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北邮电磁场与微波实验报告.
信息与通信工程学院电磁场与微波实验报告实验题目:微波器件设计与仿真班级:姓名:学号:日期:2016.5.18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。三、实验内容 已知: 输入阻抗 Zin=75Ω负载阻抗 Zl=(64+j75)Ω特性阻抗 Z0=75Ω介质基片面性 εr=2.55 ,H=1mm 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=λ/4,两分支线之间的距离为d2=λ/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1.8GHz至2.2GHz的变化。四、实验步骤1.建立新项目,确定项目频率,步骤同实验1的1-3步。2.将归一化输入阻抗和负载阻抗所在位置分别标在Y-Smith导纳图上,步骤类似实验1的4-6步。3.设计单支节匹配网络,在圆图上确定分支z与负载的距离d以及分支线的长度1,根据给定的介质基片、特性阻抗和频率用TXLINE计算微带线物理长度和宽度。注意在圆图上标出的电角度360度对应二分之一波长,即λ/2。4.在设计环境中将微带线放置在原理图中。将微带线的衬底材料放在原理图中,选择MSUB并将其拖放在原理图中,双击该元件打开ELEMENT OPTIONS 对话框,将介质的相对介电常数、介质厚度H、导体厚度依次输入。注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响,选择行当的模型。5.负载阻抗选电阻与电感的串联形式,连接各元件端口。添加PORT,GND,完成原理图,并且将项目频率改为扫频1.8-2.2GHz.6.在PROJ下添加图,添加测量,进行分析。7.设计双支节匹配网络,重新建立一个新的原理图,在圆图上确定分支线的长度l1、l2,重复上面步骤3~5。五、仿真过程1、单支节匹配在Output Equation中绘制Smith圆图,代码如下:绘制的圆图如图所示。标记出了归一化的输入阻抗zin和负载阻抗zl。绘出了负载等反射系数圆R,纯电纳等反射系数圆Rs和匹配圆Rm。单支节匹配器仿真结果使用TXLINE计算器计算过程匹配按如下步骤进行:首先从负载处(标号4346.5)沿等反射系数圆移动到与匹配圆焦点处(标号229.5),可知移动了198.83°(注意到圆图上360°对应半波长,故计算采用的角度为99.415°),对应的电尺寸可以使用TXLINE计算器得到,为L=28.823mm,W=1.4373mm。其次从标号229.5点处,得到单支节传输线阻抗为,在Rs圆上作出该点(标号为18895),其角度为55.88°,从开路点向源方向顺时针旋转到该点,可知移动了304.12°,同理使用TXLINE计算器可得到支节的电尺寸,为L=44.198mm,W=1.4373mm。由以上的分析与计算,可绘制电路图,如图1.1所示。参数为调谐后的值。图1.1单支节匹配器电路图所选微带线模型的含义:TL1:输入端口处的微带线TL2:负载到支节的微带线MTEE表示T型接头MLEF(YL3)表示终端开路单支节微带线MSUB表示微带线衬底材料输入端的反射系数如图1.2所示。图1.2输入端反射系数仿真图2、双支节匹配双支节匹配时在Output Equation中增量添加如下代码。如图1.5所示为双支节匹配Smith圆图。其中Rf是旋转后的匹配圆,zl1是负载阻抗沿着传输线移动即180°以后得到的点(设为A点)。Rmm是zl1点所在的等电导圆,沿着该圆顺时针旋转到Rf圆的交点(设为B点),作出该交点的等发射系数圆Rp,交匹配圆Rm(设为C点)。A点到B点导纳值相减即为第一支节的阻抗值,为1.523,B点到C点导纳值之差即为第二支节的阻抗值,为2.16。在纯电纳等反射系数圆(即最
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