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1、实验二：分支线匹配器 一、 实验目的 掌握支节匹配器的工作原理； 掌握微带线的基本概念和元件模型； 掌握微带线分支线匹配器的设计和仿真。 二、 实验原理 支节匹配器 支节匹配器是在主传输线上并联适当的电纳（或者串联适当的电抗），用附加的反射来抵消主传输线上原来的反射波，以达到匹配的目的。 单支节匹配器：调谐时，主要有两个可调参量：距离 d 和分支线的长度 l。匹配的基本思想是选择 d，使其在距离负载 d 处向主线看去的导纳 Y 是 0 + 形式，即 = 0 + ，其中 0 = 1/0 。并联开路或短路分支线的作用是抵消 Y 的电纳部分，使总电纳为 0 ，实现匹配，因此，并联开路或短路分支线提供
2、的电纳为 ，根据该电纳值确定并联开路或短路分支线的长度 l，这样就达到匹配条件。 双支节匹配器：通过增加一支节，改进了单支节匹配器需要调节支节位置的不足，只需调节两个分支线长度，就能够达到匹配（注意双支节匹配不是对任意负载阻抗都能匹配的，即存在一个不能得到匹配的禁区）。 微带线 微带线是有介质 ( 1) 和空气混合填充，基片上方是空气，导体带条和接地板之间是介质 ，可以近似等效为均匀介质填充的传输线，等效介质电常数为 ，介于 1 和 之间，依赖于基片厚度 H 和导体宽度 W。而微带线的特性阻抗与其等效介质电常数为 、基片厚度 H 和导体宽度 W 有关。 三、 实验内容 已知：输入阻抗 = 75
3、 负载阻抗 = (64 + 35) 特性阻抗 0 = 75 介质基片 = 2.55， = 1，导体厚度 远小于介质基片厚度 。 假定负载在 2GHz 时实现匹配，利用图解法设计微带线单支节和双支节匹配网络，假设双支节网络分支线与负载的距离 1 = /4 ，两分支线之间的距离为2 = /8。画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅度从 1.8GHz 至 2.2GHz 的变化。 四、 实验步骤 根据已知计算出各参量，确定项目频率。 将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在 Smith 圆上。 设计单枝节匹配网络，在图上确定分支线与负载的距离以及分支线的长度，根据给定的介质基片、特性阻抗和频率用
4、TXLine 计算微带线物理长度和宽度。此处应该注意电长度和实际长度的联系。 画出原理图，在用微带线画出基本的原理图时，注意还要把衬底添加到图中，将各部分的参数填入。注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响，选择适当的模型。 负载阻抗选择电阻和电感串联的形式，连接各端口，完成原理图，并且将项目的频率改为 1.82.2GHz。 添加矩形图，添加测量，点击分析，测量输入端的反射系数幅值。 同理设计双枝节匹配网络，重复上面的步骤。 五、 实验仿真 1. 单支节 （1）. 根据已知计算出各参量。写入 Output Equations。 zl 为归一化负载阻抗；zin 为归一化输入阻抗；Tl 为负载处反射
5、系数；Tin 为输入端反射系数；b 为以 0.01 为步长扫描 02*PI； R 为阻抗处等反射系数圆；Rp 为匹配圆；Rj 为大圆。 ZL=64+j*35Z0=75 zl=ZL/Z0zl: (0.8533,0.4667) 1/zl: (0.9021,-0.4933)TI=(zl-1)/(zl+1)TI: (-0.0148,0.2555)Zin=75zin=Zin/Z0Tin=(zin-1)/(zin+1)Tin: 0 b=stepped(0,2*_PI,0.01)R=TI*exp(j*b)Rj=exp(j*b)Rp=0.5*exp(j*b)-0.5 . 在 Smith 导纳圆图上画出负载 所
6、处的 VSWR 圆，标出其与单位电导圆的交点。这里可以有两个交点，选择离负载较近的那个点进行计算。下面以分别实部虚部、幅度角度方式显示： 角度：93.31 (104.9) = 198.21 198.21/2 = 99.105 由图得出支节的电纳为 j0.529665。 . 已知角度后，用 TXLine 算出负载距离支节间的微带线的参数。W=1.4373mm，L=28.806mm。 . 由图求出短路点距离支节接入点的电长度，角度为(180 55.82)/2 = 62.09。 再由 TXLine，输入角度值，算出微带线的参数。L=18.047mm，W=1.4373mm。 . 输入端口处也需要接一个
7、微带线，其宽度要和输出端口的阻抗 75 匹配，长度任意。用 TXLine，输入阻抗，算出微带线参数 W=1.4373mm， L=26.159mm。 . 根据上述步骤，设计出的参数为 负载到支节的微带线（TL2）：L=28.806mm W=1.4373mm 支节的微带线（TL3）： L=18.047mm W=1.4373mm 端口处接的微带线（TL1）： L=26.159mm W=1.4373mm 由此搭建电路： MLINMLIN . 根据设计的参数建立原始电路测量其 S 参数： 在中心频率处，反射系数还不是很低，所以要调谐系统以改善性能。 . 设 TL2 和 TL3 的长度可变，调谐前后对比：
