浙江大学-电磁场与电磁波实验(第一次)

本科实验报告课程名称：电磁场与微波实验姓名：wzh学院：信电学院专业：信息工程学号：xxxxxxx指导教师：王子立选课时间：周二下9,10节2017年6月2日CopyrightAsonememberofInformationScienceandElectronicEngineeringInstituteofZhejiangUniversity,Isincerelyhopethiswillenableyoutoacquiremoretimetodowhateveryoulikeinsteadofstrugglingonuselesshomework.Allthecontentyoucanuseasyoulike.Iwishyouwillhaveameaningfuljourneyonyourcollegelife.——Wzh实验报告课程名称：_________电磁场与微波实验____指导老师：___王子立____成绩：__________________实验名称：_____微波传输线ADS仿真与负载特性测量______实验类型：__电子电路_同组学生姓名：____一、实验目的和要求实验一微波传输线ADS仿真与负载特性测量1.了解基本传输线、微带线的特性。2．熟悉ADS软件的基本使用方法。3．利用ADS软件进行基本传输线和微带线的电路设计和仿真。4．掌握矢量网络分析仪测量的方法。实验二微波传输线负载特性矢量网络分析仪测量1.了解基本传输线、微带线的特性。2．熟悉网络参量测量，掌握矢量网络分析仪的基本使用方法。实验三匹配电路设计掌握匹配电路设计的基本原则，学会用ADS进行电路匹配设计。二、实验内容和原理实验一微波传输线ADS仿真与负载特性测量实验二微波传输线负载特性矢量网络分析仪测量实验三匹配电路设计3.1基本阻抗匹配理论3.2广义阻抗匹配阻抗匹配概念可以推广到交流电路。,当负载阻抗ZL与信号源阻抗Zs共轭时,即ZL=Z*s时,能够实现功率的最大传输,称作共轭匹配或广义阻抗匹配。如果负载阻抗不满足共轭匹配条件,就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络N,将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭,实现阻抗匹配。三、主要仪器设备1、装有ADS软件的电脑一台2、矢量网络分析仪一台3、微带电路一套四、操作方法和实验步骤实验一微波传输线ADS仿真与负载特性测量实验内容1用ADS软件计算微带电路尺寸，并分别仿真微带传输线负载为短路、开路、匹配、纯电抗和复阻抗情况下的特性。计算及仿真条件如下：（1）工作频率2.5GHz；（2）特性阻抗50欧姆；（3）微波介质基板特性：相对介电常数4.6，介质层厚度0.765mm，铜箔厚度0.035mm(1OZ)，损耗正切0.015；实验内容2用矢量网络分析仪分别测量微带传输线电路负载为短路、开路、匹配、纯电抗和复阻抗情况下的特性。实验二微波传输线负载特性矢量网络分析仪测量实验内容1查阅“2附录.矢量网络分析仪操作说明.pdf”，了解矢量网络分析仪的原理和使用方法。实验内容2用矢量网络分析仪分别测量如图微带开路传输线模块的反射特性，并引入电阻负、电容和电感负载测量并分析在不同负载情况下的反射特性。实验三匹配电路设计实验内容1设计L型阻抗匹配网络，使Zs=（46-j*124）Ohm信号源与ZL=20+j*100Ohm的负载匹配，频率为2400MHz.实验内容2设计微带单枝短截线线匹配电路，使MAX2660的输出阻抗Zs=（126-j*459）Ohm与ZL=50Ohm的负载匹配，频率为900MHz.五、实验数据记录和处理实验一微波传输线ADS仿真与负载特性测量1、负载端短路（SC）（1）ADS中的原理图和仿真结果（2）微带线的设计图和仿真结果（3）分析从原理图的结果我们看到，根据00LLLZZZZ公式可知当LZ等于零时，1L故史密斯圆图中位于最外圈，2.5GHz处在圆图的短路点。在2.5GHz的地方由0taninZjZL知0inZ，此时可以看到()indBZ符合预期。从微带线仿真结果来看，由于微带线选用MLSC，本身存在一定的阻抗，故()0indBZ，且反射系数园接近于最外圆。