微带传输线ADS仿真和矢量测量

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IL 1 (U - U -) Z0
可得负载阻抗为:
定义归一化负载阻抗为:
其中定义 L 为负载端的电压反射系数: 当 Z L Z 0 或为无限长传输线时, L 0 ,无反射波,是行波状态或匹配状态。 当 Z L 为纯电抗元件或处于开路或者短路状态时, L 1 ,全反射,为驻波状态。 当 Z L 为其他值时, L 1 ,为行波驻波状态。 线上任意点的反射系数为: 定义驻波比 VSWR 和回拨损耗 RL 为:
2、查阅查阅“2 附录.矢量网络分析仪操作说明.pdf”,了解矢量网络分析仪的原理和使 用方法。 3、 用矢量网络分析仪分别测量如图微带开路传输线模块的反射特性,并引入电阻负、 电容和电感负载测量并分析在不同负载情况下的反射特性。
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 1、ADS 仿真 1)在 ADS 画出原理图,设定仿真条件,得到仿真结果 2)利用 ADS 工具 LineCalc,将设计参数填入,计算得到微带线数据 3)根据计算得到的数据在原理图内设计,查看仿真结果 2、用矢量网络分析仪测量反射特性 1)开机 打开网络分析仪电源,系统开机后需要先预热几分钟,等待仪器内器件稳定再开始测量。 观察仪器面板和测量界面。 2)仪器完成预热后,首先选择测量内容。 一般先进行 S 参数测量。按【测量】键,根据测试的内容选择显示面板右侧的按键, 如按下[S11]软按键即测量反射,[S21]软按键即测量传输。 3)选择测量格式。 按【格式】键,可选择测量结果显示的格式,如对数幅度,史密斯圆图等。(注意:只 有在反射测量的情况下才能显示史密斯圆图) 4)设置频率范围 矢量网络分析仪扫频工作, 默认最大扫描频率范围工作, 如 AV36580 是 300KHz 扫描 到 3GHz。但是在具体测量的过程中,需要设置频率扫描的范围,以便观察和得到更高精度 的数据。 以微带传输线模块测量为例,因为微带线设计的工作频率为 2.5GHz,所以扫描频率可 暂定为 2GHz - 3GHz,在测量过程中也可进一步调节频率范围。 按【起始】键,然后用数字键和旁边的单位键输入测量的起始频率。此时测量界面下方 显示的起始频率变为设置值。 按【终止】键,然后用数字键和旁边的单位键输入测量的终止频率。此时测量界面下方 显示的终止频率变为设置值。 5)校准
2)0 欧负载测量
3)51 欧负载测量
4)1PF 电容测量
5)3.3nH 绕线电感测量
6)天线测量
短天线相位特性
短天线驻波比
六、实验结果与分析 可以看出,实际测量结果与仿真结果相比误差较大,从圆图上可以看出,实际的曲线远 长于预期的曲线。尤其负载端匹配时,仍有一个难以忽略的曲线形成,与仿真结果相差很大。 形成这一现象的原因有很多。首先,负载可能没有紧密地贴合在微带线上,造成误差。其次, 微带线和传输线内部有损耗,无法完全匹配。另外,作为负载的电阻、电容、电感数值可能 也不准确,造成误差。最后,由于仪器本身的计算和测量的误差也是无法忽略不计的。
二、实验内容和原理 考虑一段特性阻抗为 Z 0 的传输线,一端接信号源,另一端则接上负载,如图所示,并假设此 传输线无耗,且传输系数 j ,则传输线上电压及电流可用下列二式表示: 1、负载端(z=0)处情况 电压及电流为:
装 订 线
而 Z 0 I U , Z 0 I - U - ,公式可改写为
仿真结果:
在原理图内设计微带线仿真:
查看仿真结果:
分析:由公式可得,在理想情况下,反射系数应该位于史密斯圆图的最外圈,与仿真结果一 致。当频率为 2.5GHz 时,反射系数刚好位于史密斯圆图的最右端。对于输入阻抗,当频率 为 2.4GHz 时,输入阻抗趋向于∞,当频率不为 2.5GHz 时,虚部不为 0 且随着频率的变化而 变化。仿真结果符合预期。 在实际微带线中,圆弧不处于最外圈,原因与 SC 情况一致,存在边界效应。 在 SC 和 OC 中,微带线仿真结果曲线带宽相较于理想情况更宽,且峰值略小。这是因为 实际中微带线存在损耗。 3)负载端匹配 画出原理图:
仿真得到结果:
在原理图内设计微带仿真
查看仿真结果
分析:根据公式可得,在理想传输线的情况下应该位于史密斯圆图的最外圈,和仿真实验一 致,当频率为 2.5GHz 时,反射系数刚好位于史密斯圆图最左端。输入阻抗在 2.5KHz 时理应 为 0,当频率不为 2.5KHz 时虚部不为 0 且随频率的变化而变化。然而表格中显示输入阻抗 在 2.5KHz 时并不完全为 0,这一微小的偏差是由于传输线本身具有一部分阻抗。因而仿真 符合实验预期。 在微带传输线模型中,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 其仿真结果为一个靠近最外圈的内弧。在实际中,微带线存在边界效应,不能近似成平行板 波导来进行计算,所以产生了一部分偏差。 2)负载端开路(OC)
仿真结果:
在原理图内设计微带线仿真:
查看仿真结果:
分析:根据理论推导出,在负载为纯阻抗的情况下,反射系数的模为 1,产生全反射,传输 线工作在驻波状态,反映在史密斯原图上处于最外圈,仿真结果和预期一致。 而在微带线情况下,相较于理想情况,微带线仿真结果的曲线带宽较宽,峰值略小。这 是因为微带线中有损耗。 2、用矢量网络分析仪测量反射特性 1)微带传输线电路模块
测量校准是通过测量特性已知的标准来确定系统误差, 然后在进行被测件测量时去除这 些系统误差影响的过程,通过校准可减小测量误差,提高分析仪的测量精度。 一般情况下系统默认校准参数, 为了测量更准确, 每次测量之前需要连接好射频电缆线, 然后校准。 连接好射频电缆线之后,按【校准】键,出现多个校准选项,选择【机械校准】,再选 择【单端口(反射)】。此时显示面板右侧出现[开路器]、[短路器]和[负载],需要用配套 的校准件,依次接上开路器、短路器和匹配负载,每接完一个校准件,就按下显示面板上相 应选项右侧的软按键, 显示选项下会出现下划线, 如[开路器], 则表示按键有效。 最后按[完 成单端口]软按键即完成校准,此时如果匹配负载校准件还未移除,可看到史密斯圆图的匹 配状态。 6)测量微带传输线电路模块 在射频电缆线端接入微带开路传输线模块。 然后按 【光标】 键打开光标, 观察测试结果。 旋转光标观察右上角的测试数据。 7)其他负载测量 以 51 欧姆电阻负载为例。 用防静电镊子夹取一个 51 欧姆的 1206 贴片电阻, 放置在 测量模块的传输线上, 将电阻两端分别和传输线的开路端和大面积覆铜端连接起来, 然后用 镊子向下压紧使接触充分有效, 即传输线负载端接入 51 欧姆电阻。 观察此时网络分析仪测 试窗口曲线的变化。利用光标观察各个频率上的负载情况。 其他负载以此类推。 实验中待测负载有:0 欧、49.5 欧(51 欧)电阻,1PF 电容,3.3nH 绕线电 感、短天线。 五、实验数据记录和处理 1、ADS 仿真 1)负载端短路(SC) 画出原理图:
仿真结果:
在原理图内设计微带线仿真:
仿真结果:
分析:由理论公式可以推导得出,理想情况下,负载匹配的反射系数应该位于史密斯圆图的 中心,和仿真结果一致。当频率为 2.5GHz 时,反射系数刚好位于史密斯圆图的最右端。此 时,输入阻抗等于特征阻抗。 在微带线模型中,相较于理想情况,模的变化不大,只是出现了一个微小的相角,这可 能是由于微带线损耗或者软件计算误差引起的。总体来说,仿真符合实验预期。 4)负载端纯电抗 画出原理图:
专业:________________ 姓名:________________ 学号:________________
实验报告
日期:________________ 地点:________________
