2009211111班23號劉佳慧 微波實驗報告微波實驗報告班級：2009211111班姓名：劉佳慧學(xué)號：09210326日期：2012/5月目錄實驗二微帶分支線匹配器 3一、實驗?zāi)康?3二、實驗原理 3三、實驗內(nèi)容 3四、實驗步驟 3五、實驗結(jié)果 4(一) 單支節(jié) 4(二) 雙支節(jié) 8實驗三微帶多節(jié)阻抗變阻器 12一、實驗?zāi)康?12二、實驗原理 12三、實驗內(nèi)容 13四、實驗步驟 13五、實驗結(jié)果 13實驗四微帶功分器 15一、實驗?zāi)康?15二、實驗原理 15三、實驗內(nèi)容 16四、實驗步驟 16心得體會 18實驗二微帶分支線匹配器一、實驗?zāi)康?．熟悉支節(jié)匹配器的匹配原理2．了解微帶線的工作原理和實際應(yīng)用3．掌握Smith圖解法設(shè)計微帶線匹配網(wǎng)絡(luò)二、實驗原理支節(jié)匹配器是在主傳輸線上并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娂{（或者串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍梗?，用附加的反射來抵消主傳輸線上原來的反射波，以達(dá)到匹配的目的。單支節(jié)匹配器，調(diào)諧時主要有兩個可調(diào)參量：距離d和由并聯(lián)開路或短路短截線提供的電納。匹配的基本思想是選擇d，使其在距離負(fù)載d處向主線看去的導(dǎo)納Y是Y0+jB形式。然后，此短截線的電納選擇為-jB，根據(jù)該電納值確定分支短截線的長度，這樣就達(dá)到匹配條件。雙支節(jié)匹配器，通過增加一個支節(jié)，改進(jìn)了單支節(jié)匹配器需要調(diào)節(jié)支節(jié)位置的不足，只需調(diào)節(jié)兩個分支線長度，就能夠達(dá)到匹配（但是雙支節(jié)匹配不是對任意負(fù)載阻抗都能匹配的，即存在一個不能得到匹配的禁區(qū)）。三、實驗內(nèi)容已知：輸入阻抗Zin=75Ω負(fù)載阻抗Zl=（64+j35）Ω特性阻抗Z0=75Ω介質(zhì)基片εr=2.55，H=1mm假定負(fù)載在2GHz時實現(xiàn)匹配，利用圖解法設(shè)計微帶線單支節(jié)和雙支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)雙支節(jié)網(wǎng)絡(luò)分支線與負(fù)載的距離d1=1/4λ，兩分支線之間的距離為d2=1/8λ。畫出幾種可能的電路圖并且比較輸入端反射系數(shù)幅度從1.8GHz至2.2GHz的變化。四、實驗步驟1．根據(jù)已知計算出各參量，確定項目頻率。2．將歸一化阻抗和負(fù)載阻抗所在位置分別標(biāo)在smith圓上。3．設(shè)計單枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，在圖上確定分支線與負(fù)載的距離以及分支線的長度，根據(jù)給定的介質(zhì)基片、特性阻抗和頻率用TXLINE計算微帶線物理長度和寬度。此處應(yīng)該注意電長度和實際長度的聯(lián)系。4．畫出原理圖，在用微帶線畫出基本的原理圖時，注意還要把襯底添加到圖中，將各部分的參數(shù)填入。注意微帶分支線處的不均勻性所引起的影響，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀?．負(fù)載阻抗選擇電阻和電感串聯(lián)的形式，連接各端口，完成原理圖，并且將項目的頻率改為1.8—2.2GHz。6．添加矩形圖，添加測量，點擊分析，測量輸入端的反射系數(shù)幅值。7．同理設(shè)計雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，重復(fù)上面的步驟。五、實驗結(jié)果單支節(jié)根據(jù)已知計算出各參量。寫入OutputEquations。zl為歸一化輸入阻抗；t為負(fù)載處反射系數(shù)；b為以-0.01為步長掃描2*PI~0；r為阻抗處等反射系數(shù)圓；G為匹配圓；G1為大圓；r2為λ/8輔助圓；r6為電導(dǎo)為1的等電導(dǎo)圓；2．