微波实验指导教程----学生用书

目 录微波实验系统组成2实验一 微波发送系统电路组成及介绍10实验二 微波接收系统电路组成及介绍14实验三 微波设计及仿真软件的介绍19实验四 史密斯圆图分析与应用25实验五 网络分析仪的构成及S参数测量机理31实验六 传输线理论及微带传输线的设计与制作36实验七 阻抗匹配网络理论45实验八 阻抗匹配网络的设计与制作53实验九 微波定向耦合器的原理与设计71实验十 微波功率分配器的原理与设计85实验十一 固定功率衰减器的原理与设计94实验十二 PIN二极管压控衰减器的原理与设计103实验十三 集总参数滤波器的原理与设计111实验十四 微带滤波器的原理与设计132实验十五 微波低噪声放大器的原理与设计140实验十六 微波压控振荡器的原理与测量156实验十七 微波锁相环原理与测量164实验十八 微波上下变频器的原理与测量175实验十九 微带天线理论与设计189实验二十 微波腔体滤波器的原理与测量199实验二十一 模拟微波通信系统的组装及调试209实验二十二 数字微波通信系统的组装及调试215实验二十三 微波中继系统的组装及调试221武汉凌特电子技术有限公司 LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书 微波实验系统组成一、 概述LTE-WB-02D微波通信综合实验系统根据微波教学特点，结合具体电路，带领学生由浅入深地从感性认识到原理分析，再到测试方法、设计开发。通过该实验系统训练充分掌握传输线、滤波器、衰减器等模块的设计方法。并在对阻抗圆图有深入了解的基础上完全掌握用微带传输线来进行阻抗匹配的设计方法。二、 系统特点1 工作频率为3G频段，即TD-SCDMA移动通信系统的频段；2 具备通信设备前端的几乎所有无源和有源模块，可组成各微波传输系统以及微波中继系统；3 通过对各实验模块标准测试接口的测试，掌握现代网络频谱测量技术。如频谱仪的使用，网络分析仪的构建；4 本实验系统所包含的各模块均采用现代微波工艺设计制造；5 通过ADS仿真软件的学习及应用，真正做到较为方便的二次开发；6 支持3G移动通信系统科研活动，可组合出3G移动通信系统的射频前端。三、 电路组成及关键指标本实验系统由有源模块实验箱及无源模块实验箱组成。1 有源模块实验箱主要有微波发送系统和微波接收系统中的各有源模块组成，各实验模块既可以作为一个独立的功能模块来完成实验，同时也是构成微波通信系统的一个子模块，具体而言，本实验系统的各有源模块可以组合为数字微波通信系统、模拟微波通信系统以及微波中继系统等具备实际功能的传输系统，由以下功能模块组成：1) 视频音频调制模块2) 微波上变频模块主要指标：中频频率范围：01.5GHz 本振频率范围：1.54.5GHz 变频损耗：8.5dB 本振功率：917dBm IIP3：19dBm3) 压控衰减器模块主要指标：频率：20102025MHz最小衰减：6dB1dB最大衰减：25dB控制电压：09V（低衰减，高不衰减）驻波比：1.5IIP3：35dBm4) 功率放大器模块主要指标：频率范围：2010MHz2025MHz 增益：30dB OIP3：35dBm P1db：17 dBm 输入输出驻波：1.55) 腔体滤波器模块主要指标：频率：20102025MHz带内差损：1.5dB通带波动：0.5dB阻抗：50驻波比：1.5带外抑制70dB225MHz offset18dB20MHz offset6) 低噪声放大器模块主要指标：频率范围：2010MHz2025MHz噪声系数：1.5dB增益：45dBOIP3：35dBm输入输出驻波：1.57) 微波下变频模块主要指标：中频频率范围：01.5GHz本振频率范围：1.54.5GHz 变频损耗：8.5dB左右 本振功率：917dBm IIP3：19dBm8) 数字调制与解调模块9) 微波锁相源模块主要指标：频率范围：19702030 MHz 相位噪声：-85dBc/Hz100KHz10) 功分器模块主要指标：频率：20102025MHz 插入损耗：0.5dB 幅度平衡度：1dB 输出隔离：20dB11) 压控振荡器模块主要指标：频率范围：19702030 MHz 相位噪声：-85dBc/Hz100KHz 输出功率：16 dBm系统布局图如下：微波有源实验系统布局图传输系统框图如下：模拟微波传输系统数字微波传输系统微波中继传输系统2 无源模块实验箱基本上涉及到了微波通信教材中所提到的各种类型的无源模块和电路，特别对微波电路设计中经常会涉及到的匹配网络技术给予了详细深入介绍。