實(shí)驗(yàn)一：傳輸線(xiàn)理論*(TransmissionLineTheory)一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饣緜鬏斁€(xiàn)、微帶線(xiàn)的特性。利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)際測(cè)量以了解微帶線(xiàn)的特性。利用MICROWAVE軟件進(jìn)行基本傳輸線(xiàn)和微帶線(xiàn)的電路設(shè)計(jì)和仿真。二、預(yù)習(xí)內(nèi)容：熟悉微波課程有關(guān)傳輸線(xiàn)的理論知識(shí)。熟悉微波課程有關(guān)微帶線(xiàn)的理論知識(shí)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備:項(xiàng)次設(shè)備名稱(chēng)數(shù)量備注1MOTECHRF2000測(cè)量?jī)x1套亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2微帶線(xiàn)模組1組RF2KM1-1A,350QBNC連接線(xiàn)2條CA-1、CA-2（粉紅色）41MQBNC連接線(xiàn)2條CA-3、CA-4（黑色）5MICROWAVE軟件1套微波電路設(shè)計(jì)軟件四、理論分析：（一）基本傳輸線(xiàn)理論在傳輸線(xiàn)上傳輸波的電壓、電流信號(hào)會(huì)是時(shí)間及傳輸距離的函數(shù)。一條單位長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)的等效電路可由R、L、G、C等四個(gè)元件來(lái)組成，如圖1-1所示。單位長(zhǎng)度'單位長(zhǎng)度'圖1T單位長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)的等效電路假設(shè)波的傳播方向?yàn)?Z軸的方向，則由基爾霍夫電壓及電流定律可得下列二個(gè)傳輸線(xiàn)方程式：d2V(z)-(RG-2LC)V(z)-j(RC+LG)V(z)=0dz2d21(z)

-(RG- 2LC)I(z)-j(RC+LG)I(z)=0dz2此兩個(gè)方程式的解可寫(xiě)成：

V(z)=V+e-Z+V-ez (1-1),I(z)=I+e-z-I-e(1-2)其中v+,v-,i+,i-分別是信號(hào)的電壓及電流振幅常數(shù)，而、-則分別表示+z,-z的傳輸方向。Y則是傳輸系數(shù)(propagationcoefficient),其定義如下：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"=4(R+jL)(G+jC) (1-3)而波在z上任一點(diǎn)的總電壓及電流的關(guān)系則可由下列方程式表示:dV dI\o"CurrentDocument"石=-(R+jL-1 石=-(G+jC)-V (1-4)式(1-1)、(1-2)代入式(1-3)可得:V+=7+一G+jC一般將上式定義為傳輸線(xiàn)的特性阻抗(CharacteristicImpedance) ZO:R+jL\o"CurrentDocument"V+V-Z= = _R+jLoI+I-G+jCG+jC=j=jLC當(dāng)R=G=0時(shí)，傳輸線(xiàn)沒(méi)有損耗(LosslessorLoss-free)。因此，一般無(wú)耗傳輸線(xiàn)的傳輸系數(shù)=j=jLCC此時(shí)傳輸系數(shù)為純虛數(shù)。大多數(shù)的射頻傳輸線(xiàn)損耗都很小；亦即r<<3L且G<<3C。所以R、G可以忽略不計(jì)，此時(shí)傳輸線(xiàn)的傳輸系數(shù)可寫(xiě)成下列公式：(1-5)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"沁j理+皿+ = +j(1-5)(RY+GZ)200式(1-5)中與在無(wú)耗傳輸線(xiàn)中是一樣的，而a定義為傳輸線(xiàn)的衰減常數(shù)(AttenuationConstant)(RY+GZ)200=v'LC|2〔兀=j '=v'LC|2〔兀C丿其中Y0定義為傳輸線(xiàn)的特性導(dǎo)納(CharacteristicAdimttance),其公式為:Y=1oZO(二)負(fù)載傳輸線(xiàn)(TerminatedTransmissionLine)(A)無(wú)損耗負(fù)載傳輸線(xiàn)(TerminatedLosslessLine)考慮一段特性阻抗為Zo的傳輸線(xiàn)，一端接信號(hào)源，另一端則接上負(fù)載，如圖1-2所示。并假設(shè)此傳輸線(xiàn)無(wú)耗，且其傳輸系數(shù)Y=jb，則傳輸線(xiàn)上電壓及電流方程式可以用下列二式表示：V(Z)—V+e-Z+V-ez ，I(z)—I+e-z-I-ez/\y)GeneratorV++V-V(z)=V^ez+Vez7Uz=z z=-L zz=0圖1-2接上負(fù)載的傳輸線(xiàn)電路(1)若考慮在負(fù)載端(z=0)上，則其電壓及電流為：V=V=V++V- (1-6)L1=IL=1+-/一(1-7)而且ZI+o二V+,Z1-=V-，式(1一7)可改寫(xiě)成:o1=__(V+-V-)Z(1-8)合并式(1-6)及(1-8)可得負(fù)載阻抗(LoadImpedance)：VV++V-\o"CurrentDocument"Z——L—Z( )LI o'V+-V-L

