1、 电磁场与微波技术实验报告班 级： 2011211106 姓 名： 张妮竞男 学 号： 2011210184 序 号： 31# 日 期： 2014 年 5 月 31 日邮 箱： 实验二：分支线匹配器一、 实验目的1、掌握支节匹配器的工作原理2、掌握微带线的基本概念和元件模型3、掌握微带分支线匹配器的设计与仿真二、 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
2、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。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；r 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，
3、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），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 r、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。微带线元件模型3、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MTE
4、E 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
5、参量，否则将引起大的误差。三、实验内容已知：输入阻抗 Zin=75 欧负载阻抗 Zl=（64+j35 ）欧特性阻抗 Z0=75 欧介质基片 r=2.55，H=1mm假定负载在 2G 赫兹时实现匹配，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=四分之一波长，两分支线之间的距离为 d2=八分之一波长。画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅度从 1.8GHz 至 2.2GHz 的变化四、实验步骤1、建立新项目，项目中心频率为 2GHz；2、求出归一化输入阻抗和负载阻抗，标在 Smith 导纳圆图上；3、设计单支节匹配网络，用 TXLINE 计算微带线的物
6、理长度和宽度；4、选择适当元件模型作电路原理图；5、连接各元件端口，项目频率改为 1.82.2GHz；6、在工程里添加测量图并分析；7、调节微带线的长度 l 及与负载的举例 d，调节范围为 10%，输入端口反射系数幅值在中心频率 2GHz 处最低；8、设计双支节匹配网络，重复步骤 47；五、实验过程及结果1、单支节的 Smith 圆图图片 1 单支节 smith 图导纳形式在实验中根据已知计算出各参量，写入 Output Equations。Zl 为归一化负载阻抗；Zin 为归一化输入阻抗；Sl 为负载处反射系数；S2为输入端反射系数；a 为以 0.01 为步长扫描 02*PI； T1 为阻抗
7、处等反射系数圆；R 为匹配圆；R 2 为大圆。图片 2 角度和模形式1) 确定单支节分支线与负载距离 d由于负载走向支节位置是向源的方向移动，所以从负载顺时针转动，第一次与 Ang-104.9 的点相遇,由于软件 2，所以算得角度需除 2.计算电长度:93.31-（-104.9)/2=99.1032) 确定单支节长度 L由第一张图得到负载的导纳为-0.53*j，画在 smith 图上，得到 Ang55.84 的点，由于用短路线当支节，所以从左边开路点顺时针转到此点，得到微带线参数电长度的角度并联直接的导纳为 jb=0.53j。计算电长度 :（180-55.87）/2=62.0653) 带入相关
8、参数计算微带线参数。结果如图所示图片 3 负载的微带线参数图片 4 支节微带线参数图片 5 接口匹配微带线参数4) 相关实验电路图根据上述步骤，设计出的参数为 负载到支节的微带线（TL2）：L=28.805mm W=1.4373mm 支节的微带线（TL3）： L=18.04mm W=1.4373mm 端口处接的微带线（TL1）： L=26.159mm W=1.4373mm MSUB 是衬底材料，MLSC 是终端短路微带线 MLIN 是标准微带MTEE 是标准 T 型接头 SRL 表示负载。5) 实验结果图图片 5 调谐前在该条件下同时调节 d 与 l 得到在中心频率 2Ghz 处的反射系数最小
