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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