1、信息與通信工程學(xué)院電磁場與微波實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)題目：電磁場與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)班級：姓名：學(xué)號：班內(nèi)序號 ：日期：目錄實(shí)驗(yàn)一 分支線匹配器4一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理41. 支節(jié)匹配器42. 微帶線5三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容5四、實(shí)驗(yàn)步驟5五、仿真過程61、單支節(jié)匹配62、雙支節(jié)匹配10六、結(jié)論與思考16實(shí)驗(yàn)二 四分之一波長阻抗變換器17一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?7二、實(shí)驗(yàn)原理17三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容18四、實(shí)驗(yàn)步驟18五、實(shí)驗(yàn)過程191、純電阻負(fù)載191）純電阻單節(jié)192）純電阻兩節(jié)213）純電阻三節(jié)224）純電阻負(fù)載3節(jié)切比雪夫變阻器242、復(fù)數(shù)負(fù)載26六、結(jié)論與思考29實(shí)驗(yàn)三 功率分配器30一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?0二、實(shí)驗(yàn)原理301、功

2、率分配器30三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容31四、實(shí)驗(yàn)步驟31五、實(shí)驗(yàn)過程321、計(jì)算功分器參數(shù)322、確定微帶線尺寸323、繪制原理圖324、仿真輸出345、功分比：k2=135五、結(jié)論與思考38實(shí)驗(yàn)一 分支線匹配器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 掌握支節(jié)匹配器的工作原理； 2. 掌握微帶線的基本概念和元件模型； 3. 掌握微帶分支線匹配器的設(shè)計(jì)與仿真。 二、實(shí)驗(yàn)原理 1. 支節(jié)匹配器 隨著工作頻率的提高及響應(yīng)波長的減小，分立元件的寄生參數(shù)效應(yīng)就變得更加明顯，當(dāng)波長變得明顯小于典型的電路元件長度時，分布參數(shù)元件替代分立元件而得到廣泛應(yīng)用。因此， 在頻率高達(dá)GHz 以上時，在負(fù)載和傳輸線之間并聯(lián)或串聯(lián)分支短截線，代替分立的

3、電抗元件， 實(shí)現(xiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。常用的匹配電路有：支節(jié)匹配器，四分之一波長阻抗變換器，指數(shù)線匹配器等。 支節(jié)匹配器分單支節(jié)、雙支節(jié)和三支節(jié)匹配。這類匹配器是在主傳輸線上并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娂{（或串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍梗酶郊拥姆瓷鋪淼窒鱾鬏斁€上原來的反射波，以達(dá)到匹配的目的， 此電納（或）電抗元件常用一終端短路或開路段構(gòu)成。 圖1.1 支節(jié)匹配器原理單支節(jié)匹配的基本思想是選擇支節(jié)到阻抗的距離，使其在距負(fù)載處向主線看去的導(dǎo)納是形式。然后，此短截線的電納選擇為，根據(jù)該電納值確定分支短截線的長度，這樣就達(dá)到匹配條件。 雙支節(jié)匹配器，通過增加一支節(jié)，改進(jìn)了單支節(jié)匹配器需要調(diào)節(jié)支節(jié)位置的不足， 只需調(diào)節(jié)兩個分支線的長

4、度就能達(dá)到匹配。雙支節(jié)匹配存在匹配禁區(qū)。圖中假設(shè)主傳輸線和分支線的特性阻抗都是Z0，l1、l2分別為兩條分支線的長度，d1為負(fù)載與最近分支線的距離，d2為兩分支線之間的距離，d2可以是4、8、38。本實(shí)驗(yàn)考慮d2=8的情況。2. 微帶線 從微波制造的觀點(diǎn)看，這種調(diào)諧電路是方便的，因?yàn)椴恍枰傇也⒙?lián)調(diào)諧短截線特別容易制成微帶線或帶狀線形式。微帶線由于其結(jié)構(gòu)小巧，可用印刷的方法做成平面電路， 易于與其它無源和有源微波器件集成等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際微波電路中。 我們仿真軟件中有專門計(jì)算微帶線特性阻抗的程序，在主窗口頂部的Window 下拉菜單的TXLINE 里。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已知： 輸入

