24GHZ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一、设计任务1.1名称：设计一个工作频率为2.4GH乙输入阻抗为50Q,输出阻抗为30Q的阻抗变换器。1.2主要技术指标：S11<-20dB,S21<-0.7dB,re(Z0)=50Q,VWAFt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

2、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：采用入/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。发射吸收法：利用铁氧体元件的单体传输特性(如隔离器等)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。这就要求信号源阻与传输线阻抗实现共轴匹配，同时要求负载与传输线实现无反射匹配

3、。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。匹配器ZQzoVJA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”。常用的匹配器有有入/4阻抗变换换器和支节匹配器。本论文主要采用入/4阻抗变换器。2.1.3入/4阻抗变换器入/4阻抗变换器是特征阻抗通常与主传输线不同、长度为入/4的传输线段，它可以用于负载阻抗或信号源阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传输；此外，在微带电路中，

4、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，余当选取其长度、特性阻抗的值和节（段）数，就可以在一定带宽驻波比低于某个

5、给定的值。这种变换装置成为阶梯式阻抗变换哭TTITO入/4阻抗变换器由一段特性阻抗为Z01的入/4传输线构成。如图3-2-1所示11+214.1*ZqZoi图3-2-1入/4阻抗变换器原理性示意图假设负载为纯电阻,fipZl=Rl.则有:(31)_L0Jir+/ZoitaiKZ?/4)Ztfi''Zoi+jliLtaiXZ?z/4)Rl为了使ZiB=Zc实现匹配，则必须使Z#i二寸7。制由无桂线的特性阻抗为实数，故X/4阻抗变换器只能匹配纯电阻负栽。FLig泓由根1?HFE波的电压波投利波":处的输入阻抗为外组：R皿-P2QtR-KZj可将X/4阻抗变换器接在靠近终端

6、的电田波腹或波节点处来实现阻抗匹配.若X/4若在电压波腹点接入.JM1/4线的待性阻抗为：Zn-J.a记电-Z-jp若入/4线在电压波廿点接入，MX/4线的特性阻抗为_r;wZaZoi=ZqXZq=Zo:A=yW单1E4阻杭匹下器的主整映点是频带窄.当工作波K为10匝1=，丝-工作现专珞当云话可空现匹当二即ZL1=ZO.当工作倾*f'偏肉l=Xa/4X/4.1砖，ZmHZ”供（hWJ?+jZoitan拱曲是W7-Zo(3-2)一刁"-7oZqj+j/ftan/f?Zoi-把Zm-ZcR代入灿R-ZIV1(3-3)1|】,2办小，1+（在中心频率附近；目邓1二sec6-*8从而

7、ro火2M*仞2妃R34)当0=0.相当J1=0,此时阻抗变换器不存在，I最大.|rmax二七空!(3-5)由（3-4）、（3-5）可画出|随。（或f）变化的曲线；曲线作周期为兀的变化。设允许|r|<|r|m,则其工作带宽对应于。限定的围频率。由于。偏离兀/2时|r|曲线急剧下降，故工作带宽很窄。图3-2-2单节入/4阻抗变换器的带宽特性当Ir|-|r皿时，则通带边缘上的目值为L二n-七U由式(A3)有a-mg|幻r'I(3-6)Jl|T|-Z»)通常用什数带宽览去不醐带宽惜，与0m有加卜左系u/2-/i02-6才一编4Wq=二=?一倪fa。）tt/2茂微带线入/4阻抗

8、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。入/4阻抗变换器只有在中心频率或其附近很窄的频带，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

9、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渐支线的长度为1,匹配的两段敬带缺的阻抗为71,Z2.(Z1>Z2),Z0为渐度检中心位置的PU抗*则面3*在设计之前有必要先了解一下微带线端口设计，如以下图给出了微带线端口设计模型：WwrOf5W印toJWZW"假设微带线的宽度为m介质基片的择度为h、般I【高度为6h-10hZ间亍【1宽度的设凭t若皿北则尚1宣度为1g若gJB口童度为加并IL有度为3h-4h.花昔"进入特性叽抗为50。稚带线与特性阻抗为30Q的耦带线的设计阶段。给定介'上.&

10、#39;用完：1勺弁或材料为Fli-l_epoxy,也就是;壬1=44,介质地片的厚度为H=16111111.微卅线的叩度忽略不汁.坚求I：作频率为AGH以根据给定的要求.育先用第：章的公式易分别il食了卜特性阳抗为50微带线利300*带线的宣度，算出来的结果大约为2.盼mm和4.18mm：可根据公式v=、f,订算由微带线的波食为125mm,然后用HFSS软件进行设计仿真,过程如M(1)50Q微带线50Q微带线模型一3，EiEMl<4g2/U3jE心W1111I1111|111111111111I1111I111"I2M2J32»2IB3il4>?l昱如3SOF

11、rgGHz|阪".4冲50Q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49.9069Q,接近50Q，此时微带线的宽度约为3.15mm与理论值2.99mm相差不大。(2)30Q微带线30Q微带线模型rrSUasgnlZirKElrf:3150EFA皿剧ESS砧湿滴egl二知SBiT【rexMin.Si睿1J西闻5rZoHUI，林1T:th剧1奇中WSetwl:Simsp呻田HJ5itajfi1M号lEmiEn'SfiMi:/dfrjmmnfi'K.flOS31_00Z-_-1«r|了打5了、Ouzu-FHDjfu与y1Jmp看E颇如

12、ftMrLrZeibl5血中1；A臼辛l-Tj/rwn8rojsrl30Q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29.9607Q,接近30Q，此时微带线宽度为6.7mmffl理论值4.18相差不大。所以建模型时50Q的宽度为（w1）3.15mm长度为（l1）10mm,50Q的宽度为（w2）6.7mm,长度为（l2）15mm,渐变线长度为（l3）31.25mm.2.2关键参数优化:L3（渐变线长度）:32.2mm-32.7mm,count5XYPiot?如10C-30D0如：,1iwxixmEEWFK1优化图-4U.JU-4.FW0三、设计结果3.1仿真结果：3.

13、1.1结构截图3.1.2参数列表FrasiesImeluth遍血/.1雅y5)DID血Ileap3.153.1%1110MlOnrR6.1AIDE,Tim盹面L215M1加I呻B3Z5I5nir3瓜I呻ktBI.EmI呻w:基板宽度w1:50Q微带线宽度11:50Q微带线长度W2:30Q微带线宽度12:30Q微带线长度13:阻抗变换器长度ht:基板高度3.1.3指标图XYPlot352502扑4000-37504500*30-5QOO243FSSOF3TUVFFM11*1MISIIIWLFLJIIIIII1_J-JI2B0S11（回波损耗）图.帅1；直4妙1|S21(插入损耗）图XYPot4VWSR（驻波比）图Re（Z0）（输入阻抗）图3.2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。S21（插入损耗）