東南大學(xué)信息學(xué)院大四上綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告微波組

/綜合課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：微波方向綜合課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)名稱：微波元件設(shè)計(jì)、仿真與測(cè)試院〔系：信息科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：040101姓名：XXXX學(xué)號(hào)：040101指導(dǎo)教師：20XX年XX月XX日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私舛ㄏ蝰詈想娐返脑砗驮O(shè)計(jì)方法；學(xué)習(xí)使用Microwaveoffice軟件進(jìn)行微波電路的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、仿真；掌握定向耦合器的制作及調(diào)試方法。二、實(shí)驗(yàn)原理定向耦合器是一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)〔如圖1所示.其中端口1是輸入端.端口2是直通端.端口3是耦合端.端口4是隔離端。分支線定向耦合器〔3dB是一種常用的微帶定向耦合器.如圖2.2所示.圖中連接四個(gè)端口的微帶線阻抗為；串聯(lián)分支的微帶線阻抗為.長(zhǎng)度為；并聯(lián)分支的微帶線阻抗為.長(zhǎng)度為。圖1分支線定向耦合器由奇偶模分析可知.當(dāng)信號(hào)從1端口輸入時(shí).分支線定向耦合器的2端口為直通端、3端口為耦合端、4端口為隔離端.2、3端口之間輸出信號(hào)的幅度相同、相位相差900。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和設(shè)計(jì)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：了解微帶分支線定向耦合器的工作原理；根據(jù)指標(biāo)要求.使用Microwaveoffice軟件設(shè)計(jì)一個(gè)微帶分支線定向耦合器.并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真。設(shè)計(jì)指標(biāo)：在介電常數(shù)為4.5.厚度為1mm的FR4基片上〔T取0.036mm.Losstangent取0.02.設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為f、相對(duì)帶寬為10%.用于50歐姆系統(tǒng)阻抗的3dB微帶分支線定向耦合器。要求：工作頻帶內(nèi)各端口的反射系數(shù)小于-20dB.輸入端與隔離端的隔離度大于25dB.直通端與耦合端的傳輸損耗小于3.5dB。定向耦合器的參考結(jié)構(gòu)如圖3.1所示.在設(shè)計(jì)時(shí)要保證四個(gè)端口之間的距離大于10mm.以便于測(cè)試。左右端口的距離應(yīng)為40或50mm。32413241微帶分支線定向耦合器的結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí).主要是以定向耦合器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。S21、S31是傳輸系數(shù).反映傳輸損耗；S41反映了輸入端與隔離端之間的隔離度；S11、S22、S33、S44分別是輸入、輸出端口的反射系數(shù)。根據(jù)S21.S31的相位仿真結(jié)果可以得到這兩個(gè)輸出端口的相位差。四、理論設(shè)計(jì)過程首先根據(jù)介電常數(shù)為4.5.厚度為1mm的FR4基片〔T取0.036mm.Losstangent取0.02等條件.計(jì)算3dB定向耦合器的各項(xiàng)尺寸參數(shù)。對(duì)于端口處的微帶線和并聯(lián)分支.其阻抗都等于特征阻抗為50Ω。在3GHz的中心頻率下.計(jì)算得寬度為1.8844mm。對(duì)于并聯(lián)分支.長(zhǎng)度為.計(jì)算得為13.426mm。串聯(lián)分支的微帶線阻抗為.長(zhǎng)度為。計(jì)算得阻抗為35.36Ω.對(duì)應(yīng)的微帶線寬度為3.246mm.長(zhǎng)度為13.061mm。五、微波元件的電路仿真在MWOffice中按上述計(jì)算的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì).并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化.得到如下的結(jié)果。其中為保證左右端口距離為40mm.延長(zhǎng)了端口處微帶線的長(zhǎng)度。電路結(jié)構(gòu)圖為：定向耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真。仿真觀察的主要參數(shù)是.傳輸系數(shù)S21、S31.反映傳輸損耗；S41反映了輸入端與隔離端之間的隔離度；S11、S22、S33、S44分別是輸入、輸出端口的反射系數(shù)。根據(jù)S21.S31的相位仿真結(jié)果可以得到這兩個(gè)輸出端口的相位差。相應(yīng)的仿真結(jié)果為：左上為傳輸特性曲線左下為反射特性最右為相位傳輸特性依照此設(shè)計(jì)電路.在Protel中產(chǎn)生了相應(yīng)的版圖.版圖如下：版圖六、實(shí)物制版與測(cè)試根據(jù)上述仿真結(jié)果進(jìn)行制版.對(duì)制作出的實(shí)物進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試。得到如下的結(jié)果：首先觀察從輸入端到直通端的傳輸系數(shù).即S21。圖S21測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)實(shí)物的中心頻率與理論值3GHz略有偏差。在3GHz上的S21為-4.173dB。接下來觀察直通端到耦合端的傳輸系數(shù)即S31。圖S31測(cè)試結(jié)果在3GHz上S31為-4.527dB.傳輸損耗比到直通端的略大。再觀察隔離度.中心頻率與3GHz也有一定誤差。圖S41測(cè)試結(jié)果七、分析與討論將實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論。實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果之間存在偏差.這可能是由于制作工藝只能精細(xì)到0.01mm.無法達(dá)到仿真的精細(xì)程度。實(shí)物的中心頻率與理想的3GHz存在一定偏差.這除了工藝精度的問題.還有可能是由于仿真中選取的仿真頻率值之間存在一定跨度.對(duì)中心頻率的仿真本身存在誤差。從實(shí)物測(cè)試結(jié)果看.器件的主要特性和理論比較吻合.但在各項(xiàng)具體參數(shù)值上和理論存在一定誤差。S21和S31即直通端和耦合端的傳輸損耗都比仿真結(jié)果略大.這可能是由于仿真中沒有考慮實(shí)物存在的一些損耗.如輻射損耗等。類似的.反射系數(shù)、隔離度與仿真結(jié)果也有一定偏差。這其中也存在測(cè)量器件的誤差可能.比如端口阻抗不是準(zhǔn)確的50Ω等。八、結(jié)論通過這學(xué)期的微波綜合課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐.學(xué)習(xí)了使用EDA軟件〔MicrowaveOffice進(jìn)行微帶線微波器件的設(shè)計(jì)仿真的方法.鞏固加強(qiáng)了微波基本知識(shí).學(xué)習(xí)了幾種基本器件的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。此外.學(xué)習(xí)了利用Protel產(chǎn)生版圖的方法.并實(shí)際操練了如何利用頻譜儀測(cè)量微波器件的頻率特性