5、阻抗 ，負(fù)載阻抗，特性阻抗，介質(zhì)基片，。假定負(fù)載在時實(shí)現(xiàn)匹配，利用圖解法設(shè)計(jì)微帶線單支節(jié)和雙支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)雙支節(jié)網(wǎng)絡(luò)分支線與負(fù)載的距離，兩分支線之間的距離為。畫出幾種可能的電路圖并且比較輸入端反射系數(shù)幅值從至的變化。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 建立新項(xiàng)目，確定項(xiàng)目中心頻率為2GHz ，步驟同實(shí)驗(yàn)一的1-3 步。2 將歸一化輸入阻抗和負(fù)載阻抗所在位置分別標(biāo)在Y-Smith 導(dǎo)納圖上，步驟類似實(shí)驗(yàn)一的4-6 步。3 設(shè)計(jì)單支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，在圓圖上確定分支線與負(fù)載的距離d 以及分支線的長度l 所對應(yīng)的電長度，根據(jù)給定的介質(zhì)基片、特性阻抗和頻率用TXLINE 計(jì)算微帶線物理長度和寬度。注意在圓圖上標(biāo)出的電角度3

6、60°對應(yīng)二分之一波長，即2。4 在設(shè)計(jì)環(huán)境中將微帶線放置在原理圖中。將微帶線的襯底材料放在原理圖中，選擇MSUB 并將其拖放在原理圖中，雙擊該元件打開ELEMENT OPTIONS 對話框，將介質(zhì)的相對介電常數(shù)、介質(zhì)厚度H、導(dǎo)體厚度依次輸入。注意微帶分支線處的不均勻性所引起的影響，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀? 負(fù)載阻抗選電阻與電感的串聯(lián)形式，連接各元件端口。添加PORT，GND，完成原理圖，并且將項(xiàng)目頻率改為掃頻1.8-2.2GHz. 6 在PROJ下添加圖，添加測量，進(jìn)行分析。 7 設(shè)計(jì)雙支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，重新建立一個新的原理圖，在圓圖上確定分支線的長度l1、l2，重復(fù)上面步驟35。 五、仿真

7、過程 1、單支節(jié)匹配 在Output Equation中添加方程，代碼如下：其中zl、zin表示歸一化后的負(fù)載阻抗和輸入阻抗。b=step(-100,100,0.01)定義相角變量b從-100到100，步長為0.01弧度。R=zl*exp(j*b)表示模值為zl，相角為b的變量，對應(yīng)等反射系數(shù)圓。Gamma=(Zl-Zo)/( Zl-Zo)表示反射系數(shù)。Rm=0.5*exp(j*b)-0.5表示g=1的匹配圓。Rs=exp(j*b)表示純電納圓(單位圓)。繪制的圓圖如圖1.2所示。標(biāo)記出了歸一化的輸入阻抗zin和負(fù)載阻抗zl。繪出了負(fù)載等反射系數(shù)圓R，純電納等反射系數(shù)圓Rs和匹配圓Rm。圖1.

8、2 單支節(jié)匹配Smith圓圖單支節(jié)匹配按如下步驟進(jìn)行：首先從負(fù)載處（標(biāo)號10630）順時針向源沿等反射系數(shù)圓R 移動到與匹配圓交點(diǎn)處（標(biāo)號8399），可知移動了93.7+104.6=198.3°（注意到圓圖上360° 對應(yīng)半波長，故計(jì)算采用的角度為198.3/2=99.15°），對應(yīng)的電尺寸可以使用TXLINE 計(jì)算器得到，為L=28.819mm，W=1.4373mm。圖1.3 TXLINE 計(jì)算單支節(jié)離負(fù)載距離其次從標(biāo)號 8399點(diǎn)處，得到單支節(jié)傳輸線阻抗為-j0.529，在 Rs圓上作出該點(diǎn)（標(biāo)號 為7584），其角度為55.17°，從開路點(diǎn)向源方向

9、順時針旋轉(zhuǎn)到該點(diǎn)，可知移動了304.83° , L=44.301mm，W=1.4373mm。圖1.4 TXLINE 計(jì)算單支節(jié)長寬由以上的分析與計(jì)算，可繪制電路圖，如圖1.5 所示。PORT1 表示端口，輸入阻抗Zin=75；TL1 表示傳輸線特性阻抗Z0 = 75W；TL3 為T 型接頭，起分支的作用；MLEF(TL4)為終端開路微帶線，作為并聯(lián)的單支節(jié)線，其寬度和長度為計(jì)算得出的值。MLIN(TL2)為傳輸線，長度為之前計(jì)算得到值。RL1 為電感電阻串聯(lián)器件，表示負(fù)載阻抗ZL=(64+j35)，最后接地。MSUB表示介質(zhì)基片。圖1.5 單支節(jié)匹配器電路圖輸入端的反射系數(shù)曲線如圖1

