《电磁场与微波技术实验教程》课件第3章

实验1传输线波形演示及圆图应用

实验2MicrowaveOffice软件系统介绍及应用

实验3螺旋电感的电磁分析

实验4集总元件滤波器

实验5功率分配器

实验6阻抗变换器

实验7阻抗调配器

实验8微波低通滤波器第3章微波电路CAD一、实验目的

(1)了解传输线上各种波形的形成及传输特点。

(2)掌握圆图的构成及计算应用。实验1传输线波形演示及圆图应用

二、实验设备

本实验采用传输线理论CAI软件进行。该软件为实验室自行开发、设计的计算机辅助教学软件，分为传输线波形演示和圆图应用两大部分。

传输线理论CAI软件主界面如图3.1.1所示。图3.1.1传输线理论CAI软件主界面三、实验内容

1.波形演示

1)入射演示

任选一种工作参数(全反射、匹配或任意状态)，观察传输线上入射电压(U+)、入射电流(I+)的形成过程；观察各点的电压、电流的旋转向量及其分布特点，注意观察波前与电源相角的关系；定点观察传输线上某点的入射波变化情况。

2)反射演示

负载分别设为全反射、匹配以及任意状态时，观察传输线上反射电压(U－)、反射电流(I－)的形成过程，比较二者的相位关系；比较反射波(U－、I－)与入射波(U+、I+)之间的相位关系，注意观察传输线末端的反射情况。

3)驻波演示

设定负载为全反射(开路、短路或纯电抗)状态，观察传输线上驻波电压(U)、电流(I)的形成过程，比较二者的分布情况；观察驻波(U、I)与反射波(U－、I－)、入射波(U+、I+)之间的相互关系。图3.1.2所示为电压入射波(U+)、反射波(U－)及驻波(U)的波形图。图3.1.2驻波波形演示图

2.圆图应用

1)经典例题

例3.1.1

已知传输线的特性阻抗Z0=300Ω，终端负载阻抗ZL=180+j240Ω。求反射系数Γ及驻波比ρ。

计算步骤：

(1)计算归一化负载阻抗值，，在圆图上找到对应阻抗点Z。

(2)经过Z点的等反射系数圆与实轴(纯电阻线)右半段相交，交点的归一化电阻值即为驻波比，即ρ=3。

(3)计算反射系数的模，；反射系数的相角由圆图得，Φ=90°。

例3.1.2

已知传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端负载阻抗ZL=100+j50Ω。求距离终端0.2λ处的输入阻抗Zin。

计算步骤：

(1)计算归一化负载阻抗值，，在圆图上找到对应阻抗点Z。

(2)由Z点沿等反射系数圆顺时针(向电源方向)旋转0.2电长度，即得输入阻抗点Zin，为归一化值，再乘以Z0即得实际输入阻抗值。

例3.1.3

已知传输线的特性阻抗Z0=240Ω，终端接负载时的驻波比ρ=3，第一个电压波节点与终端的间距D=0.42λ。求终端负载阻抗ZL。

计算步骤：

(1)在圆图的实轴右半段，找到R=3处，即驻波比值，对应于电压波腹点。

(2)由该点沿等反射系数圆旋转180°，即为电压波节点。

(3)再由波节点沿等反射系数圆逆时针(向负载方向)旋转0.42电长度，即得负载阻抗点Z，为归一化值，再乘以Z0即得负载阻抗ZL。

例3.1.4

已知传输线终端分别为开路、短路及接负载时，其输入阻抗依次为Zin1=－j25Ω，Zin2=j100Ω，Zin3=25－j40Ω。求传输线的特性阻抗Z0及终端负载阻抗ZL。

计算步骤：

(1)特性阻抗为，则归一化输入阻抗为，在圆图上找到输入阻抗点Zin。

(2)短路时的，圆图上短路点对应的电长度为0.18，即输入阻抗点距离终端0.18λ。

(3)由输入阻抗点Zin沿等反射系数圆逆时针(向负载方向)旋转0.18电长度，即得负载阻抗点Z，为归一化值，再乘以Z0即得负载阻抗ZL。

2)单枝节匹配

例3.1.5

已知传输线的特性阻抗Z0=200Ω，终端负载阻抗ZL=100+j250Ω，利用短路单枝节对负载进行匹配。求枝节与负载的间距d及枝节长度l。

计算步骤(见图3.1.3)：

(1)计算归一化负载阻抗值，，在圆图上找到阻抗点Z。

(2)由Z点沿等反射系数圆旋转180°得到导纳点Y，对应电长度为0.4λ。

(3)由Y点沿等反射系数圆顺时针旋转，与的匹配圆(棕色圆)相交，所转过的电长度即为枝节的间距d(用红色线表示)。有两个匹配点：，。

上匹配点对应的电长度为0.186λ，则d1=(0.5－0.4+0.186)λ=0.286λ。

下匹配点对应的电长度为0.314λ，则d2=(0.5－0.4+0.314)λ=0.414λ。

(4)上匹配点的虚部取负，为－j1.9，也就是短路枝节的输入阻抗值，对应的电长度为0.327λ，则枝节长度(用蓝色线表示)就等于由短路导纳点(对应电长度为0.25λ)顺时针转到输入阻抗点的电长度，即l1=(0.327－0.25)λ=0.077λ。

同理，下匹配点的虚部取负，为j1.9，对应的电长度为0.173λ，则枝节长度为l2=(0.25+0.173)λ=0.423λ。图3.1.3单枝节匹配示意图

3)双枝节匹配

例3.1.6

已知传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端负载阻抗ZL=100+j50Ω，利用短路双枝节对负载进行匹配。设终端与相邻枝节A的间距L=0.12λ，A、B两枝节间距d=λ/8。求两枝节的长度。

