2022年北京邮电大学微波实验报告.docx
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1、信息与通信工程学院微波仿真试验报告班级:姓名:学号:序号:日期: 2021 年 6 月 9 日目录试验二 分支线匹配器3一、试验目的3二、试验原理3三、试验内容3四、试验步骤3单枝节匹配器3双枝节匹配器9五、试验结果分析-14六、试验中遇到的问题和解决方法14试验三 四分之一波长阻抗变换器 -15一、试验目的15二、试验原理15三、试验内容17四、试验步骤18五、试验结果分析-29六、试验中遇到的问题及解决方法31试验六 功率安排器32一、试验目的32二、试验原理32三、试验内容33四、试验步骤34五、试验结果分析-41六、试验中遇到的问题和解决方法41试验心得与体会 -43学习文档 仅供参考
2、试验二 分支线匹配器一、试验目的1. 把握支节匹配器的工作原理;2. 把握微带线的基本概念和元件模型;3. 把握微带分支线匹配器的设计与仿真;二、试验原理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先的反射波,以到达匹配的目的;单支节匹配器, 调谐时主要有两个可调参量:距离 d 和由并联开路或短路短截线供应的电纳;匹配的基本思想是挑选d,使其在距离负载 d 处向主线看去的导纳Y 是 Y0+jB形式;然后,此短截线的电纳挑选为-jB ,依据该电纳值确定分支短截线的长度,这样就到达匹配条件;双支节匹配器,通过增加一个支节,改良了单支节匹配器需要调剂支节位
3、置的不足,只需调剂两个分支线长度, 就能够到达匹配 但是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;三、试验内容已知:输入阻抗Z in =75 负载阻抗ZL =64+j35 特性阻抗Z 0 =75 介质基片r , H=1mm ,导体厚度 T 远小于介质基片厚度H;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/ 4 ,两分支线之间的距离为d 2/ 8 ;画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅值从至的变化;四、试验步骤单枝节匹配器1. 建立新项目,确定项目中心频率为2GHz ;依据试验内容中的要
4、求运算出各参量,写入 OUTPUT EQUATION;如以下图所示;其中参数说明如下:zl:负载阻抗 z0:特点阻抗 z1:归一化负载阻抗T1 :负载处的反射系数在圆图上即为负载阻抗zin:输入阻抗zin1 :归一化输入阻抗Tin :输入阻抗对应的反射系数在圆图上即为输入阻抗Rj:大圆Rp: 1+jx 圆R:负载阻抗处等反射系数圆2. 将归一化输入阻抗和负载阻抗所在位置分别标在Y-Smith 导纳圆图上;如上图所示, Tin 为归一化输入阻抗 圆心匹配点 ,T1 为负载阻抗 图中最上方的点 ;3. 设计单枝节匹配网络,在图上确定分支线与负载的距离d 以及分支线的长度l 所对应的电长度,依据 d
5、 和 l 的电长度、介质基片的r 、H、特性阻抗、频率用TXLINE运算微带线物理长度和宽度;此处应当留意电长度和实际长度的联系360对应二分之一波长 ;如图,先从负载阻抗处沿等反射系数圆顺时针旋转至1+jx 圆上;转过的电长度: 93.31- -104.8/360*0.5=0.275d/然后由 1+jx 圆上沿电导圆旋转至阻抗匹配点,这时应读出电纳的变化值, 如以下图所示:可见电纳变化为 0.528041;找出圆图上 b=-0.528041 的点,由圆图上的最左点短路点沿等反射系数圆顺时针旋转至该点,读出旋转的角度;如图,转过的电长度: 180-55.7 /360*0.5=0.173l/依据
6、转过的角度和介质基片的r 、H、特性阻抗、频率用TXLINE运算微带线物理长度和宽度;如下图:4. 画出原理图,在用微带线画出基本的原理图时,留意仍要把衬底添加到图中,将各部分的参数填入;留意微带分支线处的不匀称性所引起的影响,挑选适当的模型;5. 负载阻抗挑选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;原理图如以下图所示:其中, MLSC 代表单短截线, MLIN中 ID=TL2 者代表单短截线距负载的距离;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;调谐之前测量结果如以下图所示:7. 调谐分支线的长度l 以及与负载的距离d;只调剂长度,范畴为10