10、.6 所示(經(jīng)調(diào)諧后l=44.16mm，d=28.64mm)。圖1.6 反射系數(shù)仿真圖2、雙支節(jié)匹配 雙支節(jié)匹配時在Output Equation 中添加如下方程。圖1.7 所示為雙支節(jié)匹配Smith 圓圖。結(jié)合上述方程，Rf 是旋轉(zhuǎn)后的匹配圓，zl1 是負(fù)載阻抗沿著傳輸線移動4即 180°以后得到的點(diǎn)（點(diǎn) 10579），Rm1是 zl1點(diǎn)所在的等電導(dǎo)圓，沿著該圓順時針旋轉(zhuǎn)到Rf 圓的交點(diǎn)（點(diǎn)9769），作出該交點(diǎn)的等發(fā)射系數(shù)圓Rr，交匹配圓Rm 于點(diǎn)19037。圖1.7 雙支節(jié)匹配Smith 圓圖第一支節(jié)的導(dǎo)納值為10579 點(diǎn)到9769 點(diǎn)導(dǎo)納之差1.99353-0.471625

11、=1.52368，第二支節(jié)的導(dǎo)納值為19037 點(diǎn)導(dǎo)納的相反數(shù)，為2.17。在純電納等反射系數(shù)圓（即最大的圓Rs）上作出兩個支節(jié)的阻抗值，從開路點(diǎn)順時針移動到此兩點(diǎn)(點(diǎn)9803 和點(diǎn)9773)，讀出移動的角度分別為113.4°和130.6°。根據(jù)以上分析和作圖，由 TXLINE 計(jì)算可得到電尺寸數(shù)值，第一支節(jié)L =16.48mm，W =1.4373mm，第二支節(jié)L =18.98mm，W =1.4373mm。第一段傳輸線（從負(fù)載到第一支節(jié)） L = 26.16mm，第二段傳輸線（從第一支節(jié)到第二支節(jié)）L =13.03mm ，寬度均為W =1.437m3 m。作出電路圖如圖1.

12、8所示(參數(shù)為調(diào)諧后的值)。圖1.8 雙支節(jié)匹配器電路圖調(diào)諧一般不調(diào)節(jié)微帶線的寬度，只調(diào)整微帶線的長度，調(diào)整范圍為正負(fù)10%。步驟先在電路圖中更改需要調(diào)諧元件的property，如圖1.9，在L的Tune和Limit下打勾，在Lower和Upper中寫上正負(fù)10%所對應(yīng)的值，點(diǎn)確定即可，就可見電路圖中相應(yīng)元件的L變?yōu)樗{(lán)色。圖1.9 調(diào)諧界面在Graph中，點(diǎn)菜單欄的Tune圖標(biāo)，會出現(xiàn)上圖Variable Tuner的方框，在里面移動調(diào)諧變量的箭頭，觀察圖的變化，選擇最佳的值，使輸入端口的反射系數(shù)幅值在中心頻率2GHz處最低。 調(diào)諧前后的反射系數(shù)如圖1.10所示，粉紅色為調(diào)諧前的反射系數(shù)，藍(lán)色

13、為調(diào)諧后反射系數(shù)。圖1.10輸入端反射系數(shù)仿真圖調(diào)諧前后參數(shù)變化見下表:參數(shù)變化 第一支節(jié)長度L1 第二支節(jié)長度L2 調(diào)諧前(mm) 16.48 18.98 調(diào)諧后(mm) 15.49 18.08 表1.1 調(diào)諧前后參數(shù)值比較可見參數(shù)變化均在理論值的正負(fù)10%范圍內(nèi)。調(diào)諧前反射系數(shù)幅值出現(xiàn)在1.9498GHz處，調(diào)諧后L1、L2均減小，反射系數(shù)幅值移動到2GHz，幅度變化很小。六、結(jié)論與思考 這次實(shí)驗(yàn)中，我對書本上介紹的單支節(jié)匹配和雙支節(jié)匹配進(jìn)行了仿真。隨著工作頻率的提高及相應(yīng)波長的減小，集總參數(shù)元件的寄生參數(shù)效應(yīng)就會變得明顯，當(dāng)波長明顯小于典型的電路元件長度時，分布參數(shù)元件得到了廣泛的應(yīng)用。

14、此時，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配需要在負(fù)載和傳輸線之間并聯(lián)或串聯(lián)分支短截線，代替分立元件。阻抗匹配通常是為了獲得最大傳輸功率，改善系統(tǒng)的信噪比，在功分網(wǎng)絡(luò)中降低振幅相位誤差。 本實(shí)驗(yàn)仿真的主要方法是利用Smith圓圖，依據(jù)并聯(lián)阻抗特性，旋轉(zhuǎn)圓圖，達(dá)到匹配，讀取結(jié)果計(jì)算得到電路尺寸，然后繪制出電路圖，經(jīng)過調(diào)諧得到匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，最后得到反射系數(shù)幅值隨頻率變化的曲線。實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)在于如何借助Smith圓圖得到微帶線的電尺寸。首先，需要按照單支節(jié)。雙支節(jié)匹配的步驟，畫出等反射系數(shù)圓、單位圓、等電導(dǎo)圓等作為輔助，標(biāo)出負(fù)載點(diǎn)，運(yùn)用旋轉(zhuǎn)描點(diǎn)標(biāo)出中間點(diǎn)，導(dǎo)納圓的繪制需要結(jié)合使用旋轉(zhuǎn)描點(diǎn)（單支節(jié)匹配時使用）和圓方程繪圖的方