9、图片 6 调谐后图片 7 调谐后（以 DB 为单位）调谐后可得到 S 参数在 2GHz 处最小的电长度。2、 双支节 smith 圆图在实验中根据已知计算出各参量，写入 Output Equations。其中 Zl 为归一化负载阻抗；Zin 为归一化输入阻抗；Sl 为负载处反射系数；S2 为输入端反射系数； a 为以 0.01 为步长扫描 02*PI； T1 为阻抗处等反射系数圆；R 为匹配圆；R 2 为大圆。R2 为等点反射系数圆，Rd 为等导纳圆。1）确定第一个支节分支线与负载距离 d1 与 L1图片 8 双支节 smith 导纳形式已知第一个枝节距离负载的距离为 d1=/4，通过 TXL
10、INE 计算得出L1。93.33-180=-86.67 度，电长度为 90 度，用 TXL 计算出 d 处的微带线长度为26.159mm。图片 9 与负载和开始的 port 处的微带线参数支节 1 只提供 b 值，不提供 g 值，算的 b1=1.98862-0.46665=1.52197，在 g=0 的导纳圆上找到该点，所加的 L1 为 180-（-113.4）=293.4 电长度为293.4/2=146.7。图片 10 支节一微带线参数2）确定第二支节分支线与负载距离 d2 与 L2两支节间的距离应为 1/8 波长，确定了 1/8 波长的微带线参数为图片 7 两支节之间的微带线参数以辅助员得
11、到的 Ang-132.8 为准，画出等反射系数圆（红色），与单位电导圆（深红色）交于 Ang137.2 此点为第一支节匹配后的导纳点，第二支节需要抵消掉此点的虚部以变为实数 1.从第一张图得到此点为 1-2.158*j，可以从图上直接读出所需电纳值 jb=2.162，在图中画出得到左下角 Ang130.3 的点。从左边短路点到达此点的电长度为： (180+130.4)/2=155.2图片 12 支节二微带线参数统计上述计算得到的负载和第一个支节的微带线（TL7）： L=26.159mm，W=1.4373mm第一个支节的微带线（TL6）： L=42.64mm，W=1.4373mm 第一个支节到第
12、二个支节的微带线（TL2）： L=13.08mm，W=1.4373mm 第二个支节的微带线（TL3）： L=45.11mm，W=1.4373mm 第二个支节和输入端口之间的微带线（TL1）：L=26.159mm，W=1.4373mm 3）相关电路图MSUB 是衬底材料，MLSC 是终端短路微带线 MLIN 是标准微带线，MTEE 是标准 T 型接头 SRL 表示负载。TL6 TL5 分别为两条支节。4）仿真结果图图片 8 调谐前图片 9 调谐后调谐后可以看到，得到了 S 参数在 2GHz 最小的电长度。图片 10 调谐后电路长度实验三：四分之一波长阻抗变换器一、实验目的1. 掌握单节与多节四分
13、之一波长变阻器的工作原理；2. 了解单节与多节四分之一波长变阻器的工作带宽与反射系数的关系；3. 掌握单节与多节四分之一波长变阻器的设计与仿真。2、 实验原理1）单支节四分之一波长阻抗变换阻抗变换器由一段特性阻抗为 的 传输线构成。如图 4 所示401Z4， 0Z LRZ014inZ图 1.4 阻抗变换器4假设负载为纯电阻，即 。则有：LR为了使 实现匹配，则必须使 LRZ01由于无耗线的特性阻抗为实数，故 阻抗变换器只能匹配纯电阻负载。若当4为复数时, 根据行驻波的电压波腹和波节点处的输入阻抗为纯组： LLjXRZ可将 阻抗变换器接在靠近终端的电压波腹或波节点处来实现阻抗匹配。4若 线在电压
14、波腹点接入，则 线的特性阻抗为：4若 线在电压波节点接入，则 线的特性阻抗为42）多支节四分之一波长阻抗变换3、 实验内容1）已知负载阻抗为纯阻抗 RL=150 欧姆，中心频率 3GHz，主传输线特性阻抗Z0=50 欧姆，介质基片 Er=4.6，H=1mm，最大反射系数模不超过 0.1，设计1、2、3 节二项式变阻器。2）已知负载阻抗为复数 ZL=85-j45 欧姆，中心频率 3GHz，主传输线特性阻抗Z0=50 欧姆，在电压驻波波腹点或者波节点利用四分之一波长阻抗变换器，设计微带线变阻器，微带线介质参数同上。四、实验步骤1）对于纯电阻负载，根据已知条件，算出单节和多节传输线的特征阻抗、相对带