它包括以下模块：1) 50传输线模块2) /4传输线阻抗变换模块主要指标：频率：20102025MHz 驻波比：20dB 驻波比：20dB14) 平行线型定向耦合器模块主要指标：频率：20102025MHz 耦合度：20dB1dB 驻波比：1.5 插损：0.5dB15) 型、T型衰减器主要指标：频率：20102025MHz驻波比：1.5 衰减：5dB0.5dB16) 集总参数LPF主要指标：BW3dB：50MHz截止频率：150MHz（衰减30dB）阻抗：5017) 集总参数HPF主要指标：BW3dB：60MHz截止频率：30MHz（衰减30dB）阻抗：5018) 集总参数BPF主要指标：中心频率：75MHzBW3dB：15MHzBW45dB：35MHz通带波动：1dB阻抗：5019) 微带带通滤波器主要指标：中心频率：2017.5MHzBW1dB：25MHzBW45dB：250MHz通带波动：1dB阻抗：5020) 微带天线主要指标：频率范围：2010MHz2025MHz 输入SWR：3.0增益：3dB系统布局图如下：微波无源实验系统布局图四、 应用说明在该硬件平台中，模块化功能较强。各单元都有专用测试接口，可以在不带电的情况下打开屏蔽盖，对该单元电路进行测试和信号的提取等。在微波有源实验系统中，电源插座在实验箱后面，电源模块在该实验平台电路板下面，它主要完成交流220V到+12V的直流变换，给整个硬件平台供电。测试模块之前，请务必校准测试仪器！第 9 页 共 222 页实验一 微波发送系统电路组成及介绍一、 实验目的1. 了解射频前端发射系统主要设计参数；2. 了解本实验系统中微波发送系统的基本结构；3. 了解发送系统的主要特性。二、 实验原理（一）实际射频前端发射器的基本结构在无线通讯中，射频发射器担任着重要的角色。无论是语言还是数字信号都要利用电磁波经空气传送到远端，而此过程都要使用射频前端发射器。其主要电路结构如图1-1所示，它大致可分为9个部分。图1-1 基本射频前端发射结构图1 中频放大器（IF AMP）2 中频滤波器（IF BPF）3 上变频混频器（MIXER）4 射频滤波器（RF BPF）5 射频驱动放大器（RF AMP）6 射频功率放大器（PA）7 载波振荡器（LO）8 载波滤波器（LO BPF）9 发射天线（Antenna）（二）发射器的重要设计参数11压缩点功率放大器的1压缩点是决定发射器最大发射功率的主要参数。 其定义如图1-2（a）（b）所示。图1-2 (a) 放大器的1dB压缩点 图1-2（b）放大器的1dB压缩点与LDR的关系2内调变失真所谓的内调变失真是指发射天线接收到同波道其它较大功率信号后，经功率放大器内调制混频所产生的再发射信号使原发射信号产生的失真。解决的方法是在发射天线与功率放大器之间加接一个或多个环行器来降低发射器的内调变失真。3噪声抑制率对于射频前端发射器而言，较大的噪声信号是来自功率放大器大信号放大所产生的谐波，而其它噪声则是由载波振荡器与混频器混频产生的。一般要求噪声低于主要载波信号功率70至90，以降低对其它波道的干扰。4载波频率稳定性发射器的载波频率需要符合系统要求，以避免对其他波道干扰，尤其在窄频带系统中更为重要。可利用锁相环路技术来增加载波频率的稳定性。5邻波道功率此项参数是由于系统的调制方法或是发射器快速的开关所造成的。在窄频带系统中，一般要求低于载波信号功率50。而在宽频带系统中，则要求达到80。6发射启动时间对于数字通讯系统而言，发射器的发射启动时间是很重要的参数，必须保证其足够短，以免限制系统的数据流流量。一般要求为发射器输出功率达到额定功率90所需的时间。（三）本实验发射电路框图如图1-3 ：图1-3 微波发射系统框图微波锁相源产生的射频信号，作为本振信号经放大后与调制模块产生的信号进行混频，和频信号经过压控衰减器，再经过功率放大，最后经天线发射出去。该发射系统电路在系统实验中将多次用到，在此仅对其做一个初步了解。三、 实验思考题1. 射频发射机的结构和以前学过的高频发射机的结构相同吗？请举出你观察到的异同点。2. 为什么功率放大器的1压缩点是决定发射器最大发射功率的主要参数？第223 页 共223页实验二 微波接收系统电路组成及介绍一、 实验目的1. 了解射频前端接收系统主要设计参数；2. 了解本实验系统中微波接收系统的基本结构；3. 了解接收系统的主要特性。二、 实验原理（一）实际射频前端接收器的基本结构射频前端接收器的基本电路结构如图2-1所示。图2-1 射频前端接收器共分为天线（ANTENNA）、射频低噪声放大器(RF LAN)、下变频器(DOWN MIXER)、中频滤波器(IF BPF)和本地振荡器(LO)。其工作原理是将发射端所发射的射频信号由天线接收后，经低噪声放大器将功率放大，再送入下变频器与本地振荡器混频后由中频滤波器将设计所要的频段信号滤出，最后再经过中频放大器将信号放大后，送到基频电路部分解调出所需要的信息信号。这种只经一个混频器降频（或升频）的电路结构称为一次变频形式。而在实际应用中，亦有二次变频形式，甚至多变频形式。具体使用视系统要求而定。因为基带处理单元（BPU）的处理频率有所限制（一般在500以下），所以须利用变频器及本地振荡器将射频信号下变频为中频段信号后，再送入基带处理单元。或是将基带处理单元送出的中频信号用射频前端发射器上变频至射频段信号并放大后，再辐射到空气中。本实验仅以一次变频形式来说明一个射频前端接收器的各设计参数。