北邮微波仿真

《微波射频测量技术基础》课程实验姓名：学号：班级:学院:2016年1月15日微波仿真课（1）FR4基片：介电常数为4.4,厚度为1.6mm，损耗角正切为0.02第一次课作业1．了解ADSSchematic的使用和设置2．在Schematic里，分别仿真理想电容20pF和理想电感5nH，仿真频率为（1Hz-100GHz），观察仿真结果，并分析原因。(1)C=20pF左：S11Smith圆图，右：S21传输系数(x轴为log型增长)分析：电容的Smith圆图轨迹为r=1等电阻圆的下半圆，说明为容抗。当f越大，衰减越小，当ZL=Z0时越靠近匹配点（m1点），即容抗越小；当f越大，衰减越大，越靠近开路点（m2点）。(2)L=5nH左：S11Smith圆图，右：S21传输系数分析：电容的Smith圆图轨迹为r=1等电阻圆的上半圆，说明为感抗。当f越大，衰减越大，越靠近开路点（m2点）；当f越小，衰减越小，当ZL=Z0时越靠近匹配点（m1点），即感抗越小。3．Linecalc的使用a)计算中心频率1GHz时，FR4基片的50Ω微带线的宽度经计算，W=2.911200mmb)计算中心频率1GHz时，FR4基片的50Ω共面波导（CPW）的横截面尺寸（中心信号线宽度与接地板之间的距离）W=171.355000mm,L=63.500100mm4、基于FR4基板，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长开路CPW线的性能参数，中心工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分析原因。分析：Smith圆图上近似在r=无穷的等电阻圆上转折一圈多，反射系数的绝对值从低频到高频从1不断略微减小，说明频率越高，损耗情况越差。四分之一波长开路线具有“开路变短路”的作用。5、基于FR4基板，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长短路CPW线的性能参数，中心工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。500MHz时：Zin=50+j50分析：四分之一波长短路线具有“短路变开路”的作用。综上可知：四分之一波长传输线具有“阻抗倒置”的作用。6．分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长开路线的性能参数，工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。理想传输线微带传输线分析：四分之一波长开路线具有“开路变短路”的作用。7．分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长短路线的性能参数，工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。理想传输线微带传输线分析：四分之一波长短路线具有“短路变开路”的作用。综上可知：四分之一波长传输线具有“阻抗倒置”的作用。8．分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω二分之一波长短路线的性能参数，工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。理想传输线微带传输线先计算分析：二分之一波长短路线阻抗不变，所以所以短路经阻抗变换后还是短路。综上可知：二分之一波长传输线具有“阻抗还原”的作用。9．分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω二分之一波长开路线的性能参数，工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。短路传输线微带传输线分析：二分之一波长开路线阻抗不变，所以开路经阻抗变换后还是开路。微波仿真课（2）FR4基片：介电常数为4.4,厚度为1.6mm，损耗角正切为0.02第二次作业1．用一段理想四分之一波长阻抗变换器匹配10欧姆到50欧姆，仿真S参数，给出-20dB带宽特性，工作频率为1GHz。B=m4-m3=1070-929=141MHz2．用一段FR4基片上四分之一波长阻抗变换器匹配10欧姆到50欧姆，仿真S参数，给出-20dB带宽特性，工作频率为1GHz，比较分析题1和题2的结果。带宽为1065-921=144MHz比较分析题1和题2：从两张图比较可以看出，FR4基片由于存在损耗，介质不理想，在中心频率附近衰减得不够快，因而-20dB带宽为1065-921=144MHz，比理想的带宽要宽。此外，在中心频率处，FR4基片的反射系数S11要比理想情况大。3．设计一个3节二项式匹配变换器，用于匹配10欧姆到50欧姆的传输线，中心频率是1GHz，该电路在FR4基片上用微带线实现，设计这个匹配变换器并计算1.0m的带宽，给出回波损耗和插入损耗与频率的关系曲线，比较分析题2和题3的结果。根据所学的理论知识，先依题意算出三节匹配微带线的阻抗值,然后通过LineCalc计算出相应微带线的长和宽，修改电路图中MLIN的相关参数。Z1=ZL^(1/8)Z0^(7/8)=40.89Ω，Z2=ZL^(1/2)Z0^(1/2)=22.36Ω，Z3=ZL^(7/8)Z0^(1/8)=12.23Ω。