微波仿真实验报告

信息与通信工程学院 电磁场与微波实验 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 实验题目：电磁场与微波实验仿真部分 班 级： 2009211110 姓 名： 胡仲伟 学 号： 09210277 日 期： 2012年5月19日 目 录 TOC \o "1-3" \h \z \u 实验一 微带分支线匹配器 1 一、实验目的 1 二、实验原理 1 三、实验 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 1 四、实验过程 2 1、单支节匹配 2 2、双支节匹配 7 五、 问题与解决 11 六、 结论与思考 12 实验二 微带多节阻抗变换器 13 一、实验目的 13 二、实验原理 13 三、实验内容 14 四、实验过程 14 1、确定变阻器参数 14 2、原理图绘制 14 3、仿真结果 15 五、问题与解决 15 六、结论与思考 16 实验三 微带功分器 17 一、实验目的 17 二、实验原理 17 1、散射矩阵 17 2、功分器 17 三、实验内容 18 四、实验过程 18 1、计算功分器参数 18 2、确定微带线尺寸 19 3、绘制原理图 19 4、仿真输出 20 五、问题与解决 20 六、结论与思考 21 附录： 心得体会 决胜全面小康心得体会学党史心得下载党史学习心得下载军训心得免费下载党史学习心得下载 22 实验一 微带分支线匹配器 一、实验目的 1.​ 熟悉支节匹配器的匹配原理。 2.​ 了解微带线的工作原理和实际应用。 3.​ 掌握Smith 图解法设计微带线匹配网络。 二、实验原理 随着工作频率的提高及响应波长的减小，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，在频率高达一定数值以上时，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上并联适当的电纳（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。 图1.1 支节匹配器原理 单支节匹配的基本思想是选择支节到阻抗的距离 ，使其在距负载 处向主线看去的导纳 是 形式。然后，此短截线的电纳选择为 ，根据该电纳值确定分支短截线的长度，这样就达到匹配条件。 双支节匹配器，通过增加一支节，改进了单支节匹配器需要调节支节位置的不足， 只需调节两个分支线的长度就能达到匹配。双支节匹配存在匹配禁区。 三、实验内容 已知： 输入阻抗 ，负载阻抗 ，特性阻抗 ，介质基片 ， 。 假定负载在 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 ，两分支线之间的距离为 。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、实验过程 1、单支节匹配 在Output Equation中绘制Smith圆图，代码如下： 定义全局变量： 输出方程：（下图包括单、双支节所有输出方程，单支节只用到zl,zin,gamaL,gamaIn,sita,r,r3 这几个方程） 绘制的圆图如图1.2所示。由于在本实验中我将单、双支节用到的点和圆都标在了一个圆图上，故用序号区分各个marker。 在单支节匹配中，只用到2、3、7号marker和2、3、7号所在的等驻波比圆以及2、7号所在的等电导圆(即1+jb圆)。至于并联的支节的电长度是用matlab辅助计算的(标在图上有些乱)。 图1.2 单支节匹配器Smith YChart 具体仿真步骤: 1.​ 在史密斯圆图上标出负载Zl的位置marker 3。 2.