將歸一化阻抗和負(fù)載阻抗所在位置分別標(biāo)在smith圓上圖SEQ圖\*ARABIC1以實部虛部方式顯示繪制步驟：將歸一化輸入阻抗和負(fù)載阻抗所在位置標(biāo)在導(dǎo)納圓圖上從負(fù)載阻抗處沿等反射系數(shù)圓順時針旋轉(zhuǎn)，交匹配圓一點，取此經(jīng)歷的電長度為分支線與負(fù)載的距離d=（628.7-347.9）/200=1.404rad。匹配圓交點處電納為0.531049j,由此確定所匹配的單支節(jié)傳輸線導(dǎo)納為-0.531049*j，在導(dǎo)納圓圖上標(biāo)出該點位置，從短路點出發(fā)順時針方向旋轉(zhuǎn)到標(biāo)識位置，取此經(jīng)歷的電長度為分支線的長度l=（217.5-1.668）/200=1.07916rad。設(shè)計單枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，在圖上確定分支線與負(fù)載的距離以及分支線的長度，根據(jù)給定的介質(zhì)基片、特性阻抗和頻率用TXLINE計算微帶線物理長度和寬度。畫出原理圖。注意微帶分支線處的不均勻性所引起的影響，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀?.設(shè)置可調(diào)諧參量添加矩形圖，添加測量，測量輸入端的反射系數(shù)幅值，并進(jìn)行調(diào)諧使反射系數(shù)幅值在2GHz時最小。6.得到調(diào)諧后矩形圖雙支節(jié)1．根據(jù)已知計算出各參量。寫入OutputEquations。同單支節(jié)畫出Smith圓圖。繪圖步驟：根據(jù)兩枝節(jié)間隔長度為1/8波長，繪出輔助圓位置在圖中標(biāo)出負(fù)載處位置，沿等反射系數(shù)圓向源方向旋轉(zhuǎn)180度，該點為y1’點，并聯(lián)第一個支節(jié)的位置距離負(fù)載的電長度為d=(627.3-329.4)/200=1.4895從y1’點沿等電導(dǎo)圓旋轉(zhuǎn)，交輔助圓于y1點，通過y1點導(dǎo)納值減去y1’點導(dǎo)納值得到第一個枝節(jié)的電納值為1.99099j-0.504884j=1.5j在圖中標(biāo)出該電納值點，從短路點向順時針方向旋轉(zhuǎn)到標(biāo)出的1.5j點，經(jīng)過的電長度為第一枝節(jié)的長度，l1=（512.1-1.076）/200=2.55512因為y1點的電納值為1.99099j,所以第二枝節(jié)的電納值為-1.99j，在圖中標(biāo)出該電納點，從短路點順時針方向旋轉(zhuǎn)到該點，經(jīng)過的電長度為第二枝節(jié)的長度，l2設(shè)計單枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，在圖上確定分支線與負(fù)載的距離以及分支線的長度，根據(jù)給定的介質(zhì)基片、特性阻抗和頻率用TXLINE計算微帶線物理長度和寬度。畫出原理圖。4.得到調(diào)諧后矩形圖：實驗三微帶多節(jié)阻抗變阻器一、實驗?zāi)康恼莆瘴Ф喙?jié)阻抗變阻器的工作原理掌握微帶多節(jié)阻抗變阻器的設(shè)計和仿真二、實驗原理變阻器是一種阻抗變換元件，它可以接于不同數(shù)值的電源內(nèi)阻和負(fù)載電阻之間，將兩者起一相互變換作用獲得匹配，以保證最大功率的功率：此外，在微帶電路中，將兩不同特性阻抗的微帶線連接在一起時為了避免線間反射，也應(yīng)在兩者之間加變阻器。單節(jié)λ/4變阻器是一種簡單而有用的電路，其缺點是頻帶太窄。為了獲得較寬的頻帶，常采用多節(jié)阻抗變換器。如下圖所示，多節(jié)變阻器的每節(jié)電長度均為θ；為各節(jié)的特性阻抗，為負(fù)載阻抗，并假設(shè)Zn+1＞Zn,……Z2＞Z1，Z1＞Z0。其中ρi＝zi/zi-1Γi=(ρi-1)/(ρi-1+1)在上圖中，變阻器的阻抗由Z0變到Zn+1，對Z0歸一化，即由z0＝0變到zn+1＝R，R即為阻抗變換比。其中ρ1，ρ2……ρn+1為相鄰兩傳輸線段連接處的駐波比。根據(jù)微波技術(shù)的基本原理，其值等于大的特性阻抗對小的特性阻抗之比。