比较分析题2和题3：可以看出，3支节二项式匹配变换器变换后的-20dB带宽是1322-681=641MHz144MHz，比题2的要宽，反射系数最小时对应的频率也偏离中心频率。4．题3中，若用3节切比雪夫匹配变换器实现，比较同样情况下的带宽，回波损耗和插入损耗与频率的关系曲线，比较分析题3和题4结果。根据所学的知识可以计算出切比雪夫变换器匹配的三个微带线的阻抗，然后通过LineCalc计算出相应微带线的长和宽，修改电路图中MLIN的相关参数。W=4.948710mmL=40.0910mmW=9.6519mmL=38.8278mmW=17.57710mmL=37.8241mm比较分析题3和题4：从结果图中可以看出，切比雪夫匹配变换器，工作频带内等波动，-20dB带宽是1175-764=411MHz，与二项式匹配变换器相比，切比雪夫匹配通带宽更加优化。相对3节二项式匹配变换器,3节切比雪夫匹配变换器的带宽显著增加，且回波损耗具有等波纹特性，插入损耗两者差别不大。5．对于一个负载阻抗ZL=60-j80欧姆，利用SmithChartUtility功能，分别设计并联短路单枝节和并联开路单枝节匹配，并将SmithChartUtility给出的匹配结果在Schematic中仿真，给出1-3GHz的回波损耗与频率的关系曲线，并给出1.0m的带宽。并联短路单枝节：B=m7-m6=1055-955MHz=100MHz并联开路单枝节：B=m7-m6=1025-979MHz=46MHz6．并联双枝节匹配电路，并联双枝节为开路，枝节之间相距λ/8，中心工作频率为2GHz,利用理想传输线，给出1-3GHz的回波损耗与频率的关系曲线，并给出1.0m的带宽。B=1005MHz-994.0MHz=11MHz微波仿真课（3）FR4基片：介电常数为4.4,厚度为1.6mm，损耗角正切为0.02第三次课作业Momentum1．在FR4基板上分别仿真四分之一波长开路线，四分之一波长短路线，二分之一波长开路线和二分之一波长短路线，中心工作频率为1GHz，并与Schematic仿真结果比较。仿真的频率:0-3GHz.四分之一波长开路线:四分之一波长短路线:二分之一波长开路线:二分之一波长短路线:比较：与Schematic仿真结果相比，Momentum仿真结果不是很准确，仿真点没有在smith圆图开路点和短路点的位置上。2．针对第1题，改变仿真的频率为:0-40GHz，观察上述传输线的性能变化并分析原因四分之一波长开路线：四分之一波长短路线:二分之一波长开路线：二分之一波长短路线：分析：当仿真频率逐渐增大到40GHz时，传输线上的电压、电流幅度与相位相差很大，就必须考虑分布参数效应。3、在Momentum里，仿真一个大小为40mm*45mm端接3mm*1mm的负载（频率:0.5-2.5GHz），结构如下：求出f=1.6GHz的阻抗值，并在该频率下针对该负载分别设计并联开路单枝节和并联短路单枝节匹配到50Ω（如果中心频率出现偏移，试看能否通过调整传输线尺寸，将其性能调回1.6GHz），观察仿真结果，分析带宽性能。在0.5-2.5GHz自适应仿真30点0.5-2.5GHz线性仿真0.01GHz45mm40mm3mm1mm首先在Momentum中设置好板材参数，在1.6GHz处进行单频点仿真，得出阻抗值为47.5-j*63.2利用smithchart进行单支节开路匹配转换成微带线在原理图中仿真加入MTEE后对TL1TL2的长度进行Tune，使达到匹配转成layout复制到之前的负载图中得到结果修改传输线长度进行微调缩短串联微带线长度至7mm并联枝节长度缩短至36.2mm最终得到同理，短路枝节也用smithchart算得Tune得参数转化为layout后由于有短路传输线要记得在板材中设置打孔再进行仿真和微调，最终当串联传输线长度为7.4mm，并联短路枝节长度为10.8mm时达到基本匹配4、用3题中的负载，在扫描的频率范围内，找出虚部为0的频率点，并在该频率点用四分之一阻抗变换器实现匹配，并观察和分析仿真结果。首先在layout中画出负载，然后在1-3GHz频率范围内进行仿真，这时使用的是线性仿真，取步长为0.01GHz，得到结果图如下：在图中找到两个实轴上的点，其中一个阻抗在1.568GHz为165.8ohm，另一个在1.82GHz为1.418ohm。为了方便匹配，我们选择165.8ohm的点。通过公式计算Z=√𝑍0𝑍𝐿=91ohm，通过linecalc计算得出W=0.76mm,L=27.5mm插入这段W=0.76mm,L=27.5mm的微带线后进行仿真在1.5GHz到1.62GHz进行自适应仿真随后通过微调四分之波长匹配线的阻抗和长度，当W=0.9mm，L=27.1mm时，在1.568GHz处基本达到匹配。总结：第一次上这个课的时候，助教老师为我们耐心讲述了ADS软件的使用方法，这让我对这个软件产生了浓厚的兴趣。在助教的耐心指导下，我学习到了ADS软件的使用方法。在实验过程中，我也遇到了很多困难，比如说利用Schematic里面的工具计算参数，回波损耗和插入损耗与频率的关系计算等等。通过利用课上时间询问助教老师以及百度等途径，一一解决了这些问题，让我对不同材料不同元件的特性有了更加直观，深刻的了解，并对利用ADS设计计算有了初步认识，这对我以后的学习有很大帮助。总之，这次实验还是很有意思的，能让我们在理论课之余加深对微波和电路的理解，也算是提高我们对于学习的兴趣和热情吧，像这样的实验课，我觉得大家还是应该认真的去做一下的。