传输线理论及微带传输线的设计与制作.doc

传输线理论及微带传输线的设计与制作一、 实验目的1 了解基本传输线、微带线的特性；2 利用实验模组实际测量以了解传输线的特性；3 掌握传输线模块的设计方法。二、 实验原理我们知道，频率的提高意味着波长的减小。当波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟时，电压和电流不再保持空间不变。当电压和电流波的波长缩小到大致为电路元件尺寸的10倍时，必须从以基尔霍夫电流和电压定律为基础的集总电路分析转变到基于波动原理分布理论。（一） 基本传输线理论在传输线上传输波的电压、电流信号会是时间及传输距离的函数。一条单位长度传输线的等效电路可由R、L、G、C等四个元件来组成，如图6-1所示。图6-1 单位长度传输线的等效电路假设波的传播方向为Z轴的方向，则由基尔霍夫电压及电流定律可得下列二个传输线方程式： 式（6-1） 式（6-2）此两个方程式的解可写成： 式（6-3） 式（6-4）其中V+,V-,I+,I-分别是信号的电压及电流振幅常数，而+、-则分别表示+Z，-Z 的传输方向。则是传输系数（propagation coefficient），其定义如下： 式（6-5）而波在z上任一点的总电压及电流的关系则可由下列方程式表示： 式（6-6） 式（6-7）式（6-3）、（6-4）代入式（6-5）可得： 式（6-8）一般将上式定义为传输线的特性阻抗（Characteristic Impedance）ZO ： 式（6-9）当R=G=0时，传输线没有损耗（Lossless or Loss-free）。因此，一般无耗传输线的传输系数及特性阻抗ZO分别为： 式（6-10） 式（6-11）此时传输系数为纯虚数。大多数的射频传输线损耗都很小；亦即RL且GC。所以R、G可以忽略不计，此时传输线的传输系数可写成下列公式： 式（6-12）式（6-5）中与在无耗传输线中是一样的，而定义为传输线的衰减常数（Attenuation Constant）,其公式分别为： 式（6-13） 式（6-14）其中Y0定义为传输线的特性导纳(Characteristic Adimttance), 其公式为： 式（6-15）（二） 负载传输线（Terminated Transmission Line ）（A）无损耗负载传输线（Terminated Lossless Line）考虑一段特性阻抗为Zo的传输线，一端接信号源，另一端则接上负载，如图6-2所示。并假设此传输线无耗，且其传输系数 =j，则传输线上电压及电流方程式可以用下列二式表示： 式（6-16） 式（6-17）图6-2 接上负载的传输线电路 （1）若考虑在负载端（z=0）上，则其电压及电流为： 式（6-18） 式（6-19）而且，式（6-19）可改写成： 式（6-20）合并式（6-18）及（6-20）可得负载阻抗（Load Impedance）： 式（6-21）定义归一化阻抗（Normalized Load Impedance）： 式（6-22）当ZL = ZO时，则L = 0时，此状况称为传输线与负载匹配（Matched）。（2）若考虑在距离负载端L（z=-L）处，即传输线长度为L。则其反射系数 (L) 应改成： 式（6-23）而其输入阻抗则可定义为： 式（6-24）由上式可知：（a）当L时, （b）当L=/2时, =（c）当L=/4时，=/（B）有耗负载传输线（Terminated Lossy Line ）若是考虑一条有耗的传输线，则其传输系数 =+j为一复数。所以，反射系数(L)应改成： 式（6-25）而其输入阻抗则改成为： 式（6-26）（三） 微带线理论（Microstrip Line）实际使用的传输线有许多种类，常见的有同轴线、微带线、条线、平面波导、波导等，而其中又以微带线最常见于射频电路设计上。所以，本单元便以介绍微带线为主。微带线的结构如图6-3所示，而其相关设计参数如下所列。图6-3 微带线的结构（1）基板参数（Substrate Parameters）基板介电常数（Dielectric constant），r常见的基板有Teflon（r =2.2），FR4（r =45），Alumina（r =10）损耗正切（Tangent dielectric loss），tand基板高度 （Height），h基板导线金属常见有铜（Copper）、金（Gold）、银（Silver）、锡（Sn）、铝（Al）。基板导线厚度（Thickness），t（2）电特性参数：（Electrical parameters）特性阻抗Zo 、波长（角度） 、使用主频率fo（3）微带线参数（Microstrip Parameters）宽度（width）W长度（Length）L单位长度衰减量（Unit-length Attenuation），AdB相关计算公式有：（A）合成公式（Synthesis Formula） （已知传输线的电特性参数（ZO、），求出相对微带线的物理性参数W、L、AdB）（B）分析公式（Analysis Formula）（已知微带线的物理性参数，求出其相对传输线电特性参数ZO、）鉴于公式复杂，在实际计算中常用传输线计算器实现，这里就不在罗列公式。关键参数指标及其含义回波损耗RL：实际电路总是在源功率和输送到传输线的功率之间存在一定程度的失配，该失配通常定义为回波损耗，它是反射功率与输入功率之比。电压驻波比VSWR：78897两个方向相反的波在同一介质中传播就会产生驻波.为了量化失配，引入SWR 的概念，VSWR定义为最大绝对电压值与它的最小值之比。回波损耗与电压驻波比存在着如下的关系：式中，为被测负载的反射系数。三、 设计方法与实例实例一：创建一条剖面如图6-4（a）所示的长5英寸无损耗50传输线的等效电路模型。假定驱动器的最小上升时间5ns，介电系数为4.5。 图6-4 创建传输线模型：（a）剖面图；（b）等效电路。 解法：首先计算传输线的电感和电容。用以上所述的等式得到： 如果传输线是微带线，计算速度的过程是一样的。 因为和，我们有两个等式和两个未知数。求解L和C。 以上L和C值是5英寸线的总电感和总电容。因为3.6不是约整数，所以我们在模型中使用4个片段。 最后无损耗传输线等效电路如图7b所示。仔细检查以确认满足经验法则。 四、 实验内容实验设备:项次设备名称数量备注150传输线模块1块无源实验箱2/4传输线阻抗变换模块1块无源实验箱3频谱分析仪1台4反射电桥1块5射频连接线3条6标准50负载，开路、短路器各1个实验步骤: 本实验能够实现传输线理论中最基本的三个功能：开路、短路和传输。l 开路：开路对应全反射状态，此时的反射S11最大，理想情况下等于零dB。l 短路：短路对应全反射状态，此时的反射S11最大，理想情况下等于零dB。l 传输：模块的传输是匹配状态下的微带传输，此时的反射S11最小；传输S21最大，理想情况下等于零dB。1. 开路传输线，短路传输线，匹配传输线以及/4传输线阻抗变换模块适用频率均为2010-2025MHZ，校准频谱仪。2测量步骤： 50传输线模块的S11测量：将频谱仪上信号输出端口连接到反射电桥输入端，再将反射电桥反射输出端接频谱分析仪INPUT端。反射电桥输出端接待测的50传输线模块，模块另一端分别接开路器短路器以及标准50匹配负载，并将频谱分析仪之Marker 的频率标示在2017.5 MHz，分别记录三次测量结果。测试模组方框图如图6-5所示:图6-5 50传输线模块驻波比测量框图 /4传输线阻抗变换模块的S11测量：仪器连接方式不变，将50传输线模块卸下，接上/4传输线