基于ADS軟件的微波技術系列實驗設計

摘要：微波技術是通信工程專業一門重要的專業基礎課。利用ADS（Advanced Design System）軟件構建微波技術課程的系列實驗，涵蓋傳輸線理論，Smith圓圖和微波網絡等內容，可以幫助學生理解和掌握微波技術課程的基本內容。微波技術系列實驗的科學設置，可以鞏固學生的學習效果，加強解決問題的能力，激發科學研究的興趣和潛能，為未來的實際工作和科學研究奠定基礎。

關鍵詞：微波技術；實驗；ADS

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）26-0074-02

為了培養學生的實踐能力，提高學生的就業能力，使學生的綜合素質和人才市場需要相接軌，普通高校都重視學生實踐能力的培養，[1，2]并增加相應實驗實踐類課程的設置。微波技術是通信工程專業必不可少的專業基礎課，也是一門重要的專業基礎課。[3]近些年，隨著科學的發展，微波技術得到了廣泛的應用，尤其是在通信行業，如微波衛星通信、微波散射通信、模擬微波通信和數字微波通信等。[4]微波技術廣泛的應用也帶動了就業市場的需求。由于微波技術領域的特殊性，目前社會上招聘微波工程師和射頻工程師的崗位都要求應聘者具有豐富的實踐經驗，能夠熟練使用微波設計與仿真軟件進行仿真優化設計，能夠熟練使用常規的射頻及微波儀器設備等。[5]為了培養微波技術領域的高素質應用型人才和卓越工程師，需要在實踐和創新方面加強對學生的培養。

實踐教學是微波技術課程的重要組成部分。利用ADS軟件構建涵蓋傳輸線理論，Smith圓圖和微波網絡等內容的仿真實驗可以使學生較好地掌握微波技術的基本原理，加深學生對微波器件基本參數的認識和掌握。在微波技術基本實驗的基礎上可以引導學生進行擴展實驗，進一步研究，這樣有利于培養學生的實踐能力、設計能力和創新能力。

一、傳輸線理論仿真實驗

傳輸線理論是微波技術的基礎。傳輸線理論即分布參數電路理論是學生接觸微波技術的切入點，也是入門點。因此，全面理解掌握傳輸線理論也是學習后續課程內容的關鍵。傳輸線理論重點是要學生把傳輸線的等效電路理解好，并能正確分析信號在其上面的工作狀態。在學生已經有了輸入阻抗、反射系數、駐波比的一般概念后，我們給出了廣義無耗傳輸線上的仿真實驗。廣義無耗傳輸線更符合實際應用情況，即最普遍的情況是電路的兩端均不匹配，因此實驗更具有一般性和實際應用的價值。根據廣義無耗傳輸線理論，在傳輸線兩端均匹配，僅源端匹配和僅負載端匹配三種情況下負載端的電壓分別為：[6]

其中，Vs為信號源激勵電壓，Zs為信號源內阻，Z0為特性阻抗，為負載處反射系數。

利用ADS軟件可以仿真廣義無耗傳輸線上的電壓波形。ADS仿真模型如圖1（a）所示，激勵源信號的頻率為1GHz，電壓幅度為1V，激勵源內阻為R1，負載阻抗為R2，傳輸線的特性阻抗為50Ω，當源端匹配而負載阻抗為100Ω時，傳輸線輸入端電壓V1和負載處電壓V2的仿真結果如圖1（b）所示，從圖中可以看出V2疊加了反射的電壓，與式相吻合，可以繼續改變激勵源內阻和負載阻抗，得到其他兩種情況下傳輸線輸入端電壓和負載上電壓的對比，從中可以直觀地驗證廣義無耗傳輸線理論。在此基礎上，可以進一步指導學生仿真傳輸線兩端均不匹配情況下的電壓波形，使之理解波在傳輸線上的來回反射。并給學生提出為什么會出現來回反射這一問題，引導學生獨立思考，為學生自己設計微波電路做好理論的鋪墊。

