1、信息与通信工程学院电磁场与微波技术实验报告姓名 班级 学号 班内序号李亚东 2011211116 2011210466 22实验二 微带分支线匹配器实验目的1熟悉支节匹配器的匹配原理2了解微带线的工作原理和实际应用3掌握 Smith 图解法设计微带线匹配网络实验原理1.支节匹配器 支节匹配器是在主传输线上并联适当的电纳（或者串联适当的电抗），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。单支节匹配器：调谐时，主要有两个可调参量：距离 d 和分支线的长度 l。匹配的基本思想是选择 d，使其在距离负载 d 处向主线看去的导纳 Y 是0+ 形式，即= 0+ ，其中 0=1/0 。并联开
2、路或短路分支线的作用是抵消 Y 的电纳部分，使总电纳为0 ，实现匹配，因此，并联开路或短路分支线提供的电纳为 ，根据该电纳值确定并联开路或短路分支线的长度 l，这样就达到匹配条件。双支节匹配器：通过增加一支节，改进了单支节匹配器需要调节支节位置的不足，只需调节两个分支线长度，就能够达到匹配（注意双支节匹配不是对任意负载阻抗都能匹配的，即存在一个不能得到匹配的禁区） 。2.微带线微带线是有介质( 1) 和空气混合填充，基片上方是空气，导体带条和接地板之间是介质 ，可以近似等效为均匀介质填充的传输线，等效介质电常数为 ，介于 1 和 之间，依赖于基片厚度 H 和导体宽度 W。而微带线的特性阻抗与其
3、等效介质电常数为 、基片厚度 H 和导体宽度 W 有关。实验内容已知：输入阻抗 Zin=75负载阻抗 Zl=（64+j35 ）特性阻抗 Z0=75介质基片 r=2.55，H=1mm假定负载在 2GHz 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=1/4，两分支线之间的距离为 d2=1/8。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。实验步骤1根据已知计算出各参量，确定项目频率。2将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在 smith 圆上。3设计单枝节匹配网络，在图上确定分支线与负载的距离以及分支线的
4、长度，根据给定的介质基片、特性阻抗和频率用 TXLINE 计算微带线物理长度和宽度。此处应该注意电长度和实际长度的联系。4画出原理图，在用微带线画出基本的原理图时，注意还要把衬底添加到图中，将各部分的参数填入。注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响，选择适当的模型。5负载阻抗选择电阻和电感串联的形式，连接各端口，完成原理图，并且将项目的频率改为 1.82.2GHz。6添加矩形图，添加测量，点击分析，测量输入端的反射系数幅值。7同理设计双枝节匹配网络，重复上面的步骤。仿真调测单支节1 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；
5、Tl 为负载处反射系数； Tin 为输入端反射系数；b 为以 0.01 为步长扫描 02*PI； R 为阻抗处等反射系数圆； Rp 为匹配圆；Rj为大圆。2将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在 smith 圆上图表 1 以实部虚部方式显示图表 2 以幅度角度方式显示绘制步骤： 将归一化输入阻抗和负载阻抗所在位置标在导纳圆图上 从负载阻抗处沿等反射系数圆向源旋转，交匹配圆一点，由此确定单支节传输线阻抗为-0.531245*j，取此经历的电长度为分支线与负载的距离 d=198.81*半波长 在导纳圆图上标出该点位置，从开路点出发向源方向旋转到标识位置，取此经历的电长度为分支线的长度 l=303.
