重庆大学微波技术基础实验学习课件.ppt

微波技术实验 重庆大学通信工程学院 前 言 本实验主要针对高等院校的微波技术课程教学而 编写，内容涉及现行微波技术课程教学中的各个 实验环节，对微波技术实验提出恰当的指导，使 学生能通过实验对微波技术课程有更深层次的理 解。 实验内容涵盖微波技术各种无源与有源器件实 验以及小型微波系统实验，在重庆大学进行了一 年的实验性教学，效果良好。本实验指导书是以 微波技术理论为基础，微波软硬件为工具编写的 ，并进行了内容扩展，具有通用性。 微波实验所需软件的简介 1)电路设计所需要的软件 (microwave office、ADS 、ansoft Designer) 2)ADS基本功能的简介 (包括：S参数仿真、smith圆图工具、Linecalc工具) 实验一、传输线理论 一、实验目的 1、了解基本传输线、微带线的特性。 2、利用实验模组实际测量以了解微带线的特性。 3、利用ADS软件进行基本传输线和微带线的电路设计 和仿真。 二、实验设备 项目设备名称数量备注 1 MOTECH RF2000 测量仪 一台 亦可用网络分析仪 2 微带线 模组一套RF2KM1-1A, 3 MICROWAVE软件1套微波电路设计软件 4 1M BNC 连接线2条CA-3、CA-4（黑色 ） 5 50 BNC 连接线2条CA-1、CA-2 (粉红色 ) 三、理论分析（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元件) (2)负载开路情况下的特性 (3)负载为复阻抗下的特性 (3)负载为纯电抗下的特性 软件仿真任务： (1)仿真负载为不同阻抗(开路、短路、复阻抗、纯电抗 条件下的传输线的反射系数、输入阻抗) 四、硬件测量 测量步骤： 1 MOD-1A的S11测量：设定频段BAND-3;针对模组P1 端子做S11测量，并将测量结果纪录于表(1-1)。 2 MOD-1B的S11测量：设定频段BAND-3;针对模组P2 端子做S11测量，并将测量结果纪录于表(1-2)。 3 MOD-1C的S11测量：设定频段BAND-3;针对模组P3 端子做S11测量，并将测量结果纪录于表(1-3)。 4 MOD-1C的S21测量：设定频段BAND-3;针对模组P3 及P4端子做S21测量，并将测量结果纪录于表(1-4)。 实验二、匹配理论 一、实验目的 、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。 二、实验设备 项目设备名称数量备注 1 MOTECH 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 连接线 2条CA-1、CA-2 (粉 红色) 三、理论分析（见书上） (1)集总元件实现的L型匹配网络 (2)分布参数实现的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参数实现匹配 (5)对匹配网络进行S参数仿真 LC网络实现匹配 S参数仿真 分布参数实现匹配 S参数仿真 软件仿真任务： (1)采用集总参数匹配负载 (2)采用单枝节分布参数匹配负载 (3)采用双枝节分布参数匹配负载 五、硬件测量 1、MOD-2A的S11测量：设定频段BAND-3.针对模组P1端子做 S11测量，并讲测量结果纪录于表（2-1）中。 2、MOD-2A的S21测量：设定频段:BAND-3.针对模组P1及P2端 子做S21测量，并将测量结果纪录于表（2-2）中。 3、MOD-2B的S11测量：设定频段：BAND-3.针对模组P3端子做 S11测量，并将测量结果纪录于表（2-3）中。 4、MOD-2B的S21测量：设定频段：BAND-3.针对模组P3及P4端 子做S21测量，并将测量结果纪录于表（2-4）中。 实验三、功率衰减器 一、实验目的 1、了解功率衰减器的原理及基本 设计方法。 2、利用实验模组实际测量以了解功率衰减器的 特性。 3、学会使用微波软件进行功率衰减器的设计和 仿真，并分析结果。 二、实验设备 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 ） 550 BNC 连接线2条CA-1、CA-2 (粉红色 ) 1、熟悉功率衰减器的原理。 2、了解和掌握两种类型的衰减器的原理熟悉 两种类型的衰减器的相似点和不同点，以及 他们的作用 4、具体请参见实验指导书。 三、理论分析 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。一般低频的才采用电阻的形式实现。 例如衰减10dB，输入、输出阻抗为50欧，代入上面的 公式有R371.15欧，R296.25欧，R1=96.25欧。 例如衰减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。 