微波实验报告
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微波实验报告
之前⽹上下的学长学姐的报告有很多不靠谱,但是调谐都要调到中⼼频率上,否则都不对,
还有⽼师验收的时候如果⾃⼰⼼情很不好,只要她发现⼀点错误就会坚定的认为不是⾃⼰
做的,所以⼀定要确保没有错误,原理⼀定要弄清楚.愿后来⼈好运~~~
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。
本次实验主要是研究了微带分⽀线匹配器中的单⽀节匹配器和双⽀节匹配器,我都采⽤了短路模型,这类匹配器主要是在主传输线上并联上适当的电纳,⽤附加的反射来抵消主传输线上原来的反射波。
单⽀节调谐时,其中有两个可调参量:距离d和由并联开路或短路短截线提供的电纳。
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。
然后,此短截线的电纳选择为-JB,然后利⽤Smith圆图和Txline,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,⽐单⽀节匹配器增加了⼀⽀节,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,但需要注意的是,由于双⽀节匹配器不是对任意负载阻抗都能匹配,所以不能在匹配禁区内。
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。
W为微带线导体带条的宽度;εr为介质的相对介电常数;T为导体带条厚度;H 为介质层厚度,通常H远⼤于T。
L为微带线的长度。
微带线的严格场解是由混合TM-TE 波组成,然⽽,在绝⼤多数实际应⽤中,介质基⽚⾮常薄(H<<λ),其场是准TEM 波,因此可以⽤传输线理论分析微带线。
微带线的特性阻抗与其等效介电常数εr、基⽚厚度H和导体宽度W有关,计算公式较为复杂,故利⽤txline来计算。
3.微带线的模型
元器件库⾥包括有:
MLIN:标准微带线
MLEF:终端开路微带线
MLSC:终端短路微带线
MSUB:微带线衬底材料
MSTEP:宽度阶梯变换
MTEE:T型接头
MBENDA:折弯
4.微带线的不均匀性
上述模型中,终端开路微带线MLEF、宽度阶梯变换MSTEP、T型接头MTEE和折弯MBENDA,是针对微带线的不军训性⽽专门引⼊的。
⼀般的微带电路元件都包含着⼀些不均匀性,例如微带滤波器中的终端开路线;微带变阻器的不同特性阻抗微带段的连接处,即微带线宽度的尺⼨跳变;微带分⽀线电桥、功分器等则包含⼀些分⽀T型接头;
在⼀块微带电路板上,为使结构紧凑及适应⾛线⽅向的要求,时常必须使微带弯折。
由此可见,不均匀性在微带电路中是必不可少的。
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。
在设计微带电路时,必须考虑到不均匀性所引起的影响,将其等效参量计⼊电路参量,否则将引起⼤的误差。
三.实验内容:
已知:输⼊阻抗Z in=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⼀与负载的距离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,选择Rectangular图,添加测量,测量类型选择Port Parameters,
测量选项为S参数,单位dB,选择扫频Sweep Proj.Freqs,选择幅度Mag。
如果输⼊端
⼝是1端⼝,则From Port Index选1,To Port Index选1,代表输⼊端⼝的反射系数幅值。
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.实验结果
单⽀节匹配⽹络:
输出⽅程:
Y-Smith导纳圆图:
在圆图上作出归⼀化负载阻抗,沿着等反射系数圆逆时针旋转,直到与g=1的等电导圆的交点,寻找该交点的虚部的共轭
找到点MAg 0.256 Ang-105.7Deg的虚部的共轭Mag 1 Ang55.98Deg,在Txline⾥算出l=18.02mm
点Ang93.66Deg顺时针旋转到Ang-105.7Deg计算得d=28.97mm
原理图:
Rectangular图:
双⽀节匹配⽹络:输出⽅程:
Y-Smith导纳圆图:
找到归⼀化负载阻抗,沿等反射系数圆(绿⾊)旋转180°,过该点做等电导圆(粉⾊),等电导圆与辅助圆(红⾊)有两个交点,选择逆时针旋转较近的⼀个作等反射系数圆(⿊⾊),沿⿊⾊等反射系数圆顺时针旋转得到g=1的⼀个点,找到这个点的虚部的共轭。
根据点Ang 17.92Deg到短路点计算l2=23.555mm
Ang-4.513Deg与Ang-86.78Deg两点的虚部之差得到Ang 49.08Deg,根据这个点到短路点计算l1=19.03mm 原理图:
未调谐:
调谐后:
Rectangular图:
六、实验⼼得。
实验3 微带多节阻抗变换器
⼀.实验⽬的:
(1)掌握微带多节变阻器的设计
(2)掌握⽤VOLTAIRE XL进⾏仿真及优化设计
⼆.实验原理:
变阻器是⼀种阻抗变换元件,它可以接于不同数值的电源内阻和负载电阻之间,将两者起⼀相互变换作⽤获得匹配,以保证最⼤功率的功率:此外,在微带电路中,将两不同特性阻抗的微带线连接在⼀起时为了避免线间反射,也应在两者之间加变阻器。
单节λ/4变阻器是⼀种简单⽽有⽤的电路,其缺点是频带太窄。
为了获得较宽的频带,可以采⽤多节阻抗变换器。
采⽤综合设计法进⾏最佳多节变阻器设计,⽬前较多使⽤的是最⼤平坦度以及契⽐雪夫多项式。
等波纹特性多节变阻器⽐最平坦特性多节变阻器具有更宽的⼯作频带。
在微带线形式中,当频率不太⾼⽽⾊散效应可忽略时,各微带线的特性阻抗和相速均与频率⽆关,因此属于均匀多节变阻器。
多节变阻器的每节电长度均为θ;Z为各节的特性阻抗,为负载阻抗,并假设Zn+1
>Zn,……Z2>Z1,Z1>Z0。
其中ρi=z i/z i-1 Γi=(ρ
i -1)/(ρ
i-1
+1)
变阻器的阻抗由Z0变到Zn+1,对Z0归⼀化,即由z0=0变到zn+1=R,R即为阻抗变换⽐。
其中ρ1,ρ2……ρn+1为相邻两传输线段连接处的驻波⽐。
根据微波技术的基本原
理,其值等于⼤的特性阻抗对⼩的特性阻抗之⽐。
Γ1,Γ2,……Γn+1则为连接处的反射系数,为了使设计简单,往往取多节变阻器具有对称结构,即使变阻器前后对称位置跳变点的反射系数相等,Γ1=Γn+1,Γ2=Γn……。
定义下列公式为变阻器的中⼼频率和相对带宽:
f0=(f1-+f2)/2
D=(f2-f1)/fo
其中f1和f2分别为频带边界的上下边界,f0为传输线中⼼波长,D为相对带宽。
取变阻器每段为传输线波长的四分之⼀,即1=λg0/4.
⼀般来将,微带变阻器的设计步骤为:
(1)根据给定的指标,查表确定微带变阻器的节数n;
(2)查表得到各段线的特性阻抗;
(3)利⽤TXLINE计算相应微带线的长度及宽度。
三.实验内容:
设计仿真等波纹型微带多节变阻器
给定指标:在2GHZ-6GHZ的频率范围内,阻抗从50Ω变为10Ω,驻波⽐不应超过1.15,介质基⽚εr=9.6,厚度h=1mm,在此频率范围内⾊散效应可忽略。
四.实验步骤和结果:
1.根据给定指标,查表确定微带变阻器的节数n;
中⼼频率:f0=(f1+f2)/2=4GHz
相对带宽:D=(f2-f1)/f0=1
阻抗变换⽐:R=Zn+1/Z0=5
驻波⽐不超过1.15,查表可得n=4
2.查表得各段线的特性阻抗,对等波纹型运⽤下列公式:
n=2时,z2=R/z1;
R,z3=R/z1;
n=3时,z2=5.0
n=4时,z3=R/z2,z4=R/z1;
查表可得z1=1.21721,z2=1.77392,,故:
z3=R/z2=2.81862,z4=R/z1=4.10775
3.⽤TXLINE计算相应微带线长度及宽度,选择单位和项⽬频率2GHz-6GHz。
f=f0=4GHz,εr=9.6,厚度H=1mm,Z0=10Ω,Z1=12.17Ω,Z2=17.74Ω,
Z3=28.19Ω,Z4=41.08Ω,Z=50Ω
各节变阻器设计如下:
Z0=10Ω,L=6.269mm,W=10.614mm
Z1=12.17Ω,L=6.342mm,W=8.434mm
Z2=17.74Ω,L=6.517mm,W=5.297mm
Z3=28.19Ω,L=6.792mm,W=2.798mm
Z4=41.08Ω,L=7.051mm,W=1.518mm
Z=50Ω,L=7.193mm,W=1.044mm
T=0.001mm
4.原理图:
调谐前:
调谐后:
各节变阻器参数如下:
Z0=10Ω, L=6.269mm, W=10.614mm Z1=12.17Ω, L=6.212mm, W=8.434mm Z2=17.74Ω, L=6.518mm, W=5.297mm
Z3=28.19Ω, L=6.372mm, W=2.798mm
Z4=41.08Ω, L=6.851mm, W=1.518mm
Z=50Ω, L=7.193mm, W=1.044mm
Rectangular图:
五、⼼得体会
通过这个实验,我学会了⽤MICROWAVE OFFICE软件设计微带多节变阻器。
要完成这个实验的原理图还是⽐较简单的,只要根据给定指标,查表得到微带变阻器节数n=4,再经过查表找到z1、z2,根据书上所给公式计算得到z3、z4,然后利⽤
TXLINE 就可以计算W 和L 的值。
实验⿇烦⼀点的地⽅在于调谐,可以调整的参数有四个,即TL2、TL3、TL4、TL5的L 。
当然不⽤所有的都调,只要通过观察调整各个微带线长度时驻波⽐的变化情况选取两三个即可。
同时要注意让这四个微带线的长度L 呈递增或者递减的趋势。
经过调谐让驻波⽐的波形满⾜给定条件,不超过1.15。
实验4 微带功分器
⼀、实验⽬的:
1.掌握微波⽹络的S 参数
2.掌握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与仿真
⼆、实验原理:
1. S 参数及其定义:
对于线性双⼝⽹络,归⼀化⼊射波和归⼀化反射波之间存在如下关系:
2121111a S a S b += 2
221212a S a S b +=
其中a1、a2表⽰进⼊⽹络的⼊射波,b1、b2表⽰从⽹络出来的反射波。
写成矩阵形式为:
[b]=[S]·[a]
[]??
