信息与通信工程学院

电磁场与微波技术实验报告

姓名 李亚东 班级 2011211116 学号 2011210466 班内序号 22

实验二 微带分支线匹配器

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

实验原理

1.支节匹配器

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来的反射波，以达到匹配的目的。

单支节匹配器：调谐时，主要有两个可调参量：距离d和分支线的长度l。匹配的基本思想是选择d，使其在距离负载d处向主线看去的导纳Y是 0+ 形式，即 = 0+ ，其中 0=1/ 0 。并联开路或短路分支线的作用是抵消Y的电纳部分，使总电纳为 0 ，实现匹配，因此，并联开路或短路分支线提供的电纳为? ，根据该电纳值确定并联开路或短路分支线的长度l，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长度，就能够达到匹配（注意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）。 2.微带线

微带线是有介质 ( >1) 和空气混合填充，基片上方是空气，导体带条和接地板之间是介质 ，可以近似等效为均匀介质填充的传输线，等效介质电常数为 ，介于1和 之间，依赖于基片厚度H和导体宽度W。而微带线的特性阻抗与其等效介质电常数为 、基片厚度H和导体宽度W有关。

实验内容

已知：输入阻抗 Zin=75Ω

负载阻抗 Zl=（64+j35）Ω 特性阻抗 Z0=75Ω

介质基片 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=1/4λ，两分支线之间的距离为d2=1/8λ。画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅度从1.8GHz至2.2GHz的变化。

实验步骤

1．根据已知计算出各参量，确定项目频率。

2．将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在smith圆上。

3．设计单枝节匹配网络，在图上确定分支线与负载的距离以及分支线的长度，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。此处应该注意电长度和实际长度的联系。

4．画出原理图，在用微带线画出基本的原理图时，注意还要把衬底添加到图中，将各部分的参数填入。注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响，选择适当的模型。

5．负载阻抗选择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1.8—2.2GHz。

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。 7．同理设计双枝节匹配网络，重复上面的步骤。

仿真调测 单支节

1． 根据已知计算出各参量。写入Output Equations。

zl为归一化负载阻抗；zin为归一化输入阻抗；Tl为负载处反射系数；Tin 为输入端反射系数；b为以0.01为步长扫描0~2*PI； R为阻抗处等反射系数圆；Rp为匹配圆；Rj为大圆。

2．将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在smith圆上

图表1以实部虚部方式显示

图表2以幅度角度方式显示

绘制步骤：

? 将归一化输入阻抗和负载阻抗所在位置标在导纳圆图上 ? 从负载阻抗处沿等反射系数圆向源旋转，交匹配圆一点，由此确定单支节传输线阻抗为

-0.531245*j，取此经历的电长度为分支线与负载的距离d=198.81°*半波长 ? 在导纳圆图上标出该点位置，从开路点出发向源方向旋转到标识位置，取此经历的电长

度为分支线的长度l=303.93°*半波长

3． 设计单枝节匹配网络，在图上确定分支线与负载的距离以及分支线的长度，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。

4． 画出原理图。注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响，选择适当的模型。

调谐后的电路图为： 4

5． 添加矩形图，添加测量，测量输入端的反射系数幅值。

双支节

1．根据已知计算出各参量。写入Output Equations。

2． 画出Smith原图。

绘图步骤：

? 根据两枝节间隔长度为1/8波长，绘出辅助圆位置

? 在图中标出负载处位置，沿等反射系数圆向源方向旋转180度，该点为y1’点

? 从y1’点沿等电导圆旋转，交辅助圆于y1点，通过y1点导纳值减去y1’点导纳值得到第

一个枝节的阻抗值。 ? 在图中标出该阻抗值点，从开路点向源方向旋转到标出的阻抗值点，经过的电长度为第

一枝节的长度。

? 从y1点沿等反射系数圆向源方向旋转，交匹配圆于y2’点，1-y2’的阻抗值为第二枝节的

阻抗值，在图中标出该阻抗点，从开路点向源方向旋转到该点，经过的电长度为第二枝节的长度

3． 画出原理图。

调谐后的原理图为：

得到调谐后矩形图：

实验三 微带多节阻抗变阻器

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

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，以保证最大功率的功率：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避免线间反射，也应在两者之间加变阻器。 单节λ/4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，常采用多节阻抗变换器。如下图所示， 多节变阻器的每节电长度均为θ；