例如衰减3dB，输入阻抗为50、输出阻抗为75欧，代 入上面的公式有: 例如衰减6dB，输入阻抗为50、输出阻抗为75欧，代入上面的公式有: 例如衰减3dB，输入阻抗为50、输出阻抗为75欧，代入上面的公式有: 设计任务：设计T型，PI型同阻和异阻结构的衰减器 四、硬件测量 1、MOD-3A的S11测量：设定频段：BAND-3;针对模组P1 端子做S11测量，并将测量结果纪录于表（3-1）中。 2、MOD-3A的S21测量：设定频段：BAND-3;针对模组P1 及P2端子做S21测量，并将测量结果纪录于表（3-2） 中。 3、MOD-3B的S11测量：设定频段：BAND-3;针对模组P3 端子做S11测量，并将测量结果纪录于表（3-3）中。 4、MOD-3B的S21测量：设定频段:BAND-3;针对模组P3 及P4端子做S21测量，并将测量结果纪录于表（3-4） 中。 实验四、功率分配器 1、了解功率分配器的原理及基本设计方法。 2、利用实验模组实际测量以了解功率分配器 的特性。 3、学会使用ADS软件对功分器设计及仿真，并 分析结果。 一、实验目的 二、实验设备 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 RF2KM4-2A 350终端负载1个LOAD 4THRU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 ) 三、理论分析 功率分配器的技术指标：频率范围、承受功率、插入损耗，支路隔离度 、端口驻波比等等。 2、各类型等功率分配器： 根据功率分配器的组成形式可以分为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 divider Port2 ,P2 Port3,p3 Port 1 P1 1、功率分配器的原理 功率分配器是一个三端口元件，如图所示，根据能量守恒有 型电阻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的输出电压是相等的。其端口2的电压 等于： Y型电阻式功率分配器如图所示 由上面的电路分析可以知道，电阻功率分配器，输出端口总的功率为输入 端口功率的0.5倍，因此有一半的功率被消耗在电阻网络中。 设计任务：设计两种集总参数电阻等功率分配器； 微带wilkinson等功率分配器 微带wilkinson等功率分配器 微带wilkinson功率分配器设计公式 四、硬件测量 1、MOD-4A之P1端子的S11测量：设定频段： BAND-3;将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P2 及P3端子；针对模组P1端子做S11测量，并将 测量结果纪录于表（4-1）中 2、MOD-4A之P1及P2端子的S21测量：设定频 段：BAND-3; 将LAOD-1接在P3端子上；针对 模组P1及P2端子做S21测量，并将测量结果纪 录于表（4-2）中。 3、MOD-4A之P1及P3端子的S21测量：设定频 段：BAND-3; 将LOAD-1接在模组P2端子上； 针对模组P1及P3端子做S21测量，并将结果纪录 于表（4-3）中。 4、MOD-4B之P1端子的S11测量：设定频段：BAND- 4;将LOAD-1及LOAD-2分别接在模组P2及P3端子上。 针对模组P1端子做S11测量，并将测量结果纪录于表（ 5-1）中。 5、MOD-4B之P1及P2端子的S21测量：设定频段： BAND-4; 将LOAD-1接在P3端子上；针对模组P1及P2 端子做S21测量，并将测量结果纪录于表（5-2）中。 6、MOD-4B之P1及P3端子的S21测量：设定频段： BAND-4;将LOAD-1接在模组P2端子上； 针对模组P1 及P3端子做S21测量，并将测量结果纪录于表（5-3） 中。 实验五、定向耦合器 一、实验目的 1、了解方向耦合器的原理及基本设 计方法。 2、利用实验模组实际测量以了解方 向耦合器的特性。 3、学会使用微波软件对方向耦合器 进行设计和仿真，并分析结果。 二、实验设备 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方向耦合器模组2组RF2KM5-1A RF2KM5-2A 350终端负载1个LOAD-1、LOAD-2 450负载端子2个 550 BNC 接头2个THRU 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) 三、理论分析 定向耦合器的技术指标包括频率范围、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。 1、集总参数定向耦合器的设计 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，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： 3、分别对构成定向耦合器的不同结构计算元件值 a.低通结构 b.高通结构 例子:设计一个工作频率为1GHz,10dB低通L-C支路耦合器，端口阻抗 为50欧。 