2.4GHZ微带渐变阻抗变换器设计报告

1、2.4GHZ 微带渐变阻抗变换器设 计报告 2.4GHZ 微带渐变阻抗变换器设计报告 一、设计任务 1.1 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。 1.2 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 2.1 原理： 2.1.1 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

2、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

3、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。 2.1.2 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

4、器。 2.1.3 /4 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， 以保 第 3 页 共 15 页 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

5、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

6、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

7、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 第 7 页 共 15 页 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 50 微带线的特性阻抗实部 由图可以看出在

8、 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 第 9 页 共 15 页 大。 （2）30微带线 30 微带线模型 30 微带线的特性阻抗实部 第 10 页 共 15 页 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. 2.2 关键

9、参数优化 : L3(渐变线长度) :32.2mm-32.7mm,count 5 优化图 三、设计结果 3.1 仿真结果： 3.1.1 结构截图 第 11 页 共 15 页 3.1.2 参数列表 w:基板宽度 w1:50 微带线宽度 l1:50 微带线长度 第 12 页 共 15 页 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 3.1.3 指标图 S11 回波损耗）图 S21( 插入损耗）图 第 13 页 共 15 页 VWSR （驻波比）图 Re（Z0）（ 输入阻抗）图 3.2 测试结果： 第 14 页 共 15 页 如上图所示， S11（回波损耗）在 2.4GHZ时为 -50.0745dB-20dB, 符 合设计要求。 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，符合设计要求。 Re（ Z0）（ 输入阻抗） 在 2