（二）主要设计参数1 接收灵敏度 其中：接收灵敏度，玻尔兹曼常数，绝对温度：系统的等效噪声频宽：在检波器输入端，系统要求的信噪比：系统阻抗：总等效输入噪声系数而上述中，总等效输入噪声系数则是由三部分组成。（1），接收器各级的噪声系数。（2），镜像频率产生的噪声。（3），宽频带的本地振荡器振幅调制产生的噪声。其计算公式如下式所列。 上述公式中变量说明如下：第级的噪声系数：第级的增益（）：在镜像频率下的单级噪声系数（对于因反射所造成的镜像频率衰减的单级，其。）：在接收器中，从接收端计算至混频器前的总级数（即不包含混频器）：本地振荡器的输出功率（）：边带频率上的相位噪声（）：滤波器在边带频率上的衰减值（）2接收选择性接收选择性是设计射频接收器的重要参数，它是用来衡量一个接收器对相邻波道信号的接收抑制能力。对于这个参数的设计需要考虑许多方面的因素，如：接收器的前端带宽，中频带宽，中频波形因数及极限频率的抑制等。3接收噪声响应从中频端观察，所有非设计所需要的信号皆称为噪声信号，而大部分的接收噪声信号是由RF与LO的谐波混频产生。在实际应用中，噪声信号是不可能没有的，其对系统产生的影响需视其功率高低而定。较常出现的接收噪声响应有：（1） 镜像频率，（2） 半中频，（3） 中频，4接收能叉点接收能叉点是接收器动态性能的重要参数，它是系统线性度的评价指标，由此可推算出一输入信号大小是否会造成的互调或交调失真。当接收器工作在线性区时，n阶互调谐波信号均很弱，都低于噪声电平。但是，随着输入信号电平的增加，接收器工作趋向饱和非线性区，n阶互调谐波信号高于噪声电平，对有用信号造成干扰。其定义如图2-2所示。在实际应用中，常用的能叉点有二阶能叉点和三阶能叉点。二阶能叉点是用来判断混频器对半中频噪声的抑制能力的主要参数。三阶能叉点是用来衡量接收系统抵抗内调变失真能力的参数。图2-2 n阶能叉点定义图（三）本实验接收电路框图如下：图2-3 微波接收系统框图天线接收到的信号经过腔体滤波器，再经过低噪声放大器，与微波锁相源产生的射频信号作为本振信号进行混频，取出其的差频信号，该信号再经过中频放大、解调，再进入下级。该接收系统电路在最后的系统实验中将多次用到，在此仅对其做一个初步了解。三、 实验思考题1. 射频发射机的结构和以前学过的高频发射机的结构相同吗？请举出你观察到的异同点。2. 什么是镜像频率？什么方法能抑制镜像频率？实验三 微波设计及仿真软件的介绍一、 实验目的1 微波设计软件的了解；2 微波电路的仿真设计过程。 二、 实验原理微波电路的CAD软件大致可以分成下面几类： 线性/非线性微波电路仿真软件； 2.5D平面电路电磁场仿真软件； 3D电磁场仿真软件； 系统仿真软件； 专用电路的设计软件。 排版软件微波电路计算计辅助设计（CAD）技术是电子设计自动化（EDA）技术的一个分支，用于射频及微波电路的计算机仿真和优化设计。表3-1所示为主要的微波电路CAD软件。表3-1 主要的微波电路CAD软件简介序号名称主要性能厂商1ADS 综合软件包Agilent 2Sverenade综合软件包Ansoft3MW Office线性/非线性电路、2.5D电磁场仿真AWR4GENESYS 线性/非线性电路、滤波器设计等Eagleware5MMICAD线性/非线性电路设计OPTOTEK6Momentum2.5D平面电路电磁场仿真Agilent7Ensemble2.5D平面电路电磁场仿真Ansoft8em2.5D平面电路电磁场仿真Sonnet9HFSS3D电磁场仿真Ansoft10MW Studio3D电磁场仿真CST11Symphony系统仿真Ansoft12Clementine共形天线设计Ansoft13Protel电路板布线PROTEL14AutoCAD电路板布线Autodesk(一) 微波电路CAD的特点及主要内容与其它电子EDA技术相比，微波电路CAD软件具有以下几个特点： 必须有精确的传输线模型和各种器件模型； 有时必须采用电磁场仿真等数值仿真工具； 一般都具有S参数分析的功能。在微波电路CAD技术中，各种传输线及其不均匀区模型、元件之间的寄生耦合模型以及微波有源器件的非线性模型等，在技术上的难度都非常大。微波电路CAD包括线性微波电路的S参数计算、直流分析、线性/非线性噪声分析、非线性电路的瞬态分析、非线性电路的谐波分析（功率压缩、交调和谐波特性等）、优化设计、容差分析、2.5D及3D电磁场仿真、布线和版图设计等，甚至还可以包括微波器件的建模和参数提取以及计算机辅助测试。我们将根据表1，简要介绍其中几种。Agilent ADS(Advanced Design System)软件是在HP EESOF系列EDA软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件，是美国安捷伦公司为系统和电路工程师提供的可开发各种形式的射频设计，对于通信和航天防御的应用，从最简单到最复杂，从离散射频微波模块到集成MMIC。