Z0,Z1,Z2??，Zn为各节的特性阻抗，

Zn?1为负载阻抗，

并假设Zn+1＞Zn,……Z2＞Z1，Z1＞Z0。

其中ρi＝z i/z i-1 Γi=(ρi-1)/(ρi-1+1)

在上图中，变阻器的阻抗由Z0变到Zn+1，对Z0归一化，即由z0＝0变到zn+1＝R，R即为阻抗变换比。其中ρ1，ρ2……ρn+1为相邻两传输线段连接处的驻波比。根据微波技术的基本原理，其值等于大的特性阻抗对小的特性阻抗之比。Γ1，Γ2，……Γn+1则为连接处的反射系数，为了使设计简单，往往取多节变阻器具有对称结构，即使变阻器前后对称位置跳变点的反射系数相等，Γ1＝Γn+1,Γ2=Γn……。

定义下列公式为变阻器的相对带宽和中心波长：

f0?(f1?f2)/2D?(f2?f1)/2

f其中f1 和f2 分别为频带边界的传输线波长，0 为传输线中心波长，D为相对带宽。

实验内容

设计仿真等波纹型微带多节变阻器。

给定指标：在2GHZ-6GHZ的频率范围内，阻抗从50欧变为10欧，驻波比不应超过1.15，介质基片H=1mm，在此频率范围内色散效应可忽略。

实验步骤

（1）. 对于纯电阻负载，根据已知条件，算出单节和多节传输线的特性阻抗、相对带宽。 （2）. 根据各节特性阻抗，利用TXLine计算相应的微带线的长度和宽度。每段变阻器的长度为四分之一波长（在中心频率），即 = 0/4。

（3）. 对于复数负载 ，根据负载阻抗 、特性阻抗 0 ，计算归一化负载阻抗和反射系数，将负载反射系数标注在Smith圆图上，从负载点沿等驻波系数圆向源方向旋转，与Smith圆图左、右半实轴交点，旋转过的电长度 、 ，计算变换器的特性阻抗。

（4）. 根据传输线的特性阻抗，利用TXLine计算相应微带线的长度及宽度，以及对应电长度 、 的微带线长度。 （5）. 设计并完成原理图。

（6）. 添加并测试Rectangular图。

（7）. 调谐电路元件参数，使反射系数幅值在中心频率3GHz处最低。

（8）. 对于纯电阻负载，上述指标不变，采用3节切比雪夫变阻器重新设计上述阻抗变换器。

五、 实验仿真

1. 单节变换器

（1）. 利用式（1）算得Z1=86.603Ω，利用TXLine计算各微带线参数，如下表： 微带线 Z0 50 3 Z1可调 86.603 3 90 0.62801 13.83 RL 150 3 90 0.10292 14.314 Impedance(?) Frequency(GHz) Electrical Length（deg） 90 Physical Width（mm） 1.8986 Physical Length（mm） 13.254

（2）. 调谐后的原理图：

2. 2支节变换器

（1）. 利用式（4）算得Z1=65.804Ω，Z2=113.975Ω，利用TXLine计算各微带线参数，如下表： 微带线 Z0 50 3 90 1.8986 13.254 Z1可调 65.804 3 90 1.1523 13.547 Z2可调 113.975 3 90 0.28686 14.103 RL 150 3 90 0.10292 14.314 Impedance(?) Frequency(GHz) Electrical Length（deg） Physical Width（mm） Physical Length（mm）

