微波传输线ADS仿真与负载特性测量

本科实验报告
课程名称：电磁场与微波实验
姓名：李昂诺
学院：信息与电子工程学院系：
专业：电子科学与技术
学号：3130000766
指导教师：王子立
2015年6 月8 日
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：___设计实验___同组学生姓名：__韩天啸___
一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得
一、实验目的和要求
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。

二、实验内容和原理
考虑一段特性阻抗为Zo 的传输线，一端接信号源，另一端则接上负载，如图所示，假设此传输线无耗，且传输系数γ= j β，则传输线上电压及电流可用下列二式表示：
()z z U z U e U e ββ+--=+ ()z z I z I e I e ββ+--=-
专业：_电子科学与技术_ 姓名：___李昂诺_______
学号：___3130000766___ 日期：___2015.6.10_____ 地点：__东四
-227______
1、负载端（z = 0）处情况
可得负载阻抗为
0()L L L U U U Z Z I U U +-
+-
+==-
定义归一化负载阻抗为011L L
L L
Z z Z +Γ=
=
-Γ 其中定义L Γ为负载端的电压反射系数1
||1
L j L L L L z e z ϕ-Γ=
=Γ+ 当0L Z Z =或为无限长传输线时，0L Γ=，无反射波，是行波状态或匹配状态。

当L Z 为纯电抗元件或处于开路或者短路状态时，||1L Γ=，全反射，为驻波状态。

当L Z 为其他值时，||1L Γ≤，为行波驻波状态。

线上任意点的反射系数为2||L j j z
L L e ϕβ-Γ=Γ
2、 输入端（z = −L ）处情况
反射系数()z Γ应改成2()L
j L L e β-Γ=Γ
输入阻抗为00
0tan()
tan()
L in L Z jZ L Z Z Z jZ L ββ+=+
由上式可知：
（ 1）当L →∞时， 0in Z Z →。

（ 2）当L = λ⁄2时， in L Z Z =。

（ 3）当L = λ⁄4时， 2
0in L
Z Z Z =。

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；
五、实验数据记录和处理
1、负载端短路（SC）
⑴在ADS中画出原理图
仿真得到结果：
在原理图内设计微带线仿真
查看仿真结果
分析：
我们根据理论公式进行推导得出0
L L L Z Z Z Z -Γ=
+，在SC 的情况下，=0L Z ，||1L Γ=，反射系数
在理想传输线的情况下应该位于史密斯圆图的最外圈，和仿真实验是一致符合的。

当频率为2.5GHz 时，反射系数刚好位于史密斯圆图的左端点。

对于输入阻抗，此时0tan in Z jZ L β=，我们观察输入阻抗的公式可以得出，当频率为2.5GHz 时，tan 00in L Z β==，；然而当频率不为2.5GHz 时，0tan 0tan in L Z jZ L ββ≠=，，虚部不为0并且随着频率的变化而变化，其实图中还显示出Zin 在2.5GHz 处并不完全为0，这微小的偏差是由于传输线本身是具有一部分阻抗的。

下图为Zin 的实虚部，可以更为直观看出阻抗。

由于传输线本身带有一部分阻抗，那么在2.5GHz处的下降峰就可以得到解释了。

故仿真符合实验预期。

在微带线模型中，相较于理想情况，反射系数的模并不为1，而是略小于1，因此由图中可以看出，这是一个靠近最外圈的一个内弧。

这是因为在实际中，微带线是存在边界效应的，所以不能完全等效成平行板波导来进行计算，所以产生了一部分偏差。

2、负载端开路（OC）
⑴在ADS中画出原理图
仿真得到结果：
在原理图内设计微带线仿真
查看仿真结果
分析：
我们根据理论公式进行推导得出0
L L L Z Z Z Z -Γ=
+，在OC 的情况下，=L Z ∞，||1L Γ=，反射系
数在理想传输线的情况下应该位于史密斯圆图的最外圈，和仿真实验是一致符合的。

