2.4GHZ微带渐变阻抗变换器设计报告

第 1 页 共 15 页 2 4GHZ 微带渐变阻抗变换器设计报告 一 设计任务 1 11 1 名称名称 设计一个工作频率为 2 4GHZ 输入阻抗为 50 输出阻 抗为 30 的阻抗变换器 1 21 2 主要技术指标主要技术指标 S11 20dB S21 0 7dB re Z0 50 VWAR 尽量 接近于 1 二 设计过程 2 12 1 原理 原理 2 1 12 1 1 阻抗匹配的概念阻抗匹配的概念 阻抗匹配元件在微波系统中用的很多 匹配的实质是设法在终端负 载附近产生一新的反射波 使它恰好和负载引起的反射波等幅反相 彼此抵消 从而达到匹配传输的目的 一旦匹配完善 传输线即处 于行波工作状态 在微波电路中 常用的匹配方法有 1 电抗补偿法 在传输线中的某些位置上加入不消耗的匹配元件 如纯电抗的膜片 销钉 螺钉调配器 短路调配器等 使这些电抗 负载产生的反射与负载产生的反射相互抵消 从而实现匹配传输 这些电抗负载可以是容性 也可以是感性 其主要有点是匹配装置 不耗能 传输效率高 2 阻抗变换法 采用 4 阻抗变换器或渐变阻抗变换器使不匹 配的负载或两段特性阻抗不同的传输线实现匹配连接 3 发射吸收法 利用铁氧体元件的单体传输特性 如隔离器等 第 2 页 共 15 页 将不匹配负载产生的反射波吸收掉 传输线的核心问题之一是功率传输 对一个由信号源 传输线和负 载构成的系统 希望信号源在输出最大功率的同时负载能全部吸收 以实现高效稳定的传输 这就要求信号源内阻与传输线阻抗实现共 轭匹配 同时要求负载与传输线实现无反射匹配 2 1 22 1 2 阻抗匹配的方法阻抗匹配的方法 阻抗匹配的方法是在负载与传输线之间接入匹配器 使其输入阻抗 作为等效负载与传输线的特性阻抗相等 图 3 1 阻抗匹配 匹配器是一个两端口的微波元件 要求可调以适应不同负载 其本 身不能有功率损耗 应由电抗元件构成 匹配阻抗的原理是产生一 种新的反射波来抵消实负载的反射波 二者等幅反相 即 补偿原 理 常用的匹配器有有 4 阻抗变换换器和支节匹配器 本论文 主要采用 4 阻抗变换器 2 1 32 1 3 4 4 阻抗变换器阻抗变换器 4 阻抗变换器是特征阻抗通常与主传输线不同 长度为 4 的传输线段 它可以用于负载阻抗或信号源内阻与传输线的匹配 第 3 页 共 15 页 以保证最大功率的传输 此外 在微带电路中 将两段不同特性阻 抗的微带线连接在一起是为了避免线间反射 也应在两者之间加四 分之一波长变阻器 当负载阻抗与其传输线的波阻抗不相等 或两段波阻抗不同的传输 线相连接时 在其间接入阻抗变换器可以消除或减少传输线上的反 射波以获得匹配 对某些传输线如金属波导 因其封闭性和制品的 标准性 阻抗变换器要做成准用元件 而对于微带线则可根据负载 情况设计微带阻抗变换阶段 并与微带电路一同光刻腐蚀 或真空 镀膜的方法 一次形成 阻抗变换器的最基本形式是利用四分之一 波长线的阻抗变换特性 在两个特性阻抗不同的传输线之间插入一段或多段不同特性阻抗的 传输线 佘当选取其长度 特性阻抗的值和节 段 数 就可以在 一定带宽内驻波比低于某个给定的值 这种变换装置成为阶梯式阻 抗变换器 4 阻抗变换器由一段特性阻抗为 Z01 的 4 传输线构成 如图 3 2 1 所示 图 3 2 1 4 阻抗变换器原理性示意图 第 4 页 共 15 页 第 5 页 共 15 页 由 3 4 3 5 可画出 随 或 f 变化的曲线 曲线作周 期为 的变化 设允许 m 则其工作带宽对应于 限 定的范围频率 由于 偏离 2 时 曲线急剧下降 故工作带 宽很窄 图 3 2 2 单节 4 阻抗变换器的带宽特性 第 6 页 共 15 页 微带线 4 阻抗变换器 一般都是保持变换段的导体带与接地板之 间的距离不变 介质材料也不变 阻抗的变换是通过改变代替带的 宽度来实现的 4 阻抗变换器只有在中心频率或其附近很窄的频 带内 才能满足一定的匹配要求 当频率偏离中心较大时 匹配性 能急剧下降 微波阻抗变换器的作用是消除反射 提高传输效率 改善系统稳定 性 阻抗匹配元件种类很多 主要的有螺钉调配器 阶梯阻抗变换器和 渐变型阻抗变换器三种 本次主要研究的是渐变阻抗变换器 渐变 线是其特性阻抗按一定规律平滑的由一条传输线的特性阻抗过渡到 另一条传输线的特性阻抗 从理论上讲 多级变换器的阻抗越多 其匹配频带越宽 多阶梯阻 第 7 页 共 15 页 抗变换器随着阶梯数目的增加带来了尺寸的增加和造价的增大 工 程上考虑到尺寸 成本 性能发展出了渐变阻抗变换器 因为它有 更好地带宽匹配性能 图 2 2 给出了渐变阻抗变换器的图形 在设计之前有必要先了解一下微带线端口设计 如下图给出了微 带线端口设计模型 第 8 页 共 15 页 1 50 微带线 50 微带线模型 第 9 页 共 15 页 50 微带线的特性阻抗实部 由图可以看出在 2 4GHz 时 微带线阻抗的实部约为 49 9069 接近 50 此时微带线的宽度约为 3 15mm 与理论值 2 99mm 相差不大 2 30 微带线 第 10 页 共 15 页 30 微带线模型 30 微带线的特性阻抗实部 由图可以看出在 2 4GHz 时 微带线阻抗的实部约为 29 9607 接近 30 此时微带线宽度为 6 7mm 和理论值 4 18 相 差不大 所以建模型时 50 的宽度为 w1 3 15mm 长度为 l1 10mm 50 的宽度为 w2 6 7mm 长度为 l2 15mm 渐变线长度为 l3 31 25mm 2 22 2 关键参数优化关键参数优化 L3 渐变线长度 32 2mm 32 7mm count 5 第 11 页 共 15 页 优化图 3 设计结果 3 13 1 仿真结果 仿真结果 3 1 13 1 1 结构截图结构截图 第 12 页 共 15 页 3 1 23 1 2 参数列表参数列表 w 基板宽度 w1 50 微带线宽度 l1 50 微带线长度 W2 30 微带线宽度 l2 30 微带线长度 l3 阻抗变换器长度 ht 基板高度 3 1 33 1 3 指标图指标图 第 13 页 共 15 页 S11 回波损耗 图 S21 插入损耗 图 第 14 页 共 15 页 VWSR 驻波比 图 Re Z0 输入阻抗 图 3 23 2 测试结果 测试结果 如上图所示 S11 回波损耗 在 2 4GHZ 时为 50 0745dB 20dB 符 合设计要求 第 15 页 共 15 页 S21 插入损耗 在 2 4GHZ 时为 0 7785dB 基本等于 0 7dB 符 合设计要求 VWSR 驻波比 在 2 4GHZ 时为 1 0063 约等于 1 符合设计要