______________________指导老师: ________________成绩: __________________ 课程名称: ______________________实验类型: ________________同组学生姓名: __________ 实验名称: 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.熟悉网络参量测量,掌握矢量网络分析仪的基本使用方法。 3. 了解基本传输线、微带线的特性。 4.熟悉 ADS 软件的基本使用方法。 5.利用 ADS 软件进行基本传输线和微带线的电路设计和仿真。 6.掌握矢量网络分析仪测量的方法。
VSWR 1 1-
,在天线正常工作时理应没有反射波,反射系数为 0,驻波比为 1,反映在
log 图像中即为 0。 6)如何测量转接头对测试曲线的影响。 比较接上转接头和未接上转接头的开路图像,观察图像旋转角度。 2、实验收获与体会 首先,仿真实验让我又学会使用了一个全新的软件。ADS 软件对于电磁场与电磁波领域 的仿真是十分有用的,并且它的操作简单,易于上手。仿真实验算是对于我们课本知识的一 种真实感受,它比线下的实验更为出色的地方在于它可以做到十分理想的情况,和我们课堂 中接触到的比较类似,便于我们从理论到实际这一步骤的成功完成。通过了 ADS 仿真,我对 于微带线连接不同负载得到的结果有了一个更为直观的认识,甚至对史密斯图的了解也更深 一步了。非常惭愧的是,我的理论知识学的实在不扎实,导致在进行仿真和实际测量的时候 总是一头雾水,并不知道实际应该出现的图像应该是什么样子,导致浪费了不少的时间。 而用矢量网络分析仪进行测量,则让我进一步了解了电磁场与电磁波相关的实验是如何
2、输入端(z=-L)处情况 反射系数 (z) 应改成:
输入阻抗为
由上式可知: (1)当 L 时, Z in Z 0 。 (2)当 L / 2 时, Z in Z L 。 (3)当 L / 4 时, Z in Z 02 / Z L 。 本次实验的实验内容包括: 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;
七、讨论及心得 1、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? Z jZ 0 tan( L) 根据公式 Z in Z 0 L ,若 L / 2 ,则由于 2 / ,所以 tan( L) 为 0,从 Z 0 jZ L tan( L) L 而 Z in Z L 。若不取半波长,微带线会存在电抗性,影响仿真结果。由 d ,得到电长度为 1 。 2 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为半波长,当扫描频率变化时,波长变化,此时 tan( L) 不为 0, Z in 有了虚部,仅当频率为 2.5GHz 时才等于负载阻抗,当频率不为 2.5GHz 时,微带线呈电抗性。 3)什么是 S 参数? S 参数,也就是散射参数。是微波传输中的一个重要参数。S12 为反向传输系数,也就 是隔离。S21 为正向传输系数,也就是增益。S11 为输入反射系数,也就是输入回波损耗, S22 为输出反射系数,也就是输出回波损耗。 4)如果不校准,直接接入射频电缆和电路模块测量会对结果有什么影响? 得到的史密斯圆图会不光滑,边缘参差不齐,即测出的数据不准确。 5)分析天线的驻波比特性曲线。
仿真结果:
在原理图内设计微带线仿真:
查看仿真结果:
分析:根据理论推导出,在负载为纯阻抗的情况下,反射系数的模为 1,产生全反射,传输 线工作在驻波状态,反映在史密斯原图上处于最外圈,仿真结果和预期一致。 而在微带线情况下,负载本身有虚部,反射系数的模并不为 1,应该为靠近最外圈的一 个内弧。故仿真符合预期。 5)负载端为复阻抗 画出原理图
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