6、93*半波长3 设计单枝节匹配网络，在图上确定分支线与负载的距离以及分支线的长度，根据给定的介质基片、特性阻抗和频率用 TXLINE 计算微带线物理长度和宽度。4 画出原理图。注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响，选择适当的模型。调谐后的电路图为：45 添加矩形图，添加测量，测量输入端的反射系数幅值。双支节1根据已知计算出各参量。写入 Output Equations。2 画出 Smith 原图。绘图步骤： 根据两枝节间隔长度为 1/8 波长，绘出辅助圆位置 在图中标出负载处位置，沿等反射系数圆向源方向旋转 180 度，该点为 y1点 从 y1点沿等电导圆旋转，交辅助圆于 y1 点，通过 y
7、1 点导纳值减去 y1点导纳值得到第一个枝节的阻抗值。 在图中标出该阻抗值点，从开路点向源方向旋转到标出的阻抗值点，经过的电长度为第一枝节的长度。 从 y1 点沿等反射系数圆向源方向旋转，交匹配圆于 y2点，1-y2的阻抗值为第二枝节的阻抗值，在图中标出该阻抗点，从开路点向源方向旋转到该点，经过的电长度为第二枝节的长度3 画出原理图。调谐后的原理图为：得到调谐后矩形图：实验三 微带多节阻抗变阻器实验目的1. 掌握微带多节阻抗变阻器的工作原理2. 掌握微带多节阻抗变阻器的设计和仿真实验原理变阻器是一种阻抗变换元件，它可以接于不同数值的电源内阻和负载电阻之间，将两者起一相互变换作用获得匹配，以保证
8、最大功率的功率：此外，在微带电路中，将两不同特性阻抗的微带线连接在一起时为了避免线间反射，也应在两者之间加变阻器。单节 /4 变阻器是一种简单而有用的电路，其缺点是频带太窄。为了获得较宽的频带，常采用多节阻抗变换器。如下图所示，多节变阻器的每节电长度均为 ； 为各节的特性阻抗， 为负载阻nZZ，210, 1nZ抗，并假设 Zn+1Zn,Z2 Z1 ，Z1Z0。其中 iz i/z i-1 i=(i-1)/(i-1+1) 在上图中，变阻器的阻抗由 Z0 变到 Zn+1，对 Z0 归一化，即由 z00 变到zn+1R，R 即为阻抗变换比。其中 1，2n+1 为相邻两传输线段连接处的驻波比。根据微波技
9、术的基本原理，其值等于大的特性阻抗对小的特性阻抗之比。1， 2， n+1 则为连接处的反射系数，为了使设计简单，往往取多节变阻器具有对称结构，即使变阻器前后对称位置跳变点的反射系数相等，1n+1,2=n。定义下列公式为变阻器的相对带宽和中心波长： 2/)(10fDf其中 和 分别为频带边界的传输线波长， 为传输线中心波长，D 为相对带宽。0f实验内容设计仿真等波纹型微带多节变阻器。给定指标：在 2GHZ-6GHZ 的频率范围内，阻抗从 50 欧变为 10 欧，驻波比不应超过 1.15，介质基片 H=1mm，在此频率范围内色散效应可忽略。实验步骤（1 ） . 对于纯电阻负载，根据已知条件，算出单
10、节和多节传输线的特性阻抗、相对带宽。（2 ） . 根据各节特性阻抗，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），即= 0/4。（3 ） . 对于复数负载 ，根据负载阻抗 、特性阻抗0 ，计算归一化负载阻抗和反射系数，将负载反射系数标注在Smith圆图上，从负载点沿等驻波系数圆向源方向旋转，与Smith圆图左、右半实轴交点，旋转过的电长度 、 ，计算变换器的特性阻抗。（4 ） . 根据传输线的特性阻抗，利用TXLine计算相应微带线的长度及宽度，以及对应电长度、 的微带线长度。（5 ） . 设计并完成原理图。（6 ） . 添加并测试Rectangu
11、lar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、 实验仿真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 0.10292Physical Length（mm）13.
12、254 13.83 14.314（2 ） . 调谐后的原理图：2. 2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：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 0.10292Physical Length（mm） 13.254 13.547 14.103 14.314
13、（2 ） . 调谐后的原理图：3. 3支节变换器（1 ） . 利用式（4）算得Z1=57.360，Z2=86.603，Z 3=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 0.10292Physical Length（mm）13.254 13
14、.4 13.83 14.216 14.314（2 ） . 调谐后的原理图：4. 切比雪夫（Chebyshev ）阻抗变换器（1 ） . 利用式（5），算得R=150/50=3；式（6），算得 = 1+0.1 10.1 = 1.222，取 = 1。参照课本附录6 给出的切比雪夫阻抗变换器的设计表格，易知：归一化的 1 = 1.24988， 2 = = 3，3 = / 1 = 3/1.24988 ，则实际阻抗为 1 = 1 0 = 62.494， 2 = 2 0 = 86.603，3 = 3 0 = 120.012。（2 ） . 利用TXLine计算各微带线参数，如下表：微带线 Z0 Z1可调 Z