8、 ID TL2 TL3 原始参数 28.806mm 18.047mm 调谐后参数 28.206mm 18.647mm 调谐后的电路： MLINMLINPORTID=TL1 ID=TL2 RESINDP=1 W=1.437 mmMTEE$W=1.437 mmID=R1 ID=L1 Z=75 OhmL=26.16 mmID= TL4 L=28.21 mmR=64 OhmL=2.787 nH 调谐后的电路 S 参数： 显然，调谐后的电路，在中心频率 2GHz 处的 S 参数比调谐前的低得多，说明电路的性能有所提高，已经特别接近最理想的 0。 2. 双支节 （1）. 根据已知计算出各参量。写入 Out
9、put Equations。 e：大圆，等反射系数圆；g：1+jx 匹配元；g2：辅助圆；r：负载所在的等反射系数圆； r2：负载与第一个支节并联后的等反射系数圆；Rd：等电导圆。 ZL=64+j*35 Z0=75zl=ZL/Z0zl: (0.8533,0.4667)1/zl: (0.9021,-0.4933)T1=(zl-1)/(zl+1)T1: (-0.0148,0.2555)Zin=75 zin=Zin/Z0zin: 1T2=(zin-1)/(zin+1)T2: 0 b=stepped(0,2*_PI,0.01) r=T1*exp(j*b) g=0.5*exp(j*b)-0.5 e=1*
10、exp(j*b) g2=0.5*exp(j*b)-0.5*j r2=0.7328*exp(j*b) p=0.9021Rd=(1/(1+p)*exp(j*b)-p/(1+p) . 在 Smith 导纳原图上画出负载 的位置，沿 VSWR 圆转 180处即为距离负载距离为 1/4 波长处的导纳。用 TXLine，输入角度，求出负载和第一个支节之间的微带线参数，L=26.159mm,W=1.4373mm . 再求出其所在的等电导圆与辅助圆的交点，一共可得两个交点，选择靠下的那个点来设计。得第一个支节的导纳为j（2,01944 0.475059） = j1.542381，短路点离它的距离，两者之间的角
11、度（180 + 114.1）/2 = 147.05 。用 TXLine，输入角度，算出第一个支节的微带线参数。L=42.742mm，W=1.4373mm . 因为两个支节之间的距离为 1/8 波长，所以对应的角度为 90/2 = 45 ，其微带线参数可由 TXLine 算得。L=13.08mm，W=1.4373mm . 在 Smitn 图上使该点绕其 VSWR 圆顺时针转 90，必然和单位电导圆交于一点，由该点可读出第二个支节需要的电纳值为 j2.15449。在单位电抗圆上标出该交点的位置，计算短路点离它的距离，两者之间的角度为（180 + 130.2）/2 = 155.1 ，用 TXLine
12、 输入角度，算得第二条支节的微带线参数：L=45.081mm，W=1.4373mm . 由于在 Port 端口与第二个支节之间接的微带线长度任意，但是宽度要与 Port 的阻值 75 相匹配，所以用 TXLine 算其参数，L=26.159mm ，W=1.4373。 . 由上所述，设计出来的各参数如下 负载和第一个支节的微带线（TL3）： L=26.159mm，W=1.4373mm 第一个支节的微带线（TL5）： L=42.742mm，W=1.4373mm 第一个支节到第二个支节的微带线（TL2）： L=13.08mm，W=1.4373mm 第二个支节的微带线（TL4）： L=45.081mm
13、，W=1.4373mm 第二个支节和输入端口之间的微带线（TL1）：L=26.159mm，W=1.4373mm 由此画出电路： MLINMLINMLIN . 根据设计的参数建立原始电路测量其 S 参数 偏离中心频率，且在中心频率 2GHZ 处，反射系数还不是很低，所以要调谐系统以改善性能。 . 将两个支节（TL4 和 TL5）的长度设为可调，调谐后电路 ID 第一个支节 TL5 第二个支节 TL4 原始长度 42.742mm 45.081mm 调谐后长度 42.022mm 44.541mm 调谐后的电路： PORTP=1 Z=75 OhmMLINID=TL1 W=1.437 mm L= 26.
14、16 mmMTEE$ID= TL6 MLINID=TL2 W=1.437 mm L= 13.08 mmMTEE$ID= TL7 MLINID=TL3 W=1.437 mm L= 26.16 mmRESID=R1 R=64 Ohm 调谐后电路的 S 参数： 很明显可以看出，在中心频率处，调谐后的 S 参量大大低于未调谐的，而且很接近于零，说明在中心频率处，系统设计接近理想状态。 实验三：四分之一波长阻抗变换器 一、 实验目的 掌握单节和多节四分之一波长变阻器的工作原理； 了解单节和多节变阻器工作带宽和反射系数的关系； 掌握单节和多节四分之一波长变换器的设计与仿真。 二、 实验原理 四分之一波长变阻器是一种阻抗变换元件，用于负载阻抗或信号源内阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传输。实现负载阻抗与传输线匹配，其实质是利用“补偿原理”，即由可调的匹配器产生一个合适的附加反射波，它与负载阻抗所产生的反射波在指定的参考面上等幅反相，从而互相抵消。 1. 单节四分之一波长变阻器 . 负载阻抗为纯电阻 RL：