（2）. 调谐后的原理图：

3. 3支节变换器

（1）. 利用式（4）算得Z1=57.360Ω，Z2=86.603Ω，Z3=130.753Ω，利用TXLine计算各微带线参数，如下表： 微带线 Z0 50 3 Z1可调 57.360 3 90 1.4946 13.4 Z2可调 86.603 3 90 0.62801 13.83 Z3可调 130.753 3 90 0.17822 14.216 RL 150 3 90 0.10292 14.314

Impedance(?) Frequency(GHz) Electrical Length（deg） 90 Physical Width（mm） 1.8986 Physical Length（mm） 13.254

（2）. 调谐后的原理图：

4. 切比雪夫（Chebyshev）阻抗变换器

（1）. 利用式（5），算得R=150/50=3；式（6），算得 = 1+0.1 1?0.1 = 1.222，取 = 1。参照课本附录6给出的切比雪夫阻抗变换器的设计表格，易知：归一化的 1 = 1.24988， 2

= √ = √3， 3 = / 1 = 3/1.24988 ，则实际阻抗为 1 = 1 0 = 62.494 ， 2 = 2 0 = 86.603 ， 3 = 3 0 = 120.012 。

（2）. 利用TXLine计算各微带线参数，如下表： 微带线 Z0 50 3 Z1可调 62.494 3 90 1.2742 13.492 Z2可调 86.603 3 90 0.62801 13.83 Z3可调 120.012 3 90 0.24173 14.216 RL 150 3 90 0.10292 14.314 Impedance(?) Frequency(GHz) Electrical Length（deg） 90 Physical Width（mm） 1.8986 Physical Length（mm） 13.254

（3）. 调谐后的原理图：

调谐后的S参数（与3支节画在一起，可以比较）：

可以看出：多级变换器比单节变换器能够提供更宽的有效带宽，且节数越多，带宽越宽。切比雪夫变换器比二项式变换器的带宽有明显增加，但是二项式带内平坦度较好。

5. 波节点、波腹点

（1）. 计算归一化负载阻抗和反射系数，将负载反射系数标注在Smith圆图上，在Smith圆图上标出波节点和波腹点，分别以实部虚部、幅度角度方式显示： 波节点：电长度 = （180° ? 33.69°）/2 = 73.155°，驻波比 = 1+| | 1?| | = 2.333， 1 = 0√1/ = 32.735

波腹点：电长度 = (360° ? 33.69°)/2 = 163.155°，驻波比 = 1+| | 1?| | = 2.333， 1 = 0√ = 76.371

（2）. 利用TXLine计算各微带线参数，如下表： 节点 微带线 Z0可调 32.735 波节点 Z1 50 3 73.155（LN） Z1可调 76.371 3 90 波腹点 Z0 50 3 163.155(LM) Impedance(?) Frequency(GHz) 3 Electrical Length（deg） Physical Width（mm） Physical Length（mm）

12.83 3.6269 90 1.899 0.8433 1.8986 10.74 13.705 24.027

（3）. 调谐后的波节点、波腹点原理图：

调谐后的S参数：

实验六 功率分配器

实验目的

1. 掌握功率分配器的工作原理和分析方法； 2. 掌握微带线功率分配器的设计和仿真。

实验原理

功分器是一种功率分配元件，它是将输入功率分成相等或不相等的几路功率，当然也可以将几路功率合成，而成为功率合成元件。在电路中常用到微带功分器，其基本原理和设计公式如下：