15、2可调 Z3可调 RLImpedance( )50 62.494 86.603 120.012 150Frequency(GHz) 3 3 3 3 3Electrical Length（deg）90 90 90 90 90Physical Width（mm） 1.8986 1.2742 0.62801 0.24173 0.10292Physical Length（mm）13.254 13.492 13.83 14.216 14.314（3 ） . 调谐后的原理图：调谐后的 S 参数（与 3 支节画在一起，可以比较）：可以看出：多级变换器比单节变换器能够提供更宽的有效带宽，且节数越多，带宽越宽。
16、切比雪夫变换器比二项式变换器的带宽有明显增加，但是二项式带内平坦度较好。5. 波节点、波腹点（1 ） . 计算归一化负载阻抗和反射系数，将负载反射系数标注在Smith 圆图上，在Smith圆图上标出波节点和波腹点，分别以实部虚部、幅度角度方式显示：波节点：电长度 = （180 33.69）/2 = 73.155，驻波比 = 1+| 1| = 2.333，1 = 01/ = 32.735 波腹点：电长度 = (360 33.69)/2 = 163.155，驻波比 = 1+| 1| = 2.333，1 = 0 = 76.371（2 ） . 利用TXLine计算各微带线参数，如下表：节点 波节点 波
17、腹点微带线 Z0可调 Z1 Z1可调 Z0Impedance( )32.735 50 76.371 50Frequency(GHz) 3 3 3 3Electrical Length（deg）90 73.155（ ）NL90 163.155( )MLPhysical Width（mm）3.6269 1.899 0.8433 1.8986Physical Length（mm）12.83 10.74 13.705 24.027（3 ） . 调谐后的波节点、波腹点原理图：调谐后的 S 参数：实验六 功率分配器实验目的1. 掌握功率分配器的工作原理和分析方法；2. 掌握微带线功率分配器的设计和仿真。实
18、验原理功分器是一种功率分配元件，它是将输入功率分成相等或不相等的几路功率，当然也可以将几路功率合成，而成为功率合成元件。在电路中常用到微带功分器，其基本原理和设计公式如下：图表 1 二路功分器图 1 是二路功分器的原理图。图中输入线的特性组抗为 ,两路分支线的特性阻抗分0Z别为 和 ，线长为 ， 为中心频率时的带内波长。图中 为负载阻抗，02Z34/0/0 32,RR 为隔离阻抗。对功分器的要求是：两输出口 2 和 3 的功率按一定比例分配，并且两口之间相互隔离，当两口接匹配负载时，1 口无反射。下面根据上述要求，确定 ， 及 R 的计02Z332,算公式。设 2 口、3 口的输出功率分别为
19、，对应的电压为 .根据对功分器的要求，则有： P3=K2P2|V3|2/R3=K2|V2|2/R2式中 K 为比例系数。为了使在正常工作时，隔离电阻 R 上不流过电流，则应V3=V2 于是得 R 2=K2R3若取 R 2=KZ0则 R 3=Z0/K因为分支线长为 e0/4，故在 1 口处的输入阻抗为：Zin2=Z022/R2Zin3=Z032/R3为使 1 口无反射，则两分支线在 1 处的总输入阻抗应等于引出线的 ，即0ZY0=1/Z0=R2/Z022+R3/Z032若电路无损耗，则|V1|2/Zin3=k2|V1|2/Zin2式中 V1 为 1 口处的电压所以 Z in=K2Z03 Z02=
20、Z0(1+K2)/K30.5Z03=Z0(1+K2)K0.5下面确定隔离电阻 R 的计算式。跨接在端口 2、3 间的电阻 R，是为了得到 2、3 口之间互相隔离得作用。当信号 1 口输入，2、3 口接负载电阻 时，2、3 两口等电位，故电阻 R 没有电流流过，相当于 R 不起作用；而当 2 口或 3 口得外接负载不等于 R2 或 R3 时，负载有反射，这时为使 2、3 两端口彼此隔离，R 必有确定的值，经计算 R=Z0(1+K2)/K图 1 中两路线带之间的距离不宜过大，一般取 23 带条宽度。这样可使跨接在两带线之间的寄生效应尽量减小。实验内容设计仿真一个两路微带功分器。已知：端口特性阻抗：
21、0= 50 ，功分比：2 =1.5 ，介质基片：=4.6，=1，导体厚度 远小于介质基片厚度。指标如下：当中心频率 2GHz，相对带宽为 20%时， （1 ）两端输出的功分比（| 3121|2）为1.4951.505（即两端口的传输功率|31|和| 21|相差 101.495101.505，也即.） ；（ 2）两输出端口的隔离度（ 20|32|）不小于 25dB。实验步骤（1 ） . 根据已知条件利用上述公式计算各电阻及阻抗值。（2 ） . 利用TXLine计算相应微带线的长度及宽度。建立一个新项目，选择单位和项目频率1.82.2GHz。（3 ） . 输入原理图，根据微带线的不均匀性，选择适当