从电路元件的仿真，模式识别的提取，新的仿真技术提供了高性能的仿真特性。该软件可以在微机上运行，其前身是工作站运行的版本MDS（Microwave Design System）。该软件还提供了一种新的滤波器的设计引导，可以使用智能化的设计规范的用户界面来分析和综合射频微波回路集总元滤波器，并可提供对平面电路进行场分析和优化功能。它允许工程师定义频率范围，材料特性，参数的数量和根据用户的需要自动产生关键的无源器件模式。该软件范围涵盖了小至元器件，大到系统级的设计和分析。尤其是其强大的仿真设计手段可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综合仿真分析与优化，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，使之成为设计人员的有效工具。Microwave Office，是AWR公司推出的微波EDA软件，为微波平面电路设计提供了最完整, 最快速和最精确的解答。它是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。对于由集总元件构成的电路，用电路的方法来处理较为简便；该软件设有VoltaireXL的模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题。而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效；该软件采用的是EMSight的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题。VoltaireXL 模拟器内设一个元件库，在建立电路模型时，可以调出微波电路所用的元件，其中无源器件有电感、电阻、电容、谐振电路、微带线、带状线、同轴线等等，非线性器件有双极晶体管， 场效应晶体管，二极管等等。EMSight模拟器是一个三维电磁场模拟程序包，可用于平面高频电路和天线结构的分析。特点是把修正谱域矩量法与直观的视窗图形用户界面(GUI）技术结合起来，使得计算速度加快许多。MWO可以分析射频集成电路(RFIC）、微波单片集成电路(MMIC）、 微带贴片天线和高速印制电路(PCB）等电路的电气特性。Ansoft HFSS，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： 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题； 端口特征阻抗和传输常数； S参数和相应端口阻抗的归一化S参数； 结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer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。(二) 常用的分析方法线性电路：采用等效电路模型和S参数矩阵级联计算。非线性电路：Spice、谐波平衡法、包络仿真法等。电磁场仿真：常采用矩量法和有限元法等数值计算方法。(三) 优化给定电路的网络拓扑结构、各个元件的初始值，以及电路的设计指标的目标参数，CAD软件将自动改变各元件值，直到满足要求。CAD软件通常都具有的，也是最常用的优化方法是随机优化和梯度法。当然，一些软件还提供了其它的优化方法供选择。(四) 设计步骤微波电路CAD设计的步骤可大致总结如下： 根据技术性能指标的要求，选择半导体器件。 对于不需要半导体器件的微波无源电路，根据技术性能指标的要求，选择网络拓扑结构。 根据所选器件的具体参数，设计匹配电路的拓扑结构。 确定（或计算）电路中各个元件的初始值。 根据技术性能指标的要求，设置优化目标（或参数）。 根据经验或试验性地选择若干优化变量（或元件）。 选择优化方法，并进行优化。 进行容差分析。 进行版图的设计并输出版图。 进行性能指标的复核，进行版图的检查，并提出结构设计的要求。(五) 几点经验和建议 必须保证器件选择、匹配电路或网络拓扑设计的正确性。 电路中各元件初始值的选择应尽量准确。这将有利于优化计算的快速收敛，并保证优化设计能够达到全局最优点，而不是局部的极小（或极大）点。 对于存在多个优化目标参数的一般情况，应根据实际的需要，分出主次或考虑折衷，并进行加权。 关于优化变量（或元件）的选择，一方面可以根据自己的经验，另一方面也可以先选择其中几个进行试探。特别是当元件（或变量）较多时，一般不主张都选择为优化变量。 对于优化方法的选择，通常是先随机法，后梯度法，这样将有助于使设计达到全局最优。 在电路设计的过程中，必须要考虑元件标称值的因素。另外对于分布参数电路，电路参数的取值必须要符合相应的工艺要求。三、 实验思考题1. 试对几种主流微波设计仿真软件的性能做一个简单介绍。2. 利用微波设计仿真软件其设计步骤如何？3. 试探讨为何需使用软件来进行最佳化？