图表 1 二路功分器

图1是二路功分器的原理图。图中输入线的特性组抗为别为

Z0 ,两路分支线的特性阻抗分

Z02和

Z03

，线长为

?0/4，?0/4为中心频率时的带内波长。图中R2,R3为负载阻抗，

R为隔离阻抗。

对功分器的要求是：两输出口2和3的功率按一定比例分配，并且两口之间相互隔离，当两口接匹配负载时，1口无反射。下面根据上述要求，确定

Z02，

Z03R2,R3

及R的计算

公式。

设2口、3口的输出功率分别为 ，对应的电压为 .根据对功分器的要求，则有：

P3=K2P2

|V3|2/R3=K2|V2|2/R2

式中K为比例系数。为了使在正常工作时，隔离电阻R上不流过电流，则应 V3=V2 于是得 R2=KR3 若取 R2=KZ0 则 R3=Z0/K

因为分支线长为λe0/4，故在1口处的输入阻抗为： Zin2=Z02/R2

2

2

Zin3=Z032/R3

为使1口无反射，则两分支线在1处的总输入阻抗应等于引出线的Z0，即 Y0=1/Z0=R2/Z02+R3/Z03若电路无损耗，则

|V1|/Zin3=k|V1|/Zin2 式中V1为1口处的电压

2

2

22

2

所以 Zin=KZ03

2

Z02=Z0[(1+K2)/K3]0.5 Z03=Z0[(1+K2)K]0.5

下面确定隔离电阻R的计算式。

跨接在端口2、3间的电阻R，是为了得到2、3口之间互相隔离得作用。当信号1口输入，2、3口接负载电阻 时，2、3两口等电位，故电阻R没有电流流过，相当于R不起作用；而当2口或3口得外接负载不等于R2或R3时，负载有反射，这时为使2、3两端口彼此隔离，

2

R必有确定的值，经计算R=Z0(1+K)/K

图1中两路线带之间的距离不宜过大，一般取2～3带条宽度。这样可使跨接在两带线之间的寄生效应尽量减小。

实验内容

设计仿真一个两路微带功分器。已知：端口特性阻抗： 0= 50 ，功分比： 2=1.5 ，介质基片： =4.6， =1 ，导体厚度 远小于介质基片厚度 。

指标如下：

当中心频率2GHz，相对带宽为20%时，（1）两端输出的功分比（| 31 21|2）为1.495~1.505（即两端口的传输功率| 31|和| 21|相差10 1.495~10 1.505，也即 . ~ . ）；（2）两输出端口的隔离度（20 | 32|）不小于25dB。

实验步骤

（1）. 根据已知条件利用上述公式计算各电阻及阻抗值。

（2）. 利用TXLine计算相应微带线的长度及宽度。建立一个新项目，选择单位和项目频率1.8~2.2GHz。

（3）. 输入原理图，根据微带线的不均匀性，选择适当模型。注意：用两段微带线与电阻R的两端相连接，微带线的阻抗特性与R一致，其宽度由R决定，长度可以调节。 （4）. 添加测量，测量输入端口到两个输出端口的传输系数以及隔离度。 （5）. 仿真分析。 （6）. 调谐元件参数。

实验仿真

1. 功分比 = .

（1）. 按照指标要求用公式计算各阻抗值。

计算结果： =61.237 ， =40.825 ， =87.491 ， =58.327 ， =102.062 ， =55.334 ， = 45.180

（2）. 再由TXLine算得其对应的微带线参数。 =87.491 W=0.60617mm，L=20.83mm

=58.327 W=1.4371mm，L=20.213mm

=102.062 W=0.40064mm，L=21.033mm

=55.334 W=1.5804mm，L=20.13mm

= 45.180 W=2.2223mm，L=19.818mm

= 50 W=1.8825mm，L=19.972mm

（3）. 先设计TL1，TL4，TL11，TL2，TL5：

TL1，TL4，TL11应该与 匹配：W=1.8825mm，L=19.972mm TL2为 ：W=2.2223mm，L=19.818mm TL5为 ：W=2.2223mm，L=19.818mm （4）. 以下设计TL3，TL6，TL9，TL10：

