+p))*exp(j*b)-p/(1+p)11.在Smith导纳原图上画出负载𝑍𝐿的位置，沿VSWR圆转180°处即为距离负载距离为1/4波长处的导纳。用TXLine，输入角度，求出负载和第一个支节之间的微带线参数，L=26.159mm,W=1.4373mm12.再求出其所在的等电导圆与辅助圆的交点，一共可得两个交点，选择靠下的那个点来设计。得第一个支节的导纳为j（2,01944−0.475059）=j1.542381，短路点离它的距离，两者之间的角度（180°+114.1°）/2=147.05°。用TXLine，输入角度，算出第一个支节的微带线参数。L=42.742mm，W=1.4373mm.因为两个支节之间的距离为1/8波长，所以对应的角度为90°/2=45°，其微带线参数可由TXLine算得。L=13.08mm，W=1.4373mm13.在Smitn图上使该点绕其VSWR圆顺时针转90°，必然和单位电导圆交于一点，由该点可读出第二个支节需要的电纳值为j2.15449。在单位电抗圆上标出该交点的位置，计算短路点离它的距离，两者之间的角度为（180°+130.2°）/2=155.1°，用TXLine输入角度，算得第二条支节的微带线参数：L=45.081mm，W=1.4373mm.由于在Port端口与第二个支节之间接的微带线长度任意，但是宽度要与Port的阻值75Ω相匹配，所以用TXLine算其参数，L=26.159mm，W=1.4373。14.由上所述，设计出来的各参数如下负载和第一个支节的微带线（TL3）：L=26.159mm，W=1.4373mm第一个支节的微带线（TL5）：L=42.742mm，W=1.4373mm第一个支节到第二个支节的微带线（TL2）：L=13.08mm，W=1.4373mm第二个支节的微带线（TL4）：L=45.081mm，W=1.4373mm第二个支节和输入端口之间的微带线（TL1）：L=26.159mm，W=1.4373mm由此画出电路：MLINMLINMLIN.根据设计的参数建立原始电路测量其S参数15偏离中心频率，且在中心频率2GHZ处，反射系数还不是很低，所以要调谐系统以改善性能。.将两个支节（TL4和TL5）的长度设为可调，调谐后电路ID第一个支节TL5第二个支节TL4原始长度42.742mm45.081mm16调谐后长度42.022mm44.541mm调谐后的电路：PORTP=1Z=75OhmMLINID=TL1W=1.437mmL=26.16mmMTEE$ID=TL6MLINID=TL2W=1.437mmL=13.08mmMTEE$ID=TL7MLINID=TL3W=1.437mmL=26.16mmRESID=R1R=64Ohm调谐后电路的S参数：17很明显可以看出，在中心频率处，调谐后的S参量大大低于未调谐的，而且很接近于零，说明在中心频率处，系统设计接近理想状态。18实验三：四分之一波长阻抗变换器一、实验目的掌握单节和多节四分之一波长变阻器的工作原理；了解单节和多节变阻器工作带宽和反射系数的关系；掌握单节和多节四分之一波长变换器的设计与仿真。二、实验原理四分之一波长变阻器是一种阻抗变换元件，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输。实现负载阻抗与传输线匹配，其实质是利用“补偿原理”，即由可调的匹配器产生一个合适的附加反射波，它与负载阻抗所产生的反射波在指定的参考面上等幅反相，从而互相抵消。1.单节四分之一波长变阻器.负载阻抗为纯电阻RL：………………………………（1）.负载阻抗为复数ZL：波节点：………………………………（2）波腹点：………………………………（3）多节四分之一波长变阻器……………（4）切比雪夫阻抗变换器R=RL/𝑍0………………………………（5）………………………………（6）三、实验内容19.已知：负载阻抗为纯电阻𝑅𝐿=150𝛺，中心频率𝑓0=3𝐺𝐻𝑧，主传输线特性阻抗𝑍0=50𝛺，介质基片𝜀𝑟=4.6，厚度𝐻=1𝑚𝑚，最大反射系数模𝛤𝑚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。.已知负载阻抗为复数：𝑍𝐿=85−𝑗45𝛺，中心频率𝑓0=3𝐺𝐻𝑧，主传输线特性阻抗𝑍0=50𝛺，在电压驻波波腹或波节点利用单节四分之一波长阻抗变换器，设计微带线变阻器。微带线介质参数同上。四、实验步骤.对于纯电阻负载，根据已知条件，算出单节和多节传输线的特性阻抗、相对带宽。.根据各节特性阻抗，利用TXLine计算相应的微带线的长度和宽度。每段变阻器的长度为四分之一波长（在中心频率），即𝑙=𝜆𝑔0/4。.对于复数负载𝑍𝐿，根据负载阻抗𝑍𝐿、特性阻抗𝑍0，计算归一化负载阻抗和反射系数，将负载反射系数标注在Smith圆图上，从负载点沿等驻波系数圆向源方向旋转，与Smith圆图左、右半实轴交点，旋转过的电长度𝐿𝑀、𝐿𝑁，计算变换器的特性阻抗。.根据传输线的特性阻抗，利用TXLine计算相应微带线的长度及宽度，以及对应电长度𝐿𝑀、𝐿𝑁的微带线长度。.设计并完成原理图。.添加并测试Rectangular图。.调谐电路元件参数，使反射系数幅值在中心频率3GHz处最低。.对于纯电阻负载，上述指标不变，采用3节切比雪夫变阻器重新设计上述阻抗变换器。五、实验仿真1.单节变换器.利用式（1）算得Z1=86.603Ω，利用TXLine计算各微带线参数，如下表：微带线TL1