微带3dB定向耦合器的设计，其支线阻抗如图所示 *设计任务设计一个集总参数的定向耦合器和一个微带的3dB定向耦 合器 四、硬件测量 1、MOD-5A之P1端子的S11测量：设定频段：BAND-3;将LOAD-1及 LAOD-2分别接在模组P2及P4端子上；将于RF2000 RF-IN 端子连接 的CA-1接在模组P3端子上；针对模组P1端子做S11测量，并将测量 结果纪录于表（6-1）中。 2、MOD-5A之P1及P2端子的S21测量：设定频段：BAND-3; 将LOAD- 1及LOAD-2分别接在模组P3及P4端子上；针对模组P1及P2端子做 S21测量，并将测量结果纪录于表（6-2）中。 3、MOD-51之P1及P3端子的S21测量：设定频段：BAND-3;将LOAD-1 及LOAD-2分别接在模组P2及P4端子上；针对模组P1及P3端子做S21 测量，并将测量结果纪录于表（6-3）中。 4、MOD-5A之P1及P4端子的S21测量：设定频段：BAND-3;将LAOD-1 及LOAD-2分别接在模组P2及P3端子上；针对模组P1及P4端子做S21 测量，并将测量结果纪录于表（6-4）中。 实验六、滤波器设计 一、实验目的 1、了解基本低通及带通滤波器之设计方法。 2、利用实验模组实际测量以了解滤波器的特 性。 3、学会使用微波软件对低通和高通滤波器的 设计和仿真，并分析结果。 二、实验设备 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-2 4带通滤波器模组1个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) 三、理论分析 1、滤波器的类型 a)低通滤波器 b)高通滤波器 c)带通滤波器d) 通阻滤波器 2技术参数 a)插入损耗：定量描述功率响应幅度和0dB基准的差值 b)波纹：描述通带内信号响应的平坦度 c)3dB带宽：定义为通带内衰减3dB处上边带频率和下边带频率之间的差值(分数 带宽) d)带外抑制（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 带计算的设计值 两种归一化低通滤波器的实现方式如下图所示，其中串联电感和并联 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通过下面的公式来求取 为了满足需要的通带波纹大小LAr，以及在频率S处的阻带衰减 量LAS， Chebyshev滤波器低通原型的阶数可以通过下式确定 (a)低通滤波器原型(b)低通滤波器响应的频率定标 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. 对于低通原型中的串联电感jXL, 并联电容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，需要将其变换为实际源、负载阻抗条件下 的电容、电感值。（即阻抗变换） 由低通原型到低通滤波器实际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 首先找出在频率为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的结构,由设计公式 2、带通滤波器的设计:带通滤波器由低通原型变换而来，其中低通原 型中的串联电感变为带通滤波器中的L,C串联谐振器，低通原型中的并 联电容变换成带通滤波器中的LC并联谐振器 低通原型中的串联电感变换为带通滤波器中的的LC串联，电感、电 容值可以由下式求出： 低通原型中的并联电容变换为带通滤波器中的的LC并联，电容、电感值可 以由下式求出： 例子：设计一个通带波纹为0.5dB的三阶切比雪夫带通滤波器，其中心频率为4GHz， 分数带宽为5%,源、负载阻抗为50欧。 解：查表可以知道其对应的低通原型值为g1=g3=1.5963,g2=1.0967,g0=g4=1 如图所示，选择的低通原型第一个元件为并联电容，则根据(5-40),(5-41) 对于低通原型的并联电容，转换为带通滤波器中的LC并联，其电容、电感值为： 对于低通原型的串联电感，转换为带通滤波器中的LC串联，其电容、电感值为： 附录：低通原型值： Buttworth型 Chebyshev型 四、硬件测量 2、MOD-6A之P1及P2端子的S21测量：设定频段： BAND-1;针对模组P1及P2端子做S21测量，并将测量 结果记录于表（8-2）中。 1、MOD-6A之P1端子的S11测量：设定频段BAND-1; 针对模组P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表 （8-1）中。 3、MOD-6B之P3端子的S11测量：设定频段：BAND- 2;针对模组P3端子做S11测量，并将测量结果记录于 表(8-3)中。 4、MOD-6B之P3及P4端子的S21测量:设定频段： BAND-2;针对模组P3及P4端子做S21测量，并将测量 结果记录于表（8-4）中。