微波技术虚拟实验报告

微波技术虚拟实验报告学 院： 电子工程学院专 业： 信息对抗技术班 级： 020532 本硕班姓 名： 朱明忠07056109成 绩：实验2B放大器非线性分析设计要求: 设计一放大器，分析其性能。实验仪器：硬件：PC机，软件：MicrowaveOffice 软件设计步骤：（1） 创建原理图， 添加元件，设置非线性端口激励，输入功率设置为原理图

Pwr=-20dbm,完成2）添加图表，添加测量项，分析电路，观察功率输出频谱。3）调节输入功率电平，调节Pwr参数，观察时域及频域的相关变化。实验数据记录与结果显示：DCVSID=V1V=2VINDID=L1CAPL=100nHID=C2C=1pFPORT1CAPP=12Z=50OhmID=C1PORTPwr=-17.7dBmC=1pFTOM1P=21Z=50OhmID=F1AFAC=1NFING=13TimeDomain1050-5Itime[PORT_1,1,1](mA)AmplifierNonlinearAnalyse-10Itime[PORT_2,1,1](mA)AmplifierNonlinearAnalyse-150 0.5 1 1.5 2Time(ns)10SpectrumGraph|Iharm[PORT_1,1,1]|(mA)8AmplifierNonlinearAnalyse|Iharm[PORT_2,1,1]|(mA)6AmplifierNonlinearAnalyse420012345Frequency(GHz)TimeDomain1050Itime[PORT_1,1,1](mA)-5AmplifierNonlinearAnalyseItime[PORT_2,1,1](mA)AmplifierNonlinearAnalyse-1000.511.52Time(ns)SpectrumGraph6|Iharm[PORT_1,1,1]|(mA)AmplifierNonlinearAnalyse|Iharm[PORT_2,1,1]|(mA)4AmplifierNonlinearAnalyse200 1 2 3 4 5Frequency(GHz)实验结果分析与总结：调节输入功率 Pwr时，可以看出对输出有明显的影响。练习使用 MicrowaveOffice 软件，建立模型并进行仿真分析。实验3螺旋电感的电磁分析设计要求：设计一个螺旋电感，画出电磁结构图。进行电磁模拟分析，观察二维及三维的电流分布。实验仪器：硬件：PC机，软件：MicrowaveOffice软件设计步骤：（1） 在新工程中正确创建电磁结构图，设置边界尺寸及网格大小：X-Dimension=320,Y-Dimension=320,X-Divisions=32,Y-Divisions=32 ，添加介质层，设置 Thickness=20;AddConductor 绘制螺旋电感； AddRectConductor绘制输出线；AddEdgePort添加端口，AddRectConductor绘制电桥；Add添加通道。（2） 在ProjectOptions 中的FrequencyValues 页设置工作频率：单位 MHz,起始：400终止：700 步长：100；分析电路 Analyze；分别激活 2-D，3-D视图，观察静态电流分布和动态电流分布。实验结果记录与显示：EMSpiral 二维图12二维动态电流分布图三维动态电流分布图实验结果分析与总结：由静态以及动态电流分布可以看出，螺旋电感中电流的大小，方向都随时间程周期性变化，所以其电磁分布是固定的。同时若改变螺旋电感的宽度电流的流向分布不变。设计螺旋电感的电磁分析的实验， 学会在AWR中如何建立电磁结构图以及绘制螺旋电感，输出线，介质层，电桥，端口，通道等。以及进行实验模拟，直观的观察螺旋电感的动态电流分布。试验4集总元件滤波器的线性分析设计要求：设计一个电感输入式集总元件滤波器。已知L1L415nH,L2L330nH,C1C38pF,C210pF,输入和输出端特性阻抗均为50。工作频率100~1000MHz。（1）画出原理图，测量S11,S21参数（单位dB）与频率的关系曲线。（2）调节元件值L1,L4,C1,C3,观察S参数的相应变化。（3）优化电路，使其满足f500MHz时，S1117dB,S211dBf700MHz时，S2130dB记录最终的优化结果：各元件值，便量值及曲线图。实验仪器：硬件：PC机，软件：MicrowaveOffice软件设计步骤：（1）创建原理图设置GlobeUnits中各个参数的单位.画图，从Elem中选择各元件。按照原理图正确绘制。（2）添加图表及测量项设置工作频率：100~1000MHz阶长：10MHz.添加矩形图，添加测量项：PortParameterS（dB）参数S11,S21。（3）测量Analyze分析电路，测量S参数的特性曲线。（4）调节将元件L1，L4，C1，C3的数值设为可调，调节各值，观察S参数的相应变化。（5）优化电路定义变量：将L1，L4的值设为变量Lin。C1，C3的值设为变量Cin.选择优化参数：将L2，L3，C2，Lin,Cin参数的优化选项激活，依次设置上限60，60，20，30，16。设置优化目标：逐步添加S11,S21参数的优化目标。f500MHz时，S1117dB,S211dB；f700MHz时，S2130dB。执行优化：OptimizeRandom(Local)，最大迭代次数5000次。开始执行优化。实验数据记录与结果显示PORTINDINDINDINDPORTID=L1ID=L2ID=L3ID=L4P=2P=1Z=50OhmL=LinnHL=30nHL=30nHL=LinnHZ=50OhmLin=15