定義歸一化阻抗(NormalizedLoadImpedance)：\o"CurrentDocument"z 1+rZ—Z—L— L_LLZ 1-ro L、當(dāng)ZL=ZO時(shí)，貝rL=0時(shí)，此狀況稱(chēng)為傳輸線(xiàn)與負(fù)載匹配Matched)。

(2)若考慮在距離負(fù)載端L(z=-L)處，即傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)。則其反射系數(shù)r(L)應(yīng)改成:V+ejl而其輸入阻抗則可定義為:

-e-j2l=r-e-j2l+ LZ=Zz+jZtan(L)TOC\o"1-5"\h\zL o—inoz+jZtan(L)由上式可知：(a)由上式可知：(a)(b)(c)當(dāng)L弓oo時(shí),Z弓Z.in o當(dāng)L=入/2時(shí),Z.=Zin L.當(dāng)L=入/4時(shí)，Z.=Z2/Zino L?(B)有耗負(fù)載傳輸線(xiàn)(TerminatedLossyLine)若是考慮一條有耗的傳輸線(xiàn)，則其傳輸系數(shù) Y=a+j"為一復(fù)數(shù)。所以,反射系數(shù)r(l)應(yīng)改成:r(l)=r-e-2L-j2LL而其輸入阻抗則改成為：Z=ZZ+jZtanh(L)L o—加oZ+jZtanh(L)o L(三)微帶線(xiàn)理論(MicrostripLine)實(shí)際使用的傳輸線(xiàn)有許多種類(lèi)，常見(jiàn)的有同軸線(xiàn)、微帶線(xiàn)、條線(xiàn)、平面波導(dǎo)、波導(dǎo)等，而其中又以微帶線(xiàn)最常見(jiàn)于射頻電路設(shè)計(jì)上。所以，本單元便以介紹微帶線(xiàn)為主。微帶線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1-8所示，而其相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下所列。WW圖1-8微帶線(xiàn)的結(jié)構(gòu)(1)基板參數(shù)(SubstrateParameters)基板介電常數(shù) (Dielectricconstant)，￡r常見(jiàn)的基板有Teflon(er=2.2)，F(xiàn)R4(er=4?5)‘Alumina(er=10)損耗正切(Tangentdielectricloss)，tand8基板高度(Height)，h

基板導(dǎo)線(xiàn)金屬常見(jiàn)有銅（Copper）、金（Gold）、銀（Silver）、錫（Sn）、鋁（Al）。基板導(dǎo)線(xiàn)厚度（Thickness）,t（2） 電特性參數(shù)：（Electricalparameters）特性阻抗Zo、波長(zhǎng)（角度）。、使用主頻率fo（3） 微帶線(xiàn)參數(shù)（MicrostripParameters）寬度（width）W長(zhǎng)度（Length）L單位長(zhǎng)度衰減量（Unit-lengthAttenuation）,AdB相關(guān)計(jì)算公式如下：（A） 合成公式SynthesisFormula）（已知傳輸線(xiàn)的電特性參數(shù)（ZO、&），求出相對(duì)微帶線(xiàn)的物理性參數(shù)W、L、AdB）dBwet十—KIIifwehe<—wet十—KIItwe十—K十ln|2-hhifwetwe十—K十ln|2-hhifwe2?兀2?兀AdBac十a(chǎn)d其中，119.91￡1r119.91￡1r?—￡r+1d￡_Z59.95,we=H we=H \TieH 1h?一 8 牛eH；ifZo>￡effm2?[d<兀廠X-ln：2?%-￡effm2?[d<兀廠X-ln：2?%-11￡11-—? 2H￡ 1￡r"~1十 1j1 10..■hh「0.555we/-D十0.2930.517ifZor44-2trjifZo<44-2?￡rifZo<；44-2吒rc