Γ1，Γ2，……Γn+1則為連接處的反射系數(shù)，為了使設(shè)計簡單，往往取多節(jié)變阻器具有對稱結(jié)構(gòu)，即使變阻器前后對稱位置跳變點的反射系數(shù)相等，Γ1＝Γn+1,Γ2=Γn……。定義下列公式為變阻器的相對帶寬和中心波長：其中和分別為頻帶邊界的傳輸線波長，為傳輸線中心波長，D為相對帶寬。三、實驗內(nèi)容設(shè)計仿真等波紋型微帶多節(jié)變阻器。給定指標(biāo)：在2GHZ-6GHZ的頻率范圍內(nèi)，阻抗從50歐變?yōu)?0歐，駐波比不應(yīng)超過1.15，介質(zhì)基片H=1mm，在此頻率范圍內(nèi)色散效應(yīng)可忽略。四、實驗步驟根據(jù)給定的指標(biāo)，查表確定微帶變阻器的節(jié)數(shù)。（由于阻抗從50Ω變?yōu)?0Ω，所以其R=5，中心頻率為4GHz，相對帶寬為D=1，通過查表，查得滿足R值和D值，而且駐波比不超過1.15時，可以確定變阻器的節(jié)數(shù)n=4。）查表計算各段線的歸一化特性阻抗。查表可以得到z1=1.21721,z2=1.77292,又可以通過R，計算可得z3=2.82021,z4=4.10775。各段的實際阻值為上述的歸一化值與10的乘積。）3．利用txline計算各段實際的物理長度。通過計算可以得知：Zport1=10Ω，W=10.61mm,L=6.269mmZ1=12.1721Ω,W=8.434mm,L=6.342mmZ2=17.7292Ω,W=5.301mm,L=6.518mmZ3=28.2021Ω,W=2.796mm,L=6.793mmZ4=41.0775Ω,W=1.518mm,L=7.051mmZport2=50Ω,W=1.044mm,L=7.193mm根據(jù)以上計算的結(jié)果即可以得到原理圖，原理圖一共由六段微帶線構(gòu)成，其中的四段是實現(xiàn)阻抗變化器的微帶線，而其余的兩段是實現(xiàn)與端口匹配的微帶線的。繪制原理圖完畢之后，通過添加一個矩形的測量圖，來仿真觀察設(shè)計的阻抗匹配器是否符合實驗的要求。調(diào)諧電路。在調(diào)諧各階微帶線的長度時，要保證其變化趨勢不變。五、設(shè)計思路變阻器是一種阻抗變換元件，它可以接于不同數(shù)值的電源內(nèi)阻和負(fù)載電阻之間，在兩者間起到相互變換作用以獲得匹配，以保證最大功率的傳輸；此外，在微帶電路中，將兩不同特性阻抗的微帶線連接在一起時，為了避免線間反射，也應(yīng)在兩者之間加變阻器。單節(jié)λ/4變阻器是一種簡單而有用的電路，其缺點是頻帶太窄。為了獲得較寬的頻帶，可以采用多節(jié)阻抗變換器。采用綜合設(shè)計法進(jìn)行最佳多節(jié)變阻器設(shè)計，目前較多使用的有最大平坦度以及契比雪夫多項式。等波紋特性多節(jié)變阻器比最平坦特性多節(jié)變阻器具有更寬的工作頻帶。在微帶線形式中，當(dāng)頻率不太高而色散效應(yīng)可忽略時，各微帶線的特性阻抗和相速度均與頻率無關(guān)，因此屬于均勻多節(jié)變阻器。多節(jié)變阻器的每節(jié)電長度均為θ；Z為各節(jié)的特性阻抗，為負(fù)載阻抗，并假設(shè)Zn+1＞Zn,……Z2＞Z1，Z1＞Z0。其中ρi＝zi/zi-1Γi=(ρi-1)/(ρi-1+1)變阻器的阻抗由Z0變到Zn+1，對Z0歸一化，即由z0＝0變到zn+1＝R，R即為阻抗變換比。其中ρ1，ρ2……ρn+1為相鄰兩傳輸線段連接處的駐波比。根據(jù)微波技術(shù)的基本原理，其值等于大的特性阻抗對小的特性阻抗之比。Γ1，Γ2，……Γn+1則為連接處的反射系數(shù)，為了使設(shè)計簡單，往往取多節(jié)變阻器具有對稱結(jié)構(gòu)，即使變阻器前后對稱位置跳變點的反射系數(shù)相等，Γ1＝Γn+1,Γ2=Γn……。定義下列公式為變阻器的相對帶寬和中心波長：Wq＝2(λg1-λg2)/(λg1+λg2)λg0=2λg1λg2/(λg1+λg2)其中λg1和λg2分別為頻帶邊界的傳輸線波長，λg0為傳輸線中心波長，Wq為相對帶寬。取變阻器每段為傳輸線波長的四分之一，即1＝λg0/4。設(shè)計步驟：根據(jù)給定指標(biāo)，查表（最平坦型或等波紋型）確定微帶變阻器的節(jié)數(shù)n。查表得到各段線的特性阻抗利用TXLINE計算相應(yīng)微帶線的長度及寬度。六．實驗結(jié)果電路原理圖：調(diào)諧前后：實驗四微帶功分器一、實驗?zāi)康?．