计算步骤(见图3.1.4，圆图中红色圆为的匹配圆，蓝色圆为匹配圆逆时针旋转90°(即λ/8)后得到的辅助圆)：

(1)计算归一化负载阻抗值，，在圆图上找到阻抗点A。由A点沿等反射系数圆旋转180°，得到导纳点B。图3.1.4双枝节匹配示意图

(2)由B点沿等反射系数圆(黑线)顺时针旋转0.12电长度，得到C点。由C点沿等电导圆(黄色)顺时针旋转，与辅助圆(蓝色)相交于D点和E点，即有两组解。各点阻抗值分别为

取交点D，则枝节A的输入阻抗为，对应的电长度为0.45λ，从而枝节长度为lA1=(0.45－0.25)λ=0.2λ。取交点E，则枝节A的输入阻抗为

，对应的电长度为0.151λ，从而枝节长度为lA2=(0.25+0.151)λ=0.401λ。

(3)由D点沿等反射系数圆(黑线)顺时针旋转，交匹配圆(红色)于F点。F点的虚部为0.77，则枝节B的输入阻抗值为jB2=－j0.77，对应的电长度为0.396λ，从而枝节长度为lB1=(0.396－0.25)λ=0.146λ。

同理，由E点沿等反射系数圆(黑线)顺时针旋转，交匹配圆(红色)于G点。G点的虚部为－2.8，则枝节B的输入阻抗值为jB4=j2.8，对应的电长度为0.195λ，从而枝节长度为lB2=(0.25+0.195)λ=0.445λ。一、实验目的

(1)熟悉MicrowaveOffice软件的设计环境及基本操作。

(2)掌握MicrowaveOffice软件的具体应用、设计流程。实验2MicrowaveOffice软件系统介绍及应用二、实验设备

本实验采用MicrowaveOffice软件。MicrowaveOffice软件由AWR公司开发，是进行射频、微波电路设计及研究的主流专业软件，可以对各种射频模块电路、单片微波集成电路(MMIC)、多层印制电路板(PCB)等进行高效的设计和分析；其VSS套件还可以设计完整的端对端的通信系统，并支持硬件半实物仿真。该软件界面直观，基于统一的设计平台，整合多种仿真工具，兼具开放性和交互性，是进行微波电路的理论研究和工程研发的强有力工具，在通信、电子、半导体、航天等领域都有广泛的应用。

1.软件设计环境

1)主菜单与工具条

主菜单在软件主窗口的顶部，包括File、Edit、Project等下拉菜单。

工具条在主菜单的下一行，包括一些常用选项。将光标放在任意图标上，在主窗口的底部左侧会显示该图标的说明。

主窗口的左侧为浏览页，左侧底部是各浏览页的标签，共三种。单击标签，即可打开相应的浏览页。右侧上部空白窗口为绘图工作区，下半部为状态窗口。

2)工程浏览页

单击主窗口左下方的Project标签即可激活工程(Project)浏览页，包括工程的全部选项，为分层结构，如图3.2.1所示。

图3.2.1Project浏览页

3)元件浏览页

单击主窗口左下方的Elements标签即可激活元件(Elements)浏览页，如图3.2.2所示。元件浏览页分上、下两部分。上半部分是垂直排列、可展开的元器件总表，类似于窗口浏览器。各种元件分类排列，包括线性元件、非线性元件、集总元件、微带线、带状线、传输线、信号源、元件数据库以及测量仪器等。下半部分是具体的元件模型。

绘制原理图时，首先在元件浏览页上半部分选择元件类别，然后在下半部分选择具体的元件模型，并向右侧绘图区拖放，即可在原理图中添加元件。图3.2.2Elements浏览页

4)布线浏览页

单击主窗口左下方的Layout标签即可激活布线(Layout)浏览页，如图3.2.3所示。

布线浏览页的上半部分包括以下几个选项：

(1)LayerSetup:双击Default项，弹出DrawingLayerOptions对话框，对绘图层进行编辑，包括与绘图相关的各项设置，如图3.2.3(a)所示。

(2)LayoutOptions:双击该项可打开一个对话框，对布线的相关选项进行编辑，如图3.2.3(b)所示。

(3)CellLibraries：可生成、导入布线元件。元件库可按GDSⅡ或DXF格式输入。新元件可在绘图编辑器中生成，并在此激活。

(4)LayoutCells：包括各种已有的布线单元。双击该项后，布线单元显示在布线浏览页的下半部分。

图3.2.3Layout浏览页

2.基本操作

1)工程部分

一个工程包括所有在仿真过程中用到的成分及其设置，如电路原理图、电磁结构图、测量图、变量、工作频率等，也包括此工程内不同项目的层次关系。工程内大多数项目都可以通过在工程浏览页内双击该项目图标来编辑。

(1)创建及保存新工程。从主菜单中选择File＼NewProject命令，创建一个新工程；再选择File＼SaveProjectAs命令，自选保存路径并重新命名工程。本软件工程是以*.emp文件格式保存的，一次只能载入一个工程文件。单个工程可包含多个原理图及多个电磁结构图、测量图、注释等。启动软件后，一个未命名的空白工程将被载入，也可以按用户需要自定义启动一个工程。

(2)设置工程单位。从主菜单中选择Options＼ProjectOptions命令，再选择GlobalUnits页，即可更改工程的全局默认单位。若采用公制单位，需勾选“MetricUnits”框，英制单位不用选。单位改变不会影响参数的值。

2)原理图部分

工程浏览页中的CircuitSchematics组包括两种文件：Schematic和Annotations。

Schematic：电路原理图。工程的每个原理图在CircuitSchematics组里都有相应的原理图项。

Annotations：注释。

(1)添加原理图。

在工程浏览页中右键单击CircuitSchematics组，会出现以下选项：

①New：创建空白原理图。

②Import：导入文件，即将某文件复制并作为本工程的永久文件。其中，原理图文件的扩展名为*.SCH,网表文件为*.NET。

③Link：链接文件，能处理文件但不复制到工程中。该文件必须始终适于工程读取，当其他用户更新该文件时，允许当前工程保留数据不变。

(2)编辑原理图。

在工程浏览页的CircuitSchematics组中，单击右键选择Options项，则显示一个CircuitOptions对话框，该对话框包括以下几项：

①HarmonicBalance页：设置谐波平衡模拟器，包括NumberofHarmonics(谐波数目)、IterationSettings(迭代设置)、Convergence(收敛标准)和采样数目等选项。