当频率为2.5GHz 时，反射系数刚好位于史密斯圆图的右端点。

对于输入阻抗，此时0
tan in Z Z j L
β=
，我们观察输入阻抗的公式可以得出，当频率为2.5GHz 时，
tan 0in L Z β→→∞，；然而当频率不为2.5GHz 时，0
tan 0tan in Z L Z j L
ββ≠=
，，虚部不为0并
且随着频率的变化而变化。

偏差与SC 的情况一致，同理。

故仿真符合实验预期。

在微带线模型中，相较于理想情况，反射系数的模并不为1，而是略小于1，因此由图中可以看
出，这是一个靠近最外圈的一个内弧。

这是因为在实际中，微带线是存在边界效应的，所以不能完全等效成平行板波导来进行计算，所以产生了一部分偏差。

不管是在SC 还是OC 的情形中，微带线仿真结果曲线带宽较宽，宽于理想带线曲线，而且峰
值略小于理想带线的情况。

微带线中是有损耗的，所以会导致峰值降低，峰值降低会导致带宽增加。

3、负载端匹配
⑴在ADS 中画出原理图
仿真得到结果：
在原理图内设计微带线仿真
查看仿真结果
分析：
我们根据理论公式进行推导得出0
L L L Z Z Z Z -Γ=
+，在负载端匹配的情况下，0=L Z Z ，||0L Γ=，
反射系数在理想传输线的情况下应该位于史密斯圆图的中心，和仿真实验是一致符合的。

当频率为2.5GHz 时，反射系数刚好位于史密斯圆图的右端点。

对于输入阻抗，此时0in Z Z =。

在微带线模型中，相较于理想情况，模变化不大，然而出现了一个微小的相角，较之于理想情
况。

偏差应该是与微带线损耗以及软件误差造成的。

故仿真符合实验预期。

4、负载端纯电抗
⑴在ADS 中画出原理图
仿真得到结果：
在原理图内设计微带线仿真
查看仿真结果
分析：
我们根据理论公式进行推导得出0
L L L Z Z Z Z -Γ=
+，在L Z 为纯阻抗的情况下，||1L Γ=，产生全反
射，传输线工作于驻波状态，反射系数在理想传输线的情况下应该位于史密斯圆图的最外圈（除开左端点），和仿真实验是一致符合的。

Zin 曲线在2.78GHz 处产生下坠峰。

微带线在非工作频率下，tan 0L β≠，L Z 本身具有虚部，相较于理想情况，反射系数的模并不
为1，而是略小于1，因此由图中可以看出，这是一个靠近最外圈的一个内弧。

仿真符合实验预期。

5、负载端为复阻抗的情况
⑴在ADS 中画出原理图
仿真得到结果：
在原理图内设计微带线仿真
查看仿真结果
分析：
随着复阻抗的变化其实可以得到之前实验的许多类似图形，原理一致，仿真实验和理论推导是一致符合的。

峰值在2.82GHz时。

在微带线模型中，相较于理想情况，微带线仿真结果曲线带宽较宽，宽于理想带线曲线，而且峰值略小于理想带线的情况。

微带线中是有损耗的，所以会导致峰值降低，峰值降低会导致带宽增加。

六、实验结果与分析
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？
根据公式00
0tan()
tan()
L in L Z jZ L Z Z Z jZ L ββ+=+，我们可以发现若取/2L λ=，则由于2/βπλ=，所以
tan()L β式即为0，那么可以得到in L Z Z =使得输入阻抗等于负载阻抗。

长度若不取半波长，则微
带线会呈现电抗性，影响仿真结果。

根据电长度公式L
d λ
=
，我们得电长度为
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？
实验中由于预先设定了微带线的物理长度是半波长，当扫描频率变化时，波长变化，此时
tan()L β式不再为0，in Z 具有了虚部，仅当频率为2.5GHz 时才会使in L Z Z =，当频率不为2.5GHz
时，微带线会呈电抗性，曲线自然呈现电抗性。

七、讨论、心得
与微波传输线负载特性矢量网络分析仪测量实验报告的讨论心得放在一起，见实验报告最后。