15、宽。2）根据各节特征阻抗，利用 TXLine 计算相应的微带线的长度和宽度。每段变阻器的长度为四分之一波长（在中心频率）。3）对于复数负载 Zl，根据负载阻抗 Zl、特性阻抗 Z0，计算归一化负载阻抗和反射系数，将复数系数标注在 Smith 圆图上，从负载点沿等驻波系数原向源方LLin RZjRZ20101)4tan(i 0in0max,KZRm00ZZ0001K向旋转，与 Smith 圆图左、右半实轴焦点，旋转过的电长度 LM、LN，计算变换器的特征阻抗。4）根据传输线的特征阻抗，利用 TXLine 计算相应微带线的长度及宽度，以及对应电长度 LM、LN 的微带线长度。5）设计并完成原理图。
16、6）添加并测试 Rectangular 图。7）调谐电路元件参数，使反射系数幅值在中心频率 3GHz 处最低。8）对于纯电阻负载，上述指标不变，采用 3 节切比雪夫变阻器重新设计上述阻抗变换器。五、实验过程及结果1.单节变换器1）利用式（1）算得 Z1=86.603，利用 TXLine 计算各微带线参数，如下表：微带线 Z0 Z1（可调） RLImpedance（ ） 50 86.603 150Frequency（GHz） 3 3 3Electrical Length（deg ） 90 90 90Physical Width（mm） 1.8986 0.62801 0.1029Physical
17、Length（mm） 13.254 13.66 14.312）2.两支节变换器1）利用式（4）算得 Z1=65.804，Z2=113.975 利用 TXLine 计算各微带线参数，如下表：2）微带线 Z0 Z1（可调） Z2（可调） RLImpedance（ ） 50 65.804 113.975 150Frequency（GHz） 3 3 3 3Electrical Length（deg）90 90 90 90Physical Width（mm）1.8986 1.1523 0.28686 0.1029Physical Length（mm ）13.254 13.547 14.103 14.31
18、3.三支节变换器1）利用式（4）算得 Z1=57.360，Z2=86.603 ， Z3=130.753 利用 TXLine 计算各微带线参数，如下表：微带线 Z0 Z1（可调） Z2（可调） Z3（可调） RLImpedance（ ） 50 57.360 86.603 130.753 150Frequency（GHz）3 3 3 3 3Electrical Length（deg）90 90 90 90 90Physical Width（mm）1.8986 1.4946 0.62801 0.17822 0.1029Physical Length（mm ）13.254 13.4 13.83 14.
19、216 14.3142）将三种变换器的 S 函数画在一个图可见他们并不在 3Ghz 处达到最小值，进行调谐工作调谐之三种方式均在 3GHz 处获得最小指切比雪夫公式Z1=50*1.25=62.5 Z2=50*1.732=86.6 Z3=50*2.4=120微带线 Z0 Z1（可调） Z2（可调） Z3（可调） RLImpedance（ ） 50 62.5 86.6 120 150Frequency（GHz 3 3 3 3 3）Electrical Length（deg）90 90 90 90 90Physical Width（mm）1.8986 1.274 0.62807 0.24181 0.
20、10292Physical Length（mm ）13.254 13.492 13.83 14.147 14.314调谐之后的在 3GHz 除得到最佳性能，S 参数为-47.88dB。复数的微带线宽度等反射系数 rj 圆等反射系数圆与实轴的两个交点如下图所示，左侧对应 LM，右侧对应 LN显示幅度值，LM 对应 180Deg，LN 对应 0Deg显示阻抗值，从而计算电长度波节点LM：电长度（180-33.68）/2=73.16u=2.33675Z1=Z0*sqrt（1/u）=32.71波腹点LN：电长度（360-33.68 ）/2=163.16Z1=Z0*sqrt（u）=76.43LM-Z1:采用在波节点处连接变化器时，L=12.831mm，W=3.6308mmLN-Z1：采用才波腹点处连接变换器时， L=13.706mm，W=0.84186mmLM，波节点距离负载 73.16 电长度，L=10.774mm，W=1.8986mmLN，波腹点距离负载 163.16 电长度，L=24.028mm，W=1.8986mm电路设计如下