​ 沿Zl所在等驻波比圆顺时针旋转电长度d，与1+jb圆分别交于marker 7 和marker 2两点。 3.​ 由marker 7逆时针旋转到原点(匹配点)，由marker 2顺时针旋转到原点。可以分别得到电纳变化量y1,y2。再根据所选的是短路线还是开路线决定从那个点开始旋转。若选用短路线，则从史密斯圆图的短路点(-1,0)开始(若选开路线，则从(1,0)开始旋转)，顺时针旋转到y1,y2对应的位置，转过的电长度l1，l2即为短路线对应的两组解。但是在本实验中，由于我用matlab已经计算出y1，y2对应的角度(根据y1，y2用angle( (1-y) / (1+y) )计算出他们对应的辐角。)，所以只需要进行一些十分简单的加减法计算就可以得到电长度l1，l2。省去了繁琐的旋转然后读点的过程。 4.​ 根据特性阻抗Z0，电长度d，l1，l2等值，使用TXLINE工具，计算出微带线的长度、宽度以及衬底参数。 5.​ 根据上述计算，得到电路图各元件的参数，绘制电路图，绘制电路图时有很多细节问题，将在后面部分说明。 6.​ 电路图绘制完成后，添加方图进行反射系数的仿真，然后进行微调和优化，使仿真结果较为理想。 微调的时候，需要将原件参数设置为可调，然后确定调谐的上下界，一般上下界的范围不要超过原值的10%。 优化，需要将原件参数设置为可优化，然后确定优化上下界，接着添加优化目标(即优化什么参数，将参数优化到多少)，然后进行优化。 电路图: 因为在本实验中，我将开路线和短路线都考虑在内，每种线又有两种解，所以一共是4个电路图。如图1.3所示 图1.3 单支节匹配器电路图 输入端的反射系数仿真图如图1.4所示。 图1.4 输入端反射系数仿真图 仿真结果分析：如图所示，三角标注的线为短路线并联的解1对应的反射系数曲线，方形标注的线为短路线的解2对应的反射系数曲线，菱形标注的为线为开路线解1对应的反射系数曲线，沙漏形标注的线为开路线解2对应的反射系数曲线。可以看出，在2GHz的时候，短路线的反射系数明显要比开路线的低，即短路线的匹配效果好。在使用短路线的前提下，解法2比解法1匹配的效果好，但在使用开路线的前提下，解法1比解法2匹配的效果好。综上所述，最好的匹配方式应该是短路线的解法2,反射系数能达到-97dB。在1.8-2.2的带宽内观察的话，短路线的方法1是最优的，因为其反射系数在该带宽内(除了2GHz附近)基本上都处于最小。 2、双支节匹配 全局变量与单支节相同 输出方程：(下图包括单、双支节所有输出方程，双支节包括下图所有方程) 如图1.5所示为双支节匹配史密斯圆图。由于在本实验中我将单、双支节用到的点和圆都标在了一个圆图上，故用序号区分各个marker。 在双支节匹配中，除了marker 7 和marker2外的所有marker和圆全都用到。计算双支节并联的支节电长度与单支节的方法一样，均用matlab辅助计算，并未在史密斯图上标出。 图1.5 双支节Smith YChart 具体仿真步骤: 1.​ 在史密斯导纳圆图上标出负载Zl的位置marker 3。 2.​ 由于d1=λ/4,所以得沿着marker3 所在等驻波比圆顺时针旋转180°，得到marker 6。 3.​ 由于d2=λ/8,所以将1+jb圆沿逆时针方向旋转90°，作出辅助圆(虚线)。 4.​ 从marker 6沿着其所在的等电导圆旋转到辅助圆上，分别得到marker 4和 marker 8，由于有两种不同的转法，所以对应两种不同的解。根据marker6到marker4和marker8的电纳变化量y1,y1’ 以及所选线的类型，能计算出第一支节的电长度l1和l1’。具体方法与单支节相同，不再冗述。 5.​ 然后从marker4和marker8分别沿着其所在的等驻波比圆顺时针旋转90°，则必交于1+jb圆，分别得到marker5和marker1。 6.