掌握微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)2．熟悉微帶功分器的工作原理及其特點3．掌握微帶功分器的設(shè)計和仿真二、實驗原理功分器是一種功率分配元件，它是將輸入功率分成相等或不相等的幾路功率，當(dāng)然也可以將幾路功率合成，而成為功率合成元件。在電路中常用到微帶功分器，其基本原理和設(shè)計公式如下：圖表1二路功分器圖1是二路功分器的原理圖。圖中輸入線的特性組抗為,兩路分支線的特性阻抗分別為和，線長為，為中心頻率時的帶內(nèi)波長。圖中為負(fù)載阻抗，R為隔離阻抗。對功分器的要求是：兩輸出口2和3的功率按一定比例分配，并且兩口之間相互隔離，當(dāng)兩口接匹配負(fù)載時，1口無反射。下面根據(jù)上述要求，確定，及R的計算公式。設(shè)2口、3口的輸出功率分別為，對應(yīng)的電壓為.根據(jù)對功分器的要求，則有：P3=K2P2|V3|2/R3=K2|V2|2/R2式中K為比例系數(shù)。為了使在正常工作時，隔離電阻R上不流過電流，則應(yīng)V3=V2于是得R2=K2R3若取R2=KZ0則R3=Z0/K因為分支線長為λe0/4，故在1口處的輸入阻抗為：Zin2=Z022/R2Zin3=Z032/R3為使1口無反射，則兩分支線在1處的總輸入阻抗應(yīng)等于引出線的，即Y0=1/Z0=R2/Z022+R3/Z032若電路無損耗，則|V1|2/Zin3=k2|V1|2/Zin2式中V1為1口處的電壓所以Zin=K2Z03Z02=Z0[(1+K2)/K3]Z03=Z0[(1+K2)K]下面確定隔離電阻R的計算式。跨接在端口2、3間的電阻R，是為了得到2、3口之間互相隔離得作用。當(dāng)信號1口輸入，2、3口接負(fù)載電阻時，2、3兩口等電位，故電阻R沒有電流流過，相當(dāng)于R不起作用；而當(dāng)2口或3口得外接負(fù)載不等于R2或R3時，負(fù)載有反射，這時為使2、3兩端口彼此隔離，R必有確定的值，經(jīng)計算R=Z0(1+K2)/K圖1中兩路線帶之間的距離不宜過大，一般取2～3帶條寬度。這樣可使跨接在兩帶線之間的寄生效應(yīng)盡量減小。三、實驗內(nèi)容用VOLTERRA設(shè)計仿真一個微帶功分器，指標(biāo)為中心頻率f0=2GHZ耦合度K=2引出線Z0=50Ω介質(zhì)基片εr=2.55,h=1mm四、設(shè)計思路本實驗的任務(wù)是設(shè)計一個二路功分器，耦合度為：2，所以首先根據(jù)指標(biāo)要求和有關(guān)公式算出R2=100Ω,R3=25Ω,Z02=158.11,Z03=39.53,R=125。為了匹配在引出線Z0與2、3端口處各加了一段四分之一波長阻抗變換段，即：Z04=70.71Ω,Z05=35.36Ω。用TXLINE計算相應(yīng)微帶線的長度和寬度，并作記錄。根據(jù)已知條件和有關(guān)知識，設(shè)計出上述原理圖。計算各微帶線的長度和寬度，并填入?yún)?shù)。注意，TL3和

TL7的特性阻抗之和為Z02，TL4和

TL6的特性阻抗之和為Z03。且TL3和

TL7寬度相等，長度之和為由Z02計算出的長度，TL4和

TL6寬度相等，長度之和為由Z03計算出的長度。TL13的特性阻抗為Z04，TL14的特性阻抗為Z05，由TL9的2端口向右看的阻抗為R2,由TL10的1端口向右看的阻抗為R3。由R計算微帶線的長度和寬度，并使TL11和TL12的寬度的等于算出的寬度，長度之和等于算出的長度。并設(shè)置TL11和TL12的長度為參考變量，進(jìn)行調(diào)節(jié)。添加測量圖測量S21，S31，S32，進(jìn)行仿真波形，在調(diào)節(jié)的過程中會得到符合指標(biāo)的時刻，記錄此時參數(shù)。注意，因為適配口選的是MTEE$，所以不需要設(shè)置其寬度，它會自動適配。3、傳輸特性曲線五．實驗步驟按照指標(biāo)要求用公式計算各阻抗值。計算結(jié)果：Z02=158.1 Z03=39.53Z04=70.71Z05=35.36R=125R2=100R3=25根據(jù)TXLINE得出對應(yīng)的W和LZ0=50Ω,W=2.834mm,L=25.58mmZ02=158.1Ω,W=0.2117mm,