②CircuitSolvers页：设置电路求解器。

(3)添加元件。

创建空白原理图后，单击主窗口左下方的“Elements”标签，激活元件浏览页。在浏览页上部是所有的元器件总表，选中任意元件组；下半部分则列出具体元件，选中所需项并拖放至原理图中即可添加该元件。

①添加端口。

方法1：通过主菜单。选中原理图，从主菜单中选择Draw＼AddPort命令，或在工具条中单击Port按钮，将所选项放入原理图中。

方法2：通过元件浏览页。在Elements浏览页的上方选择Ports组，下方则显示不同应用的端口列表，选中所需项并拖放至原理图中。

②添加支路元件。

方法1：通过主菜单。选中原理图，从主菜单中选择Draw＼AddSubcircuit命令，或在工具条中单击“Sub”按钮；从对话框列表中选择数据源的名称；在GroudingType项设置支路的接地方式，其中，Normal为端口内部定义接地，ExplicitGroudNode表示添加一个为所有端口定义的公共接地点，BalancedPorts表示每个端口有各自的接地点。单击“OK”按钮，退出对话框，将所选项放入原理图中。

方法2：通过元件浏览页。在元件浏览页的上方选择Subcircuits组，下方则显示所有可用于支路的项目列表，选中所需项并拖放至原理图中。③添加连线。

添加连线的方法：将光标放在一个节点上，光标变成线圈时，左键单击此处以确定连线的起点；将光标移动到需转弯的地方，再次单击左键，标出转折点；当光标移动到另一元件节点上或另一连线顶端时，单击左键，结束该连线。中途放弃可按Esc键。

④复制与粘贴。

选中任意元件、端口以及连线等，依次按Ctrl+C、Ctrl+V，可以将其复制并粘贴到原理图中，或者作为源文件粘贴到Word、PPT等文档程序中。

⑤添加数据文件。

在工程浏览页中，右键单击DataFiles项，可选择导入数据文件。可以将S参数作为Ⅳ数据文件添加。

(4)编辑元件。

在原理图中双击元件符号，打开ElementOptions对话框，可编辑与元件属性相关的全部参数。

①ElementOptions对话框。

ElementOptions对话框包括Parameters页、Statistics页、Display页、Symbol页及Layout页等。

Parameters页用于设置元件参数，包括Name(名称)、Value(数值)、Unit(单位)、Tune(调谐)、Opt(优化)、Limit(受限)、Lower(下限)、Upper(上限)、Description(文字描述)等选项，如图3.2.4所示。图3.2.4Parameters页

Statistics页用于显示元件状态，包括Name(名称)、Use(激活)、Opt(优化)、ln％(误差)、Distribution(误差分布形式)等选项，如图3.2.5所示。误差分布形式中Uniform为平均分布，Normal为高斯分布。图3.2.5Statistics页②端口编辑。

Port(端口)编辑与普通元件的编辑相同，双击则弹出ElementOptions对话框。在对话框的Port页中，可更改端口类型，将其设置为Source(源)或Termination(终端)，并指定其他的相关属性。

③支路编辑。

支路作为普通元件进行编辑。双击支路符号，弹出ElementOptions对话框。在对话框的Groud页中，可以设置支路的接地类型。

3)线性仿真

线性模拟器采用节点分析来仿真一个电路的特性，适用于元件可由导纳矩阵描述的电路，如低噪声放大器、滤波器、耦合器等；生成的典型测量项为Gain(增益)、Stability(稳定性)、NoiseFigure(噪声指数)、Reflection

Coefficient(反射系数)、NoiseCircles(噪声周期)和GainCircles(增益周期)等。

线性模拟器可以快速、有效地仿真线性电路。线性模拟器的一个特征就是进行实时调节，调节的同时就可以看到仿真的结果，还能进行优化(Opitimize)及成品率(Yield)分析。

4)非线性仿真

非线性仿真采用谐波平衡法或Volterra级数源来激励电路。对一个非线性电路，谐波平衡分析与Volterra级数分析是无法互换的求解方法。谐波平衡法常用于功率放大器、混频器、倍频器等非线性电路，而Volterra级数法是一种线性算法，最适于弱非线性电路，如工作在低于1dB压缩点的放大器。

(1)谐波平衡。

谐波平衡仿真用于测量电路的端口激励，这是其与线性分析的主要区别。谐波平衡仿真要求添加一个端口，并规定功率、频率等参数。可以定义单个及多个激励端口，以产生单频及多频分析。原理图中的谐波平衡源一经确定，执行仿真时将自动调用谐波平衡模拟器。

(2)单频分析。

单频谐波平衡分析包括在基本频率点、基本频率的整数倍以及在直流点进行电路的仿真，要求确定基本频率及谐波的总数。

(3)多频分析。

双频及三频谐波平衡仿真用于确定在不同基本频率激励时电路的输出。双频谐波平衡分析适合混频器等电路，一个频率用于仿真本地振荡，另一个频率用于射频输入。三频谐波平衡分析可用于测量混频器的互调失真(IntermodulationDistortion)，两个频率用于射频信号，第三个作为本地振荡来驱动混频器。

(4)非线性测量。

在时域、频域均可创建非线性测量，并有完整的设置，包括大信号S参数、功率、电压及电流。因为谐波平衡仿真在每一个谐波上的扫频功率及频率上都能进行，这就需要确定级数来固定扫频参数。AddMeasurement对话框可显示各级数的详细值。