7、% ,调谐后使输入端口的反射系数幅值在中心频率2GHz 处最低;调谐之后的原理图和测量结果如以下图所示:双枝节匹配器1. 建立新项目,确定项目中心频率为2GHz ;依据试验内容中的要求运算出各参量,写入 OUTPUT EQUATION;如以下图所示;其中参数说明如下:参数说明: zl:负载阻抗z0:特点阻抗z1:归一化负载阻抗T1 :负载处的反射系数在圆图上即为负载阻抗Tl :负载阻抗沿等反射系数圆顺时针旋转d1 /1/ 4 电长度后得到的阻抗zin:输入阻抗zin1 :归一化输入阻抗Tin :输入阻抗对应的反射系数在圆图上即为输入阻抗Rj:大圆Rp: 1+jx 圆R:负载阻抗处等反射系数圆R
8、f:旋转/8 后的帮助圆Rd:过负载阻抗的电阻圆2. 将归一化输入阻抗和负载阻抗所在位置分别标在Y-Smith 导纳圆图上;如以下图所示,归一化负载阻抗为T1,将其沿等反射系数圆顺时针旋转d1 /1/ 4 电长度后得到的阻抗为Tl ;归一化输入阻抗等于0,位于圆图中心匹配点;3. 设计双枝节匹配网络, 在图上确定分支线的长度l1 、l 2 所对应的电长度, 用 TXLINE运算微带线物理长度和宽度;如图,先从 Tl 处此 Tl 已是归一化负载阻抗T1 沿等反射系数圆顺时针旋转d1 /1/ 4电长度后得到的阻抗沿等电导圆旋转至由1+jx 圆逆时针旋转/8 后得到的帮助圆上;电导的变化值: Y再将
9、帮助圆以及圆上的该点顺时针旋转/8,回到 1+jx 圆上;再从该点图中最上方点沿电导圆旋转到圆心阻抗匹配点;电导的变化值: Y将 Y1 和 Y2 对应的电导圆与大圆的交点在圆图上标出;从开路点沿等反射系数圆顺时针旋转至此二点,如以下图所示,从图中可看出转过的角度分别为:113.4、130.6;依据转过的角度和介质基片的r 、H、特性阻抗、频率用TXLINE运算微带线物理长度和宽度;如下图:4. 画出原理图,在用微带线画出基本的原理图时,留意仍要把衬底添加到图中,将各部分的参数填入;留意微带分支线处的不匀称性所引起的影响,挑选适当的模型;5. 负载阻抗挑选电阻和电感串联的形式,连接各端口,完成原
10、理图,并且将项目的频率改为;原理图如以下图所示:其中, MLEF 代表开路线, MLIN中 ID=TL2者代表单短截线距负载的距离;双支节网络分支线与负载的距离d1/ 4 ,两分支线之间的距离为d 2/ 8 ;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;调谐之前测量结果如以下图所示:7. 调谐分支线的长度l 1 、 l 2 ;只调剂长度,范畴为10%,调谐后使输入端口的反射系数幅值在中心频率2GHz 处最低;调谐之后的原理图和测量结果如以下图所示:五、试验结果分析从试验中可以看出,调谐是电路设计的一个重要步骤;在调谐之前,由于在Smith 圆图上标点时可能存在肯定误差等缘由
11、,中心频率可能会有所偏移,双枝节匹配时偏移比较明显;调谐的缘由在于:理论和实际可能存在差距;在调谐过后,中心频率到达抱负值,在实际中会有比较好的性能;六、试验中遇到的问题和解决方法1、这个试验包括单枝节和双枝节匹配两部分,设计方法和我们在做微波习题时所用方法相像; 但是用的是导纳圆图; 由于对期中以前的学问遗忘较多,而且原来对导纳圆图和阻抗原图之间的关系等等不熟识,刚开头时花费了许多时间研读试验教材、回想以前做题的步骤;而且由于疏忽, 误以为圆图最左方点为开路点,第一次得出的图不正确;后来改正了错误将开路线改为了短截线 ,得到了正确的结果;2、对于如何在圆图上画出负载阻抗点、输入阻抗点,开头时