15、法（雙支節(jié)匹配時使用），讀出中間點(diǎn)的角度、電納等值進(jìn)行計(jì)算，得到離負(fù)載的距離、支節(jié)線的長度、寬度等值。 由于這是第一個實(shí)驗(yàn)，剛開始時對軟件不熟悉，花了較長的時間。實(shí)驗(yàn)過程中我得到了老師和同學(xué)的幫助，有了不少收獲，對軟件的熟悉度大大提高。我對直接匹配的理解也更深刻了。實(shí)驗(yàn)二 四分之一波長阻抗變換器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 掌握單節(jié)和多節(jié)四分之一波長阻抗變換器的工作原理。 2. 了解單節(jié)和多節(jié)變阻器工作帶寬與反射系數(shù)的關(guān)系。 3. 掌握單節(jié)和多節(jié)四分之一波長阻抗變阻器的設(shè)計(jì)和仿真。 二、實(shí)驗(yàn)原理 四分之一波長變阻器是一種阻抗變換元件，它可以用于負(fù)載阻抗或信號源內(nèi)阻與傳輸線的匹配，以保證最大功率的傳輸；此

16、外，在微帶電路中，將兩段不同特性阻抗的微帶線連接在一起是為了避免線間反射，也應(yīng)在兩者之間加四分之一波長變阻器。 單節(jié)四分之一波長變阻器是一種簡單而有用的電路，其缺點(diǎn)是頻帶太窄。為了獲得較寬的頻帶，可以采用多節(jié)阻抗變換器。采用綜合設(shè)計(jì)法進(jìn)行最佳多節(jié)變阻器設(shè)計(jì)，目前較多使用的有最大平坦度切比雪夫多項(xiàng)式。等波紋特性多節(jié)變阻器比最平坦特性多節(jié)變阻器具有更快寬的工作頻帶。 在微帶線形式中，當(dāng)頻率不太高而色散效應(yīng)可忽略時，各位帶線的特性阻抗和相速均與頻率無關(guān)，因此屬于均勻多節(jié)變阻器。如圖2.1 為多節(jié)變阻器示意圖。圖2.1 多節(jié)變阻器通常使多節(jié)變阻器具有對稱結(jié)構(gòu)，設(shè)置單調(diào)遞增或單調(diào)遞減，所有符號相同，則(

17、2.1)其中，且令。令和分別為頻帶的上下邊界，為中心頻率，為相對帶寬，則有如下定義(2.2)(2.3)取每段變阻器的長度為傳輸線波長的四分之一，即。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1)已知：負(fù)載阻抗為純電阻150 R L = W，中心頻率f0=3GHz，主傳輸線特性阻抗Z0 = 50W，介質(zhì)基片e r = 4.6，厚度 H=1mm，最大反射系數(shù)模Gm應(yīng)不超過0.1，設(shè)計(jì)1、2、3 節(jié)二項(xiàng)式變阻器，在給定的反射系數(shù)條件下比較它們的工作帶寬，要求用微帶線形式實(shí)現(xiàn)。2)已知負(fù)載阻抗為復(fù)數(shù)： Z L = 85-j45W，中心頻率 f0=3GHz，主傳輸線特性阻抗Z0 = 50W，在電壓駐波波腹或波節(jié)點(diǎn)處利用單節(jié)四分之一波

18、長阻抗變換器，設(shè)計(jì)微帶變阻器。微帶線介質(zhì)同上。四、實(shí)驗(yàn)步驟 1） 對于純電阻負(fù)載，根據(jù)已知條件，利用書中式（1.4.1）、（1.4.18）、（1.4.19）確定單節(jié)和多節(jié)傳輸線的特性阻抗，利用式（1.4.9）、（1.4.21）確定單節(jié)和多節(jié)變阻器的相對帶寬。 2） 根據(jù)各傳輸線的特性阻抗，利用TXLINE 計(jì)算相應(yīng)微帶線的長度及寬度。每段變阻器的長度為四分之一波長（在中心頻率），即l=g0/4，g0為對應(yīng)頻率f0處微帶線的等效波長。3） 對于復(fù)數(shù)阻抗ZL，根據(jù)負(fù)載阻抗ZL、特性阻抗Z0，計(jì)算歸一化負(fù)載阻抗和反射系數(shù)，將負(fù)載反射系數(shù)標(biāo)注在Smith 圓圖上，從負(fù)載點(diǎn)沿等駐波系數(shù)圓向源方向旋轉(zhuǎn)，與