武汉凌特电子技术有限公司 LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书 实验四 史密斯圆图分析与应用一、 实验目的1 了解史密斯圆图的原理和作用；2 学会用史密斯圆图分析和解决问题。二、 实验原理（一） 圆图概念史密斯圆图是求解均匀传输线有关阻抗计算和阻抗匹配问题的一类曲线坐标图，图上有两组坐标线，即归一化阻抗或导纳的实部和虚部的等值线簇与反射系数的模和辐角的等值线簇。所有这些等值线都是圆或圆弧，故称其为阻抗圆图或导纳圆图，简称圆图。圆图所依据的关系式如下，即 或者 式（4-1）式中z(d)和(d)一般为复数：圆图便是依据式（4-1）将z(d)和(d)的两组等值线簇套印在一张图纸上而成的，便于直接读出相互转换的关系和数据。（二）平面上的归一化阻抗圆归一化电阻和电抗圆参数表示法的组合，在1圆内得到如图4-1所示的Smith圆图。Smith圆图的一个重要的观察结果是归一化阻抗平面和反射系数之间为一对一的映射。我们也注意到归一化电阻圆r的范围是0r，而归一化电抗圆x可为负（即电容性）也可为正（即电感性），其范围为-x。图4-1 由r和x圆在1范围内组合的Smith圆图此外，还有反射系数图，以及平面上的等衰减图。三图合一，我们可以合成一个史密斯圆图。那么我们如何看待史密斯圆图呢？换句来说，它是什么？有什么用处？传输线的正弦稳态分析所需的计算含有复数。在有效使用计算器和计算机之前，这些计算十分繁复。结果导致图解分析技术的发展，并用来计算传输线的性能。史密斯圆图在其中是比较好的，它实质上是一个传输线计算器，能使使用者迅速得出在传输线上任一点所发生的物理解释。除了确定线上任一点的输入阻抗，电压反射系数，VSWR,在线上放置短截线的位置以使传输线匹配外，还可由史密斯圆图获得一些其他数据。（三） 圆图使用图 4-2 所示为 ZY 史密斯图，它主要是由阻抗史密斯图(Impedance Smith Chart)及导纳史密斯图(Admittance Smith Chart)所组成，其中心点位置所示为纯电阻50，而其左右两端所示之阻抗分别为0(即短路)与(即开路)。如果我们将 Smith图由其水平之中间将其分为上下半圆，其上半圆所呈现之阻抗特性为一个电感抗，即Z=R+jX 或Y=G-jB；下半圆所呈现之阻抗特性为一个电容抗，即Z=R-jX 或Y=G+jB。图4-2 ZY史密斯图表4-1 史密斯图应用原则加入组件种类行走路径行走方向串电感常电阻圆顺时针串电容常电阻圆逆时针并电感常电导圆逆时针并电容常电导圆顺时针当我们在利用史密斯图来设计匹配网络时，串联与并联电感或电容组件时的原则如表 4-1 所示。加一个电感性组件与阻抗相串联，可沿着史密斯图上的常电阻圆依顺时钟方向移动，若是串联一个电容性组件，则依反时钟方向移动；而加上一个电感组件与导纳相并联，可沿着史密斯图中的常电导圆依逆时针方向移动，若并联电容性组件，则依顺时钟方向移动；简言之，只要是沿着等电阻圆移动的就是串联一个组件，沿着等电导圆移动的就是并联一个组件，而往上半圆的方向移动就是电感性组件(即串联电感或并联电感)， 往下半圆的方向移动就是电容性组件(即串联电容或并联电容)， 如图4-3所示。图4-3 史密斯图匹配网络图解设计示意图以下为圆图使用的一些准则： 1) 在传输线上移动半个波长,相当于圆图上旋转360； 2) 由负载向电源移动,圆图上为顺时针旋转；由电源向负载移动,为逆时针旋转； 3) 阻抗圆图的电阻圆全部都与1=1的直线相切，并且都在单位圆内；r=0(短路)时，圆心在(0,0),半径=1(与单位圆重合)；r=(开路)时，圆心在(1,0),半径=0(缩为1个点)；坐标轴1(2=0)是一条纯电阻线，线上的点从左到右电阻值从0到，中心为1；中心之左1,右半轴上的点代表电压最大点，其值大小等于驻波比。4) 阻抗圆图的电抗圆全部都与2=0的直线相切，并且圆心都在1=1的直线上，它们截于单位圆内的为有效部分，其中：20的为电感线；20的为电容线；x=0时，圆心和半径都趋于(变为一直线)；x=时，半径=0(缩为1个点)。5) 导纳圆图与阻抗圆图表达式完全一样，它们是同一物理实质，两种表达方式。g=0(开路)时，圆心在(0,0),半径=1(与单位圆重合)；g=(短路)时，圆心在(1,0),半径=0(缩为1个点)；坐标轴1(2=0)是一条纯电导线，线上点的电导值从0到，右半轴上的点代表电压最小点，其值大小等于驻波比。导纳圆图上的一个点，沿等驻波圆转动180便可得到相应的阻抗值；反之，亦相同。Smith圆图是一个非常有用的图形化的匹配电路设计和分析工具，且方便有效，在微波电路设计过程中会经常用到。 三、 实例分析例：反射系数表示法：特性阻抗Z0=50的传输线，终端接有下列负载阻抗：1. ZL=0(短路线)2. ZL(开路线)3. ZL=504. ZL=(50+j150)求出其反射系数0并在复数平面上标出它们的位置。解：我们计算下列反射系数：1. 0=-1（短路线）2. 0=1（开路线）3. 0=0（匹配电路）4. 