重庆大学微波技术基础实验学习教案

1、会计学1第一页，共74页。第1页/共74页第二页，共74页。微波实验所需软件(run jin)的简介1)电路设计所需要(xyo)的软件(microwave office、ADS 、ansoft Designer)2)ADS基本功能的简介(包括：S参数(cnsh)仿真、smith圆图工具、Linecalc工具)第2页/共74页第三页，共74页。一、实验(shyn)目的第3页/共74页第四页，共74页。项目设备名称数量备注1M O T E C H RF2000 测量仪一台亦可用网络分析仪2微带线 模组一套RF2KM1-1A,3MICROWAVE软件1套微波电路设计软件41M BNC 连接线2条CA

2、-3、CA-4（黑色）550 BNC 连接线2条CA-1、CA-2 (粉红色)第4页/共74页第五页，共74页。三、理论(lln)分析（见书上无耗传输线输入阻抗公式）四、软件仿真（得到反射系数、输入阻抗）(1)负载短路情况下的特性(在理想微带线库中选(zhng xun)元件)第5页/共74页第六页，共74页。(2)负载开路情况(qngkung)下的特性第6页/共74页第七页，共74页。(3)负载(fzi)为复阻抗下的特性第7页/共74页第八页，共74页。(3)负载为纯电抗(dinkng)下的特性第8页/共74页第九页，共74页。软件仿真任务：(1)仿真负载(fzi)为不同阻抗(开路、短路、复阻

3、抗、纯电抗条件下的传输线的反射系数、输入阻抗)四、硬件(yn jin)测量第9页/共74页第十页，共74页。实验(shyn)二、匹配理论、了解基本的阻抗匹配理论及阻抗变换器的设计方法。 2、利用实验模组实际(shj)测量以了解匹配电路的特性。 3、学会使用软件进行相关电路的设计和仿真，分析结果。第10页/共74页第十一页，共74页。项目设备名称数量备注1M O T E C H RF2000 测量仪一台亦可用网络分析仪2阻抗交换器模组一套RF2KM2-1A (mod-2A,mod-3MICROWAVE软件1套微波电路设计软件41M BNC 连接线2条CA-3、CA-4（黑色）550 BNC 连接

4、线 2条CA-1、CA-2 (粉红色)第11页/共74页第十二页，共74页。三、理论(lln)分析（见书上）(1)集总元件实现的L型匹配网络(2)分布参数(cnsh)实现的L型匹配网络(3)双枝节线匹配四、软件的使用(1)打开软件的Smith圆图工具(2)确定工作频率、负载的归一化阻抗值(3)利用LC网络实现匹配(4)同一个负载阻抗值采用分布(fnb)参数实现匹配(5)对匹配网络进行S参数仿真第12页/共74页第十三页，共74页。LC网络实现(shxin)匹配S参数(cnsh)仿真第13页/共74页第十四页，共74页。第14页/共74页第十五页，共74页。分布(fnb)参数实现匹配S参数(cn

5、sh)仿真第15页/共74页第十六页，共74页。第16页/共74页第十七页，共74页。软件仿真任务：(1)采用集总参数匹配负载(fzi)(2)采用单枝节分布参数匹配负载(fzi)(3)采用双枝节分布参数匹配负载(fzi)第17页/共74页第十八页，共74页。第18页/共74页第十九页，共74页。一、实验(shyn)目的第19页/共74页第二十页，共74页。项目设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪一台亦可用网络分析仪2功率衰减器模组一套RF2KM3-1A (mod-3A,mod-3B)3MICROWAVE软件1套微波电路设计软件41M BNC 连接线2条CA-3、CA-4（黑色）

6、550 BNC 连接线2条CA-1、CA-2 (粉红色)第20页/共74页第二十一页，共74页。三、理论(lln)分析功率衰减器的指标包含工作频率范围，衰减量、功率容量、回波损耗等等。一般低频的才采用(ciyng)电阻的形式实现。第21页/共74页第二十二页，共74页。例如衰减10dB，输入、输出阻抗为50欧，代入上面(shng min)的公式有R371.15欧，R296.25欧，R1=96.25欧。表示需要的衰减其中型同阻式计算公式：AZRRZRPi1121100120310A第22页/共74页第二十三页，共74页。第23页/共74页第二十四页，共74页。6 . 8121121*50114

7、.141121212*5012211001203103ZRRZRT型同阻式计算公式：例如(lr)衰减3dB，输入、输出阻抗为50欧，代入上面的公式有R3141.2欧，R28.6欧，R1=8.6欧。表示需要的衰减其中型同阻式计算公式：AZRRZRT1112100120310A第24页/共74页第二十五页，共74页。第25页/共74页第二十六页，共74页。阻抗表示端口的输入、输出分别表示需要的衰减其中型异阻式计算公式：outinoutinoutinZZARZRRZRZZRPi,)1111()1111(2110132131310A例如衰减(shui jin)3dB，输入阻抗为50、输出阻抗为75欧，

