电磁场与微波实验指导书(实验一).docx

实验一 微波基础计算器与MWO软件熟悉一、 实验目的1. 掌握传输线（长线）基本理论； 2. 熟练掌握Smith圆图的工作原理；3. 熟练使用微波技术基础计算器计算单枝节线匹配。 4. 熟悉MWO软件界面和基本操作。 二、 实验原理微波技术基础计算器是以微波计算为基础的进行专业计算的工具。实现了微波技术基础理论中长线（传输线）理论、Smith圆图、网络理论等部分的计算。此计数器共包括：长线上任意点输入阻抗、反射系数、行波系数、驻波比的计算；smith圆图的绘制；任意长线和负载的单枝节匹配；双口网络S、Z、Y、A参数的相互转换。1、长线理论基础知识回顾：-微波传输线（长线）理论 (Q1: 传输线理论中基本物理量是什么？)电压波与电流波（入射与反射）关系：理想(无耗)均匀传输线的传输特性归结为两个实数：传播常数b和特性阻抗Z0。传输线理论三套参量：输入阻抗Zin，反射系数G，驻波参量（驻波系数r和最小距离lmin）三套参量间的换算关系：三套参量同时一个单位圆内表示1）由横坐标表示反射系数实部，纵坐标表示反射系数虚部，构成反射系数复平面；2）对于一个无耗均匀传输线，其反射系数的模是不变的，变化的是位相（位置）构成反射系数同心圆；以负载为参考面向源移动时，位相角减少，顺时针转动3）驻波系数在反射系数复平面上也是同心圆，4) 阻抗在反射系数复平上表示时要归一化；某一点的阻抗由经过该点的等电阻圆与等电抗弧线确定。纯电抗纯电阻开路点短路点匹配点2、并联单枝节传输线匹配1) 终端短路传输线相当于一个纯电抗2) 在主传输线上并联一个短路面位置可调的支路传输线，相当并联一个可变电抗。3) 由于并联枝节，进行匹配设计时用导纳方法表示更为方便。三、 微波基础计算器的使用有了这些基本概念之后，我们就可以学习微波计算器的使用方法。这个计算器实际上就是利用以上的公式，编成、作图完成的，国内外也还有很多类似的软件。微波计算器的主界面如图1所示。 图1 微波计算器主界面选择图1中所示的“长线”工具。出现如图2所示的窗口。 图2 长线理论窗口需要输入的参数有特性阻抗、负载阻抗、工作波长、线长。其中线长为图中整个线的长度。图中当前点的线长为0.544。且线长与波长的单位保持一致。计算器根据你输入的参数，再根据传输线公式，可以计算出图中当前绿色标记处的输入阻抗和导纳。并且计算出当前点的反射系数等参数。1、 阻抗圆图选择图1中所示的“阻抗”或“导纳”工具，会相应出现图3的阻抗圆图窗口。 图3 阻抗圆图以阻抗圆图为例，窗口中需要输入的参数有三个：反射系数、归一化电阻、归一化电抗，相应在左边的画出等反射系数圆、等电阻圆、等电抗圆。等电阻圆和等电抗圆的交点便是阻抗为21j的点（对应图中输入的参数）。另外通过下方的“自动获取数据”选项可以自动长线计算的窗口中获取计算数据，并自动绘制当前点的圆图。如果选中“自动刷新”，可以使两个窗口中的数据自动保持同步。这时拖动长线窗口中的绿色标记，可以看到圆图随距离的变化。 2、 单枝节匹配选择图1中所示的“匹配”工具，会相应出现图5所示的窗口。 图5 单枝节匹配同样，在此窗口中，输入相应的参数，软件会自动算出单枝节匹配的匹配点和相应的长度。四、 实验内容：1、 长线计算设置特性阻抗为50欧姆，负载阻抗我们选择100j 50，波长输入1，线长输入5，此处波长与线长都为相对值，计算线长Z为2.2、3、4.6三处的输入阻抗和反射系数，并且通过电磁场与电磁波教材上相应的传输线公式和反射系数公式验证。2、 阻抗圆图使用在反射系数中输入0.441j 0.073，归一化电阻输入“2”，归一化电抗输入“1”，最后选择“开始绘制”按钮，左边便相应的出现反射系数圆图、值为2的等电阻圆，值为1的等电抗圆。等电阻圆与等电抗圆的点便是归一化阻抗为2j 的点。接下来我们选择“自动获取数据”、“窗体半透明”和“自动刷新”三个选项。此时圆图的数据便实时的直接来自与长线计算器的计算结果。改变长线计算器绿点的位置时，圆图会自动随着进行相应的改变。(用这个功能，可以实现利用微波技术理论课上讲述的基本概念完成传输线的匹配。)使用微波基础计算器计算特性阻抗为 50 欧姆，负载阻抗为 200+150j，取波长为 1 线长为 4（波长线长为相对值）。计算线长 Z 为 2.5 和 3.5 两处的输入阻抗和反射系数。并画出 Z 为 2.5 时的阻抗 圆图。 3、 单枝节匹配特性阻抗为50欧姆，终端负载为50+j 100，使用单枝节匹配，求枝节的位置d和长度L。五、 Microwave Office 2003 实例演示我们通过一个实例来综合讲解MWO。此实例为设计一个非线性二极管检波器，具体步骤如下： 1、新建一个Project从菜单中选择File下的New Project 电路原理图保存此新项目，选择Save Project As：Rectifier 2、创建一个新的电路原理图右键单击Project View界面下的Circuit Schematics，点击New Schematics，建立一个空白的原理图；选择Elem Browser，按图MWO_18完成原理图。左键单击Elem标签，在Nonlinear中选择Diode，此时下方窗口将出现一些Diode元件；选择窗口中的Sdiode元件，将其拖入原理图；重复上面步骤，将Sources中的ACVS，Lumped Element中的RES，MeasDevice中的V_meter拖进原理图。最后如图进行连线；在原理图的任何图表符号上，双击左键可编辑参变量，完成原理图中元件参数设置。 3、设置仿真频率左键双击Project Options，出现属性对话框；点击Frequency Values，改变单位为MHZ，且选择Single Point复选框，且在Point文本框中输入500（MHZ），点击Apply键确定。4、添加输出图表添加变量右键单击Project View中的Graphs，点击Add Graphs，选择矩形框，命名为Graph1。然后为新建的矩形图框添加测量，右键单击Graph 1，单击Add Measurement，出现Add Measurement对话框。在对话框的Meas.Type中选择Nonlinear Voltage， Measurement选择Vtime， Data Source Name默认， Measurement Component选择ACVS.V1， Offest选择 FirstPoint，单击Apply。如图所示。然后再改变Measurement Component，选择VMeter. VM1，最后OK 按钮确定。 5、分析电路单击工具栏Analyze图标，输出方框图Graph1将出现如图所示的输出波形。 输出结果图6、电路的谐调与优化（Tune and Optimization）激活原理图，双击ACVS，勾选Mag中的Tune将变量M设为调谐。打开菜单Tune 选项，其上的变量值可以拖动，可以看到仿真图表随着变量的变化而变化。 7、Optimization功能右键点击Object View上的Optimizer Goals，点击Add，出现一个对话框，其上可以设置优化目标，优化范围，优化方式。将需要的参数输入其中，点击OK。本例无因为简