CAPID=C1

CAPID=C2

CAPID=C3C=CinpF

C=10pF

C=CinpFCin=8初始原理图Ex4_Spectrum0-10-20-30DB(|S[1,1]|)Ex4_LPF-40DB(|S[2,1]|)Ex4_LPF-50100 300 500 700 900 1000Frequency(MHz)未优化的测量图PORTINDINDINDINDPORTP=1ID=L1ID=L2ID=L3ID=L4P=2Z=50OhmL=LinnHL=32.95nHL=32.95nHL=LinnHZ=50OhmLin=18.35

CAPID=C1

CAPID=C2

CAPID=C3C=CinpF

C=10.08pF

C=CinpFCin=9.088优化后结果图参数

Lin

（nh）

Cin（pf）

L2（nh）

L3（nh）

C2（pf）优化值

18.35

9.088

32.95

32.95 10.08表1优化后各元件及变量的值0-10-20-30-40-50

Ex4_Spectrum500.05MHz-0.08999dB700MHz-29.84dBDB(|S[1,1]|)Ex4_LPFDB(|S[2,1]|)Ex4_LPF-60100 300 500 700 900 1000Frequency(MHz)优化后的期望测量图实验结果分析与总结：画出原理图后在初始数据条件下进行仿真分析， S参数是频率的关系如初始测量图，将L1，L4，C1，C3的值设置为可调后，调节各值，S参数都会随着变化，S11的变化明显；设置优化后从测量图中可以看出，基本满足优化电路的设计要求。即：当f500MHz，时S17dB,S1dB；当f700MHz时，S30dB112121集总元件滤波器的线性分析实验的设计， 熟练使用绘图的各元件， 设置各元件参数， 更重要的是学会优化电路的分析方法， 选择优化参数，设置优化目标等。实验5功率分配器设计要求 ：设计一个三端口等功率分配器，采用微带线结构。已知输入端特性阻抗 Z0 50 ，共作频率f0 3GHz；微带线基片 r 9.8,h 1000um,T 1um.测量特性指标 S11,S21,S23(单位dB)与频率(0.5f0~1.5f0)的关系曲线。调节微带线的尺寸，使功率分配器的性能达到最佳。实验仪器：硬件：PC机，软件：MicrowaveOffice 软件设计步骤：（1）组织计算Z02,Z03的长度均为p0/4。Z02Z032Z0;Z04Z05Z0;r2Z0,将计算结果填入表1（2）微带线尺寸计算利用TXLine的自带软件带入相关参数计算微带线尺寸。（3）完成电路图，测量个特性指标依次设置单位，工作频率1.5~4.5GHz,阶长0.01），画电路图，添加图表，测量项。分析电路，观察所得曲线。（4） 调节电路 调节电阻 r的长度，宽度，使得S11,S23在f0处尽可能小，S21尽可能接近-3Db.记录最终的调节结果。实验数据记录与结果显示：表1（已知条件：9.8,1000,1.）rhumTumf03GHz参数阻值（）电长度（deg）L(um)W(um)Z050101062.91010.4Z02,Z0370.711909864.5442.19Z04,Z0550101062.91010.4r1005564.06138.06PORTP=2

