北邮 微波工程基础ADS仿真实验报告

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微波工程基础仿真实验报告

学 院：电子工程学院 班 级：2012211xxx 学 号：201221xxxx 姓 名： xxxx 班内序号： xx

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一、实验题目 实验一

1． 2．

了解ADS Schematic的使用和设置

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。 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

b) 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） 4．

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。 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。 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

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化原因。 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。 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。 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。

实验二

10． 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。

11． 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。

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12． 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m0.1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。

13． 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。 14． 对于一个负载阻抗ZL=60-j80欧姆，利用Smith Chart Utility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Smith Chart Utility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m0.1的带宽。

15． 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m0.1的带宽。

实验三

Momentum

16． 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）

17． 针对第14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

18． 在Schematic里，分别仿真理想电容20pF和理想电感5nH，仿真频率为（0-40GHz），观察仿真结果，并分析原因。

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19． 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：

3mm 40mm

1mm 45mm

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，观察仿真结果，分析带宽性能，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。

20． 用17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。

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二、实验内容

微波仿真课（1）

1.了解ADS Schematic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。 理想电容：

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理想电感：

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分析：理想电容为容性，因此在史密斯原图下半平面上，阻抗随频率增大而减小；理想电感为感性，因此在史密斯原图上半平面上，阻抗随频率增大而增大。 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

b) 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）

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4.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。

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分析：四分之一波长开路线的开路点在1GHz，即中心工作频率。而CPW线有耗，因此反射系数逐渐减小，从而半径随频率增大而减小。

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。

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500MHz输入阻抗：

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Z0=0.15+j*50.05 2GHz输入阻抗：

Z0=0.6+j*0.25

分析：四分之一波长短路线的开路点在1GHz，即中心工作频率。而CPW线有耗，因此反射系数逐渐减小，从而半径随频率增大而减小。

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

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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：

500MHz输入阻抗及2GHz输入阻抗：

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微带线：

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500MHz输入阻抗及2GHz输入阻抗：

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扩展频率后： 理想传输线：

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微带线：

分析：

四分之一波长开路线的开路点在1GHz，即中心工作频率。

对于理想传输线，能量并不会随频率升高而衰减，因此史密斯原图无变化。而对于微带线，因为微带线有耗，损耗随功率升高而增大，因此反射系数逐渐减小，从而随着频率的升高，半径越来越小。

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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：

500MHz输入阻抗及2GHz输入阻抗：

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微带线：

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500MHz输入阻抗及2GHz输入阻抗：

扩展后： 理想传输线：

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微带线：

分析：

四分之一波长短路线的短路点在1GHz，即中心工作频率。

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对于理想传输线，能量并不会随频率升高而衰减，因此史密斯原图无变化。而对于微带线，因为微带线有耗，损耗随功率升高而增大，因此反射系数逐渐减小，从而随着频率的升高，半径越来越小。

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：

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500MHz输入阻抗及2GHz输入阻抗：

微带线：

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500MHz输入阻抗及2GHz输入阻抗：

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扩展后： 理想传输线：

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微带线：

分析：

二分之一波长开路线的开路点在1GHz，即中心工作频率。

对于理想传输线，能量并不会随频率升高而衰减，因此史密斯原图无变化。而对于微带线，因为微带线有耗，损耗随功率升高而增大，因此反射系数逐渐减小，从而随着频率的升高，半径越来越小。

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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:

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500MHz输入阻抗及2GHz输入阻抗：

微带线：

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500MHz输入阻抗及2GHz输入阻抗：

扩展后： 理想传输线：

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微带线：

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分析：

二分之一波长短路线的短路点在1GHz，即中心工作频率。

对于理想传输线，能量并不会随频率升高而衰减，因此史密斯原图无变化。而对于微带线，因为微带线有耗，损耗随功率升高而增大，因此反射系数逐渐减小，从而随着频率的升高，半径越来越小。

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微波仿真课（2）

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。

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分析：

由图可知，-20dB的带宽W=140MHz，最低点对应频率为1GHz，即史密斯圆图的圆心处，由此可见已完成匹配。

2.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。

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分析：

由图可知，-20dB的带宽W≈150MHz>140MHz 最低点对应频率为990MHz<1GHz

由此可见，微带线回波损耗最低点小于理想传输线，而-20dB带宽大于理想传输线，因此存在误差。

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

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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m0.1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。