​ 从marker5和marker1分别旋转至匹配点，变化量分别为y2,y2’。再根据y2,y2’以及所选线的类型计算出第二节支节的电长度l2,l2’。 7.​ 根据特性阻抗Z0，电长度d1，d2，l1，l2等值，使用TXLINE工具，计算出微带线的长度、宽度等参数。 8.​ 根据上述计算，得到电路图各元件的参数，绘制电路图，绘制电路图时有很多细节问题，将在后面部分说明。 9.​ 电路图绘制完成后，添加方图进行反射系数的仿真，然后进行微调和优化，使仿真结果较为理想。 微调的时候，需要将原件参数设置为可调，然后确定调谐的上下界，一般上下界的范围不要超过原值的10%。 优化，需要将原件参数设置为可优化，然后确定优化上下界，接着添加优化目标(即优化什么参数，将参数优化到多少)，然后进行优化。 电路图： 作出电路图如图1.6所示。因为在本实验中，我将开路线和短路线都考虑在内，每种线又有两种解，所以一共是4个电路图。(元件参数均为调谐优化后的值) 图1.6 双支节匹配器电路图 输入端的反射系数如图1.7所示。 图1.7输入端反射系数仿真图 仿真结果分析：如图所示，三角标注的线为双支节短路线并联的解1对应的反射系数曲线，方形标注的线为短路线的解2对应的反射系数曲线，沙漏形标注的为线为开路线解1对应的反射系数曲线，菱形标注的线为开路线解2对应的反射系数曲线。可见，在2GHz时，匹配的最好的是开路线1解法。如果考虑整个1.8-2GHz带宽内，匹配的最好的应该是短路线的1解法。与单支节相比，可以看出虽然双支节比单支节更加便于调节，但是其匹配效果并不如单支节好。 5问题与解决 1、​ 有关原理图的细节问题。 1.1​ 开始的时候会因为器件选择的不对，而产生各种各样的报错，一定要使用教材上的一些元件进行原理图绘制，否则仿真肯定会有问题。 1.2​ 在确保元件选择正确的基础上，要考虑到微带线宽度的跳变以及与端口的匹配等问题，除了绘制出最基本的原理图之外，还要在其基础上考虑微带线的不均匀性,添加一些跳变接口或者T型接口，使得仿真更加贴近实际。跳变接口和T型接口的各个端口都必须连接有微带线，否则会报错。用于端口匹配的微带线的长度任意，只要其特性阻抗与端口的阻抗相同即可。 1.3​ 添加衬底之后，一定要确定衬底的参数与TXLINE里面的参数保持一致，否则仿真结果肯定不对。 1.4​ 使用TXLINE计算微带线L时，所要填的电长度实际上是史密斯图上对应的电长度除以2，即这里的电长度是360°对应一个λ，而并非我们平时所说的360°对应λ/2。 2、​ 有关调谐与优化 2.1 无论是调谐与忧化都必须得先将需要改变的元件参数设置为可调状态并且设定上、下界，否则会报错。 2.2 最好是先调谐，将最低点调到谐振频率(2GHz)后，然后再使用优化，将优化的频率范围缩小，防止优化后使得最低点产生偏移。 2.3 调谐可以分为粗条和微调两个阶段，粗条阶段就用鼠标从最小值到最大值拖拽一遍，大致观察变化范围，并确定微调的位置，然后进行微调。微调的时候不宜用鼠标拖拽，变化过快，最好用键盘上下键微调。 2.4 优化除了改变元件属性之外，还需要添加优化 目标，即告诉软件需要优化到什么程度为止，这个goal的选取其实很随意，在本实验里，我就将其尽量取低(-100dB左右)，这样便能得到一个极限值(因为优化结果达不到 -100dB)。 3、​ 有关初始配置 这一块的问题基本上就是扫描频率范围不正常的问题，是因为改完频率范围和步长之后，还需要点一下旁边的”Apply” 才能正常应用，否则跟没改一样。还有就是单位的问题，建议把单位改为mm，以um为单位显得数值很大，不太好看，当然这纯属个人喜好。 4、​ 有关输出方程与圆图 4.1 输出方程写的顺序必须按照变量出现的顺序去写，比如说，反射系数gama需要通过方程A去计算，那么在输出方程A出现之前，就不能出现引用gama值的输出方程，类似于顺序执行。 