PORTP=3Z=50Ohm

Z=50OhmMLINMLINID=TL5ID=TL3W=1.01mmW=1.01mmL=1.063mmL=1.063mmTFRID=TL1W=0.2061mmL=0.4081mm2RS=501F=3GHzMTEE$33MTEE$ID=TL2ID=TL412MTRACEMTRACEID=X3ID=X2W=0.4422mmW=0.4422mmL=9.865mmL=9.865mmBType=2BType=2M=0.6MTEE$M=0.6ID=TL1123MSUBEr=9.8H=1mmT=0.001mmRho=1MTRACETand=0ErNom=1ID=X1W=1.01mmName=SUB1L=1.063mmBType=2M=0.6PORTP=1Z=50Ohm调节后的 TFR的尺寸：W=0.2061mm，L=0.4081mm0-10

Ex5_PwrDivider3GHz-3.069dB-20-30-40-50

DB(|S[1,1]|)Ex5_PwrDividerDB(|S[2,3]|)Ex5_PwrDividerDB(|S[2,1]|)Ex5_PwrDivider1.5 2.5 3.5 4.5Frequency(GHz)测量期望图实验结果分析与总结：此三端口功率分配器采用微带线结构，实现等功率分配。 功率分配器的设计继续练习电路图的绘制和结果的调节分析，使用 TXLine计算微带线的尺寸。实验6阻抗变换器设计要求：设计一个同轴线阶梯阻抗变换器，使特性阻抗分别为 Z01 50 ,Z02 100 的两段同轴线匹配链接。要求：变换器 N 2，工作频率 f0 5GHz。已知同轴线的介质为RT/Duriod5880( r 2.16),外导体直径D0 7mm。分别按以下方法设计方法一：最平坦通带特性变换器（二项式） ；方法二：等波纹特性变换器（切比雪夫式） ，反射系数模的最大值 | m|0.05确定阻抗变换器的结构尺寸，完成电路图。测量 |S11|（即反射系数模）与频率的关系曲线。调节电路使其达到指标要求，比较不同阻抗变换器的性能特点。实验仪器：硬件：PC机，软件：MicrowaveOffice软件设计步骤：（1）电路阻值，尺寸计算Z1,Z2为阻抗变换器，长度均为P0/4。1331方法一：最平坦通带特性阻抗值的计算：Z1Z024Z014,Z2Z024Z014，利用TXLine计算同轴线尺寸。将结果填入表1。方法二：阻抗值计算：Z11.21Z01,Z21.61Z01，同轴线尺寸计算同方法一。将结果填入表二。2）完成电路图，测量。设置工作频率（3~7GHz）完成电路图后分析电路，观察所得曲线。（3）调节电路要求：分别调节Z1,Z2的L及Di的尺寸，使其达到指标要求。比较不同阻抗变换器的指标：工作频率f1~f2，比较性能优劣。实验数据记录与结果显示：表1（已知条件：r2.16,D07000um,f05GHz）参数阻值（）电长度（deg）L(um)W(um)Z0150303399.72054.9Z159.4690101991629.6Z284.099010199890.96Z02100303399.7603.22COAXP2COAXP2COAXP2COAXP2ID=CX1ID=CX2ID=CX3ID=CX4Di=2055umDi=1630umDi=891umDi=603.2umDo=7000umDo=7000umDo=7000umDo=7000umPORTL=3400umL=1.02e4umL=1.02e4umL=3400umP=2PORTK=2.16K=2.16K=2.16K=2.16Z=100OhmA=0.0833A=0.0833A=0.0833A=0.0833P=1Z=50OhmF=5GHzF=5GHzF=5GHzF=0.1GHz表2（已知条件：r2.16,D07000um,f05GHz）参数阻值（）电长度（deg）L(um)W(um)Z0150303399.72054.9Z160.590101991588.680.59010199972.92Z2100 30 3399.7 603.22Z02COAXP2COAXP2COAXP2COAXP2ID=CX1ID=CX2ID=CX3ID=CX4Di=2055umDi=1589umDi=972.9umDi=603.2umDo=7000umDo=7000umDo=7000umDo=7000umPORTL=3400umL=1.02e4umL=1.02e4umL=3400umP=2PORTK=2.16K=2.16K=2.16K=2.16Z=100OhmP=1A=0.0833A=0.0833A=0.0833A=0.0833Z=50OhmF=5GHzF=5GHzF=5GHzF=5GHz0.150.1

