实验1 理想微带传输线特性阻抗模拟
仿真实验报告阻抗
一、实验目的1. 理解阻抗的概念及其在电路中的作用。
2. 掌握使用仿真软件进行阻抗测量的方法。
3. 学习阻抗匹配技术及其在实际电路设计中的应用。
4. 分析不同负载阻抗对电路性能的影响。
二、实验原理阻抗是电路中电压与电流的比值，是衡量电路元件对交流信号阻碍程度的物理量。
在电路中，阻抗分为电阻、电感和电容三种形式。
阻抗匹配是指负载阻抗与传输线阻抗相匹配，以实现信号传输的最大化。
三、实验设备1. 仿真软件：Multisim2. 信号发生器3. 示波器4. 电阻、电感、电容元件5. 负载阻抗四、实验步骤1. 打开Multisim软件，创建一个新的仿真电路。
2. 在电路中添加电阻、电感、电容元件，并设置其参数。
3. 将信号发生器连接到电路中，设置合适的频率和幅度。
4. 添加示波器，用于观察电压和电流波形。
5. 设置负载阻抗，观察不同负载阻抗下电路的电压和电流波形。
6. 通过改变负载阻抗，分析阻抗匹配对电路性能的影响。
7. 记录实验数据，并进行分析。
五、实验结果与分析1. 当负载阻抗等于传输线阻抗时，电路中电压和电流波形保持一致，信号传输效果最佳。
2. 当负载阻抗大于传输线阻抗时，信号在传输过程中会发生反射，导致信号失真。
3. 当负载阻抗小于传输线阻抗时，信号会发生折射，导致信号衰减。
4. 通过调整负载阻抗，可以实现阻抗匹配，提高信号传输效果。
六、实验结论1. 阻抗是电路中电压与电流的比值，是衡量电路元件对交流信号阻碍程度的物理量。
2. 阻抗匹配是提高电路性能的关键，可以实现信号传输的最大化。
3. 使用仿真软件可以方便地测量和分析阻抗，为电路设计提供理论依据。
七、实验心得通过本次仿真实验，我对阻抗及其在电路中的作用有了更深入的了解。
同时，掌握了使用仿真软件进行阻抗测量的方法，为今后的电路设计工作打下了基础。
在实验过程中，我发现阻抗匹配对电路性能的影响很大，因此在实际电路设计中，应重视阻抗匹配问题。
此外，通过实验，我还认识到仿真软件在电路设计中的重要作用，它可以帮助我们快速、准确地分析和优化电路性能。
利用HFSS计算微带线的特性阻抗
学生实验报告
17808.1/>≈h w e
以h w e /代替h w /代入前述零厚度特性阻抗计算公式，得：
051.95)5615.01(5615.044.042.27808.1904.119)/1(/44.042.2/904.1196
60≈-+⨯-+=-+-+=
π
πe e e a
w h w h h w Z
当4.4=r ε时，
311.3)1
5615.0121(214.4214.4)121(21
2
121
21≈⨯+-++=+-+
+=
--w h r r e εεε
所以：Ω==
=
234.52311
.3051.950
0e
a
Z Z ε
当2.2=r ε时，348.1)1
5615.0121(212.2212.2)121(2
1
2
121
21≈⨯+-++=+-+
+=
--e r r e w h εεε
所以：Ω==
=
539.70348
.1051.950
0e
a
Z Z ε
2、利用HFSS 求微带线的特性阻抗 当4.4=r ε时：
由以上两图可以读出微带线的特性阻抗： 特性阻抗为：Ω=44.550Z
四、实验结论与心得
通过本次试验，我对HFSS 计算微带线的特性阻抗的过程有了一定的了解。
感觉在电脑上用程序来计算还是有待提高，相信在进一步的练习中，会加大练习力度，尽快对HFSS 程序熟悉。
（注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。
可复制、编制，期待你的好评与关注！）。
实验报告_传输线
实验报告实验题目：传输线的特性阻抗匹配一、实验目的：理解传输线源端阻抗和终端负载阻抗对传输信号影响的原理和高频信号的传输规律，掌握源端反射和终端反射的概念，以及消除源端反射和终端反射的方法，在实验中进行操作，观察信号波形，验证原理。