4.2 史密斯圆图可以是导纳形式，可以是阻抗形式，也可以两个都有，都是可以选的。图上的marker可以按幅度-幅角的方式显示，也可以按实部虚部的方式显示。这些都可以在选项里改。 4.3 输出方程与圆图的映射关系，即绘图原理，实际上史密斯圆图的坐标横轴是实数轴，纵轴是虚数轴，原点在圆的中心，输出方程根据公式输出一个值，然后根据这个值的实、虚部直接映射到图上，所以说如果想在图上画一个归一化阻抗对应的点是不能直接将该归一化阻抗添加到圆图中的，而是将其对应的反射系数值添加到原图中，这样才是正确的。 6结论与思考 1、​ 无论是单、双支节匹配，采用短路线都比开路线的匹配效果好，这与实际相符。 2、​ 双支节匹配虽然比单支节调整起来更方便一些，但是其在谐振点的匹配效果却不及单支节匹配。不过这种差距倒是可以接受的，工程上反射系数只要低于1/3均可接受。所以说双支节还是要比单支节好一些。 3、​ 相同种类的微带线不一样的解法性能上也有所差异，所以还是有必要将所有情况都考虑进来然后进行一个最优化处理， 选出最好的。 4、​ 为了更接近真实，T接口与跳变器是不可忽略的，对最终的结果影响很大。 实验二 微带多节阻抗变换器 一、实验目的 1.​ 掌握微带多节阻抗变阻器的工作原理。 2.​ 掌握微带多节阻抗变阻器的设计和仿真。 二、实验原理 变阻器是一种阻抗变换元件，它可以接于不同数值的电源内阻和负载电阻之间，将两者起一相互变换作用获得匹配，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是为了避免线间反射，也应在两者之间加变阻器。 单节 变阻器是一种简单而有用的电路，其缺点是频带太窄。为了获得较宽的频带，可以采用多节阻抗变换器。采用综合设计法进行最佳多节变阻器设计，目前较多使用的有最大平坦度切比雪夫多项式。等波纹特性多节变阻器比最平坦特性多节变阻器具有更快宽的工作频带。 在微带线形式中，当频率不太高而色散效应可忽略时，各位带线的特性阻抗和相速均与频率无关，因此属于均匀多节变阻器。如图2.1为多节变阻器示意图。 图2.1 多节变阻器 通常使多节变阻器具有对称结构，设置 单调递增或单调递减，所有 符号相同，则 (2.1) 其中 ，且令 。 令 和 分别为频带的上下边界， 为中心频率， 为相对带宽，则有如下定义 (2.2) (2.3) 取每段变阻器的长度为传输线波长的四分之一，即 。 三、实验内容 设计仿真等波纹型微带多节变阻器。给定指标：在 的频率范围内，阻抗从 变为 ，驻波比不应超过 ，介质基片 ，厚度 ，在此频率范围内色散效应可忽略。 四、实验过程 1、确定变阻器参数 a)​ 变阻器节数的确定：阻抗从 变为 可知阻抗比 ，由式2.2和2.3容易确定 ， ，根据 和 查实验手册附录表4，可知节数 时 ，满足驻波比 的要求。 b)​ 阻抗值的确定：查表有 ， ，计算得 ， 。 c)​ 微带线物理尺寸可由TXLINE计算器得到，如下表（微带线高度 ，厚度 ）： 电阻（ ） 12.172 17.729 28.202 41.078 Length(mm) 6.3419 6.5178 6.7927 7.0511 Width(mm) 8.4345 5.3012 2.7957 1.518 2、原理图绘制 多节阻抗变换器电路图如图2.2所示。图中参数为调谐后的数值。 图2.2 多节阻抗变换器电路图 3、仿真结果 如图2.3为电压驻波比仿真结果图。 图2.3 驻波比仿真结果图示 五、问题与解决 实验中主要的问题就是调整参数，首先必须明确的是，可调的参数只有中间4段阻抗变换器的长度，其他参数全都是固定的，不可调，尤其是宽度，因为微带线的宽度由特性阻抗决定，所以改动了宽度，相应的特性阻抗也会改变，这样显然是不行的。调整这4段变换器的长度的时候还需要注意其长度的递增性，即L1