24GHZ微带渐变阻抗变换器设计报告详解

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2.4GHZ，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)=50 Q ,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，常用的匹配方法有：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

2、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。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

3、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。I-1*-1农图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内阻与传输线的匹配，以保 证最大功率的传输；此

4、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，余当选取其长度、特性阻抗的值和节（段

5、）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。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A nl 4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，即 El.则有己(3-1)7 _s 一 Rl + jZoi taiX：/? - A. ； 4)ZaiZin=Z U 1 RlZoi + tUl(Q z /4)为使-&二翥实现K胞.州必须使Za-lZRl111 F无耗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载， 若当ZRl+jXx为复数时，根据行驻波的电压波腹和波节点处的输入阻抗为纯 at：Rnajt=

6、 P 2th Rm二kZ（）可将A /4阻抗变换器接在靠近终端的电压波腹或波节点处来实现阻抗匹配.若A,4技在电压波腹点接入，EIJX/4S的特性阻抗为：Zdj = J.a 宓 o = Zo/?若X/4线在电压波节点接入，则A/4线的特性阻抗为E心 VZo.XZo - Z.欢-冬中节X/4阻抗配器的i：要:缺点是频带窄。当工作波长为|io时，比：/心 对单一工作频率坛当 为=妨万可实现匹配，即Z1 =Z0.当匚作频率f偏离垸时，qj45/L pul 翁芹ZHD, 2而是；Zin 7 口=Zfh Z oR + jZflitan 部Zqi -ZoZoi-yJ?Tan /?/务二一淬m顽-小Zoi-

7、jR(3-2)把源二郁代入得: (Ji + Z#) + 2 tan /?/在中心频率附近 WZ 4 Z 22则 sec(3-3)(3-4?当84,相当1=0,此时阻抗变换器不存布，最大。(3-5)R-Zo max-|7? + Zo|由（3-4）、（3-5）可画出|r|随e （或f）变化的曲线；曲线作周期 为n的变化。设允许|W|m,则其工作带宽对应于e限定的范围频率。由于e偏离n/2时|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| r 1 = 1 r |i时，则通带也缘上的0值为L二孔、a z=n- a w且由式（3-3）右dI -jiiVZyR皿 有繇一 nr

8、 c os |一（3 -o；Ji- r疽侦-为）通常用分麴带宽耽表示频带宽度，览与有如卜,美系W.)Wq=左虹*=Z = 2%/d 乩 k/2 了微带线入/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。入/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

9、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，因为它有更好地带宽匹配性能。图2-2给出了渐变阻抗变换器的图形:拽州太孕盹肝挫木甲坏毕业设计征文）图A2渐爽丽抗变换器潮变线的&度为1.匹配的两段糙带线的阻抗为IL Z2. Z1Z2的为渐变我中 心位检的刖抗，则0=寸2心也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:网（3h坦41心-弁暇设微带线的宽度为介.顷基片的环度为1L

10、 -股I【高度为6h-10h之网；II宽度的设检， 若心,则端IJ宽度为10w,若 gjffl I喷度为5w井f 1高度为3h-4hc接着，进入特性瓯抗为50口微带线与特性阳抗为初口的微带戏的设计阶段.给定介 质基片填充的介质材料为I;R4_epoxyT也就是e 1=4 4,介质基片的厚度为H=1 一 6huil微| !r线 的叩度忽略不计，要求工作频率24GHz.根据给定的要求,首先用第 漳的公式2-4分别计算了，卜-特性阳抗为5。&微帝线和 30 微带线的宽度，算出来的结果大约为2.99mm和4.18mm：再根据公式v=狱计算山微 带线的波长为125mm（然后用HFSS软件进行设计仿真.过

11、程如J(1) 50Q微带线500微带线模型|试白.如10岬nrSMUesiflniioULO5EJ也2 5050Q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49.90690,接近500，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|MX1. 24Dia30Q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6.7mm和理论值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

12、,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,count 5三、设计结果3.1仿真结果：3.1.1结构截图3.1.2参数列表加MuefcitIvsluatei /30nn加h淋讪3.15nir3,15mI画即111nirItoI画即涉6.Tnir1215nn知h腼1332.515nir32,而htl.Enirl.EumI画即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|佩1 3 40。|S11 （回波损耗）图，找1:加加|S21（插入损耗）图VWSR （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）在2.4GHZ时为-0.7785dB基本