5)电磁仿真

电磁仿真利用麦克斯韦方程来计算物理几何模型的响应。由于可以仿真各种任意结构并提供很精确的结果，这种电磁仿真是比较理想的。另外，由于使用基本方程来计算响应，电磁仿真不受电路模型中的许多约束条件的限制。电磁仿真的一个局限性是计算时间较长，仿真耗时按问题大小的指数倍增长，因此减少问题的复杂性很重要，从而能及时得到结果。

电磁仿真与电路仿真对于电路设计是互补的技术，二者结合起来使用，可以解决很多设计问题。本软件的电磁模拟器，即电磁视图(EMSight)，可以仿真平面三维结构，包括多种金属及电介质层，以及各层及地之间的连接通道。电磁视图在频域采用Galerkin矩量法(MoM)，是分析微带线、带状线、共面结构以及各种任意介质的极其精确的方法。

6)布线图

布线图是原理图的物理示意图。在设计电路之后，重要的是如何显示布线图，以便进行加工生产。由于电路响应取决于构成电路的几何形状，因此布线图是高频电路设计及仿真的一个重要部分。

本软件布线图采用先进的面向对象的设计数据库，其原理图与布线图的创建是紧密结合的。在电路图中的每一个电器元件都可以指定一个布线表示式，即制版单元(ArtworkCell)，该制版单元可以为该元件建立实际的布线对象。布线图实际上就是原理图的另一种视图，在原理图中的任何改动，都将自动且立即在布线图中更新。这样，在执行仿真前省去了复杂的设计同步及返回注解的需要。

7)传输线计算器——TXLine

TXLine(传输线计算器)是MicrowaveOffice软件自带的软件包，可以对传输线的电特性和物理特性进行转换计算，包括微带线、带状线、同轴线等多种结构。

由软件的主菜单选择Tools＼TXLine，即可启动TXLine，界面如图3.2.6所示。TXLine界面上方的标签为不同结构的传输线，依次为微带线(Microstrip)、带状线(Stripline)、共面线(CPW)、接地共面线(CPWGround)、同轴线(RoundCoaxial)、隙状线(Slotline)、耦合微带线(CoupledMSLine)以及耦合带状线(CoupledStripline)。图3.2.6中所示为微带线标签页。图3.2.6TXLine界面图三、实验内容

1.整流器非线性分析

设计一个简单的二极管整流器电路，并进行非线性分析及调节。

实验前，先在本机新建一个文件夹，并以自己的学号命名(如E:＼02991001)。

实验步骤如下：

(1)创建新工程。

①启动MicrowaveOffice软件，默认为打开一个未命名的新工程。

②从主菜单中选择File＼SaveProjectAs命令，选择保存路径为自建的文件夹，工程名称取为Ex2a.emp，单击“保存”按钮。

(2)创建新原理图。

①从主菜单中选择Project＼AddSchematic＼NewSchematic命令。

②在弹出的对话框中输入原理图名称Rectifier，左键单击“OK”按钮。

(3)激活元件浏览页。

在主窗口左侧下方，左键单击Elements标签，激活元件浏览页。

(4)放置原理图元件。

①在元件浏览页上方，左键单击Nonlinear前的+号,展开元件路径，选择Diode项。

②在元件浏览页下方，选择元件SDIODE，左键选中元件符号并向右侧原理图内拖动，此时会出现一个镜像符号。

③放开左键，鼠标移至适当位置，单击左键放置元件。

(5)旋转元件。

①左键单击＋号展开LumpedElement组，选择Resistor项；在元件浏览页下方，左键选中元件RES并向右侧原理图内拖动；放开左键后先不放置，单击右键将元件旋转90°，紧靠着放在二极管右侧。

②重复以上步骤，从Sources组中选AC项，在元件浏览页下方选择元件ACVS，放置在二极管左侧。

注：不同元件引脚重叠放置后，出现绿色方块标示，即表示引脚之间已自动连接。

(6)完成电路图。

①将光标放在元件引脚的×上，光标变成线轴表示已处在引脚上；单击左键开始连线，移动鼠标到另一引脚，再单击左键确定。×应该变成绿圆圈，表示已连接。

②左键选中MeasDevice组，在元件浏览页下方选择仪表V_METER，放置并连接。

③从Interconnects组中选择GND项，添加到原理图；添加连线完成原理图。

注：绘图过程中多余的元件、连线，都可通过主菜单Edit＼Delete删除。

(7)编辑模型参数值。

①左键双击原理图中的任意元件符号，可编辑参数值。

②双击元件RES，弹出ElementOptions对话框。

③在Parameters页中编辑元件的ID，将R1改为Rload；再将电阻的Value设置为50(欧姆)；然后单击“确定”按钮。

④重复以上步骤，浏览元件ACVS的各项设置。图3.2.7整流器电路模型

(8)设置仿真频率。

①单击Project标签，回到工程浏览页。

②从主菜单中选择Options＼ProjectOptions命令，或者在左侧工程浏览页内直接双击ProjectOptions项，弹出ProjectOptions对话框。

③在Frequencies页设置工作频率：将右下角的Unit项设置为MHz；勾选SiglePoint项，输入500(MHz)；单击“Apply”按钮，则在左侧CurrentRange栏显示当前频率范围。

④单击“确定”按钮。

(9)添加图表。

①从主菜单中选择Project＼AddGraph命令，或在工具条中单击“AddNewGraph”按钮。

②在弹出窗口的NewGraph中选择Rectangular项；单击“OK”按钮，添加Graph1。

(10)添加测量项。

在左侧工程浏览页中选择Graph1项，单击右键选择AddMeasurement项。

(11)分析电路。

从主菜单中选择Simulate＼Analyze命令，对Graph1的测量项进行分析，结果如图3.2.8(a)所示。图3.2.8测量结果(a)电压波形；(b)电流频谱