根据公式计算得到三节二项式变换器的三段阻抗分别为 Z1=40.88827Ω，Z2=22.3607Ω，Z3=12.228457Ω

由此计算各节微带线的长宽：

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分析：

由图可知，-20dB的带宽W≈650MHz

可见，三节二项式阻抗变换器的带宽大于单节变换器。

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。 经过计算得到三节变换器的阻抗：

Z1=36.6503Ω Z2=22.36100Ω Z3=13.645700Ω

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由此计算各节微带线的长宽：

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分析：

由图可知，-20dB的带宽W≈940MHz

可知，三节切比雪夫阻抗变换器的带宽大于三节二项式阻抗变换器，且有等波纹特性。

5.对于一个负载阻抗ZL=60-j80欧姆，利用Smith Chart Utility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Smith Chart Utility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

m0.1的带宽。

并联短路单枝节：

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分析：并联短路单枝节匹配m0.1的带宽即-20bB带宽W≈210MHz 并联开路单枝节匹配：

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分析：并联开路单枝节匹配

m0.1的带宽即-20bB带宽W≈100MHz

6.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

m0.1的带宽。

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并联开路双枝节匹配m0.1的带宽即-20dB带宽W≈24MHz

微波仿真（3） Momentum

1.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 Schematic:

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Momentum:

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分析：

在Schematic中，1GHz点处阻抗约为零，S(1,1)图中则阻抗很小，实现了四分之一波长开路到短路的阻抗变换，比较准确。 在Momentum中，反射系数绝对值与Schematic相似但有偏离，可见存在偏差。 四分之一波长短路线 Schematic:

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Momentum:

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分析：

在Schematic中，1GHz点处阻抗较大，且位于Smith圆图的右端开路处，实现了四分之一波长短路到开路的阻抗变换，比较准确。

在Momentum中，反射系数绝对值与Schematic相似但有偏离，可见存在偏差。 二分之一波长开路线

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Schematic:

Momentum:

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分析：

在Schematic中，1GHz点处阻抗较大，实现了二分之一波长由开路还原到短路的阻抗还原。

在Momentum中，反射系数接近于零，与Schematic相似但有偏离，可见存在偏差。 二分之一波长短路线 Schematic:

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Momentum:

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分析：

在Schematic中，1GHz点处阻抗较小，实现了二分之一波长由短路还原到开路的阻抗还原。

在Momentum中，与Schematic相似但有偏离，可见存在偏差。 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

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Schematic:

Momentum:

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四分之一波长短路线 Schematic:

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Momentum:

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二分之一波长开路线 Schematic:

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Momentum:

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二分之一波长短路线 Schematic:

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Momentum:

在仿真过程中，可能由于算法的原因，0-40G仿真过慢，一般要经过3h才能完成。因此所得到的仿真图特别失真。由此可见，Momentum偏离较大。

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：

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3mm

40mm 1mm

45mm

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。 并联开路单枝节：

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但是结果并不理想，经过数据调整后，变成了如图：

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仿真后：

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带宽分析：1.610GHz-1.590GHz=0.02GHz 并联短路单枝节

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可见并不理想，经过自己调试后：

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分析：带宽分析：1.607-1.593=0.014GHz

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。

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利用得到的数据进行计算：

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得到电路图:

仿真：

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分析由图可知，在虚部为零的频率点处进行四分之一阻抗匹配后，s11参数的史密斯圆图上对应相同的频率点处，虚部仍为零，符合四分之一波长传输线的阻抗倒置特性。

三、实验心得体会：

通过这次的微波仿真实验我学会了ADS 2009的安装和使用。在仿真的过程中也对微波工程基础这门理论课所学的内容用了更为宏观的认识。比如理想传输线，比如微带线，比如史密斯圆图在匹配时的应用。在完成实验要求的同时也对实验结果进行了分析，使我能够把理论知识理解的更为透彻。

当然实验中也遇到了许许多多的问题。比如ADS的安装，比如读题不认真导致实验中的各种题目反反复复的重新做，比如课上没跟上课下就要花功夫去思考怎么实现题目的要求，比如0-40GHz的仿真需要太久时间导致仿真结果严重失真。虽然这些问题有的解决了有的没解决，但是在努力的过程中我都有所收获。

微波仿真课激发了我对微波理论课的研究和学习兴趣。也正是这次的实验让我收获颇丰。同时也感谢老师和学长的悉心教诲，让我可以顺利完成实验。

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