0=0.8334我们将使用附带史密斯圆图软件来验证这些结果是否正确。四、史密斯圆图演示软件的功能1实时显示史密斯圆图上的阻抗值和归一化阻抗值；2实时显示导纳圆图和归一化导纳值；3串联R、L、C以及微带线的计算；4并联R、L、C以及微带线的计算；5驻波系数、反射系数模和幅角；6传输线归一化长度并显示行驻波的波形；7计算传输线的输入阻抗和归一化输入阻抗；五、史密斯圆图软件的使用1进入史密斯圆图界面；2熟悉史密斯圆图的各个功能；3利用史密斯圆图进行阻抗匹配电路的选型；4分析阻抗匹配情况。5通过圆图快速记忆法熟悉史密斯圆图。6进行实例分析。六、实验思考题1 试对史密斯图做简单的介绍。 2 试叙述利用史密斯图来设计匹配网络时的使用原则? 实验五 网络分析仪的构成及S参数测量机理一、 实验目的1 网络分析仪的构成及原理；2 S参数测量方法；3 简易标量网络分析仪的组建及测试。二、 实验原理我们都知道，微波测试仪器有两个特点：价格昂贵、种类多。对于微波测试仪器来说，经常是动辄几十万甚至上百万元。因此，在操作的过程中，一方面必须要注意电网的安全性并保证设备接地良好，另一方面应绝对禁止仪器的带电连接操作和调试时的带电焊接。网络分析仪可以分成标量网络分析仪和矢量网络分析仪。矢量网络分析仪主要用来测试如频响、增益、插损、带外抑制、VSWR、S参数（包括幅值和相位）、阻抗、插入相移、群延时等指标；而标量网络分析仪则只能测试上述指标中与相位无关的参数。（一） 网络分析仪的构成及原理图5-1 普通网络分析仪方框图如图5-1所示是普通网络分析仪方框图，表示信号处理的主要部分。为了测量入射、反射和传输信号，需要四部分：激励源、信号分离装置、提供信号检测的接收机、用于计算和观察结果的处理器或显示器。我们将详细地分析每一部分。信号源提供激励用于激励响应测试系统中，它或是频率扫描源或是功率扫描源。传统上，网络分析仪使用独立源。今天，大量的网络分析仪都是集成化综合频率源。接下来是信号分离单元，用作该功能的硬件通常称为“测试装置”。测试装置可能是单独的盒子，或者集成在网络分析仪内部。信号分离硬件必须有两种功能。第一是测量入射信号的一部分作为求比值的参考。这可由功分器或定向耦合器完成。第二个功能是在被测件的输入端分离入射和反射行波。定向耦合器在定向性、低损耗、和高反向隔离方面是理想的，但是由于很难制造出真正的带宽定向耦合器，因而常使用电桥。网络分析仪中检测信号有两种基本方法。一种是二极管检波器，它把射频信号电平按比例变换为直流电平。如果是幅度调制信号，二极管从调制信号中去除载波。另一种是利用调谐接收机，往往是用混频器或采样器实现其前端。用采样器代替混频器做宽带前端往往更容易实现。二极管检波器的主要优点是覆盖宽带频率，并且比调谐接收机便宜。而调谐接收机能提供最好的灵敏度和动态范围，还能抑制谐波和寄生信号。 网络分析仪最后的硬件部分是显示器/处理器部分。在这里反射和传输数据用格式化的方式显示，使其易于说明测量结果。大部分的网络分析仪有相似的特性，如线性和对数扫描，线性和对数格式，极坐标图，史密斯圆图等等。（二） S参数的测量方法简单的说，S参量表达的是功率波，它使我们可以用入射功率波和反射功率波的方式定义网络的输入、输出关系。图5-2 两端口网络S参量的规定根据图5-2中关于电压波方向的规定，可以定义S参量： 我们注意到和的条件意味着2端口和1端口都没有功率波返回网络。然而这个条件只能在两端传输线都匹配时才成立。那么如何用网络分析仪测量S参量呢？图5-3 高频器件反射、传输特性如图5-3所示为高频器件的反射与传输特性。网络分析仪上通常有1个输出端口，该端口可以通过内部信号源或外接信号源输出射频信号，另外还有3个分别标为R,A和B的测量通道（见图5-4）。图5-4 利用网络分析仪测试和的实验系统射频源通常是覆盖特定频段的扫频源。测量通道R用于测量入射波，同时也作为参考端口。通道A和B通常用于测量反射波和传输波。测量通道A和B可以同时测量任意两个S参量元素。图5-4是测量S11和S21的实验系统。此时，S11和S21的数值可以分别通过计算A/R和B/R的比值得到。若要测量S12和S22，的则必须将待测元件反过来连接。图5-4中的双定向耦合器可以在待测元件的输入端口将入射波与反射波分开。偏置T形接头（Bias Tee）可为待测元件提供必要的偏置条件，比如静态工作点。因为网络分析仪的主要用途是测量两端口器件，所以新型网络分析仪的内部已经包含了偏置T型接头，定向耦合器，电子开关以及扫频信号源。（三） 简易标量网络分析仪的组建及测试频谱分析仪与网络分析仪之间的主要区别是源。那么给频谱分析仪加上一个跟踪发生器是否可以使之成为标量网络分析仪呢？答案是肯定的。加上跟踪源及反射电桥就可以在常规频谱测量的基础上又将频谱分析仪模拟成为一台标量网络分析仪。如图5-5所示，微波跟踪源射频输出至反射电桥输入端，反射输出至频谱分析仪射频输入，电桥输出端接至测器件，这样就可以根据输入、传输、反射波的功率求出各S参数了。