(12)观察输出频谱。

重复步骤(9)~(11)，添加一个频谱分析图Graph2，将测量项由Vtime改为Vharm，结果如图3.2.8(b)所示。

(13)电路的非线性调节。

①从主菜单中选择Window＼Rectifier命令，将原理图激活为当前窗口。

②从主菜单中选择Simulate＼TuneTool命令，将鼠标移至原理窗，此时会出现一个调节工具符号，能将元件参数设置为可调的。

③用该工具选中原理图中ACVS的1V，RES的50Ω。

注：每个可调节的参数显示为蓝色，并在VariableTuner窗创建一个滑动条；与此同时，ElementOptions对话框内的Tune项也会自动同步勾选。

④从主菜单中选择Simulate＼Tune项，打开VariableTuner窗，可进行实时调节仿真，即改变元件数值的同时就能在测量图中看到调节的效果。

⑤在VariableTuner窗中调节Mag(电压)、R(电阻)参数，在Graph1(时域)、Graph2(频域)中观察相应的波形变化。

(14)编辑图表。

图表的名称、字体、颜色等都可以自行设定，一般取默认值。

用Edit＼AlltoClipboard命令，可将图表复制到剪贴板，以方便粘贴到Word、PPT等文档中，做进一步编辑处理。

(15)保存工程。

从主菜单中选择File＼Save或File＼SaveAs命令，保存工程。

2.放大器非线性分析

设计一个简单的放大器电路，并进行非线性分析及调节。

实验前，先在本机新建一个文件夹，以自己的学号命名(如E:＼02991001)。

实验步骤如下:

(1)创建新工程。

①启动MicrowaveOffice软件，默认为打开一个未命名的新工程。

②从主菜单中选择File＼SaveProjectAs命令，保存路径为自建的文件夹，工程名称取为Ex2b.emp，单击“保存”按钮。

(2)创建新原理图。

①从主菜单中选择Project＼AddSchematic＼NewSchematic命令。

②在弹出的对话框中输入原理图名称Amp，左键单击“OK”按钮。

(3)激活元件浏览页。

在主窗口左侧下方，左键单击Elements标签，激活元件浏览页。

(4)添加元件。

①在元件浏览页上方，左键单击Nonlinear前的＋号，展开非线性库，选择FET项。

②在元件浏览页下方，左键选中元件Tom1，并向原理图内拖动、放置元件。

③分别添加一个2V的DCVS(直流电压源)，两个1pF的电容和一个100nH的电感。

(5)添加非线性端口。

①在元件浏览页上方，展开Ports＼HarmonicBalance项；在元件浏览页下方，选择谐波平衡端口元件PORT1，单击“添加”按钮，将其作为输入端口；将Pwr设置为-40dBm；再利用TuneTool工具将其设置为可调节的。

②在元件浏览页上方，选择Ports项；在元件浏览页下方，选择元件PORT，单击“添加”按钮，将其作为输出端口。

最终原理图如图3.2.9所示图3.2.9放大器电路模型

6)添加图表。

①从主菜单中选择Project＼AddGraph命令，或在工具条中单击“AddNewGraph”按钮。

②在弹出的窗口中选择Rectangular项；单击“确定”按钮，添加Graph1。

(7)添加测量项。

在左侧工程浏览页中选择Graph1项，单击右键选AddMeasurement项。

(8)分析电路。

单击工具栏中的Analyze图标，即可显示Graph1的分析结果，如图3.2.10所示。图3.2.10放大器测量结果

(9)观察功率输出频谱。

①重复步骤(6)~(8)，添加一个频谱分析图Graph2。

②其他项不变，将MeasurementType栏改为Nonlinear＼Power；将Measurement栏改为Pharm。

(10)调节输入功率电平。

①从主菜单中选择Simulate＼Tune命令，激活调节器。

②调节Pwr参数滑块，在Graph1(时域)、Graph2(频域)观察相应的波形变化。

(11)保存工程。

从主菜单中选择File＼Save或File＼SaveAs命令，保存工程。一、实验目的

掌握电磁结构模型的建模方法，了解电流分布特点。

二、实验设备

MicrowaveOffice软件(软件介绍见实验2)。实验3螺旋电感的电磁分析三、实验内容

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。

实验步骤如下：

(1)创建新工程。

①启动MicrowaveOffice软件，默认打开一个未命名的新工程。

②从主菜单中选择File＼SaveProjectAs命令，保存路径为自建的文件夹，工程名称取为Ex3.emp，单击“保存”按钮。

(2)创建新电磁结构图。

①从主菜单中选择Project＼AddEMStructure＼NewEMStructure命令。

②在对话框中输入名称Spiral，Simulator项选择AWREMSightSimulator(电磁视图仿真器)，Initialization项选择FromLPF，单击“Create”按钮，右侧即出现Spiral绘图窗。

(3)设置单位。

从主菜单中选择Options＼ProjectOptions命令，选择GlobalUnits标签页，将长度单位设置为mm。

(4)设置边界尺寸及介质层。

①在工程浏览页的EMStructure＼Spiral目录下，双击Enclosure项，弹出ElementOptions对话框。

②定义边界。在Enclosure标签页输入边界尺寸：X_Dim＝320，Y_Dim＝320，Grid_X＝[JP]10，Grid_Y＝10。

③定义介质层。不要关闭ElementOptions对话框，选择DielectricLayers标签页，将Layer1依次设为4、Air、1；选择Layer1，单击“Insert”按钮，新生成Layer2，将该层数值设为20、Air、1(注：若已有Layer3，则不用添加介质层，将Layer2的Thickness设置为20即可)。

④全部完成后，单击“确定”按钮，关闭ElementOptions对话框。

(5)创建三维视图。

①从主菜单中选择View＼ViewEM3DLayout命令，或直接在工具条中单击相应图标，观察模型的三维视图。

②从主菜单中选择Window＼TileVertical命令，2D和3D的模型将同时显示。

(6)绘制螺旋电感。

①将二维视图重新激活为当前窗口。单击左下角的Layout标签，进入布线浏览页。

②选择介质层。在EMLayer项选3，Material项选PerfectConductor，结构属性选Conductor。

③绘制。从主菜单中选择Draw＼Polygon命令，将鼠标移入右侧绘图区，以光标+号的中心为准，在绘图边界的最左侧边缘单击左键，确定螺旋电感的起点，即第1个顶点；移动鼠标，在每个顶点处单击左键，依次绘制，最后回到初始的第1个顶点，单击鼠标，完成图形。

