电磁场与微波技术znjn.docx
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电磁场与微波技术znjn
——电磁场与微波技术实验报告
班级：
姓名：
张妮竞男
学号：
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；εr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，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<<λ），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εr、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MTEE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εr=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1.8—2.2GHz；
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4—7；
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OutputEquations。
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0~2*PI； T1为阻抗处等反射系数圆；R为匹配圆；R2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2π~λ，所以算得角度需除2.
计算电长度:
[93.31-（-104.9）]/2=99.103
2）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=62.065
3）带入相关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
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OutputEquations。
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0~2*PI； T1为阻抗处等反射系数圆；R为匹配圆；R2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=λ/4，通过TXLINE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11两支节之间的微带线参数
以辅助员得到的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。
TL6TL5分别为两条支节。
4）仿真结果图
图片13调谐前
图片14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15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
，
图1.4
阻抗变换器
假设负载为纯电阻，即
。
则有：
为了使实现匹配，则必须使
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：
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。
若
线在电压波腹点接入，则
线的特性阻抗为：
若
线在电压波节点接入，则
线的特性阻抗为
2）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。
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=86.603Ω，利用TXLine计算各微带线参数，如下表：
微带线
Z0
Z1（可调）
RL
Impedance（Ω）
50
86.603
150
Frequency（GHz）
3
3
3
ElectricalLength（deg）
90
90
90
PhysicalWidth（mm）
1.8986
0.62801
0.1029
PhysicalLength（mm）
13.254
13.66
14.31
2）
2.两支节变换器
1）利用式（4）算得Z1=65.804Ω，Z2=113.975Ω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）
RL
Impedance（Ω）
50
65.804
113.975
150
Frequency（GHz）
3
3
3
3
ElectricalLength（deg）
90
90
90
90
PhysicalWidth（mm）
1.8986
1.1523
0.28686
0.1029
PhysicalLength（mm）
13.254
13.547
14.103
14.31
3.三支节变换器
1）利用式（4）算得Z1=57.360Ω，Z2=86.603Ω，Z3=130.753Ω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）
RL
Impedance（Ω）
50
57.360
86.603
130.753
150
Frequency（GHz）
3
3
3
3
3
ElectricalLength（deg）
90
90
90
90
90
PhysicalWidth（mm）
1.8986
1.4946
0.62801
0.17822
0.1029
PhysicalLength（mm）
13.254
13.4
13.83
14.216
14.314
2）
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=62.5Z2=50*1.732=86.6Z3=50*2.4=120
微带线
Z0
Z1（可调）
Z2（可调）
Z3（可调）
RL
Impedance（Ω）
50
62.5
86.6
120
150
Frequency（GHz）
3
3
3
3
3
ElectricalLength（deg）
90
90
90
90
90
PhysicalWidth（mm）
1.8986
1.274
0.62807
0.24181
0.10292
PhysicalLength（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=73.16
u=2.33675
Z1=Z0*sqrt（1/u）=32.71
波腹点
LN：
电长度（360-33.68）/2=163.16
Z1=Z0*sqrt（u）=76.43
LM-Z1:
采用在波节点处连接变化器时，L=12.831mm，W=3.6308mm
LN-Z1：
采用才波腹点处连接变换器时，L=13.706mm，W=0.84186mm
LM，波节点距离负载73.16电长度，L=10.774mm，W=1.8986mm
LN，波腹点距离负载163.16电长度，L=24.028mm，W=1.8986mm
电路设计如下
波节点的调节为
波腹点的调节为
蓝色的为波节点调谐后的参数，在3GHz除得到最佳性能，S参数为-56.69dB,
粉红色为波腹点调谐后的参数，在3GHz除得到最佳性能，S参数为-47.88dB。
实验六
k=1.5^0.5
R2=61.24R3=40.82Z02=87.49Z03=58.33R=102.1
Z04=55.33Z05=45.18
代入计算微带线参数：
例如下
Z0
Z02
Z03
R
Z04
Z05
-2.311-（-4.061）=1.75dB满足两输出端口的功分比。
R2=50R3=50Z02=70.71Z03=70.71R=100
Z04=50Z05=50
Z0同上
Z02=Z03
R
Z04=Z05
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