19、Smith 圓圖左實(shí)半軸交點(diǎn)，即電壓駐波波節(jié)處，旋轉(zhuǎn)過的電長度為LM，利用式（1.4.11）計(jì)算變阻器的特性阻抗；沿源方向旋轉(zhuǎn)與Smith 圓圖右實(shí)半軸交點(diǎn)，即電壓駐波波腹處，旋轉(zhuǎn)過的電長度為LN，利用式（1.4.12）計(jì)算變換器的特性阻抗。 4） 根據(jù)傳輸線的特性阻抗，利用TXLINE 計(jì)算相應(yīng)微帶線的長度及寬度，以及對應(yīng)電長度為LM、LN 的微帶線長度。 5） 在Microwave Office 下完成單節(jié)變阻器、二項(xiàng)式多節(jié)變阻器原理圖，要考慮微帶線的不均勻性，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ停缥Ь€阻抗跳變點(diǎn)處。 6） 在Proj 下添加圖，選擇Rectangular 圖，選擇單位和項(xiàng)目頻率15GHz。

20、添加測量，測量類型選擇Port Parameters，測量選項(xiàng)為S 參數(shù)，選擇掃頻Sweep Proj.Freqs，選擇幅度Mag。選擇反射系數(shù)例如S11、S22、S33等。單擊“OK”按鈕，完成添加測量。在下拉菜單Simulate 里單擊Analyze 進(jìn)行分析。 7） 調(diào)諧電路元件參數(shù)，比如調(diào)諧一段微帶線，保持微帶線寬度不變（因?yàn)閷挾扰c特性阻抗有關(guān)），調(diào)諧其長度，調(diào)整范圍一般不超過正負(fù)10%。打開測量圖形，觀察反射系數(shù)幅值隨頻率的變化，調(diào)諧微帶線的長度，使反射系數(shù)幅值在中心頻率3GHz 處最低。 8） 對于純電阻負(fù)載，上述指標(biāo)不變，采用3 節(jié)切比雪夫變阻器重新設(shè)計(jì)上述阻抗變換器，利用m=1

21、+m1-m求出帶內(nèi)容許的最大駐波比，查閱附錄6，確定其相對帶寬和特性阻抗。五、實(shí)驗(yàn)過程 1、純電阻負(fù)載 1）純電阻單節(jié)Z1=86.60 ，L=13.83mm，W=0.62807mm，相對帶寬Wq=0.2564。 W 圖2.2 單節(jié)變阻器參數(shù)電路原理圖見下圖，其中MSTEP$ 為寬度階梯變換器，實(shí)現(xiàn)的功能即將不同寬度不同特性阻抗的微帶線連接起來，防止微帶線寬度的尺寸跳變。其余元件的解釋已在實(shí)驗(yàn)一中給出。圖2.3 單節(jié)變阻器電路圖反射系數(shù)曲線圖為：圖中標(biāo)出3GHz 處反射系數(shù)最小，接近為0，最大反射系數(shù)模不超過0.1 的頻率對應(yīng)為2.681GHz3.354GHz，相對帶寬Wq=0.2243。與理論

22、值相比，誤差為0.0321， 在可接受的范圍內(nèi)，一定程度上說明仿真正確。圖2.4 單節(jié)變阻器仿真圖2）純電阻兩節(jié)Z1=65.80 ，L1=13.547mm，W1=1.1525mm，Z2=113.98 ，L2=14.103mm，W2=0.28686mm，相對帶寬Wq=0.590。電路原理圖為：圖2.5 二項(xiàng)式2 節(jié)變阻器仿真結(jié)果如下圖，曲線中間凹下去的部分變寬變圓滑，3GHz 處反射系數(shù)最小，接近為0， 最大反射系數(shù)模不超過0.1 的頻率分別為2.189GHz 和3.807GHz，相對帶寬Wq=0.5393。與理論值相比，誤差為0.051，誤差較單節(jié)時有所增大，但仍在在可接受的范圍內(nèi)。圖2.6

23、二項(xiàng)式2 節(jié)變阻器仿真圖3）純電阻三節(jié)Z1=57.36 ， L1=13.4mm，W1=1.4946mm； Z2=86.11 ， L2=14.103mm，W2=0.6279mm；Z3=130.78 ，L3=14.216mm W3=0.17806mm，相對帶寬Wq=0.7953。電路原理圖為下圖，可清晰看出，圖中添加三節(jié)阻抗變換器，可由寬度階梯變換器分隔開來，ID 為Z4 的阻抗變換器長度經(jīng)調(diào)諧，對應(yīng)L3由14.216mm 調(diào)諧為14.640mm。圖2.7 二項(xiàng)式3 節(jié)變阻器仿真圖如下圖2.8 所示，其中藍(lán)色線為調(diào)諧前的曲線，粉紅色線為調(diào)諧后的曲線。調(diào)諧前后曲線變化不大，通帶內(nèi)均較平坦，但最低點(diǎn)移