=2221
1211S S S S S
[S]是双端⼝⽹络的散射矩阵,⼀般来说,他们都是复数,且是频率f 的函数。
各参量物理含义:
21
111==
a a
b S ——端⼝2匹配(a2=0)时,端⼝1的反射系数
12222==
a a
b S ——端⼝1匹配(a1=0)时,端⼝2的反射系数
21221==
a a
b S ——端⼝2匹配(a2=0)时,端⼝1到2的传输系数
12
112==
a a
b S ——端⼝1匹配(a1=0)时,端⼝2到1的传输系数
推⼴到线性多端⼝⽹络,当除i 端⼝外其他端⼝匹配时,Sii 表⽰i 端⼝的反射系数,Sji 表⽰从i 端⼝到j 端⼝的传输系数。
因此⽤⽹络的S 参数完全可以表⽰⽹络的反射和传输特性。
2. 功分器:
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。
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,并且两⼝之间互相隔离,当2、3⼝接匹配负载时,1⼝⽆反射。
当1端⼝输⼊功率P1时,2端⼝和3端⼝的输出功率分别为P2、P3,如果功分⽐为2
k ,则
2
2
3P k P =(或
3
2
2P k P =);当1⼝接匹配负载时,端⼝2到3(或者端⼝3到2)的传输
系数表⽰功分器的隔离度。
其设计公式设计如下: 由2 2
3P k P =得:
3
2
2R k R =
若取 R2=kZ0 则 R3=Z0/k 02
Z 、
03
Z 的计算:
5
.032
003]/)1[(k k Z Z += 5
.02
002]
)1[(k k Z Z +=
隔离电阻R :
k
k Z R /)1(2
0+=
04
Z 、
05
Z 的计算:
5
.00204)
(Z R Z =
5
.00305)
(Z R Z =
三、实验内容:
设计仿真⼀个微带功分器,已知:介质基⽚εr=2.55,H=1mm ;端⼝特性阻抗Z0=50Ω,耦合度:k=2.指标如下:
1. 在中⼼频率2GHz 处:两端⼝的传输功率|S31|和|S21|相差5.9~6.1dB ;
2. 在1.5~2.5GHz 频率范围内:两端⼝的隔离度|S32|不⼩于17.6dB 。
四、实验步骤和结果:
1. 按照指标要求⽤上述公式计算R2、R3、02Z 、
03
Z 、R 、04Z 、05Z 的值。
R2=kZ0=2*50=100Ω R3=Z0/k=50/2=25Ω
5
.032
003]
/)1[(k k Z Z +==
3
22
/)21(50+=39.53Ω
2
*)21(50
2
02+=Z =158.11Ω 2
/)21(502
+=R =125Ω
50*10004=Z =70.71Ω 50
*2505=
Z =35.36Ω
2. 利⽤TXLINE 计算相应微带线的长度和宽度。
f=2GHz
TL5、TL6的长度相等,TL1、TL2的长度之和因为TL6宽度的2~3倍,TL9、TL11和隔离电阻的等效长度之和与TL1、TL2长度之和相等。
故由以下等式:
x1=5.36
y=27.144-x1 x2=25.265-y x3=2.9
x4=x1+x2-4-x3
其中x1是TL1的长度,x2是TL2的长度,y 是TL5、TL6的长度,x3是TL9的长度,x4是TL11的长度。
故各个微带线的长度、宽度为:
TL14、TL15、TL16: L=25.578mm, W=2.834mm TL1:L=5.36mm, W=0.2117mm TL5:L=21.784mm, W=0.2117mm TL6:L=21.784mm, W=3.989mm TL2:L=3.481mm, W=3.989mm TL9:L=2.9mm, W=0.4484mm TL11:L=2.3mm,W=0.4484mm TL12:L=26.06mm, W=1.626mm TL13:L=25.124mm W=4.649mm
原理图:
Rectangular图:
调谐后:调整TL4、TL5的长度,调谐后的参数为:
原理图:
Rectangular图:
从图上可以看出,调谐过后|S31|和|S21|在2GHz处相差5.9~6.1dB
五、⼼得体会
在设计原理图的时候,要注意TL5、TL6的长度相等,TL1、TL2的长度之和因为TL6宽度的2~3倍,TL9、TL11和隔离电阻的等效长度之和与TL1、TL2长度之和相等。
将TL1和TL9的长度最为变量,利⽤TUNE进⾏调整,让|S32|的最⼩点能在2GHz。
确定好各个微带线的长度之后,画好原理图。
设计好原理图后,通过调节TL12、TL13的长度,使|S21|、|S31|在2GHz处的差值在范围5.9~6.1dB内。