4.1微帶分支線匹配器仿真實驗一、實驗?zāi)康?1)了解微帶分支線匹配器的匹配原理和分析方法。(2)掌握ADS軟件的Smith

Chart

Utility

Tool工具和Line

Calc工具的使用。(3)通過ADS優(yōu)化仿真分析能夠理解電路的匹配原理及求解過程。(4)能夠設(shè)計出滿足指標(biāo)要求的微帶分支線匹配器。二、預(yù)習(xí)要求(1)了解微帶分支線匹配器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。(2)熟悉ADS軟件仿真和設(shè)計電路的基本方法及具體操作。三、實驗原理1.支節(jié)匹配器由于微波電路工作頻率在GHz范圍，且相應(yīng)波長較小，因此微波信號通過傳輸線時將產(chǎn)生分布參數(shù)效應(yīng)，此時傳輸線上的電流或者電壓將沿線以波動的形式變化，一般情況下由入射波和反射波疊加而成。在微波射頻電路中，當(dāng)負(fù)載與傳輸線不匹配時，就會有反射波，導(dǎo)致功率傳輸?shù)男史浅５?。?dāng)發(fā)生全反射時，信號就不能進(jìn)入下一級元器件，微波電路也就無法正常工作。因此，為了使微波電路或系統(tǒng)無反射，即使傳輸線工作在行波或者盡量接近行波的狀態(tài)下，通常在負(fù)載和傳輸線之間引入阻抗匹配技術(shù)，其實質(zhì)是利用“補(bǔ)償原理”，即由可調(diào)的匹配器產(chǎn)生一個合適的附加反射波，它與負(fù)載阻抗所產(chǎn)生的反射波在指定的參考面上等幅而反相，從而相互抵消，相當(dāng)于傳輸線在此參考面上與一個等效匹配負(fù)載相連。常用的阻抗匹配器有支節(jié)匹配器、四分之一波長阻抗變換器、指數(shù)線匹配器等。支節(jié)匹配器是在主傳輸線上串并聯(lián)適當(dāng)?shù)亩探鼐€，利用附加反射波來抵消主傳輸線上原有反射波，以達(dá)到阻抗匹配的目的。支節(jié)匹配器分為單支節(jié)、雙支節(jié)和三支節(jié)匹配，圖4.1-1給出了常用的單支節(jié)、雙支節(jié)匹配方式。圖4.1-1支節(jié)匹配器原理

圖4.1-2雙支節(jié)匹配器的Y-Smith圓圖

圖4.1-3微帶傳輸線四、實驗儀器計算機(jī)： 1臺ADS軟件： 1套五、實驗內(nèi)容(1)已知：輸入阻抗Zin=75Ω，負(fù)載阻抗ZL=(50+j50)Ω，特性阻抗Z0=50Ω，介質(zhì)基片特性εr=9.6，厚度H=0.25mm。假定負(fù)載在1GHz時實現(xiàn)匹配，利用Smith圓圖設(shè)計微帶線單支節(jié)匹配器。(2)已知：特性阻抗Z0=75Ω傳輸線端接終端負(fù)載后，傳輸線上電壓駐波比VSWR=3，負(fù)載距離最近的電壓最小值點為λ/8，介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr=9.6，厚度H=1mm。使用Smith圓圖設(shè)計微帶雙支節(jié)匹配器(并聯(lián)短路支節(jié)線)，要求支節(jié)間距為3λ/8，并聯(lián)支節(jié)取盡可能小的值。六、注意事項(1)合理選擇阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖。(2)采用TXLINE軟件計算相應(yīng)微帶線的寬度。七、報告要求(1)按照標(biāo)準(zhǔn)實驗報告的格式和內(nèi)容完成實驗報告。(2)完成數(shù)據(jù)整理、計算和繪圖工作。(3)對仿真實驗中的各種現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論。(4)本項實驗的心得與收獲。4.2四分之一波長阻抗變換器仿真實驗一、實驗?zāi)康?1)了解四分之一波長阻抗變換器的匹配原理和分析方法。(2)掌握四分之一波長阻抗變換器尺寸計算的一般過程。(3)掌握ADS軟件的SmithChartUtility

Tool工具和LineCalc工具的使用。(4)通過ADS優(yōu)化仿真分析，理解電路的匹配原理及求解過程。(5)能夠設(shè)計出滿足指標(biāo)要求的四分之一波長阻抗變換器。二、預(yù)習(xí)要求(1)了解四分之一波長阻抗變換器的工作原理。(2)了解ADS軟件的SmithChartUtilityTool工具和LineCalc工具的使用。