24、至3GHz 處。反射系數(shù)為0.1 的頻率對應(yīng)為1.863GHz 和4.077GHz，相對帶寬Wq=0.738，理論值為0.7953，相差0.0573。圖2.8 二項(xiàng)式3節(jié)變阻器仿真圖將純電阻負(fù)載三種二項(xiàng)式變阻器的反射系數(shù)曲線繪制在一個圖中，可清晰觀察到隨著節(jié)數(shù)增加，通帶變寬變平坦。這也說明雖然單節(jié)四分之一波長變阻器是一種簡單而有用的電路，但其頻帶太窄的缺點(diǎn)是顯而易見的，為獲得較寬的頻帶，可以采用雙節(jié)或多節(jié)阻抗變換器。圖2.9 二項(xiàng)式多節(jié)變阻器仿真圖另外，通過理論計(jì)算和仿真的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)計(jì)算的相對寬度值比實(shí)際仿真的相對帶寬值稍大。分析的原因是由于理論推導(dǎo)過程中為簡化運(yùn)算，做了近似處理，如書中(

25、1.4.8)和(1.4.19)式，都將影響最后的理論相對帶寬值。由于兩者相差很小，理論值仍然可以作為初步設(shè)計(jì)的依據(jù)，但更精確的結(jié)果，應(yīng)該有計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)際微帶線制作得到。4）純電阻負(fù)載3節(jié)切比雪夫變阻器變阻器節(jié)數(shù)的確定：阻抗從150W變?yōu)?0W可知阻抗比R = 3，節(jié)數(shù)為 3節(jié)，又知最大反射系數(shù)模Gm 不應(yīng)超過0.1，那么由公式m=1+m1-m得到 rm =1.22，查附錄 6得到相對帶寬為 1時，駐波比r =1.18可滿足滿足r £1.22的要求。阻抗值的確定：查表知3 節(jié)切比雪夫變阻器的歸一化阻值為： z1=1.24988, z2= R=3=1.732, z3=R/z1=2.40

26、0那么反歸一化得到Z1=62.494，Z2=86.6，Z3=120微帶線物理尺寸可由 TXLINE計(jì)算器得到，如下表（微帶線高度1mm，厚度1mm）：Z1Z2Z3電阻（）62.494 86.6 120 Length(mm) 13.492 13.83 14.147 Width(mm) 1.2742 0.62807 0.24181 表2.1 切比雪夫微帶線參數(shù)值原理圖繪制：3 節(jié)切比雪夫阻抗變換器電路圖如圖2.10 所示。圖中參數(shù)為調(diào)諧后的數(shù)值。 圖2.10 切比雪夫多節(jié)阻抗變換器電路圖仿真結(jié)果 如圖2.11 為反射系數(shù)仿真結(jié)果圖。圖中藍(lán)色代表未調(diào)諧的反射系數(shù)曲線，紅色代表調(diào)諧后的反射系數(shù)曲線，調(diào)

27、諧后在容許的最大反射系數(shù)0.1 對應(yīng)的帶寬變得更寬，Wq=1.049，是同等節(jié)數(shù)的二項(xiàng)式阻抗變換器的相對帶寬的1.32 倍，以切比雪夫方式設(shè)計(jì)的阻抗變換器可以展寬一般四分之一阻抗變換器的通帶，但同時增到了起伏。圖2.11 切比雪夫仿真結(jié)果圖2、復(fù)數(shù)負(fù)載 負(fù)載阻抗為ZL=85-j45，傳輸線特性阻抗為Z0=50 ，歸一化負(fù)載阻抗為zL=85-j4550=1.3-0.9j，反射系數(shù)為=zL-1zL+1=0.3333-0.2222j，它的模L=0.4006，駐波比=1+L1-L=2.3368。在畫出Smith 圓圖時，所寫的方程為：畫出的Smith 圓圖為下圖：圖2.12 復(fù)數(shù)負(fù)載Smith 圓圖圖