二、实验器材：被测电路（XILINX公司型号为XC2S100E/TQ208的FPGA芯片，60M的晶振），示波器（TDS1012B，带宽100M，采样率1GS/S）,示波器探头（10X，200MHZ,输入电容16PF，输入电阻10兆欧姆），电源，48米长双绞线，0~200欧电位器，0~5K欧电位器。
三、实验内容：用VHDL语言编写分频程序，下载到相应的FPGA芯片中，使其产生100KHZ的方波，占空比为1:3。
先用示波器测量原始信号，观察波形，并记录输出电压，对信号源串接一个100欧的电阻，测量输出的信号，记录输出电压，通过运用简单的欧姆定律，信号源和外接电阻的串联电路原理，计算所使用的信号源FPGA的内阻。
使用传输线传输信号，开始源端和末端都不端接电阻，分别测量源端和末端的信号，然后再分别进行源端和末端阻抗匹配，消除反射。
源端和末端再分别端接不同阻抗的电阻，观察输出波形，理解反射原理。
四、实验原理数字信号由器件的输出端接到另一器件的输入端要使用传输线。
理想传输线的电阻应该为零，实际中传输线总是有一些小的串联电阻。
实际传输线的非零电阻会引起传播信号的衰减和畸变。
连接到传输线上的任何源端及负载阻抗的组合将会降低它的性能，阻抗不匹配时，会出现信号反射，引起振荡。
图4.1传输线问题输入接收函数：输出函数:末端反射函数：源端反射函数：其中：源端阻抗，：传输线阻抗，：末端（负载阻抗），、为正时，反射同向；为负时，反射反向。
消除反射采用源端端接和末端端接的方法图4.2末端端接当时，终端反射被消除，波形以满幅度沿着整个传输线的路径传播，所有的反射被末端负载电阻衰减，接收到的电压等于传输电压。
微带线阻抗计算
微带线阻抗计算微带线阻抗是微波电路中的重要参数之一，其计算方法直接影响电路的性能。
本文将全面介绍微带线阻抗的计算方法，以及其应用和意义。
首先，什么是微带线阻抗？微带线是一种常用的传输线结构，由金属覆盖在介质基板上形成。
它广泛应用于微波电路中，具有体积小、重量轻、结构简单等优点。
微带线阻抗是指微带线上单位长度的电阻特性，通常用欧姆/米（Ω/m）表示。
微带线阻抗的计算可以通过几种常用方法进行。
首先是一维电磁场计算法，即使用传输线的模型进行计算。
这种方法适用于宽度较宽的微带线，可以通过计算电场和磁场的分布，进而得出微带线的阻抗。
其次是等效电路模型法，将微带线建模为电压源和阻抗元件的串联电路。
常用的等效电路模型包括泰勒展开模型、有限元素方法和有限差分法。
这种方法在实际应用中比较常见，计算简单且准确度较高。
另外还有经验公式法，根据实践总结的公式直接计算微带线阻抗。
例如，常用的微带线宽度和介质常数的经验公式为：Z0 = 60 / sqrt(εr) * ln(8h/0.67w + w/h)其中，Z0为微带线阻抗，εr为介质常数，h为基板厚度，w为微带线宽度。
除了阻抗计算方法，了解微带线阻抗的应用和意义也非常重要。
首先，微带线阻抗的准确计算可以帮助设计师选择合适的传输线结构，以满足特定的电路需求。
不同的微带线阻抗可以实现不同的传输特性，例如高频段的匹配、低频段的耦合等。
因此，准确计算微带线阻抗有助于提高电路性能和稳定性。
其次，微带线阻抗的计算也与信号传输的稳定性和功耗有关。
根据微带线阻抗的不同，信号在传输过程中会有不同的功耗和衰减，对于高频信号传输尤为重要。
通过合理计算和控制微带线阻抗，可以降低信号的功耗和衰减，提高传输质量。
此外，微带线阻抗的计算还与电路的抗干扰性和抗噪声性能有关。
不同的微带线阻抗会对外界干扰信号的抑制和噪声的影响有所不同。
因此，合理计算微带线阻抗能够帮助提高电路的抗干扰性和抗噪声性能，提升系统的可靠性和稳定性。
传输线的特性阻抗分析
1，传输线模型由平行双导体构成的引导电磁波结构称为传输线（Transmission Line）。
人们熟知的传输线有平行双导线、同轴线、平行平板波导及其变形——微带线。
低频电路中，传输线负载端、源端的电压、电流差别不大，但在高频电路（传输线长度与电磁波波长相比拟）中两者差别很大。
传输线模型就是用来揭示这种变化的规律的模型。
传输线上的电压、电源是纵向位置的参数。