圖4.2-1負(fù)載為純電阻時λ/4變換器

四、實驗儀器計算機(jī)： 1臺ADS軟件： 1套五、實驗內(nèi)容(1)已知：負(fù)載阻抗ZL=(50+j75Ω)，特性阻抗Z0=75Ω；介質(zhì)基片特性εr=2.55,H=1mm。假定負(fù)載在3GHz時實現(xiàn)匹配，結(jié)合Smith圓圖設(shè)計四分之一波長微帶阻抗變換器，并觀察2～4GHz內(nèi)傳輸線的反射特性。(2)已知：負(fù)載阻抗ZL=75+j75Ω，特性阻抗Z0=75Ω；介質(zhì)基片特性εr=2.55，

H=1mm。假定負(fù)載在4GHz時實現(xiàn)匹配，結(jié)合Smith圓圖分別利用兩種方法設(shè)計四分之一波長微帶阻抗變換器，并觀察3～5GHz內(nèi)傳輸線的反射特性。六、注意事項(1)合理選擇阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖。(2)采用TXLINE軟件計算相應(yīng)微帶線的寬度。七、報告要求(1)按照標(biāo)準(zhǔn)實驗報告的格式和內(nèi)容完成實驗報告。(2)完成數(shù)據(jù)整理、計算和繪圖工作。(3)對仿真實驗中的各種現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論。(4)本項實驗的心得與收獲。4.3微帶低通濾波器仿真實驗一、實驗?zāi)康?1)了解微帶低通濾波器的工作原理和分析方法，掌握微帶低通濾波器尺寸計算的一般過程。(2)學(xué)習(xí)并掌握ADS和HFSS軟件優(yōu)化仿真分析，理解微帶低通濾波電路的工作原理和基本參數(shù)。(3)能夠設(shè)計出滿足指標(biāo)要求的微帶低通濾波器。二、預(yù)習(xí)要求(1)了解微帶低通濾波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。(2)掌握HFSS和ADS軟件的基本使用方法。

根據(jù)圖4.3-1所示低通濾波器原型，采用一種應(yīng)用最多的Butterworth響應(yīng)進(jìn)行原理分析。圖4.3-2為Butterworth頻率響應(yīng)曲線，縱軸為衰減量，由圖可知通帶內(nèi)的曲線十分平坦，沒有任何波紋，性能優(yōu)越。圖4.3-1低通原型濾波器集總參數(shù)電路圖4.3-2Butterworth濾波器頻率響應(yīng)

表4.3-1Butterworth低通原型濾波器的歸一化元件參數(shù)

表4.3-2和表4.3-3列出了由低通原型濾波器到低通、高通、帶通和帶阻濾波器的LC元件變換關(guān)系及頻率變換關(guān)系。表4.3-2低通原型濾波器到其它濾波器器的LC元件變換表4.3-3低通原型濾波器到其他濾波器器的頻率變換關(guān)系2.Richards變換與Kuroda規(guī)則構(gòu)建分布參數(shù)電路微帶濾波器的工作頻率一般都在300MHz以上，工作波長可比擬于濾波器電路器件的實際長度，采用集總參數(shù)元件設(shè)計的電路傳輸特性不佳，因此可采用Richards變換與Kuroda規(guī)則將集總參數(shù)電路轉(zhuǎn)化為分布參數(shù)電路的形式。通過Richards變換，可以將集總元件的電感和電容用一段終端短路或開路的傳輸線等效。Kuroda規(guī)則對傳輸線間的轉(zhuǎn)換總結(jié)為4類使用冗余傳輸線段的規(guī)則，附加的傳輸線段稱為單位元件，長度為λ/8，使獲取微波濾波器的方式變得更加便捷，四類Kuroda規(guī)則如圖4.3-3所示。