8、代入上面的公式有:第26页/共74页第二十七页，共74页。7 .166)65.2115 . 023751()1111(42.72)65.2115 . 023501()1111(65.212127550*5 . 02121101011321131310310ARZRRZRZZRoutinoutin第27页/共74页第二十八页，共74页。阻抗表示端口的输入、输出分别表示需要的衰减其中型异阻式计算公式：outinoutinoutinZZARZRRZRZZRT,111112103231310A例如(lr)衰减6dB，输入阻抗为50、输出阻抗为75欧，代入上面的公式有:36.4364.815 . 05

9、. 17569. 164.8175. 025. 150,64.8175. 07550*25. 0*21241101021310610ARRZZRoutin第28页/共74页第二十九页，共74页。第29页/共74页第三十页，共74页。例如衰减3dB，输入阻抗为50、输出阻抗为75欧，代入上面(shng min)的公式有:8 .512 .1735 . 05 . 1752 .232 .1735 . 05 . 150,2 .1735 . 07550*5 . 0*21221101021310610ARRZZRoutin设计(shj)任务：设计(shj)T型，PI型同阻和异阻结构的衰减器第30页/共74页

10、第三十一页，共74页。第31页/共74页第三十二页，共74页。一、实验(shyn)目的第32页/共74页第三十三页，共74页。项目设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪一台亦可用网络分析仪2功率分接器模组1A、2A一套RF2KM4-1A RF2KM4-2A350终端负载1个LOAD4THRU端子1个THRU（RF2KM）5MICROWAVE软件1套微波电路设计软件61M BNC 连接线2条CA-3、CA-4（黑色）750 BNC 连接线2条CA-1、CA-2 (粉红色)第33页/共74页第三十四页，共74页。2、各类型等功率分配器： 根据功率分配器的组成形式(xngsh)可以分为

11、三种类型功率分配器，即集总参数构成的型电阻式功率分配，Y型电阻式功率分配器；分布参数构成微带功率分配器。电阻式功率分配器的特点：频带宽、布线面积小、设计简单，缺点是功率损耗较大(6dB) Power dividerPort2 ,P2Port3,p3 Port1 P11、功率分配器的原理功率分配器是一个(y )三端口元件，如图所示，根据能量守恒有第34页/共74页第三十五页，共74页。型电阻(dinz)式功率分配器如图所示由于电路的对称型，因此端口2和端口3的输出电压(diny)是相等的。其端口2的电压(diny)等于：Y型电阻(dinz)式功率分配器如图所示第35页/共74页第三十六页，共74

12、页。由上面的电路分析可以知道，电阻功率(gngl)分配器，输出端口总的功率(gngl)为输入端口功率(gngl)的0.5倍，因此有一半的功率(gngl)被消耗在电阻网络中。第36页/共74页第三十七页，共74页。设计任务：设计两种集总参数电阻(dinz)等功率分配器； 微带wilkinson等功率分配器微带wilkinson等功率(gngl)分配器微带wilkinson功率(gngl)分配器设计公式第37页/共74页第三十八页，共74页。第38页/共74页第三十九页，共74页。第39页/共74页第四十页，共74页。一、实验(shyn)目的第40页/共74页第四十一页，共74页。项目设备名称数量

13、备注1MOTECH RF2000 测量仪一台亦可用网络分析仪2方向耦合器模组2组RF2KM5-1A RF2KM5-2A350终端负载1个LOAD-1、LOAD-2450负载端子2个550 BNC 接头2个THRU6MICROWAVE软件1套微波电路设计软件71M BNC 连接线2条CA-3、CA-4（黑色）850 BNC 连接线2条CA-1、CA-2 (粉红色)第41页/共74页第四十二页，共74页。 定向耦合器的技术指标包括(boku)频率范围、插入损耗、耦合度、隔离度、方向性性等。如图所示输入端口的功率为P1,信号传输端口的功率为P2,信号耦合端口的功率为P3,信号隔离端口的功率为P4。第

14、42页/共74页第四十三页，共74页。 1、集总参数定向耦合器的设计(shj)集总参数构成的定向耦合器有低通L-C,和高通L-C两种形式。如图所示 1、确定耦合器的指标(zhbio)，包括耦合系数C(dB)、端口的等效阻抗Z0、电路的工作频率f。 2、利用下面的公式进行计算：第43页/共74页第四十四页，共74页。3、分别对构成定向(dn xin)耦合器的不同结构计算元件值a.低通结构b.高通结构(jigu)第44页/共74页第四十五页，共74页。例子:设计一个工作频率为1GHz,-10dB低通L-C支路(zh l)耦合器，端口阻抗为50欧。NoImage第45页/共74页第四十六页，共74页