图5-5 由频谱分析仪构成的标量网络分析仪目前市面上也有很多频谱分析仪自带跟踪源，这样配合反射电桥，可以轻松组建出一个标量网络分析仪。三、 实验思考题1 试简单叙述网络分析仪的构成及原理。2 结合网络分析仪的构成原理，简单叙述如何利用频谱分析仪构成标量网分析仪。实验六 传输线理论及微带传输线的设计与制作一、 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传输线的特性；3 掌握传输线模块的设计方法。二、 实验原理我们知道，频率的提高意味着波长的减小。当波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟时，电压和电流不再保持空间不变。当电压和电流波的波长缩小到大致为电路元件尺寸的10倍时，必须从以基尔霍夫电流和电压定律为基础的集总电路分析转变到基于波动原理分布理论。（一） 基本传输线理论在传输线上传输波的电压、电流信号会是时间及传输距离的函数。一条单位长度传输线的等效电路可由R、L、G、C等四个元件来组成，如图6-1所示。图6-1 单位长度传输线的等效电路假设波的传播方向为Z轴的方向，则由基尔霍夫电压及电流定律可得下列二个传输线方程式： 式（6-1） 式（6-2）此两个方程式的解可写成： 式（6-3） 式（6-4）其中V+,V-,I+,I-分别是信号的电压及电流振幅常数，而+、-则分别表示+Z，-Z 的传输方向。则是传输系数（propagation coefficient），其定义如下： 式（6-5）而波在z上任一点的总电压及电流的关系则可由下列方程式表示： 式（6-6） 式（6-7）式（6-3）、（6-4）代入式（6-5）可得： 式（6-8）一般将上式定义为传输线的特性阻抗（Characteristic Impedance）ZO ： 式（6-9）当R=G=0时，传输线没有损耗（Lossless or Loss-free）。因此，一般无耗传输线的传输系数及特性阻抗ZO分别为： 式（6-10） 式（6-11）此时传输系数为纯虚数。大多数的射频传输线损耗都很小；亦即RL且GC。所以R、G可以忽略不计，此时传输线的传输系数可写成下列公式： 式（6-12）式（6-5）中与在无耗传输线中是一样的，而定义为传输线的衰减常数（Attenuation Constant）,其公式分别为： 式（6-13） 式（6-14）其中Y0定义为传输线的特性导纳(Characteristic Adimttance), 其公式为： 式（6-15）（二） 负载传输线（Terminated Transmission Line ）（A）无损耗负载传输线（Terminated Lossless Line）考虑一段特性阻抗为Zo的传输线，一端接信号源，另一端则接上负载，如图6-2所示。并假设此传输线无耗，且其传输系数 =j，则传输线上电压及电流方程式可以用下列二式表示： 式（6-16） 式（6-17）图6-2 接上负载的传输线电路 （1）若考虑在负载端（z=0）上，则其电压及电流为： 式（6-18） 式（6-19）而且，式（6-19）可改写成： 式（6-20）合并式（6-18）及（6-20）可得负载阻抗（Load Impedance）： 式（6-21）定义归一化阻抗（Normalized Load Impedance）： 式（6-22）当ZL = ZO时，则L = 0时，此状况称为传输线与负载匹配（Matched）。（2）若考虑在距离负载端L（z=-L）处，即传输线长度为L。则其反射系数 (L) 应改成： 式（6-23）而其输入阻抗则可定义为： 式（6-24）由上式可知：（a）当L时, （b）当L=/2时, =（c）当L=/4时，=/（B）有耗负载传输线（Terminated Lossy Line ）若是考虑一条有耗的传输线，则其传输系数 =+j为一复数。所以，反射系数(L)应改成： 式（6-25）而其输入阻抗则改成为： 式（6-26）（三） 微带线理论（Microstrip Line）实际使用的传输线有许多种类，常见的有同轴线、微带线、条线、平面波导、波导等，而其中又以微带线最常见于射频电路设计上。所以，本单元便以介绍微带线为主。微带线的结构如图6-3所示，而其相关设计参数如下所列。图6-3 微带线的结构（1）基板参数（Substrate Parameters）基板介电常数（Dielectric constant），r常见的基板有Teflon（r =2.2），FR4（r =45），Alumina（r =10）损耗正切（Tangent dielectric loss），tand基板高度 （Height），h基板导线金属常见有铜（Copper）、金（Gold）、银（Silver）、锡（Sn）、铝（Al）。