22、模型。注意：用两段微带线与电阻R的两端相连接，微带线的阻抗特性与R 一致，其宽度由R 决定，长度可以调节。（4 ） . 添加测量，测量输入端口到两个输出端口的传输系数以及隔离度。（5 ） . 仿真分析。（6 ） . 调谐元件参数。实验仿真1. 功分比=.（1 ） . 按照指标要求用公式计算各阻抗值。计算结果：=61.237 ， =40.825 ， =87.491 ， =58.327 ，=102.062 ，=55.334 ，= 45.180 （2 ） . 再由TXLine算得其对应的微带线参数。=87.491 W=0.60617mm，L =20.83mm=58.327 W=1.4371mm，L=
23、20.213mm=102.062 W=0.40064mm，L =21.033mm=55.334 W=1.5804mm，L=20.13mm= 45.180 W=2.2223mm，L=19.818mm= 50 W=1.8825mm，L=19.972mm（3 ） . 先设计TL1，TL4 ，TL11 ，TL2 ，TL5：TL1，TL4，TL11应该与 匹配：W=1.8825mm，L=19.972mmTL2为 ：W=2.2223mm，L=19.818mmTL5为 ：W=2.2223mm，L=19.818mm（4 ） . 以下设计TL3，TL6 ，TL9，TL10 ：TL3加上 TL9为 ，所以W3=W
24、9 =0.60617mm，L3+L9=LZ02=20.83mmTL4加上 TL10为03 ，所以W4= W10=1.4371mm ，L6+L10 =LZ03=20.213mm又因为两路带线之间的距离不宜过大,一般取24带条宽度（对应特征阻抗 ， 较宽的带条宽度，这里带条宽度为W5=2.2223mm），且宽度相等（即 L3=L6），设电阻的长度为3mm 。（5 ） . 以下设计TL7，TL8 ：因为TL7 和TL8的宽度要与 = . 匹配（即W7=W8=WR ），并且电阻R的长度加TL7、TL8的长度之和等于 TL9，TL10 长度之和，即R+L7+L8=L3+L6。（6 ） . 由于图中变量很
25、多，且相互约束，为了减少调谐时的麻烦，采用全局变量的方法，全局变量申明为：设L3=L6=X，L7=Y1，L8=Y2 ，L9=a ，L10=b 。（7 ） . 调谐后的各参数：TL9：W9=0.60617mm，L9=2.87mm；TL10: W10= 1.4371mm，L10 =2.253mm；TL3：W3=0.60617mm，L3=17.96mm；TL6：W4=3.989mm，L4=17.96mm ；TL7：W7=0.40064mm ，L7=0.6488mm ；TL8：W8=0.40064mm，L8= 1.474mm；且（ + ）/ = . ，在24倍之间，在符合要求。（8 ） . 调谐后的原
26、理图：（9 ） . 调谐后的S参数：可以看出：在2Ghz 时，S2,1，S3,1的差为1.774dB ，在 . . 之间，隔离度S3,2 都不小于25dB ，符合要求。2. 功分比 = 同上述原理：（1 ） . 按照指标要求用公式计算各阻抗值及其对应的微带线参数： = = 50 = 70.71 W=0.98629mm，L=20.515mm = 70.71 W=0.98629mm，L=20.515mm = 100 W=0.42472mm，L=21.007mm = 50 W=1.8825mm，L=19.972mm = 50 W=1.8825mm ， L=19.972mm = 50 W=1.8825
27、mm，L=19.972mm（2 ） . 调谐后的各微带线参数：TL1，TL4，TL11与 匹配：W=1.8825mm，L=19.972mmTL2：W2=1.8825mm，L2=19.972mmTL5：W5=1.8825mm，L5=19.972mm；TL9：W9=0.98629mm，L9 =2.495mm；TL10：W10= 0.98629mm，L10=2.495mm；TL3：W3=0.98629mm，L3 =18.02mm；TL6：W4=0.98629mm，L4 =18.02mm；TL7：W7=0.42472mm，L7 =0.507mm；TL8：W8=0.42472mm，L8=1.483mm
28、；且（ + ）/ = . ，在24倍之间，在符合要求。（3 ） . 全局变量申明：（4 ） . 调谐后的原理图：（5 ） . 调谐后的S参数：可以看出：两个输出端口的功率（S2,1，S3,1 ）相等，即当功分比 = 时，上述功分器变为等分功分器，它将输入功率分成相等的两路，与理论结果一致。且隔离度 S3,2都不小于 25dB，符合要求。心得体会通过几次课上的微波实验，完成了实验内容，虽然过程中遇到很多困难，但是收获很大。本次实验完成了单双直接支节匹配、微带多节阻抗匹配和微带公分器进行了复习和上机操作，加深了理解。实验过程中，开始由于对元器件不熟悉，经常添加错误元器件的类型，导致结果不正确，例如把短路线用成了开路线，在做双枝节匹配时，由于理论知识遗忘了很多，导致实验做了好久，不过也正是这样，我才真正掌握了理论知识，实现匹配时，需要耐心调节微带线的参数，使实验结果符合指标，最后一个微带功分器，理论课上没有讲，我自学了相关内容，然后完成实验，锻炼了自己的自学能力。实验的完成离不开老师的帮助，老师为我解决了很多理论和操作上的疑问，十分感谢老师。