在實際應(yīng)用中，考慮到微帶線的不連續(xù)性，為了得到理想的濾波特性，仍需對電路進(jìn)行仿真優(yōu)化處理。圖4.3-3四類Kuroda規(guī)則四、實驗儀器計算機(jī)： 1臺ADS軟件： 1套HFSS軟件： 1套五、實驗內(nèi)容已知：相對介電常數(shù)εr=3.5，基片厚度H=0.508mm，銅箔厚度T=0.017mm。設(shè)計一個微波低通濾波器，其指標(biāo)要求為:截止頻率為2.84GHz、特性阻抗50Ω、特性波改為0.5dB、5.68GHz時損耗不小于40dB。六、注意事項(1)采用TXLINE軟件計算相應(yīng)微帶線的長度和寬度。(2)ADS電路原理圖的初始計算結(jié)果與仿真結(jié)果會有出入，可采用ADS調(diào)諧的方法進(jìn)行電路優(yōu)化。(3)ADS軟件以dxf的格式導(dǎo)出，然后再導(dǎo)入到HFSS中；或者，設(shè)計者也直接利用HFSS軟件完成仿真分析。七、報告要求(1)按照標(biāo)準(zhǔn)實驗報告的格式和內(nèi)容完成實驗報告。(2)完成數(shù)據(jù)整理、計算和繪圖工作。(3)對仿真實驗中的各種現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論。(4)本項實驗的心得與收獲。4.4微帶帶通濾波器仿真實驗一、實驗?zāi)康?1)了解微帶帶通濾波器的工作原理和分析方法，掌握微帶帶通濾波器尺寸計算的一般過程。(2)學(xué)習(xí)并掌握ADS或HFSS軟件的使用，熟悉濾波電路仿真流程，并完成電路的優(yōu)化設(shè)計。(3)通過ADS或HFSS軟件優(yōu)化仿真分析，理解電路的工作原理和基本參數(shù)。(4)能夠設(shè)計出滿足指標(biāo)要求的微帶帶通濾波器。二、預(yù)習(xí)要求(1)了解微帶帶通濾波器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和重要參數(shù)。(2)熟悉ADS或HFSS軟件仿真和設(shè)計電路的基本方法及具體操作。三、實驗原理微波帶通濾波器在無線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，尤其是在接收機(jī)前端。濾波器性能的優(yōu)劣直接影響到整個接收機(jī)性能的好壞，它不僅起到頻帶和信道選擇的作用，而且還能濾除諧波，抑制雜散。平行耦合微帶帶通濾波器作為微帶帶通濾波器的一種，不但具有微帶帶通濾波器的優(yōu)勢，而且憑借其低成本和易于加工等優(yōu)點廣泛地應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中。平行耦合線濾波器由雙口開路式耦合微帶線單元級聯(lián)而成，如圖4.4-1所示。圖4.4-1平行耦合微帶帶通濾波器

(a)雙口開路式耦合微帶線單元(b)倒置器的等效電路

圖4.4-2耦合微帶線單元及等效倒置器電路

四、實驗儀器計算機(jī)： 1臺ADS軟件： 1套HFSS軟件： 1套五、實驗內(nèi)容已知：相對介電常數(shù)εr=9，基片厚度H=1mm，銅箔厚度T=0.017mm。采用耦合線結(jié)構(gòu)設(shè)計一個微波帶通濾波器,其指標(biāo)要求為：中心頻率為6GHz，相對帶寬為10%，6.6GHz處衰減大于30dB，輸入/輸出阻抗為50Ω。六、注意事項(1)采用TXLINE軟件計算相應(yīng)微帶線的長度和寬度。(2)ADS電路原理圖的初始計算結(jié)果與仿真結(jié)果會有出入，可采用ADS調(diào)諧的方法進(jìn)行電路優(yōu)化。(3)ADS軟件以dxf的格式導(dǎo)出，然后再導(dǎo)入到HFSS中。七、報告要求(1)按照標(biāo)準(zhǔn)實驗報告的格式和內(nèi)容完成實驗報告。(2)完成數(shù)據(jù)整理、計算和繪圖工作。(3)對仿真實驗中的各種現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論。(4)本項實驗的心得與收獲。4.5微帶分支線定向耦合器仿真實驗一、實驗?zāi)康?1)了解微帶分支線定向耦合器的工作原理和分析方法，掌握微帶分支線定向耦合器尺寸計算的一般過程。(2)學(xué)習(xí)并掌握ADS或HFSS軟件的使用方法，熟悉電路仿真的流程，并完成電路的優(yōu)化設(shè)計。(3)通過ADS或HFSS軟件優(yōu)化仿真分析，理解電路的工作原理及基本參數(shù)。(4)能夠設(shè)計出滿足指標(biāo)要求的微帶分支線定向耦合器。二、預(yù)習(xí)要求(1)理解定向耦合器各端口電壓駐波比或者回波損耗、傳輸損耗、耦合度、隔離度等基本概念。(2)理解定向耦合器的基本工作原理。

