北邮微波仿真实验1

微波仿真实验报告
学院：电子工程学院
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微波仿真课作业1
1. 了解ADS Schematic的使用和设置
2．在Schematic里，分别仿真理想电容20pF和理想电感5nH，仿真频率为（1Hz-100GHz），观察仿真结果，并分析原因。

20pF理想电容
仿真图
原因分析：史密斯原图下半部分是容性，随频率增加，电容由开路点变到短路点，通高频，阻低频。

5nH理想电感
仿真图
原因分析：史密斯原图上半部分是感性，随频率增加，电容由短路点变到开路点，阻高频，通低频。

3．Linecalc的使用
a) 计算中心频率1GHz时，FR4基片的50Ω微带线的宽度
宽度为：2.9112mm
b) 计算中心频率1GHz时，FR4基片的50Ω共面波导（CPW）的横截面尺寸（中心信号线宽度与接地板之间的距离）
横截面尺寸为：W=171.355mm，G=5mm，L=63.5mm
4．基于FR4基板，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长开路CPW线的性能参数，中心工作频率为1GHz。

仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分析原因。

仿真图
仿真图分析：
1、1GHz时，为四分之一波长，开路阻抗变换后变为短路，2GHz时为二分之一波长，所以仍为开路；
2、由于损耗，因此反射系数变小，所以等反射系数圆的半径也在变小。

5. 基于FR4基板，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长短路CPW线的性能参数，中心工作频率为1GHz。

仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz 的输入阻抗，分析变化原因。

仿真图
仿真图分析：
1、1GHz时，为四分之一波长，短路阻抗变换后变为开路，2GHz时为二分之一波长，所以仍为短路；
2、由于损耗，因此反射系数变小，所以等反射系数圆的半径也在变小。

分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗：
500MHz:Z0*（0.003+j0.001）
2GHz：Z0*（0.012-j0.005）
6.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波
长开路线的性能参数，工作频率为1GHz。

仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。

仿真图
分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗：
微带线
500MHz:Z0*（0.003-j0.992）
2GHz：Z0*（32.830-j1.603）
理想传输线
500MHz:Z0*（1.000E-10-j1.000）
2GHz：Z0*（2.000E10-j2.000E5）
分析：因为相对于理想传输线，微带线有损耗产生误差，反射系数一直变小。

扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。

分析：对于理想传输线，反射系数不变，而对于微带线，由于存在损耗，反射系数会一直变小，因此其反射系数圆的半径在一直变小。

7.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波
长短路线的性能参数，工作频率为1GHz。

仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。

仿真图
分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗：
微带线
500MHz:Z0*（0.009+j1.003）
2GHz：Z0*（0.031+j0.002）
理想传输线
500MHz:Z0*（5.551E-17+j1.000）
2GHz：Z0*（8.284E-18-j1.000E-5）
分析：因为相对于理想传输线，微带线有损耗产生误差，反射系数一直变小。

扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。

分析：对于理想传输线，反射系数不变，而对于微带线，由于存在损耗，反射系数会一直变小，因此其反射系数圆的半径在一直变小。

8.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω二分之一波
长开路线的性能参数，工作频率为1GHz。

仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。

仿真图
分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗：
微带线
500MHz:Z0*（0.016+j0.006）
2GHz：Z0*（16.430-j0.798）
理想传输线
500MHz:Z0*（5.000E-11-j6.123E-17）
2GHz：Z0*（2.000E10-j2.000E5）
分析：因为相对于理想传输线，微带线有损耗产生误差，反射系数一直变小。

扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。

分析：对于理想传输线，反射系数不变，而对于微带线，由于存在损耗，反射系数会一直变小，因此其反射系数圆的半径在一直变小。

9.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω
二分之一波长短路线的性能参数，工作频率为1GHz。

仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。

仿真图
分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗：
微带线
500MHz:Z0*（55.044-j19.301）
2GHz：Z0*（0.061+j0.004）
理想传输线
500MHz:Z0*（-1.000+j1.633E16）
2GHz：Z0*（8.284E-18-j1.000E-5）
分析：因为相对于理想传输线，微带线有损耗产生误差，反射系数一直变小。

扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。

分析：对于理想传输线，反射系数不变，而对于微带线，由于存在损耗，反射系数会一直变小，因此其反射系数圆的半径在一直变小。

微波测量实验中测得的几个史密斯圆图四分之一开路微带线
四分之一短路微带线
二分之一开路微带线
二分之一短路微带线
微波仿真课作业2
1．用一段理想四分之一波长阻抗变换器匹配10欧姆到50欧姆，仿真S参数，给出-20dB 带宽特性，工作频率为1GHz。

计算得，22.36欧姆
仿真S参数
计算分析：由图计算-20dB带宽为1071-929=142MHz;
且如仿真图所示，在1GHz处回波损耗最低，实现阻抗匹配。

2．用一段FR4基片上四分之一波长阻抗变换器匹配10欧姆到50欧姆，仿真S参数，给出-20dB带宽特性，工作频率为1GHz，比较分析题1和题2的结果。

仿真S参数
由图计算-20dB带宽为1065-921=144MHz。

比较分析题1和题2的结果
分析，微带线与理想传输线之间有一定的误差：
1、如图所示可以看出微带线情况下，回波损耗最低点稍微偏离1GHz；
2、-20dB带宽为144MHz大于理想传输线时的142MHz；
3、1GHz阻抗匹配时，微带线时的回波损耗大于理想传输线。

3．设计一个3节二项式匹配变换器，用于匹配10欧姆到50欧姆的传输线，中心频率是1GHz，
该电路在FR4基片上用微带线实现，设计这个匹配变换器并计算
1.0
=
Γ
m的带宽，给出
回波损耗和插入损耗与频率的关系曲线，比较分析题2和题3的结果。

根据所学的理论知识，先依题意算出三节匹配微带线的阻抗值,然后通过LineCalc计算出相应微带线的长和宽，修改电路图中MLIN的相关参数。

Z1=40.89Ω W=4.198480mm L=40.404500mm Z2=22.36Ω W=9.620970mm L=38.833700mm Z3=12.23Ω W=19.83080mm L=37.648400mm
插入损耗
=
Γ
1.0
m的带宽，即为-20dB带宽，由图计算得1325-680=645MHz；
比较分析题2和题3的结果，3节二项式匹配变换器匹配误差更大：
1、如图所示可以看出3节二项式匹配变换器匹配时回波损耗最低点明显偏离1GHz；
2、-20dB带宽为645MHz大于微带线情况；
3、但1GHz阻抗匹配时，3节二项式匹配变换器时的回波损耗小于微带线情况。

4．题3中，若用3节切比雪夫匹配变换器实现，比较同样情况下的带宽，回波损耗和插入损耗与频率的关系曲线，比较分析题3和题4结果。

根据所学的知识可以计算出切比雪夫变换器匹配的三个微带线的阻抗，然后通过LineCalc计算出相应微带线的长和宽，修改电路图中MLIN的相关参数。

Z1=35.94ΩW=4.948710mm L=40.0910mm
Z2=22.11Ω W=9.6519mm L=38.8278mm
Z3=13.55Ω W=17.57710mm L=37.8241mm
仿真图
插入损耗
1.0=Γm 的带宽，即为-20dB 带宽，由图计算得1485-534=951MHz ；
比较分析题3和题4的结果，即二项式匹配变换器与切比雪夫匹配变换器：
1、切比雪夫匹配变换器的带宽显著增加；
2、切比雪夫匹配变换器回波损耗具有等波纹特性；
3、两者的插入损耗差别不明显。

5． 对于一个负载阻抗Z L =60-j80欧姆，利用Smith Chart Utility 功能，分别设计并联短路单枝
节和并联开路单枝节匹配，并将Smith Chart Utility 给出的匹配结果在Schematic 中仿真，给出1-3GHz 的回波损耗与频率的关系曲线，并给出1.0=Γm 的带宽。

并联短路单枝节
计算并联短路单枝节-20dB带宽：1053-952=101MHz
并联开路单枝节
计算并联开路单枝节-20dB带宽：1023-975=48MHz
6． 并联双枝节匹配电路，并联双枝节为开路，枝节之间相距λ/8，中心工作频率为2GHz,
利用理想传输线，给出1-3GHz 的回波损耗与频率的关系曲线，并给出1.0=Γm 的带宽。

并联双枝节, 枝节之间相距λ/8，中心工作频率为2GHz
仿真
如图在2GHz匹配
计算-20dB带宽：2012-1988=24MHz。