12、我直接画Rl 、Rin ,后来在老师的指导下明白了, 史密斯圆图上的坐标是反射系数,要标阻抗点需要将其先转化成对应 的反射系数;这样才正确地画出了各点;关于如何画反射系数圆、 电阻圆等,也花了许多时间摸索; 不过正是在这个过程中, 我们逐步熟识了Microwave Office的使用及微波电路设计方法;试验三 四分之一波长阻抗变换器一、试验目的1. 把握单节和多节四分之一波长变阻器的工作原理;2. 明白单节和多节变阻器工作带宽与反射系数的关系;3. 把握单节和多节四分之一波长变阻器的设计与仿真;二、试验原理1、单节四分之一波长阻抗变换器四分之一波长阻抗变换器是一种阻抗变换元件,它可用于负载阻抗
13、或信号源内阻与传输线的匹配, 以保证最大功率的传输; 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防止线间反射,也应在两者之间加四分之一波长变阻器;1负载阻抗为纯电阻RL假设主传输线特性阻抗为Z0 ,但是 RLZ 0 ,就可以在RL 与主传输线之间接入一段特性阻抗为Z1 的四分之一波长的传输线,使得该线段输入参考面的输入阻抗与主传输线的特性阻抗相等;这样就实现了匹配;依据传输线理论得:Z1RL Z0 ;由于无耗传输线的特性阻抗Z0 、 Z1 均为实数,所以四分之一波长变换器一般用来匹配电阻性负载;明显,/ 4 线段只能对频率f0 得到抱负匹配;当频率变化时,匹配将被破坏,主传输
14、线上的反射系数将增大;当ff 0 时,主传输线在任意频率下反射系数的模为:| |Z11 Z11Z0 |Z 0| RL Z01 | / RL Z0124 RLZ0 tan2 . f 2f 0* 定义以下公式为变阻器的中心频率和相对带宽:f 0 f1f 2 / 2Wq f 2f1 / f 0式中,f 2 和f1 分别为频带的上下边界,f0 为中心频率,Wq 为相对带宽;假设m 为可容许的最大反射系数幅值,当ff 1fm 时, |m ,代入式 * 中得:f mf 02arccosm212 | RLmZ 0RLZ 0 |* 由于 * 式中的响应在中心频率f0 处是对称的,变阻器的相对带宽近似变为:再将
15、式 * 代入上式得:2 f 0Wqf 0fm Wq24 arccosm2m12| RLZ 0 RLZ 0 |另外对应于频率fm 对应m 的相位m 为: m fm 2f 0,因此Wq 也可表示为:4 mWq = 22负载阻抗为复数 ZL我们知道实现匹配之前线上会存在驻波;在电压波腹和波节位置的输入阻抗为纯电阻,他们分别是RmaxZ0 , RminZ 0 /,其中为驻波比;这时可以把电压波节处的输入阻抗作为等效负载阻抗,即:Z1Z0 Z 0 /Z 01/而将变换器接在电压波节位置离负载4效负载阻抗,求得LM 处,也可把电压波腹的输入阻抗作为等Z1Z 0 Z 0Z0而将变换器接在电压波腹处离负载42
16、、多节四分之一波长阻抗变换器LN 处;单节四分之一波长变阻器是一种简洁而有用的电路,其缺点是频带太窄;为了获得较宽的频带,可以采纳双节或多节阻抗变换器;如以下图所示,图中显示了 N 节阻抗变换器,Z 0, Z1, Z 2, Zn 为各节的特性阻抗,Zn 1 为负载阻抗,并假设Zn 1ZnZn 1,., Z 2Z1Z 0 ,每节点长度均为l , l为在中心频率处四分之一波长;设计多节四分之一波长变阻器时,通常采纳二项式 最平整 相应和切比雪夫 等波纹响应; 两种设计方法都有各自的优缺点,二项式阻抗变换器具有最平整的通带特性,而工作带宽较切比雪夫变换器窄;与二项式阻抗变换器相比,切比雪夫阻抗变换器
17、是以通带内的波纹为代价而得到最正确带宽的;1二项式多节阻抗变换器二项式多节阻抗变换器的近似设计公式:式中,ln Zn 1ZnNN ln RLnC2nZ0CNN.n0,1,2,., N Nn. n.下面争论二项式变阻器的带宽:marccos 12m| A |1 / NWq24 arccos 12m| A |1 / N2切比雪夫多节阻抗变换器切比雪夫阻抗变换器的设计方法是:使它的反射系数的模随按切比雪夫多项式变化;RL附录 6 中给出了切比雪夫阻抗变换器的设计表格,其中R 为阻抗比, R, n 为节数;Z0留意表中给出的是驻波比,带内最大驻波比与反射系数的模的关系为:1mm;当阻1m抗比 R 和相
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- 2022 北京邮电 大学 微波 实验 报告
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