东南大学信息学院大四上综合课程设计报告(微波组).docx

综合课程设计试验报告课程名称： 微波方向综合课程设计试验名称： 微波元件设计、仿真与测试院 系：信息科学与工程学院专业班级：040101姓名：XXXX学号： 指导教师：20XX 年 XX 月 XX 日一、试验目的1. 了解定向耦合电路的原理和设计方法；2. 学习使用 Microwave office 软件进展微波电路的设计、优化、仿真；3. 把握定向耦合器的制作及调试方法。二、试验原理定向耦合器是一个四端口网络如图 1 所示，其中端口 1 是输入端， 端口 2 是直通端，端口 3 是耦合端，端口 4 是隔离端。分支线定向耦合器 3dB是一种常用的微带定向耦合器，如图 2.2所示，图中连接四个端口的微带线阻抗为 Z 0 ；串联分支的微带线阻抗为Z= ZS/2 ，长度为l0/ 4 ；并联分支的微带线阻抗为ZgP= Z，长度为0l/ 4 。g图 1 分支线定向耦合器由奇偶模分析可知，当信号从 1 端口输入时，分支线定向耦合器的2 端口为直通端、3 端口为耦合端、4 端口为隔离端，2、3 端口之间输出信号的幅度一样、相位相差 900。三、试验内容和设计指标试验内容：1. 了解微带分支线定向耦合器的工作原理；2. 依据指标要求，使用 Microwave office 软件设计一个微带分支线定向耦合器，并对其参数进展优化、仿真。设计指标：在介电常数为 4.5，厚度为1mm 的 FR4 基片上T 取 0.036mm，Loss tangent 取 0.02，设计一个中心频率为f、相对带宽为 10%，用于50 欧姆系统阻抗的 3dB 微带分支线定向耦合器。要求：工作频带内各端口的反射系数小于-20dB，输入端与隔离端的隔离度大于 25dB，直通端与耦合端的传输损耗小于 3.5dB。定向耦合器的参考构造如图 3.1 所示，在设计时要保证四个端口之间的距离大于 10mm，以便于测试。左右端口的距离应为 40 或 50mm。1243微带分支线定向耦合器的构造在进展设计时，主要是以定向耦合器的 S 参数作为优化目标进展优化仿真。S21、S31 是传输系数，反映传输损耗；S41 反映了输入端与隔离端之间的隔离度；S11、S22、S33、S44 分别是输入、输出端口的反射系数。依据 S21，S31 的相位仿真结果可以得到这两个输出端口的相位差。四、理论设计过程首先依据介电常数为 4.5，厚度为 1mm 的 FR4 基片T 取 0.036mm， Loss tangent 取 0.02等条件，计算 3dB 定向耦合器的各项尺寸参数。对于端口处的微带线和并联分支，其阻抗都等于特征阻抗为 50。在3GHz 的中心频率下，计算得宽度为 1.8844mm。对于并联分支，长度为l g / 4 ，计算得为 13.426mm。串联分支的微带线阻抗为ZS = Z 0 /2 ，长度为l g / 4 。计算得阻抗为35.36，对应的微带线宽度为 3.246mm，长度为 13.061mm。五、微波元件的电路仿真在 MWOffice 中按上述计算的尺寸进展设计，并依据仿真结果进一步调整优化，得到如下的结果。其中为保证左右端口距离为40mm，延长了 端口处微带线的长度。电路构造图为：定向耦合器构造设计依据设计指标对相关参数进展仿真。仿真观看的主要参数是，传输系数 S21、S31，反映传输损耗；S41 反映了输入端与隔离端之间的隔离度； S11、S22、S33、S44 分别是输入、输出端口的反射系数。依据S21，S31 的相位仿真结果可以得到这两个输出端口的相位差。相应的仿真结果为：左上为传输特性曲线左下为反射特性最右为相位传输特性依照此设计电路，在 Protel 中产生了相应的幅员，幅员如下：幅员六、实物制版与测试依据上述仿真结果进展制版，对制作出的实物进展各项参数的测试。得到如下的结果：首先观看从输入端到直通端的传输系数，即 S21。图 S21 测试结果可以觉察实物的中心频率与理论值 3GHz 略有偏差。在 3GHz 上的S21 为-4.173dB。接下来观看直通端到耦合端的传输系数即 S31。图 S31 测试结果在 3GHz 上 S31 为-4.527dB，传输损耗比到直通端的略大。再观看隔离度，中心频率与 3GHz 也有肯定误差。七、分析与争论图 S41 测试结果将实物测试结果与仿真结果进展比照，可以得到如下几点结论。实物测试结果与仿真结果之间存在偏差，这可能是由于制作工艺只能精细到 0.01mm，无法到达仿真的精细程度。实物的中心频率与抱负的 3GHz 存在肯定偏差，这除了工艺精度的问题，还有可能是由于仿真中选取的仿真频率值之间存在肯定跨度，对中心频率的仿真本身存在误差。从实物测试结果看，器件的主要特性和理论比较吻合，但在各项具体参数值上和理论存在肯定误差。S21 和 S31 即直通端和耦合端的传输损耗都比仿真结果略大，这可能是由于仿真中没有考虑实物存在的一些损耗， 如辐射损耗等。类似的，反射系数、隔离度与仿真结果也有肯定偏差。这其中也存在测量器件的误差可能，比方端口阻抗不是准确的 50等。八、结论通过这学期的微波综合课程设计的学习和实践，学习了使用 EDA 软件Microwave Office进展微带线微波器件的设计仿真的方法，稳固加强了微波根本学问，学习了几种根本器件的参数设计方法。此外，学习了利用 Protel 产生幅员的方法，并实际操练了如何利用频谱仪测量微波器件的频率特性。最终较好地完成了自己仿真一个定向耦合器并产生制作幅员这一任务。在这门课程的学习中，自己的动手力量、EDA 软件操作力量都得到了肯定的熬炼。同时，在分组进展器件特性测量的过程中，自己的合作力量和团队协调力量也得到了应用和发挥。