④双击螺旋电感，单击蓝色菱形符号可修改其尺寸、形状。

(7)绘制输出线。

保持布线浏览页各个选项不变，从主菜单中选择Draw＼Rectangle命令，将光标移动至螺旋电感的右侧，单击左键并同时向右下方拉开，绘制一个矩形导体，即输出线，再拖动至边界的右边缘。

(8)添加边缘端口。

①在螺旋体上单击左键，选中该元件；从主菜单中选择Draw＼AddEdgePort命令，将鼠标移动到螺旋电感与边界的交接处，当光标显示出端口的外形时，单击左键确定添加。

②相同步骤，在输出线右端设置另一个边缘端口，模型如图3.3.1所示。图3.3.1Layer3模型

(9)绘制电桥。

①选择介质层。在布线浏览页内，EMLayer项选2，Material项选PerfectConductor，结构属性选Conductor。

②绘制。从主菜单中选择Draw＼Rectangle命令，在图中单击左键并拉开，绘制一个连接螺旋体与输出线的矩形导体，即电桥。

(10)添加连接通路。

①选择介质层。布线浏览页的其他项不变，结构属性改选Via，Extend为1。

②绘制。从主菜单中选择Draw＼Rectangle命令，在图中单击左键并拉开，在电桥的两端各绘制一个小矩形，即连接通路(用于将不同层的模型连接起来)。

③全部模型如图3.3.2所示。激活三维视图，检查模型是否正确绘制。图3.3.2全部模型

(11)设置工作频率。

单击界面左下角的Project标签，回到工程浏览页；双击ProjectOptions项，在弹出对话框的Frequencies页设置：单位为MHz，Start为400，Stop为800，Step为100；单击“Apply”按钮，再单击“确定”按钮。

(12)分析电路。

从主菜单中选择Simulate＼Analyze命令，分析电路。

(13)观察动态电流分布。

①添加注释。选择工程浏览页的EMStructures＼Spiral项，在Spiral上单击右键，选择AddAnnotation，在弹出窗口中设置：MeasurementType选PlanarEM，Measurement选EM_CURRENT，EMDataSource选Spiral，去掉ShowCurrentDirections前的选勾，其他项保持不变，单击“确定”按钮。

②激活三维视图为当前窗口，即可看到静态的电流分布，颜色表示电流的强弱。单击从工具栏中的AnimatePlay图标，观察动态电流分布；单击AnimateStop图标，停止动态演示。

观察过程中，利用键盘右侧数字区的＋、－键，可以放大、缩小模型；单击鼠标左键并移动，可以任意角度旋转模型。

(14)观察电场分布。

①展开工程浏览页的Annotations＼Spiral节点，在其下的EM_CURRENT注释项上单击右键，选择ToggleEnable，将电流显示暂时关闭。

②添加新注释。同步骤(13)中的①，在弹出窗口中设置：MeasurementType仍选PlanarEM，Measurement选EM_E_FIELD，EMDataSource选Spiral，LayerNumber选3，去掉ShowFieldDirections前的选勾，其他项保持不变，单击“确定”按钮，即可观察第3层的电场分布情况；单击AnimatePlay图标，观察动态电场分布，如图3.3.3所示。

(15)保存工程。

从主菜单中选择File＼Save或File＼SaveAs命令，保存工程。

四、实验结果

实验结果参考三维动态电流分布，见图3.3.3。图3.3.3三维动态电流分布图一、实验目的

掌握集总元件滤波器的设计及调节，掌握优化电路的具体操作。

二、实验设备

MicrowaveOffice软件(软件介绍见实验2)。实验4集总元件滤波器三、实验内容

设计一个电感输入式集总元件滤波器。已知L1＝L4＝

15nH，L2＝L3＝30nH，C1＝C3＝8pF，C2＝10pF，输入、输出端的特性阻抗均为50Ω，工作频率为100MHz～

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

f<500MHz时，S11<－17dB,S21>－1dB；

f>700MHz时，S21<－30dB。实验步骤如下：

(1)创建原理图。

①创建新工程，保存路径为自建的文件夹，命名为Ex4.emp。

②创建电路原理图，命名为lpf。从主菜单中选择Options＼ProjectOptions命令，在弹出的对话框中选GlobeUnits页，定义参数单位：MHz，nH，pF。

③绘制原理图，从元件浏览页的LumpedElement组选择电感IND、电容CAP，再添加两个端口PORT，添加连线及接地元件GND；给各元件重新赋值。原理图如图3.4.1所示。图3.4.1初始原理图

(2)添加图表及测量项。

①设置工作频率。在工程浏览页双击ProjectOptions项，在弹出的对话框中选择Frequencies页，单位设置为MHz，Start设置为100，Stop设置为1000，Step设置为10。

②添加一个矩形图，命名为Graph1。添加测量项：依次选Linear＼PortParameters，S，lpf，ToPortindex选1，FromPortindex选1，SweepFreq选Useforx-axis；左下方参数选择mag，勾选dB；单击“Apply”按钮，即添加S11参数；其他项不变，将ToPortIndex改为2，即设置S21参数。

(3)测量。

单击Analyze图标，分析电路，测量S参数的特性曲线。

(4)调节。

先从工具条选TuneTool，将元件L1、L4、C1、C3的数值设置为可调的；再选择Tune，调节各元件值，观察

S参数的相应变化。

(5)优化电路。

①设置优化目标。

选择工程浏览页内的OptimizerGoals项，单击右键，选择AddOptGoal，弹出NewOptimizationGoal对话框；分3次添加优化目标。

具体步骤如下：

设置S11＜－17dB：在Measurement栏中选择S［1,1］项，在GoalType栏中选择Meas<Goal，在Range栏中取Start为Min，Stop为500MHz，Goal为－17，其他项不变，单击“OK”按钮。