传输线在电路中相当于一个二端口网络，一个端口连接信号源，通常称为输入端，另一个端口连接负载，称为输出端。
2，传输线的特性阻抗分析特性阻抗：又称“特征阻抗”，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。
在高频范围内，信号传输过程中，信号到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I，而如果信号的输出电平为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。
信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。
影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。
传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟，在这里，我们主要讨论特性阻抗。
传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。
传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示，它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。
分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些参数反映着传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。
一个传输线的微分线段l可以用等效电路描述如下：传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效电路串联而成，如下图所示：从传输线的等效电路可知，每一小段线的阻抗都是相等的。
传输线的特性阻抗就是微分线段的特性阻抗。
利用HFSS计算微带线的特性阻抗
利用HFSS计算微带线的特性阻抗利用HFSS (High Frequency Structure Simulator) 可以对微带线的特性阻抗进行计算。
微带线是一种十分常见的传输线，广泛应用于微波、射频、通信系统和集成电路等领域。
计算微带线的特性阻抗可以帮助工程师设计和优化电路，以实现所需的信号传输和匹配。
HFSS是由ANSYS公司推出的一款高频电磁仿真软件，它利用有限元分析 (Finite Element Analysis) 方法，基于Maxwell方程求解电磁场，可以精确地计算微带线的阻抗。
以下是利用HFSS计算微带线特性阻抗的步骤：1.准备工作：首先，需要绘制微带线的几何结构。
可以使用HFSS的建模工具绘制标准的微带线结构，包括线宽、线长、介质厚度等参数。
此外，在模型中还需要指定材料的介电常数、导电性等参数。
2.设置仿真：在HFSS中，选择适当的频率范围进行仿真。
对于微带线的阻抗计算，一般使用射频或微波频段进行仿真。
设置仿真的频率范围能够覆盖所需的频率。
3.定义边界条件：在开始仿真之前，需要定义微带线模型的边界条件。
通常，将边界条件设置为开路或短路。
这些边界条件将影响仿真结果中的阻抗、驻波比等参数。
4.运行仿真：在HFSS中，点击“运行仿真”按钮，软件将根据前面的设置进行电磁场计算。
计算过程可能需要一段时间，具体取决于模型的复杂性和计算机性能。
5.分析仿真结果：当仿真完成后，可以从HFSS中获取各种仿真结果。
其中，我们主要关注微带线的特性阻抗。
通过分析仿真结果，可以了解微带线在所选频率下的特性阻抗数值。
通过上述步骤，我们可以使用HFSS计算微带线的特性阻抗。
通过改变线宽、介质厚度、介电常数等参数，可以进一步优化微带线设计，以实现所需的特性阻抗。
此外，HFSS还可以计算其他微带线参数，如传输损耗、驻波比等，帮助工程师更全面地了解微带线的性能特点。
