一种多节阻抗变换器的设计与实现

一种多节阻抗变换器的设计与实现

1宽带微带巴伦除了将非平衡信号转换为平衡信号外，还起到了抵制转换的作用，因此在微波技术和天线行业发挥着不可忽视的作用。随着超宽带技术的发展，超宽带天线得到了广泛应用。为了实现超宽带天线与电路的良好匹配，设计了一种重要的方法来在宽带中工作。在天线领域,对称振子天线属于平衡型天线,而通常传输信号时使用的同轴电缆为不平衡传输线,如果要将两者高效地连接起来,势必需要一个巴伦将不平衡信号转换为平衡信号.传统的巴伦制作方法有很多种,如高频开路法、磁环三线绕制、高频变压器法等,但高频开路法带宽很窄,而磁环三线绕制和高频变压器法在高频的损耗较大.相比传统的巴伦,平面微带巴伦可以直接印制在电路板或者微波板上,具有加工简单、制作精确、结构紧凑等特点,随着超宽带技术的迅速发展,近些年一些结构新颖的宽带微带巴伦层出不穷.文献给出了一系列宽带微带巴伦.其中文献是基于Marchand巴伦的改进和平面化,其带宽可以达到10∶1,但是工作频率较高,往往工作栏1GHz以上;文献采用介电常数10.2的介质基板实现了50Ω非平衡馈电到80Ω平衡馈电的转换,虽然工作频率较宽,但是介质基板成本较高,同时采用了导电桥使共面波导2金属接地面等势,影响了外观效果;文献中设计了50～100Ω阻抗变换巴伦,虽然采用了介电常数较低的微波板,但是工作频率较高,在1.2GHz以上.本文采用相对成本较低的FR4敷铜板,基于文献的设计思想,应用过孔和背面敷铜的方法将CPW的2金属接地面连接,同时在巴伦中引入了一个5段切比雪夫阻抗变换器,设计实现了具有阻抗变换功能的超宽带平面巴伦,并且对巴伦的参数进行了数值仿真和实验测量.2共面导电桥下的巴伦设计图1给出了本文设计巴伦的结构,该巴伦主要由特性阻抗渐变的共面波导(CPW)、扇形缝隙、过孔和背面导带以及带状线(CPS)组成.其中共面波导为不平衡端口,带状线为平衡端口,二者中间的部分实现了不平衡信号到平衡信号的转换.特性阻抗渐变的共面波导用来实现从50～100Ω的转换,基于切比雪夫多节变换器的原理设计而成.扇形缝隙在很宽的频带范围内等效为开路,这样使得大部分的电场位于带状线的2导体带之间.通过在扇形缝隙的两侧各引入2个过孔,并在介质基板的背面通过导带连接,使得共面波导的2个接地金属面等势,可以进一步拓宽天线的工作频带.从图1中可以看出,该超宽带平面巴伦避免了额外焊接导电桥,使得巴伦结构更加紧凑.共面波导和带状线是2类平面传输微波线,结构如图2所示.共面波导的特性阻抗计算公式为εre为介质的有效介电常数:其中,上列式中,K(k)和K′(k)分别是以k和k′为模的第一类完全椭圆积分,其中,通过数据处理软件Matlab内含的函数包可以辅助完成对椭圆积分的求解.带状线的特性阻抗计算公式为:εre为介质的有效介电常数:其中,共面波导和带状线的特性阻抗可以通过数据处理软件比如Matlab辅助完成,但以上公式仅仅是经验公式,实际设计中还需要进行细微的调整以获得最佳的效果.3带抗变换器的设计巴伦的设计首先需要确定介质基板的材料,本文采用价格低廉的FR4敷铜板制作而成,介电常数为4.4,厚度1mm.要实现特性阻抗从50Ω到100Ω的转换,需要设计一款阻抗变换器,而切比雪夫多节变换器通过以通带内的波纹为代价来实现最佳带宽,满足宽带巴伦的设计要求.根据切比雪夫多段变换器的设计原理,本文设计了一款5段切比雪夫阻抗变换器,结构如图1所示.图1中的小图给出了阻抗变换器的具体结构,表1给出了具体参数.带状线的特性阻抗应该为100Ω,具体参数如表1所示,长度为21mm.扇形缝隙的半径为6mm,张角θ=45°,圆心位于阻抗变换器的末端.其他的具体参数为:L=42mm,W=20mm,L1=21mm,L2=26mm.为了方便巴伦的测试,将2个巴伦背靠背地印制在一块介质基板上,使2个巴伦的带状线连在一起,这样可以在共面波导端口焊接SMA(SubminiatuneA)接头.超宽带平面巴伦的实物照片如图3所示.4超宽带平面巴伦的插入损耗特性为更好地了解巴伦的工作性能,借助基于有限元(FEM)方法的三维电磁仿真软件,对超宽带平面巴伦进行了建模和仿真.并且应用安捷伦公司(Agilent)的E5071C矢量网络分析仪对巴伦的插入损耗特性和驻波特性进行了测量.超宽带平面巴伦的插入损耗,通过测量图3所示的2个超宽带平面巴伦背靠背连接时的S21传输特性来得到,测量和仿真结果如图4所示.图4显示,从100MHz到3GHz,背靠背连接巴伦的插入损耗特性.图5给出了超宽带平面巴伦的带状线末端连接一个100Ω的贴片电阻时,巴伦的共面波导馈入端的电压驻波比随频率的变化情况,测量结构如图6所示.从图5中可以看出,仿真结果和测量结果基本一致,电压驻波比从100MHz到3GHz基本都能保持VSWR<2,具有良好的匹配特性.在高频端,由于敷铜板的性能变差,介电常数发生变化,造成实验值与仿真值的差别稍大.5巴伦及其他双轨介质的热容量对基于共面波导(CPW)和带状线(CPS)传输的新型超宽带平面巴伦进行了改进设计,使得改进后的巴伦具有超宽带、低损耗、成本低、结构紧凑等优点.在一片介电常数为