15、。2）微带3dB定向(dn xin)耦合器的设计，其支线阻抗如图所示第46页/共74页第四十七页，共74页。微带3dB定向(dn xin)耦合器的分析：1）奇、偶模激励(jl)(等效观点,将特性阻抗进行归一化分析)2）偶模激励(jl)第47页/共74页第四十八页，共74页。3）奇模激励(jl)第48页/共74页第四十九页，共74页。040302012121212121212121eeeeBBBB对于偶模激励(jl)对应的ABCD矩阵可以表示为参见书上(表6.6-1)：10121101022/0101jjjjjDCBAe各个端口的归一化出射波的电压(diny)幅度：第49页/共74页第五十页，共

16、74页。根据ABCD矩阵和传输(chun sh)，反射系数的关系有(见公式6.5-5)：)1 (21112201111jjjDCBAjjjjDCBADCBAee对于奇模激励(jl)对应的ABCD矩阵可以表示为：11212/12/2/2/11012/122/0101022/0101jjjjjjjjjjjDCBAo第50页/共74页第五十一页，共74页。)1 (2112) 11 (212201111jjjjDCBAjjjjDCBADCBAeo度相移），具有到端口（半功率，从端口是匹配的端口90212)1 (221)1 (2212121)1(021210201jjjBBee综上所述：第51页/共74

17、页第五十二页，共74页。)4(00021211803121)1 (221)1 (22121210403无功率输出，即隔离端端口度相移），具有到端口（半功率，从端口eeBjjB第52页/共74页第五十三页，共74页。*设计(shj)任务设计(shj)一个集总参数的定向耦合器和一个微带的3dB定向耦合器第53页/共74页第五十四页，共74页。一、实验(shyn)目的第54页/共74页第五十五页，共74页。项目设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪一台亦可用网络分析仪2低通滤波器模组1组RF2KM6-1A，（mod-6A）350终端负载1个LOAD-1、LOAD-24带通滤波器模组1个

18、RF2KM6-1A，（mod-6B）6MICROWAVE软件1套微波电路设计软件71M BNC 连接线2条CA-3、CA-4（黑色）850 BNC 连接线2条CA-1、CA-2 (粉红色)第55页/共74页第五十六页，共74页。1、滤波器的类型(lixng)a)低通滤波器b)高通滤波器c)带通滤波器d) 带阻滤波器2技术参数a)插入损耗：定量(dngling)描述功率响应幅度和0dB基准的差值第56页/共74页第五十七页，共74页。b)波纹：描述通带内信号响应(xingyng)的平坦度c)3dB带宽：定义为通带内衰减(shui jin)3dB处上边带频率和下边带频率之间的差值(分数带宽)d)带

19、外抑制（阻带抑制):在理想的情况下，希望滤波器在阻带中具有无穷大的衰减量，但实际中只能使用有限的元件数目来实现滤波器，因此通常将60dB作为阻带计算(j sun)的设计值第57页/共74页第五十八页，共74页。两种归一化低通滤波器的实现方式如下图所示，其中串联(chunlin)电感和并联电容交替出现。g0为电路的源电阻或电导，gi为串联(chunlin)电感或并联电容，gN+1为负载电阻或电导等波纹切比雪夫低通原型的值可以(ky)通过下面的公式来求取第58页/共74页第五十九页，共74页。为了满足需要的通带波纹(bwn)大小LAr，以及在频率S处的阻带衰减量LAS， Chebyshev滤波器低

20、通原型的阶数可以通过下式确定(a)低通滤波器原型(yunxng)(b)低通滤波器响应的频率(pnl)定标如图所示为了将低通原型的截止频率从1变换到C，需要乘以因子1/ C来定标滤波器的频率，这是通过用/ C来代替得到的.第59页/共74页第六十页，共74页。对于低通原型中的串联电感jXL, 并联电容(dinrng)jXC,变换为低通滤波器中的感抗、容抗为：由上面的式子可以知道由低通原型变换为低通滤波器，其元件的性质(xngzh)不变，只是元件的值进行一定比例的变化，其变化的大小关系由上式确定.（即频率变换）得到了低通实际低通滤波器的电容、电感值，需要(xyo)将其变换为实际源、负载阻抗条件下的

21、电容、电感值。（即阻抗变换）第60页/共74页第六十一页，共74页。由低通原型到低通滤波器实际(shj)元件值的计算的公式为：例子：设计一个最平坦的低通滤波器，其截止频率为2GHz,源阻抗为50欧，在3GHz频率处至少具有(jyu)15dB的衰减，计算和画出频率为0到4GHz范围内的频率响应。 C为中心角频率第61页/共74页第六十二页，共74页。首先(shuxin)找出在频率为3GHz处满足插入损耗特性要求的最大平坦响应的滤波器阶数。|/ C|-1= | 3/2|-1=0.5,即元件数n=5可以满足，对应的低通原型值为：g1=0.618,g2=1.618,g3=2.000,g4=1.618,g5=0.618以第一个低通元件为并联电容作为电路(dinl)的结构,由设计公式第62页/共74页第六十三页，共74页。第63页/共74页第六十四页，共74页。2、带通滤波器的设计:带通滤波器由低通原型(yunxn