总之，HFSS作为一款强大的高频电磁仿真软件，可以有效地计算微带线的特性阻抗。
如何来测微带线的特性阻抗
如何来测微带线的特性阻抗
DBTEL RF TEAM
JIM JIN
我们在Layout时经常会用APPCAD去计算高频线的特性阻抗是多少。
但是板子送出去之后，洗完回来，微带线或带状线的特性阻抗到底是多少，不得而知，我们也没有谁去测试过，此传输线的特性阻抗到底是偏的比较大还是比较可信。
我们如何利用现有仪器去测传输线的特性阻抗呢？
我现用ADS2002来模拟一下，请见图
图一
图二
图三
图四
已知一传输线为任意长度，且阻抗未知时。
一端接50Ohm阻抗（实际可以接任意阻抗，详细请自己研究），一端接矢量网络分析仪，浏览它的Smith chart图发现当传输足够长时，会在上面绕数圈，每一圈为一个二分之一的波长。
图一，传输线特性阻抗为40O hm时，查图二，得Maker1与Maker2分别为50Ohm和32Ohm，可以得知其圆心为41Ohm。
图三，传输线特性阻抗为60O hm时，查图四，得Maker1与Maker2分别为50Ohm和72Ohm，可以得知其圆心为61Ohm。
由上得知其特性阻抗近似于它的圆心。
下面在做逼近，把Z L＝50Ohm改为41Ohm或接近其阻抗，
如图五，之后模拟后见图六
图五
图六
可以得知Maker1与Maker2分别为41O hm与39Ohm，它的圆心为40Ohm。
结论：传输线的特性阻抗只要测其S11，无论它的负载（ZL）大小如何，它的圆心就是它的特性阻抗。
1微带传输线负载特性ADS仿真
1微带传输线负载特性ADS仿真1.1 实验一、微波传输线ADS 仿真与负载特性测量1.1.1 实验目的1. 了解基本传输线、微带线的特性。
2．熟悉ADS 软件的基本使用方法。
3．利用ADS 软件进行基本传输线和微带线的电路设计和仿真。
4．掌握矢量网络分析仪测量的方法。
1.1.2 实验原理考虑一段特性阻抗为Z o 的传输线，一端接信号源，另一端则接上负载，如图所示，并。
并假设此传输线无耗，且传输系数γ=jβ，则传输线上电压及电流可用下列二式表示：U (z )=U +e ?βz +U ?e βz I (z )=I +e ?βz ?I ?e βzLZ zz ββ--+LL Z -=0=Z图传输线电路1、负载端（z =0）处情况电压及电流为U =U L =U ++U ? I =I L =I +?I ?而Z 0I +=U +，Z 0I ?=U ?，公式可改写成(U +?U ?)可得负载阻抗为Z L =U L L =Z 0(U ++U ?+?)定义归一化负载阻抗为z L =ZL =Z L 0=1+ΓLL其中定义ΓL 为负载端的电压反射系数ΓL =U ?U +=ZL 1ZL +1=|ΓL |e jφL当Z L =Z 0或为无限长传输线时，ΓL =0，无反射波，是行波状态或匹配状态。
当Z L 为纯电抗元件或处于开路或者短路状态时，|ΓL |=1，全反射，为驻波状态。
当Z L 为其他值时，|ΓL |≤1，为行波驻波状态。
线上任意点的反射系数为ΓL =|ΓL |e jφL ?j2βz定义驻波比 VSWR 和回拨损耗 RL 为VSWR =1+|ΓL |1?|ΓL |RL =?20lg |ΓL |2、输入端（z =?L ）处情况反射系数Γ（z ）应改成Γ（L ）=U ?e ?jβL +jφβL =U ?+e ?j2βL =ΓLe ?j2βL 输入阻抗为=Z 0Z L +jZ 0tan （βL ）Z 0+jZ L tan （βL ）由上式可知：（1）当L →∞时，Z in →Z 0。
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實驗一理想微帶傳輸線特性阻抗模擬ㄧ、原理說明一般常見的電子電路都是以集總模式(lumped mode)來描述電路的行為，主要的假設是電路的工作波長遠大於實際電路尺度的大小，在頻率很低時可以得到相當正確的近似。