28、中負(fù)載點(diǎn)為標(biāo)號為629的點(diǎn)，標(biāo)號為374 的點(diǎn)為電壓波節(jié)處，從負(fù)載點(diǎn)629 轉(zhuǎn)到該點(diǎn)轉(zhuǎn)過179.9-33.87=146.03°，對應(yīng)計(jì)算采用角度為73.015°，用TXLINE 計(jì)算轉(zhuǎn)過的電長度為LM=10.748mm，W=1.8986mm，駐波比= 2.3368 得到，若接在電壓波節(jié)點(diǎn)，變換器的特性阻抗為Z1=Z01/=32.71Ohms 。標(biāo)號為59.95 的點(diǎn)為電壓波腹處，從負(fù)載點(diǎn)629 轉(zhuǎn)到該點(diǎn)轉(zhuǎn)過360-（0.08794+33.87） =326.042°，對應(yīng)計(jì)算采用角度為163.021°，用TXLINE 計(jì)算轉(zhuǎn)過的電長度為LN=24.006m

29、m， W=1.8986。若接在電壓波腹點(diǎn)，變換器阻抗特性為Z2=Z0=76.43Ohms。這里以電壓波節(jié)點(diǎn)為例，設(shè)計(jì)單節(jié)阻抗變換器。利用TXLINE 計(jì)算Z1=37.71Ohms 時微帶線的長度與寬度，得到l=12.831mm，W=3.6308mm。由以上數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)電路原理圖。如下圖所示：圖2.13復(fù)數(shù)負(fù)載電路圖仿真的反射系數(shù)曲線圖如下圖，相對帶寬Wq=0.107，由于不同頻率對阻抗虛部有影響，故中心頻率兩邊不對稱。圖2.14反射系數(shù)圖六、結(jié)論與思考 本次實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)單節(jié)、多節(jié)的四分之一波長阻抗變換器，要求負(fù)載阻抗分別為純電阻和復(fù)數(shù)，對于純電阻負(fù)載同時需要實(shí)現(xiàn)切比雪夫阻抗變換器。通過實(shí)驗(yàn)，我對四

30、分之一波長阻抗變換器理解得更加深入。一般來講，變阻器節(jié)數(shù)增多，通帶越寬；以二項(xiàng)式方式實(shí)現(xiàn)的阻抗變換器具有最平坦特性，切比雪夫方式實(shí)現(xiàn)的阻抗變換在二項(xiàng)式變阻器等節(jié)數(shù)條件下通帶更寬，但這是以通帶波紋起伏為代價實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，不是節(jié)數(shù)越多越好，實(shí)際的微帶線電路板面積有限、節(jié)數(shù)過多引起損耗變大、電路復(fù)雜調(diào)節(jié)困難、經(jīng)濟(jì)效益不高等原因，四分之一波長阻抗變換器節(jié)數(shù)不能過多。查閱資料可知，實(shí)現(xiàn)通帶展寬的方法除了多節(jié)級聯(lián)、使用切比雪夫方式外，還有調(diào)整RL 使其與Z0 相當(dāng)、使用補(bǔ)償式四分之一波長阻抗變換器可實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)三 功率分配器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 掌握功分器的工作原理和分析方法。 2. 掌握微帶功分器的設(shè)計(jì)和仿

31、真。 二、實(shí)驗(yàn)原理 1、功率分配器 功率分配器簡稱為功分器，廣泛用于功率監(jiān)視系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及射頻微波電路中，是一種將一路輸入信號能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，也可反過來將多路信號能量合成一路輸出，此時可也稱為合路器。一個功分器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度。常見的功分器有T 型插頭、電阻功分器、微帶線功分器。由于微帶線功分器具有損耗小、端口匹配、輸出隔離性好等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)主要兩路微帶線功分器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1 所示。圖3.1 二路微帶功分器結(jié)構(gòu)圖對功分器的要求是：兩輸出端口2和3的功率按一定比例分配，并且兩口之間互相隔離，當(dāng)2、3口接匹配負(fù)載時，1口五反射

32、。功分器的技術(shù)指標(biāo)為：功分比、插入衰減和隔離度。本實(shí)驗(yàn)仿真二路功分器，圖3.1中阻抗和為從和向負(fù)載看去的阻抗值，為隔離電阻，和是為了匹配引出線而添加的阻抗變換段，其長度為。圖中各參數(shù)計(jì)算公式如下：（其中為給定的功分比），(3.3)，(3.4)，(3.5)注意圖中3.1 中兩路微帶線之間的距離不宜過大，一般取24 帶條寬度（對應(yīng)特性阻抗Z04 、Z05較寬的微帶線寬度）。這樣可使跨接在兩微帶線之間的電阻R 的寄生效應(yīng)盡量減小。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)仿真一個兩路微帶功分器，已知：介質(zhì)基片r=4.6，；端口特性阻抗，功分比k2=1.5。指標(biāo)如下：在中心頻率2GHz處，相對帶寬為20%時，(1) 兩輸出端口