Ex6_ImpedanceTransformer|S[1,1]|Ex6_ImpedanceTransformer1|S[1,1]|Ex6_ImpedanceTransformer23.275GHz6.726GHz0.050620.050720.0503 4 5 6 7Frequency(GHz)实验结果分析与总结：当负载阻抗和传输线的特性阻抗不相等， 或是连接两段特性阻抗不同的传输线时， 可以在其间接入一阻抗变换器，以获得良好的匹配。本实验采用的是由 1/4波长传输线段组成 2节阶梯阻抗变换器。实验7阻抗调配器已知特性阻抗为 Z0 50 的无耗均匀传输线，终端接 ZL 25 j75 的负载，工作频率f0 10GHz（即波长 0 30mm）。设计要求设计一个阻抗调配器， 分别采用短路单支节和短路双支节 （两支节间距 0/8），对传输线及负载进行匹配，用同轴线结构实现。 （微带线结构为选做实验）在0.5f0~1.5f0频带内测量特性指标 S11，进行适当调整，使之达到最佳。记录最终结果，即支节的位置及长度，并比较两种调配器的特点。实验仪器：硬件：PC机，软件：MicrowaveOffice软件设计步骤：（1）计算支节的位置，长度利用传输线理论CAI软件计算，取第二组解，算出各参数的实际值，填入表格。（2）完成电路图，测量设置单位，工作频率（5~15GHz），画电路图，添加表格，测量项，完成后分析电路，观察所得曲线。（3）调节电路要求：分别调节单支节的位置，长度，调节双支节的长度，使其达到最佳，即S11尽可能小，记录最终结果，并比较这两种调配器的特点。实验数据记录与结果显示：表1同轴线结构（已知条件：Z050,ZL25j75,L0.250,D0/8,030mm）参数dlLALBCAI软件结果0.39600.43300.30600.4440实际值（mm）11.8812.999.1813.32TLSCPID=TL1Z0=50OhmL=1.299e4umEeff=1Loss=0F0=10GHzCOAXI2COAXI2ID=CX1ID=CX2Z=50Z=50L=30umL=1.188e4umSRLPORTK=1K=1ID=RL1P=1A=0A=0R=25OhmZ=50OhmF=10GHzF=10GHzL=1.194nH10.80.60.40.205TLSCPID=TL_LBZ0=50OhmL=1.332e4umEeff=1Loss=0F0=10GHzCOAXI2ID=CX1Z=50L=100umPORTK=1P=1A=0Z=50OhmF=10GHz