然而電路工作頻率變高時，也就是說工作波長與實際電路尺度大小差不多時，以集總模式來描述電路的行為其誤差相當大，因此必須以分散式模式(distributed mode )來考慮電路的行為，分散式模式的做法是將電路分成很小的片段，每一小片段可用電阻、電容及電感代表小片段的電路的行為，將每一小片段整合起來即為整個電路的行為。
圖1.1為傳輸線的等效電路圖，根據此圖可列出電壓在x+ x與x處的電壓差方程式，配合圖1.1 傳輸線的等效電路圖RLCG 元件可得出公式(1-1)，同理可得出電流方程式(1-2)。
兩邊同時除以∆x ，可得公式(1-3)及(1-4)兩邊對x 微分，得公式(1-5)及(1-6)將公式(1-4)及(1-6)代入公式(1-5)，得 以極座標向量(phasor notation)表示電壓電流可得到頻率領域的表示式(,)(,)(,)(,)()(,)()(1-1)(,)(,)(,)(,)()(,)()(1-2)i x t v x x t v x t v x t R x i x t L x tv x x t i x x t i x t i x t G x v x x t C x t∂+∆-=∆=-∆-∆∂∂+∆+∆-=∆=-∆+∆-∆∂(,)(,)(,) (1-3)(,)(,)(,) v x t i x t Ri x t L x t i x t v x t G v x t Cxt∂∂=--∂∂∂∂=--∂∂ (1-4)222222(,)(,)(,) (1-5)(,)(,)(,) v x t i x t i x t R L xx x ti x t v x t v x t GCt xtt∂∂∂=--∂∂∂∂∂∂∂=--∂∂∂∂ (1-6)22222222(,)(,)(,)()(,)0 (1-7)(,)(,)(,)()(,)0 (1-8)v x t v x t v x t RC LG LCRG v x t xt ti x t i x t i x t RC LG LCRG i x t xtt∂∂∂-+--=∂∂∂∂∂∂-+--=∂∂∂(,)Re[()] (1-9)(,)Re[()] jwtjwtv x t V x e i x t I x e== (1-10)式中之α為衰減常數(attenuation constant)而β為相位常數(phase constant)，而傳輸線的特性阻抗，Z o ，定義為對於無損失之傳輸線R=G=0，所以γ=j β=jw(LC)1/2，傳輸線的特性阻抗(characteristic impedance)及傳輸延遲時間(propagation delay)參考圖1.2為具有負載端之傳輸線反射率222222()()()()()0 (1-11)()()()()()0 (1-12)d V x jw RC LG V x RG w LC V x dxd I x jw RC LG I x RG w LC I x dx-+--=-+--=222222()()0 (1-13)()()0 (1d V x V x dxd I x I x dxγγ-=-=2-14)w here w ave propagation constant(R jw L)(G jw C )γ=++222()()0 () (1-15)()() (1-16)xxd V x V x V x VeVedtR jw L G jw C j γγγγαβ-+--=⇒=+=++=+--++--+--++=+=-=-+=+-=+-=VjwLR I V jwLR I eI eI e VeVjwLR dxx dV jwLR x I x I jwL R dxx dV xxx xγγγγγγγ , )()(1)()()()(jwCG jwL R jwLR IV IV Z ++=+===--++γ0LCT CL Z d o == ,負載端的反射係數(reflection coefficience)，ΓL沿著為若負載端接上Z L 的負載，則負載端的反射係數ΓL 及傳輸線路的徑阻抗Z(x)為輸入端的阻抗Z in 為xL xxxxxeeVV eVe V x V incident x V reflected x eVeV x V γγγγγγ22 )()()()(Γ====Γ+=+--+---+)0(Γ==Γ+-VV