二、Smith圓圖與阻抗匹配實驗

Smith圓圖是微波技術課程的重要內容，也是學生掌握阻抗匹配的工具。Smith圓圖主要用于計算微波網絡的阻抗、導納及網絡阻抗匹配設計等，還可用于設計微波元器件等。[7]利用ADS中的Smith圓圖工具可以直觀地進行阻抗匹配。圖2為ADS軟件中的Smith圓圖工具。為了簡單起見，設置傳輸線特性阻抗為50Ω，負載阻抗為75Ω。圖2給出了負載和傳輸線進行匹配的結果。匹配結果可以從多個角度得到并驗證，圖3中右下角給出了匹配的網絡原理圖，即此時可在負載端并聯一個電阻；圖2中右上角給出了匹配后網絡的S參數；在圖2左面的Smith圓圖中可以看到匹配的最終結果。由于利用Smith圓圖進行匹配是一個動態的過程，因此在改變參數的過程中可以隨時關注匹配的效果。在Smith圓圖上既可以考慮源端匹配也可以考慮負載端匹配，特別是對于同一個匹配問題可以有不同的解決方案。在此基礎上可以指導學生應用Smith圓圖工具進行單支節匹配和雙支節匹配等內容的練習，以加深學生對Smith圓圖的認識和掌握，為微波電路及微波器件的設計奠定基礎。

三、微波網絡S參數仿真實驗

散射矩陣即S參數是描述微波網絡特性的一種重要矩陣形式，也是微波網絡的特色之一，對散射矩陣概念的理解與應用是微波技術課程微波網絡部分的一個重點和難點。[8]本部分可以通過一些仿真實例來使學生理解S參數。圖3（a）給出了兩條平行耦合微帶線（四端口網絡）的S參數仿真模型。當兩條微帶線距離很近時，由于電磁場的相互作用會產生耦合，應用平行耦合微帶傳輸線可以構建多種類型的微波濾波器，因此本節實驗來仿真兩條平行耦合微帶線的S參數。構建PCB板上長為4inch，線寬為40mil，線間距為40mil的兩條平行微帶線，并使其各個端口均匹配。S參數仿真結果如圖3（b）所示，圖中給出了頻率在100M～3GHz范圍上的S（2，1）和S（4，1）參數，從圖中可以看出微帶線的傳輸特性和耦合特性。由于所仿真的四端口網絡具有互易性和對稱性，因此查看其他S參數，會發現S（2，1）與S（1，2）一致，S（3，4）與S（4，3）一致，S（3，1）與S（1，3）一致，S（4，1）與S（1，4）一致。

根據這個仿真模型和結果可以引導學生再進行實驗和研究。比如，實際上S（3，1）參數為兩條平行耦合微帶傳輸線間的近端串擾，S（4，1）參數為兩條平行耦合微帶傳輸線間的遠端串擾。串擾是噪聲，對于高速電路的設計者來說，如何抑制串擾就是一個問題。把抑制串擾這個問題拋給學生，使之思考，就會激發他們的學習興趣和研究潛能。

四、結論

基于ADS軟件的微波技術仿真實驗既可以使學生掌握微波仿真軟件的使用，也可以增強學生理解相關理論的能力。特別是通過引導學生在基本實驗的基礎上再進行擴展實驗，可以激發學生的學習興趣和研究潛能，提高他們解決實際問題的綜合能力。在北京信息科技大學通信工程專業實施“卓越工程師教育培養計劃”中，物聯網是三個培養方向中的一個，其中的射頻電路設計和射頻識別技術等課程就需要學生有較好的微波技術基礎，因此微波技術實踐教學的地位將更加突出，基于ADS軟件的微波技術仿真實驗方案將為北京信息科技大學“卓越工程師教育培養計劃”的實施奠定基礎。

參考文獻：

[1]呂淑平，馬忠麗，王科俊，等.基于創新型工程科技人才培養的實驗教學體系建設與實踐[J].實驗技術與管理，2012，29（7）：133-135.

[2]張發愛，吳志強，劉來君，等.以重點實驗室為平臺，培養地方性工科大學生的實踐和創新能力[J].實驗技術與管理，2012，29（7）：5-7.

[3]夏祖學，李少甫，胥磊.《天線與微波技術》課程的教學改革研究與實踐[J].實驗科學與技術，2013，11（6）：49-51.

[4]孫鳳坤，邢澤炳.微波技術原理及其發展與應用[J].科技創新與應用，2014，（6）：3-4.

[5]全紹輝.構建“微波技術”課網上教學和實驗實踐學堂[J].實驗技術與管理，2012，29（12）：159-163.

[6]李秀萍.微波技術基礎[M].北京：電子工業出版社，2013.

[7]喬曉華.基于MATLAB語言的Smith圓圖軟件設計[J].中國有線電視，2003，（Z3）：62-64.

[8]張旭春，謝軍偉，楊亞飛.微波網絡[S]參數應用實例[J].電氣電子教學學報，2008，30（5）：27-28.

（責任編輯：王祝萍）