Ex7_ImpedanceMatch1|S[1,1]|Ex7_ImpedanceMatch1GHz0.00611810 15Frequency(GHz)TLSCPID=TL_LAZ0=50OhmL=9080umEeff=1Loss=0F0=10GHzCOAXI2COAXI2ID=CX2ID=CX3Z=50Z=50L=3750umL=7500umSRLK=1K=1ID=RL1A=0A=0R=25OhmF=10GHzF=10GHzL=1.194nHEx7_ImpedanceMatch210.80.60.40.2|S[1,1]|10GHz0.01475Ex7_ImpedanceMatch2051015Frequency(GHz)实验结果分析与总结：无耗均匀传输线，采用短路单支节和短路双支节，对传输线及负载进行匹配，用同轴线结构实现。单支节匹配要调节L和d,即要调节短路单支节的位置，而双支节匹配只需对两并联支节的长度进行调节即可，不用调节各支节的位置，较单支节匹配要方便的多。实验8微波低通滤波器设计要求：设计一个切比雪夫式微波低通滤波器，技术指标为：截止频率2.2，在通带fcGHz内最大波纹LAr0.2dB,S1116dB;在阻带频率fs4GHz处，阻带衰减LAr30dB。输入，输出端特性阻抗 Z0 50 。方法一（必做）：用微带线实现，基片厚度H=800um，T=10um，相对介电常数r9.0；高阻抗特性阻抗Z0h106，低阻抗线Z0l10。方法二（选做）：⋯⋯⋯⋯.确定滤波器的结构尺寸，测量滤波器的参数S11,S21。进行适当调节，使之达到最佳。记录滤波器的最终结构尺寸，总结设计调节经验。实验仪器：硬件：PC机，软件：MicrowaveOffice软件设计步骤:（1）确定原型滤波器启动软件中的Wizard模块的FilterSynthesieWizard功能，输入各项技术指标，即可自带画出原型滤波器的原理图，各个元件值还可以进行优化。依次选择Lowpass;Chebyshev;在参数定义页，设置N=5，FC=2.2，PP：Ripple(db),PV=0.2,RS=50,RL=50再依次选择IdealElectricalModel;LumpedElement;ShuntElementFirst;最后生成名为Filter的原型滤波器的原理图，以及相关的测量图，优化项。将变量名C0改为Ca，C1改为Cb,相应地改变电路中的值，设置工作频率（1~5GHz），分析即得滤波器相应图，包括S参数。优化重新设置优化目标：f2.2GHz:S1116dB,S210.2dB;f4GHz:S2130dB。进行优化。优化后将结果填入表1（2）计算滤波器的实际尺寸：微带线结构高阻抗线，已知条件：r9,f01.1GHz,H800um,T10um,Z0h106，计算W,re。再由lL1lL2L0vphL010931014um计算出长度，填入表格；Z0h106re低阻抗线Z010计算W,re，再由lC1(um)lC3Z0lvplCa计算长度填入表格。（3） 完成电路，测量各特性指标创建新原理图，工作频率保持不变完成后分析电路，观察所得曲线。激活实际结构滤波器原理图，观察二维布线图以及三维布线图。记录实际结构滤波器的优化结果。实验数据记录与结果显示：Ca=1.93799Cb=3.13398L0=4.8362PORTINDINDPORTP=1ID=L1ID=L2P=2Z=50OhmL=L0nHL=L0nHZ=50OhmCAPID=C1

CAPID=C2

CAPID=C3C=CapF

C=CbpF

C=CapF图1原形滤波器参考电路图（未优化）优化，重新设置优化目标：即

f

2.2GHz

时，

S11

16dB,S21

0.2dB；f

4GHz时，

S21

30dB。元件ID

C1（PF）

C2(pF)

C3(pF)

L1(nH)

L2(nH)元件变量

Ca

Cb

Ca

L0

L0优化值

1.802

3.073

1.082

4.759

4.759Ex8_IdealFilter0-20-40-60-80

DB(|S[1,1]|)Ex8_IdealFilterDB(|S[2,1]|)Ex8_IdealFilter1 2 3 4 5Frequency(GHz)原型滤波器测量图MLINMLINMLINMLINMLINPORTID=TL1ID=TL2ID=TL3ID=TL4ID=TL5P=1W=8498umW=84.23umW=8498umW=84.23umW=8498umZ=50OhmL=1954umL=5523umL=3252umL=5549umL=1999umPORTP=2Z=50OhmMSUBEr=9H=800umT=10umRho=1Tand=1e-12ErNom= 9Name=SUB1微带线结构滤波器原理图Ex8_RealFilter0-10-20

4.004GHz-28.49dB2.204GHz-0.5744dB-30-40DB(|S[1,1]|)Ex8_RealFilter-50DB(|S[2,1]|)Ex8_RealFilter-6012345Frequency(GHz)实际滤波器优化后期望测量图二维布线图三维布线图实验结果分析与总结：若性能不符合指标要求，需对实际结构的滤波器进行优化。将各高，低阻抗线的长度设为可优化参数，再重新添加优化目标。优化电路，直到各项参数符合指标要求。微波技术虚拟实验总结：对两大软件的认识：AnsoftHFSS，是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端口特征阻抗和传输常数；③S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④结构的本征模或谐振解。而且，由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。MicrowaveOffice，是AWR公司推出的微波EDA软件，是进行射频微波电路设计及仿真的专