设置S21＞－1dB：在Measurement栏中选择S［2,1］项，在GoalType栏中选择Meas>Goal，在Range栏中取Start为Min，Stop为500MHz，Goal为-1，其他不变，单击“OK”按钮。

设置S21＜－30dB：在Measurement栏中选择S［2,1］项，在GoalType栏中选择Meas<Goal，在Range栏中取Start为Max，Stop为700MHz,Goal为－30，单击“OK”按钮。②定义变量。

从主菜单中选择Draw＼AddEqution命令，在电路图的任意空白处放置文本框，输入Lin＝15；按相同步骤定义Cin＝8；再将L1、L4的15nH改为Lin，C1、C3的8pF改为Cin(此处仅更改元件数值，不更改ID名称,大小写应统一)。

③设置优化参数。

从主菜单中选择Simulate＼Optimize命令，右侧区域即出现优化窗口；单击该界面左下角的Variables页，勾选Lin、Cin以及L2、L3、C2的Optimizer项，即对这5个参数进行优化调节。④执行优化。

选择优化窗口左下角的Optimizer页；优化方法选择Random(Local)，最大迭代次数取5000；单击“Start”按钮，开始执行优化。

⑤优化结束后，记录最终的优化结果：各元件值、变量值及曲线图。四、实验结果

期望测量结果如图3.4.2所示。图3.4.2滤波器特性一、实验目的

熟悉TXLine软件包的使用方法，掌握功率分配器的设计及调节方法。

二、实验设备

MicrowaveOffice软件(软件介绍见实验2)。实验5功率分配器三、实验内容

设计一个三端口等功率分配器，采用微带线结构。已知输入端的特性阻抗Z0＝50Ω，工作频率f0＝3GHz；微带线基片εr＝9.8，H＝1000μm，T＝1μm。功率分配器的拓扑结构如图3.5.1所示，图中，Z02、Z03的长度均为λp0/4。图3.5.1功率分配器的拓扑结构

(2)计算微带线尺寸。

启动软件，从主菜单中选择Tools＼TXLine(传输线计算器)命令,再选择Microstrip页，输入已知的各项参数，即可得到微带线的实际尺寸。具体步骤如下：

①公共条件：在页面上方左侧的Dielectric项中选择Alumina(εr＝9.8)，将下方左侧的Frequency项设置为3GHz，将下方右侧的Height项设置为1000μm，将Thickness项设置为1μm。

②在页面下方左侧的Impedance项中输入电阻值，在ElectricalLength项中输入电长度；单击按钮，即可算出微带线的L(长度)、W(宽度)，将计算结果填入表3.5.1中。

(3)完成电路图，测量各特性指标。

①创建新工程，保存路径为自建的文件夹，命名为Ex5.emp。

②创建原理图。所需元件为MLIN、MTRACE2、MTEE$、TFR、PORT、MSUB,依次设置单位、工作频率(1.5GHz～4.5GHz，阶长0.01GHz)，画电路图，添加图表、测量项。全部完成后，分析电路，观察所得曲线。

(4)调节电路。

调节电阻r(即元件TFR)的长度、宽度，使得在f0处，S11、S23尽可能地小，S21尽可能地接近－3dB；记录最终的调节结果。四、实验结果

期望测量结果如图3.5.2所示。图3.5.2功率分配器的测量结果参考电路模型(L、W值略)如图3.5.3所示。图3.5.3功率分配器的电路模型一、实验目的

掌握阻抗变换器的设计及调节方法，了解不同设计方法的特点。

二、实验设备

MicrowaveOffice软件(软件介绍见实验2)。实验6阻抗变换器

三、实验内容

设计一个同轴线阶梯阻抗变换器，使特性阻抗分别为Z01＝50Ω、Z02＝100Ω的两段同轴线匹配连接。要求：变换器N＝2，工作频率f0＝5GHz。已知同轴线的介质为RT/Duriod5880(εr＝2.16)，外导体直径Do＝7mm，阻抗变换器的拓扑结构如图3.6.1所示，图中Z1、Z2为阻抗变换器，长度均为λp0/4，90deg(度)。

分别按以下方法设计:

方法1:最平坦通带特性变换器(二项式)。

方法2:等波纹特性变换器(切比雪夫式)，反射系数模的最大值|Γ|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，并比较不同阻抗变换器的性能特点。图3.6.1阻抗变换器的拓扑结构

(1)计算电路的特性阻抗、尺寸。

方法1：最平坦通带特性变换器。

①计算阻抗值(手算)。计算公式为

将计算结果填入表3.6.1中。②计算同轴线尺寸。

启动软件，从主菜单中选择Tools＼TXLine(传输线计算器)命令，再选择RoundCoaxial页，输入已知的各个电参数，就可得到同轴线的实际尺寸。

具体步骤如下：

公共条件：在页面上方左侧的Dielectric项中选择RT/Duriod5880(εr＝2.16)，将下方左侧的Frequency项设置为5GHz，将下方右侧的OuterDiameter(Do)项设置为7000μm。

在页面下方左侧的Impedance项中输入电阻值，在ElectricalLength项中输入电长度，单击按钮，即可算出同轴线的L(实际长度)、Di(内直径)，将计算结果填入表3.6.1中。方法2：等波纹特性变换器。

计算公式为

Z1＝1.21Z01

Z2＝1.61Z01

将各参数分别输入TXLine进行计算，并将计算结果填入表3.6.2中。

(2)完成电路图，测量各特性指标。

①创建新工程，保存路径为自建的文件夹，命名为Ex6.emp。

②创建原理图。所需元件为COAXP2、PORT，依次设置单位、工作频率(3GHz～7GHz，阶长0.01GHz)，画电路图，添加图表、测量项，全部完成后分析电路，观察所得曲线。参考电路图(L、Di值略)如图3.6.2所示图3.6.2阻抗变换器模型