TL3加上TL9为 ，所以W3=W9=0.60617mm，L3+L9=LZ02=20.83mm TL4加上TL10为 03 ，所以W4=W10=1.4371mm ，L6+L10=LZ03=20.213mm

又因为两路带线之间的距离不宜过大,一般取2~4带条宽度（对应特征阻抗 ， 较宽的带条宽度，这里带条宽度为W5=2.2223mm），且宽度相等（即L3=L6），设电阻的长度为3mm。

（5）. 以下设计TL7，TL8：

因为TL7和TL8的宽度要与 = . 匹配（即W7=W8=WR），并且电阻R的长度加TL7、TL8的长度之和等于TL9，TL10长度之和，即R+L7+L8=L3+L6。

（6）. 由于图中变量很多，且相互约束，为了减少调谐时的麻烦，采用全局变量的方法，全局变量申明为：设L3=L6=X，L7=Y1，L8=Y2，L9=a，L10=b。

（7）. 调谐后的各参数：

TL9：W9=0.60617mm，L9=2.87mm； TL10: W10= 1.4371mm，L10=2.253mm； TL3：W3=0.60617mm，L3=17.96mm； TL6：W4=3.989mm，L4=17.96mm； TL7：W7=0.40064mm ，L7=0.6488mm； TL8：W8=0.40064mm，L8=1.474mm；

且（ + ）/ = . ，在2~4倍之间，在符合要求。

（8）. 调谐后的原理图：

（9）. 调谐后的S参数：

可以看出：在2Ghz时，S[2,1]，S[3,1]的差为1.774dB，在 . ~ . 之间，隔离度S[3,2]都不小于25dB，符合要求。 2. 功分比 = 同上述原理：

（1）. 按照指标要求用公式计算各阻抗值及其对应的微带线参数：

= = 50

= 70.71 W=0.98629mm，L=20.515mm = 70.71 W=0.98629mm，L=20.515mm = 100 W=0.42472mm，L=21.007mm = 50 W=1.8825mm，L=19.972mm = 50 W=1.8825mm ，L=19.972mm = 50 W=1.8825mm，L=19.972mm

（2）. 调谐后的各微带线参数：

TL1，TL4，TL11与 匹配：W=1.8825mm，L=19.972mm TL2：W2=1.8825mm，L2=19.972mm TL5：W5=1.8825mm，L5=19.972mm； TL9：W9=0.98629mm，L9=2.495mm； TL10：W10= 0.98629mm，L10=2.495mm； TL3：W3=0.98629mm，L3=18.02mm； TL6：W4=0.98629mm，L4=18.02mm； TL7：W7=0.42472mm，L7=0.507mm； TL8：W8=0.42472mm，L8=1.483mm；

且（ + ）/ = . ，在2~4倍之间，在符合要求。

（3）. 全局变量申明：

（4）. 调谐后的原理图：

（5）. 调谐后的S参数：

可以看出：两个输出端口的功率（S[2,1]，S[3,1]）相等，即当功分比 = 时，上述功分器变为等分功分器，它将输入功率分成相等的两路，与理论结果一致。且隔离度S[3,2]都不小于25dB，符合要求。

心得体会

通过几次课上的微波实验，完成了实验内容，虽然过程中遇到很多困难，但是收获很大。本次实验完成了单双直接支节匹配、微带多节阻抗匹配和微带公分器进行了复习和上机操作，加深了理解。

实验过程中，开始由于对元器件不熟悉，经常添加错误元器件的类型，导致结果不正确，例如把短路线用成了开路线，在做双枝节匹配时，由于理论知识遗忘了很多，导致实验做了好久，不过也正是这样，我才真正掌握了理论知识，实现匹配时，需要耐心调节微带线的参数，使实验结果符合指标，最后一个微带功分器，理论课上没有讲，我自学了相关内容，然后完成实验，锻炼了自己的自学能力。

实验的完成离不开老师的帮助，老师为我解决了很多理论和操作上的疑问，十分感谢老师。