圖4.5-1分支線耦合器的工作原理圖為了簡化分析，對圖4.5-1的工作原理圖進(jìn)行阻抗歸一化分析，如圖4.5-2所示，其中每條線均代表一根傳輸線，且每個傳輸線的公共接地沒有表示。假定在端口1處輸入信號的電壓幅度為1V，此時，該電路可分解為偶模激勵和奇模激勵的疊加。由于該電路是線性的,所以實際的響應(yīng)(散射波)可從偶模和奇模激勵響應(yīng)之和獲得。圖4.5-2歸一化形式的分支線混合耦合器電路

四、實驗儀器計算機(jī)： 1臺ADS軟件： 1套HFSS軟件： 1套五、實驗內(nèi)容已知：相對介電常數(shù)εr=2.55，基片厚度H=0.508mm，銅箔厚度T=0.017mm。設(shè)計一個3dB的微帶分支定向耦合器，其指標(biāo)要求為：中心頻率為5.46GHz，帶寬為50MHz，耦合度為3dB，特性阻抗為50Ω。六、注意事項(1)采用TXLINE軟件計算相應(yīng)微帶線的長度和寬度。(2)ADS電路原理圖的初始計算結(jié)果與仿真結(jié)果會有出入，可采用ADS調(diào)諧的方法進(jìn)行電路優(yōu)化。(3)ADS軟件以dxf的格式導(dǎo)出，然后再導(dǎo)入到HFSS中。七、報告要求(1)按照標(biāo)準(zhǔn)實驗報告的格式和內(nèi)容完成實驗報告。(2)完成數(shù)據(jù)整理、計算和繪圖工作。(3)對仿真實驗中的各種現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論。(4)本項實驗的心得與收獲。4.6微帶功分器仿真實驗一、實驗?zāi)康?1)了解微帶功分器的工作原理和分析方法，掌握微帶功分器尺寸計算的一般過程。(2)學(xué)習(xí)并掌握ADS或HFSS軟件的使用，熟悉電路仿真的流程,并完成電路的優(yōu)化設(shè)計。(3)通過ADS和HFSS軟件優(yōu)化仿真分析，理解電路的工作原理和重要參數(shù)。(4)能夠設(shè)計出滿足指標(biāo)要求的微帶功分器。二、預(yù)習(xí)要求(1)了解微帶功分器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和重要參數(shù)。(2)熟悉ADS或HFSS軟件仿真和設(shè)計電路的基本方法及具體操作。三、實驗原理功率分配器(簡稱功分器)是微波電路中重要的無源器件之一，它不僅將輸入功率分成相等或不等的多路功率，而且還能將幾路功率信號合成為一路功率信號。根據(jù)輸出，功分器通常分為一分為二(一輸入兩輸出)、一分為三(一輸入三輸出)等，其中輸出端口之間應(yīng)確保一定程度的隔離。圖4.6-1二路功分器的原理圖

四、實驗儀器計算機(jī)： 1臺ADS軟件： 1套HFSS軟件： 1套五、實驗內(nèi)容已知：相對介電常數(shù)εr=4.4，基片厚度H=0.8mm。設(shè)計等功分微帶功分器，并分析S參數(shù)曲線的仿真結(jié)果要求工作頻率f0=1.12GHz，特性阻抗Z0=50Ω。六、注意事項(1)采用TXLINE軟件計算相應(yīng)微帶線的長度和寬度。(2)ADS電路原理圖的初始計算結(jié)果與仿真結(jié)果會有出入，可采用ADS調(diào)諧的方法進(jìn)行電路優(yōu)化。(3)ADS軟件以dxf的格式導(dǎo)出，然后再導(dǎo)入到HFSS中。七、報告要求(1)按照標(biāo)準(zhǔn)實驗報告的格式和內(nèi)容完成實驗報告。(2)完成數(shù)據(jù)整理、計算和繪圖工作。(3)對仿真實驗中的各種現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論。(4)本項實驗的心得與收獲。4.7微帶環(huán)形電橋仿真實驗一、實驗?zāi)康?1)了解微帶環(huán)形電橋的工作原理和分析方法，掌握微帶環(huán)形電橋尺寸計算的一般過程。(2)學(xué)習(xí)并掌握ADS或HFSS軟件的使用，熟悉電路仿真的流程,并完成電路的優(yōu)化設(shè)計。(3)通過ADS或HFSS軟件優(yōu)化仿真分析，理解電路的工作原理及基本參數(shù)。(4)能夠設(shè)計出滿足指標(biāo)要求的微帶環(huán)形電橋。二、預(yù)習(xí)要求(1)解微帶環(huán)形電橋的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和重要參數(shù)。(2)熟悉ADS或HFSS軟件仿真和設(shè)計電路的