(3)调节电路。

分别调节Z1、Z2的L及Di尺寸，使其达到指标要求。

比较不同阻抗变换器的指标：带内波纹，工作频带f1～f2。四、实验结果

期望测量结果如图3.6.3所示。图3.6.3阻抗变换器测量结果附：阻抗变换器理论及计算说明

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波长传输线段组成的两节阶梯阻抗变换器。

方法1：最平坦通带特性变换器。设计公式为

本实验中，Z0＝Z01＝50Ω，ZL＝Z02＝100Ω，N＝2，将C20=1，C21=2代入设计公式，则

当n＝0时，

即

当n＝1时，

即

通带边缘

分数带宽

则频带宽度

f2－f1＝Wq·f0＝0.489×5＝2.445GHz

从而得

f1＝3.778GHz

f2＝6.223GHz

方法2：等波纹特性变换器。

由式

得

secθm=1.96，θm＝1.04rad

从而得

所以

工作频带理论计算如下：

分数带宽

则

f2－f1＝Wq·f0＝3.375GHz从而得

f1＝3.313GHz

f2＝6.688GHz

可见，此时的工作频带更宽。一、实验目的

(1)掌握圆图的匹配计算方法。

(2)掌握阻抗调配器的设计，对比不同电路结构的特点。

二、实验设备

MicrowaveOffice软件(软件介绍见实验2)。实验7阻抗调配器

三、实验内容

已知特性阻抗为Z0＝50Ω的无耗均匀传输线，终端接ZL＝25+j75Ω的负载，工作频率为f0＝10GHz(即波长λ0＝30mm)。设计一个阻抗调配器，分别采用短路单枝节和短路双枝节(两枝节间距为λ0/8)，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)。单枝节匹配拓扑结构如图3.7.1所示，双枝节匹配拓扑结构如图3.7.2所示。图3.7.1单枝节匹配拓扑结构图3.7.2双枝节匹配拓扑结构实验步骤如下：

(1)计算枝节的位置、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3.7.1和表3.7.2中。圆图匹配的具体计算过程参见实验1。

表3.7.1为同轴线结构(必做实验)，实际值需手算。

表3.7.2为微带线结构(选做实验)。利用CAI软件算出结果后，还需将各个数值输入MicrowaveOffice软件的TXLine，才能得到微带线的实际尺寸，即宽度W、长度L。

(2)完成电路图，测量各特性指标。

①创建新工程，保存路径为自建的文件夹，命名为Ex7.emp。

②创建新原理图。同轴线结构所需元件为COAX12、TLSCP(短路枝节)、SRL、PORT和GND。微带线结构所需元件为MLIN、MLSC(短路枝节)、MTEE$、SRL、PORT、GND和MSUB(MSUB的各参数为εr＝9.8，H＝1000μm，T＝10μm)。

③依次设置单位、工作频率(5GHz～15GHz，阶长0.01)，画电路图，添加图表、测量项，全部完成后分析电路，观察所得曲线。参考电路图如图3.7.3和图3.7.4所示。图3.7.3同轴线模型(a)单枝节匹配图；(b)双枝节匹配图图3.7.4微带线双枝节匹配模型

(3)调节电路。

分别调节单枝节的位置、长度，调节双枝节的长度，使其达到最佳，即S11尽可能地小；记录最终结果，并比较这两种调配器的特点。四、实验结果

期望测量结果如图3.7.5所示。图3.7.5阻抗匹配器的测量结果一、实验目的

(1)掌握Wizard模块的具体操作方法。

(2)掌握微波低通滤波器的设计，熟练掌握电路的优化方法。

二、实验设备

MicrowaveOffice软件(软件介绍见实验2)。实验8微波低通滤波器三、实验内容

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fc

＝2.2GHz，在通带内最大波纹LAr＝0.2dB，S11小于－16dB；在阻带频率fs＝4GHz处，阻带衰减LAs不小于30dB；输入、输出端的特性阻抗Z0＝50Ω。

方法1(必做)：用微带线实现，基片厚度H＝800μm，T＝10μm，相对介电常数εr＝9.0；高阻抗线特性阻抗Z0h＝106Ω，低阻抗线特性阻抗Z0l＝10Ω。

方法2(选做)：用同轴线实现，其外导体直径为Do＝16mm，高阻抗线特性阻抗Z0h＝138Ω，低阻抗线内、外导体间相对介电常数εr＝2.54，低阻抗线特性阻抗Z0l＝10Ω。

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。实验步骤如下：

首先创建新工程，保存路径为自建的文件夹，命名为Ex8.emp。

(1)确定原型滤波器。启动软件中Wizard模块的AWRFilterSynthesisWizard(AWR滤波器综合向导)功能，输入各项技术指标，即自动生成原型滤波器的原理图。具体步骤如下：

①启动FilterSynthesisWizard功能后，依次选择Lowpass、Chebyshev。在参数定义页中，设 N:5 元件数目为5

FC:2.2 截止频率为2.2GHz

PP:Ripple(dB) 带内参数为波纹衰减

PV:0.2 波纹衰减值为0.2dB

RS:50 输入端特性阻抗为50Ω

RL:50 输出端特性阻抗为50Ω②依次选择IdealElectricalModel、LumpedElement、ShuntElementFirst(并联优先，即电容输入式)，原理图定义页默认不变。全部完成后，即生成名为Filter的原型滤波器的原理图，以及相关的测量图、优化项。

③将电路图上方等式的变量名C0改为Ca，变量名C1改为Cb，相应地，将电路图中位于两侧的电容的数值改为“C＝CapF”，居中的电容数值改为“C＝CbpF”，如图3.8.1所示。图3.8.1原型滤波器参考电路图(未优化)④设置频率。工作范围设置为1GHz～5GHz，阶长为0.01GHz；在工程浏览页内选择CircuitSchematics节点下的Filter项，单击右键选择Options，在弹出对话框的Frequencies