2、负载端开路（OC）（1）ADS中的原理图和仿真结果（2）微带线的设计图和仿真结果（3）分析从原理图的结果我们看到，根据00LLLZZZZ公式可知当LZ时，1L故史密斯圆图中位于最外圈，2.5GHz处在圆图的断路点。在2.5GHz的地方由0taninZZjL知inZ，此时可以看到()indBZ符合预期。从微带线仿真结果来看，由于微带线选用MLOC，本身存在一定的阻抗，故()indBZ，且反射系数园接近于最外圆。3、负载端匹配（1）ADS中的原理图和仿真结果（2）微带线的设计图和仿真结果（3）分析从原理图的结果我们看到，根据00LLLZZZZ公式可知当0LZZ时，0L故史密斯圆图中心。由于阻抗匹配，可以看到50,()ininZdBZ20log()33.9794001inZ，与仿真结果符合，由于各种原因，仿真结果中Zin存在一个波动。从微带线仿真结果来看，由于微带线选用MLIN，本身存在一定的阻抗，故inZ随着频率一直在变化。4、负载端纯电抗（1）ADS中的原理图和仿真结果（2）微带线的设计图和仿真结果（3）分析当inZ是纯电抗时，in在最外圆上，但是相位角旋转了一个角度。在略大于2.5GHz的地方有一个下降峰。微带线上同样可以看到in在最外圆上、相位角旋转了一个角度。但是下降峰在3.0Hz之外。5、负载端复阻抗（1）ADS中的原理图和仿真结果（2）微带线的设计图和仿真结果（3）分析阻抗圆和dB（Zin）都符合理论预期。由于微带线上存在阻抗的原因，可以看到微带线的峰值略小于原理图的峰值，且较于原理图带宽增加。实验二微波传输线负载特性矢量网络分析仪测量1、没有负载的初识情况2、负载端513、负载端49.54、负载端短路5、负载端电感6、负载端电容7、普通天线7.1对数幅度7.2相位7.3驻波比8、微带天线8.1对数幅度8.2相位8.3史密斯圆图可以从图中看出微带天线的工作频率在2.025GHz-2.505GHz之间。实验三匹配电路设计1、L型负载匹配网络（1）Smith原理图和ADS电路原理图（2）S参数仿真2、微带单枝匹配（1）Smith原理图和ADS电路原理图（2）构建MLIN微带线（3）S参数仿真六、实验结果与分析实验一思考题：1）微带线的长度为什么选半波长，对应的电长度是多少？选择半波长的微带线，可以使得0inZZ，阻抗匹配消除微带线对结果的干扰。得到的电长度为122）仿真过程中，为什么扫描的频率变化时，结果曲线呈现电抗性？当频率变化（不等于2.5GHz）时，由000tan()tan()LinLZjZLZZZjZL知tan()jL不再为0，因此inZ有一个不为零的虚部，微带线呈点抗性。实验二思考题：1）结果与仿真差异1.负载匹配可以看到在49.5和51的圆图中匹配线十分接近圆心，一方面由于负载并没有完全匹配，另一方面转接头的误差没有消除。2.电容可以看见圆图比初始状态逆时针旋转大约60度，和期望的90度相比差了30度，我们把这个误差归结为转接头带来的误差。3.电感可以看见圆图比初始状态顺时针旋转大约75度，和期望的90度相比差了15度，我们把这个误差归结为转接头带来的误差。4.无电阻可以看见圆图比初始状态逆时针旋转大约150度，和期望的180度相比差了30度，我们把这个误差归结为转接头带来的误差。2）什么是S参数？S参数，也就是散射参数。是微波传输中的一个重要参数。S12为反向传输系数，也就是隔离。S21为正向传输系数，也就是增益。S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。3）如果不校准，直接接入射频电缆和电路模块测量会对结果有什么影响？电缆的阻抗会对最终结果造成很大影响，导致最终圆图不准确。3）分析天线的驻波比特性曲线。可以看对数幅频曲线，驻波比指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，看对数幅频曲线的上下最值，其相减后的值即是log4）如何测量转接头对测试曲线的影响。可以用完全匹配的阻抗进行测试，校准后矢量网络分析仪上距离圆心的距离就是转接头产生的误差。七、讨论、心得1、实验收获和体会实验中学到了如何使用ADS，复习了场波课程中关于传输线和微带线的理论知识，将理论和实践相结合，增加知识的理解。2、实验建议与意见1、建议老师在教实验操作时候示范一个实验，包括如何画原理图、如何得到圆图以及对其进行分析，这样可以让学生更快的理解。2、最好能减少更新pdf次数，容易做成前一个pdf内容。