基板导线厚度（Thickness），t（2）电特性参数：（Electrical parameters）特性阻抗Zo 、波长（角度） 、使用主频率fo（3）微带线参数（Microstrip Parameters）宽度（width）W长度（Length）L单位长度衰减量（Unit-length Attenuation），AdB相关计算公式有：（A）合成公式（Synthesis Formula） （已知传输线的电特性参数（ZO、），求出相对微带线的物理性参数W、L、AdB）（B）分析公式（Analysis Formula）（已知微带线的物理性参数，求出其相对传输线电特性参数ZO、）鉴于公式复杂，在实际计算中常用传输线计算器实现，这里就不在罗列公式。关键参数指标及其含义回波损耗RL：实际电路总是在源功率和输送到传输线的功率之间存在一定程度的失配，该失配通常定义为回波损耗，它是反射功率与输入功率之比。电压驻波比VSWR：78897两个方向相反的波在同一介质中传播就会产生驻波.为了量化失配，引入SWR 的概念，VSWR定义为最大绝对电压值与它的最小值之比。回波损耗与电压驻波比存在着如下的关系：式中，为被测负载的反射系数。三、 设计方法与实例实例一：创建一条剖面如图6-4（a）所示的长5英寸无损耗50传输线的等效电路模型。假定驱动器的最小上升时间5ns，介电系数为4.5。 图6-4 创建传输线模型：（a）剖面图；（b）等效电路。 解法：首先计算传输线的电感和电容。用以上所述的等式得到： 如果传输线是微带线，计算速度的过程是一样的。 因为和，我们有两个等式和两个未知数。求解L和C。 以上L和C值是5英寸线的总电感和总电容。因为3.6不是约整数，所以我们在模型中使用4个片段。 最后无损耗传输线等效电路如图7b所示。仔细检查以确认满足经验法则。 四、 实验内容实验设备:项次设备名称数量备注150传输线模块1块无源实验箱2/4传输线阻抗变换模块1块无源实验箱3频谱分析仪1台4反射电桥1块5射频连接线3条6标准50负载，开路、短路器各1个实验步骤: 本实验能够实现传输线理论中最基本的三个功能：开路、短路和传输。l 开路：开路对应全反射状态，此时的反射S11最大，理想情况下等于零dB。l 短路：短路对应全反射状态，此时的反射S11最大，理想情况下等于零dB。l 传输：模块的传输是匹配状态下的微带传输，此时的反射S11最小；传输S21最大，理想情况下等于零dB。1. 开路传输线，短路传输线，匹配传输线以及/4传输线阻抗变换模块适用频率均为2010-2025MHZ，校准频谱仪。2测量步骤： 50传输线模块的S11测量：将频谱仪上信号输出端口连接到反射电桥输入端，再将反射电桥反射输出端接频谱分析仪INPUT端。反射电桥输出端接待测的50传输线模块，模块另一端分别接开路器短路器以及标准50匹配负载，并将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz，分别记录三次测量结果。测试模组方框图如图6-5所示:图6-5 50传输线模块驻波比测量框图 /4传输线阻抗变换模块的S11测量：仪器连接方式不变，将50传输线模块卸下，接上/4传输线阻抗变换模块。将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz， 记录测量结果。测试模组方框图如图6-6所示:图6-6 /4传输线阻抗变换模块驻波比测量框图3硬件测量的结果建议如下为合格在 2010-2025MHZ 频段内，输出端接标准50负载l 回波损耗RL13.979dB即VSWR1.5 实验七 阻抗匹配网络理论一、 实验目的1 了解基本的阻抗匹配理论；2 利用实验模组实际测量以了解匹配电路的特性。二、 实验原理在高频电路设计中，阻抗匹配是很重要的一环。从直流电路的基本理论中，我们知道若信号源的电阻与输出之负载电阻相同时，就可在输出端得到最大的功率输出。但是在交流电路中，除了电阻，尚有电容与电感等电抗性组件，因此若要求得到最大功率输出时，除了两端的电阻相等外，还需信号源的电抗与负载的电抗互成共轭才行。所以阻抗匹配的目的就是经由适当方法选择组件使得信号源与负载两端的电抗值成共轭关系，以便产生谐振而互相抵消，使得电路中仅存电阻性，而能得到最大功率传输。其次，由于现成的网络组件，其阻抗值会随着频率的变化而变化，因此阻抗匹配只能适用于某一特定的频率，但是对于宽频的电路来说，所设计的电路都期望能涵盖整个频宽。就理论而言，可借着适当方法来增加阻抗匹配的频宽范围。如图7-1（a）所示：输入信号经过传输以后，其输出功率与输入功率之间存在以下关系，信号的输出功率直接决定于输入阻抗与输出阻抗之比。图7-1（a） 输出输入功率关系图输出功率与阻抗比例的关系图见图7-1（b）。由图可知，当RL=RS 时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配状态。 图7-1（b） 输出功率与阻抗比例关系图推而广之，如图7-1（c）所示，当输入阻抗ZS与负载阻抗ZL间成为ZS=ZL*的关系时，满足广义阻抗匹配的条件。所以，阻抗匹配电路也可以称为阻抗变换器。当ZL=ZS*,即是匹配图7-1(c) 广