33、的功分比S31S212為1.4951.505；(2) 兩輸出端口的隔離度(20log|S32|)不小于25dB。四、實(shí)驗(yàn)步驟(1)根據(jù)已知條件用上述公式計(jì)算R2、R3、Z02、Z03、R、Z04、Z05的值。(2)用TXLINE 計(jì)算相應(yīng)微帶線的長度與寬度。建立一個新項(xiàng)目，選擇單位和項(xiàng)目頻率1.82.2GHz。 (3)輸入原理圖，根據(jù)微帶線的不均勻性，選擇適當(dāng)模型，如微帶線T 型接頭、折彎、寬度變換器等。本實(shí)驗(yàn)中只有隔離電阻R 為集總元件，其余元件全部為微帶線形式。注意：用兩段微帶線與電阻R 的兩端相連接，微帶線的特性阻抗與R 一致，即其寬度有R 確定，長度可以調(diào)整。 (4) 添加測量，測量類

34、型選擇Port Parameters，名稱S，掃頻Sweep Proj.Freqs，選擇幅度Mag，測量輸入端口到兩個輸出端口的傳輸系數(shù)（|S31|,|S21|）以及隔離度|S32|。(5)仿真分析，觀察端口S 參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。 (6)調(diào)諧電路元件參數(shù)，選擇調(diào)諧變量，調(diào)整變量的數(shù)值，在圖中觀察功分比和隔離度的變化，選擇最佳值。提示：可以調(diào)諧與隔離電阻R 連接的兩段微帶線長度，調(diào)諧時注意電阻的長度R 加兩段微帶線的總長度與Z02、Z03兩段微帶線之間的垂直距離相同。(7)當(dāng)功分比k2=1時，上述功分器變?yōu)榈确止Ψ制鳎鼘⑤斎牍β史殖上嗟鹊膬陕罚瑑蓚€ 輸出端口的功率（|S31|,|S21|）

35、理論上相等，重新設(shè)計(jì)上述實(shí)驗(yàn)。五、實(shí)驗(yàn)過程1、計(jì)算功分器參數(shù)已知Z0=50，k2=1.5，由式 1.7.21.7.12相關(guān)公式可求得：參數(shù) R2 R3 R Z02Z03 Z04 Z05 值()61.24 40.82 102.06 87.49 58.33 55.34 45.18 2、確定微帶線尺寸微帶線尺寸計(jì)算結(jié)果如下表：L(mm)W(mm) Z0 19.972 1.8825 Z02 20.83 0.6062 Z03 20.213 1.437 Z04 20.13 1.5801 Z05 19.818 2.2223 R 21.033 0.4007 設(shè)計(jì)要求Z02 和Z03 長度一致，可設(shè)置變量x 加

36、以表示表示TL4 與TL8 的長度，對于TL2和 TL3 的長度，分別設(shè)置為alpha和beta，則有alpha = 20.83- x，beta = 20.213- x。兩路帶線間的距離不宜過大，距離一般取為24 倍帶條寬度（對應(yīng)特性阻抗Z04 、Z05 較寬的微帶線寬度），使得寄生效應(yīng)減小。alpha和beta 之和以及R 對應(yīng)的帶線長度需要基本一致，保持帶線的平行，電阻R 長度一般為24mm，這里取3mm，故設(shè)置TL15 和TL16 的長度分別為y1 和y2 ，且使得y1 + y2 = alpha + beta+3。3、繪制原理圖根據(jù)微帶功分器的結(jié)構(gòu)圖，繪制的電路原理圖。如圖3.2 所示。

37、其中，TL1 和PORT1 表示特性阻抗為50Ohms 的傳輸線，接T 型接頭后變?yōu)閮陕罚厦嬉宦稵L4 與TL2 表示Z02 ，下面一路TL8 與TL3 表示Z03 ，之后兩路分別接Z04 和Z05 ，再接Z0 及輸出。注意TL4 與TL11 之間，TL8 與TL12 之間接電阻R，為保持兩路微帶線平行，R 上下兩頭也接微帶線。最后加上介質(zhì)基片MSUB。圖3.2 微帶功分器電路圖調(diào)諧x、y1 的值，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求，所用到的方程為：4、仿真輸出 對x、y1長度進(jìn)行調(diào)諧，得到傳輸特性S21、S31以及隔離度S32的仿真輸出。調(diào)諧的要求是使兩輸出端口的功分比S31S212為1.4951.505，兩輸出端口的隔離度(20log|S32|)不小于25dB。調(diào)諧之后的參數(shù)為：x=17.97mm，y1=0.200mm，TL15、TL16長度以及 R1寬度之和（即 兩臂的間隔）為5.103mm，帶條寬度為2.222，兩臂間隔為帶條寬度的2.30 倍，滿足24 帶條寬度的要求，也保證了兩臂在走線之后平行。圖所示為S21，S31，S32大小隨頻率的曲線圖，圖中標(biāo)注的兩