实验二 微波基础计算器

实验二 微波基础计算器

实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：必修

一、实验目的

● 微波技术基础计算器是以微波计算为基础的进行专业计算的工具。实现了微

波技术基础理论中长线理论、Smith 圆图、网络理论等部分的计算。此计数器共包括：

● 长线上任意点输入阻抗、反射系数、行波系数、驻波比的计算。 ● smith 圆图的自动和手工绘制。 ● 任意长线和负载的单枝节匹配。 ● 双口网络S 、Z 、Y 、A 参数的相互转换。

二、实验仪器

装有M i cr oW av e Of fi ce 软件的计算机

三、实验原理

3.1 长线理论

基础知识回顾：--微波传输线（长线）理论 (Q1: 传输线理论中基本物理量是什么？)

电压波与电流波（入射与反射）关系：

0()()()()()()[]

j z

j z j z

j z

V z V z V z V e

V e

I z I z I z Y V e

V e

ββββ+

-

-+-+

-

-+-=+=+=+=-

理想(无耗)均匀传输线的传输特性归结为两个实数：传播常数β和特性阻抗Z 0。

传输线理论三套参量：输入阻抗Z in ，反射系数Γ，驻波参量（驻波系数ρ和驻波相位l min ）

三套参量间的换算关系：

00

0tan()()()tan()

()l in l Z jZ l V z Z z Z Z jZ l I z ββ+==

+

00

()()()()()

j in in Z z Z V z z e Z z Z V z θ

-

+-Γ=

=Γ=+

m ax m in

m in m in 11(0)

44

2

g

g

g

l V V l l ρλλλθπ

+Γ=

=-Γ

=

+

≤≤

⏹ 本实验是利用并联枝节进行传输线匹配。

⏹ 终端短路传输线相当于一个纯电抗

⏹ 在主传输线上并联一个短路面位置可调的支路传输线，相当并联一个可变

电抗。

⏹ 由于并联枝节，进行匹配设计时用导纳方法表示更为方便。

纯

电

开路

短匹配

三套参量同时一个单位圆内表示 1）由横坐标表示反射系数实部，纵坐标表示反射系数虚部，构成反射系数复平面；

2）对于一个无耗均匀传输线，其反射系数的模是不变的，变化的是位相（位置）构成反射系数同心圆；

以负载为参考面向源移动时，位相角减少，顺时针转动

3）驻波系数在反射系数复平面上也是同心圆，

4) 阻抗在反射系数复平上表示时要归一化；

某一点的阻抗由经过该点的等电阻圆与等电抗弧线确定。

3.2 二端口微波网络理论

⏹微波电路是由多个微波器件构成：

◆一段同轴线可看成一个微波器件，一个环形器也是一个微波器件。

⏹对于均匀传输线（如同轴线），可用传输线理论（包括阻抗圆图）进行分析

但对于非均匀微波系统（如环形器），与双导体相连接时其电场分布是不连续的。这时可以等效为一个网络，不考虑其内部电场结构，而只关心端口处的特性。例如一个带接头的二端口微波器件可表示如下：

22

接头是规则波导段，可等效为一对双导体，是分布参数电路；器件内部的不连续性可等效为集总参数网络。这样这个带头的微波器件就构成了一个微波网络。

3.3 微波计算器的使用

有了以上这些基本概念之后，我们就可以学习微波计算器的使用方法。这个计算器实际上就是利用以上的公式，编成、作图完成的，国内外也还有很多类似的软件。微波计算器的主界面如图1所示。

图1 微波计算器主界面

3.3.1 长线理论

图2 长线理论窗口

需要输入的参数有特性阻抗、负载阻抗、工作波长、线长。其中线长为图中整个线的长度。图中当前点的线长为0.544。且线长与波长的单位保持一致。计算器根据你输入的参数，再根据传输线公式)

tan()tan()(000

d jZ Z d jZ Z Z d Z L L in ββ++=，可以

计算出图中当前绿色标记处的输入阻抗和导纳。并且计算出当前点的反射系数等参数。

3.3.2阻抗与导纳圆图

选择图1中所示的“阻抗”或“导纳”工具，会相应出现图3的阻抗圆图和图4导纳圆图窗口。

图3 阻抗圆图

图4 导纳圆图

以阻抗圆图为例，窗口中需要输入的参数有三个：反射系数、归一化电阻、归一化电抗，相应在左边的画出等反射系数圆、等电阻圆、等电抗圆。等电阻圆和等电抗圆的交点便是阻抗为2＋1j的点（对应图中输入的参数）。

另外通过下方的“自动获取数据”选项可以自动长线计算的窗口中获取计算数据，并自动绘制当前点的圆图。如果选中“自动刷新”，可以使两个窗口中的数据自动保持同步。这时拖动长线窗口中的绿色标记，可以看到圆图随距离的变化。

3.3.3单枝节匹配

选择图1中所示的“匹配”工具，会相应出现图5所示的窗口。

图5 单枝节匹配

同样，在此窗口中，输入相应的参数，软件会自动算出单枝节匹配的

匹配点和相应的长度。

3.3.4网络参数转换

选择图1中所示的“转换”工具，会相应出现图6所示的窗口。

在输入参数的下拉列表中，选择一个参数，共有S参数、Y参数、Z参

数、A参数四种选择。选择其中一个后，输入相应的数据，然后点击“开

始换算”按钮，便可以计算出对应的其他参数的值。