L rxL x rx L x rxL xrxL xeee e Z x I x V x Z e eZ Vx I e e V x V Γ-Γ+==Γ-=Γ+=---+-+γγγγ0)()()()()()()()(1)(1)(|| and 11000x x Z x Z Z Z Z Z eΓZ Z L L j L LLL L Γ-Γ+=+-=Γ=Γ-Γ+=φ圖1.2 具有終端負載的傳輸線ljZ Z l jZ Z Z eZ Z eZ Z e Z Z e Z Z Z eee e Z l Z Z L L lL lL l L l L lL ll L l in ββγγγγγγγγtanh tanh )()()()()(000000000++=--+-++=Γ-Γ+=-=----對於無損失之傳輸線輸入端的阻抗Z in 為傳輸線長度、訊號頻率、終端負載及傳輸線特性阻抗的函數。
對於圖1.3結構之微帶傳輸線(microstrip line)的特性阻抗及傳輸時間的近似值如下式，當0.1<w/h<2和1<εr <15下式較正確。
而圖1.4結構之條狀傳輸線(stripline)的特性阻抗及傳輸時間的近似值),,,(tan tan 0000Z Z f l Z ljZ Z l jZ Z Z Z L in L L in =++=ββ0875.98ln (1-17)0.81.41850.470.67 (1-18r d r h Z w t t εε+⎛⎫=⎪+⎝⎭=+)圖1.3 微帶傳輸線結構rd rt t w b Z εε858.09.1ln 600=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=圖1.4 條狀傳輸線結構二、ADS模擬步驟1. 從Window XP 工具列中 開始 程式集 Advanced Design System 2005A ADS Tools LineCalc開啟視窗。
設定【Substrate Parameters】Er=4.45, H=0.7mm,T=0.05mm, 【Component Parameters】Freq=1GHz, 【Electrical】Zo=50Ohm, E_Eff=90deg (1/4波長) 按下【Synthesize】圖示，獲得【Physical】W=1.28mm, L=41.3mm，如下圖所示三、微帶傳輸線特性阻抗製作與量測假設要製作50Ω之微帶傳輸線特性阻抗，其步驟如下： 1. 首先印刷電路板的參數，以游標尺量印刷電路板的厚度參數，像印刷電路板的厚度(兩面銅箔蝕刻後量的厚度)及金屬銅箔的厚度(兩面板銅箔蝕刻前後各量一次厚度，然後金屬銅箔的厚度=[蝕刻前板厚 - 蝕刻後板厚] / 2)。
2. 參照實驗二的步驟決定印刷電路板的介電係數εr =4.45(本範例使用之FR4-0.8mm 印刷電路板的介電係數)。
3. 將Z o =50Ω，h=0.7mm(本範例使用之FR4-0.8mm 印刷電路板的厚度)及t=0.05mm(本範例使用之FR4-0.8mm 印刷電路板金屬銅箔的厚度)代入下式計算線寬w 約為1.24 mm 。
除了用上面公式外，亦可以ADS 軟體模擬50Ω線寬w ，本範例使用50Ω線寬w 為1.28mm 。
4. 然後以protel PCB 軟體繪製TOP layer 線寬為1.28 mm 及長度3cm 的一條佈線，Bottom layer 為整面的接地面，如下所示：8.098.5ln 41.1870⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+t w h Z r εTop layer5. 將洗完之印刷電路板裁成適當大小，焊接上50 之SMA 接頭，完成之實體圖如下圖所示。
6. 在以時域反射儀( Agilent 54753A,TDR )測量其傳輸線的特性阻抗，如下圖為測量之接法。
Bottom layer7. 從反射圖(如下圖為實測之波形)即可得知傳輸線的特性阻抗為51.5Ω。
SMA接頭效應51.5Ω開路反射。