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&rcr三2.73?—￡%ff-1fo?&rcr三2.73?—￡%ff-1fo??tanS2000 兀?fo?卩 1ac三 ? ? ln(10)』o 2?兀?fo?Zo￡r+1￡￡r+1￡r十11- 2?兀?￡r7r品 ?ln一+一?lnifw_3.3?hifw<ifw_3.3?hifw<3.3?h其中，￡r十1￡￡r十1￡r十1[1丄上2H￡r+1+二]-10￡廠1ln(4)\-2ifZo汀44_2?￡rifZo<f44_2?￡r九o九e三-e仁五、硬件測(cè)量：(模組編號(hào)：RF2KM1-1A)測(cè)量開(kāi)路傳輸線(xiàn)(MOD-1A)，短路傳輸線(xiàn)MOD-1B),50Q微帶線(xiàn)(MOD-10,適用頻率均為50-500MHZ。準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)用的器件和設(shè)備，以及相關(guān)軟件。測(cè)量步驟：⑴MOD-1A的S11測(cè)量：設(shè)定頻段BAND-3對(duì)模組P1端子做S11測(cè)量,并將測(cè)量結(jié)果記錄在表(1-1)。⑵MOD-1B的S11測(cè)量：設(shè)定頻段BAND-3對(duì)模組P2端子做S11測(cè)量,并將測(cè)量結(jié)果記錄在表(1-2)。

⑶MOD-1C的S11測(cè)量：設(shè)定頻段BAND-3；對(duì)模組P3端子做S11測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄在表（1-3）。⑷MOD-1C的S21測(cè)量：設(shè)定頻段BAND-3；對(duì)模組P3及P4端子做S21測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄于表（1-4）。4、實(shí)驗(yàn)記錄：表1-1，1-2，1-3，1-4的格式均為下面此表5.硬件測(cè)量的結(jié)果建議如下為合格MOD-1AS11±-1dBMOD-1BS11±-1dB（推薦）MOD-1CS11W-15dBMOD-1CS21±-0.5dBMOD-1E6.測(cè)試模組方框圖:MOD-1EM0D-1AFLZO

F5FLZO

F5Mcm-icF3E：□歐六、軟件仿真1、進(jìn)入微波軟件MICROWAVE。2、 在原理圖上設(shè)計(jì)好相應(yīng)的電路，設(shè)置好,P2,P3,P4端口（如果需要的話(huà)）,完成頻率設(shè)置、尺寸規(guī)范、器件的加載、仿真圖型等等的設(shè)置。3、 最后進(jìn)行仿真，結(jié)果應(yīng)接近實(shí)際測(cè)量所得到的仿真圖形。4、 電路圖（推薦以下）

13EJF—75OliiLLRESID-PAPKSTD=K2附15OhmBORTF亠13EJF—75OliiLLRESID-PAPKSTD=K2附15OhmBORTF亠2?Z=50UhmPDE.TP-1-Z—59O11LLLPvIE丁TATL-199nH圖1-9單位長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)的等效電路七、實(shí)例分析：(一)計(jì)算負(fù)載為50Q的無(wú)損耗傳輸線(xiàn)(ZO=75ohm，&=3Oof°=900MHz)的特性。反射系數(shù)rL，回波損耗RL，電壓駐波比VSWR

輸入阻抗Zin，輸入反射系數(shù)r.基板為FR4的微條線(xiàn)寬度W、長(zhǎng)度L及單位損耗量AdB基板參數(shù):基板介電常數(shù)(Dielectricconstant)，sr=4.5切線(xiàn)損耗(Tangentdielectricloss),tandd=0.015基板高度(Height)，h=62mil基板導(dǎo)線(xiàn)金屬(ConductionMetal)，銅(Copper)基板導(dǎo)線(xiàn)厚度(Thickness)，t=0.03mm解：(1)反射系數(shù)解：(1)反射系數(shù)廠Z-Z丄=LoLZ+ZLo

反射損耗50-75=-0.250+75RL=20log(廠］)=-13.98dBL電壓駐波比1+r=1.5vswr二 =1.51-r(2)L(2)輸入阻抗Zin=(58+j20)Q=ZZ+jZZin=(58+j20)QTOC\o"1-5"\h\zL ooZ+jZtan()o L輸入反射系數(shù)r二rejd二0.2?ej(i80-60)oin d(3)微帶線(xiàn)參數(shù)W=l?38mm，L=15.54mm，AdB=0-0057dB/m八、mathcad分析：除microwave軟件以外，