射频传输线的设计及仿真毕业设计论文

1、射频传输线的设计及仿真摘要射频（RF）是可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从 300KHA300GHz它 是一种高频交流变化电磁波的简称。传输线是用横电磁 （TEM）模的方式传送电能 和（或）电信号的导波结构，传输线的特点是横向尺寸小于工作波长。射频传输 线的设计具有重要的意义，传输线设计是高频有线网络和射频微波工程的基础， 为了使能量可以在通信网路中无损耗地传输，良好的传输线设计是重要关键。伴随着计算机技术的不断普及发展，计算机的辅助分析和辅助设计在各个 工程领域获得了相当广泛的应用与继承。传输线问题借助计算机来辅助求解计 算时，比较准确和快捷。我们利用传输线的相应解析式，用MATLA语言编

2、制了求解传输线问题的一些程序。阻抗匹配是最重要的分布电路设计方法，它直接决定着电路负载获得信号 功率的大小。我们就微带线阻抗匹配进行了理论上的讨论及其仿真实现。关键字：传输线理论MATLAB计算机辅助计算 微带线特性阻抗仿真RF Transmission Line Design and SimulationABSTRACTRadio freque ncy (RF) said electromag netic freque ncy can be radiati on in to space,the range of the frequency range from 300 KHZ to 300

3、GHZ,it is a kind of high freque ncy ac cha nge electromag netic waves.Tra nsmissi on li nes based on tran sverse electromag netic (TEM) way to tran smit power and (or) electrical sig nals of guided wave structures,the characteristics of the transmission line is horizontal size smaller than the wavel

4、ength of the work.The design of the RF transmission line is of great importance,transmission line design is a high frequency cable, RF microwave engin eeri ng, optical fiber com muni cati on and so on the basis of photoelectric engineering,in order to make energy can without loss of transmission in

5、the com muni cati on n etwork, a good desig n of a tra nsmissi on line is critical.Along with the popularizati on and developme nt of computer tech no logy, the computer aided an alysis and desig n in various engin eeri ng fields obta ined widespread application and development. Problem of transmiss

6、ion lines with the help of a computer to assist in solving calculation, more accurate and fast. We use corresponding analytical formula of transmission line, the transmission line problem is compiled with MATLAB Ian guage of some of the program.Distributi on circuit desig n method of impeda nee matc

7、h ing is the most importa nt, it directly decides the circuit load to obtain the size of the signal power. Well be microstrip line impeda nee matchi ng for the discussi on of theory and simulatio n impleme ntatio n.Key words:Transmission line theory MATLAB computer aided calculationMicrostrip line c

8、haracteristic impeda nee simulatio n TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第1章绪论 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1课题背景及意义 1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2国内外发展现状 1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.3本论文的内容安排 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Doc

9、ument 第二章传输线理论 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.1传输线方程 2时谐传输线方程 2均匀传输线的波动方程 3入射波和反射波 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.2传输线的特性参量 4传播常数 42.2.2特性阻抗 52.2.3相速和相波长 52.2.4输入阻抗 62.2.5反射系数 72.2.6驻波比及行波系数 7 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.3均匀无耗传输线工作状态的分析 82.3.1行波状态（无反射情况）

10、 8驻波状态（全反射情况） 92.3.3行驻波状态（部分反射情况） 9 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.4阻抗圆图 9等反射系数圆 102.4.2等阻抗圆 10 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.5传输线的阻抗匹配 11共轭匹配 112.5.2无反射匹配 112.5.3阻抗匹配的方法 11 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第三章传输线问题的计算机辅助计算 133.1利用公式求解 133.2利用阻抗圆图求解 14 HYPERLINK l

11、 bookmark28 o Current Document 3.3利用计算机辅助计算求解 15 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第四章微带线特性阻抗仿真 16 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 4.1微带线基本理论 16 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.2微带线特性阻抗仿真 17ADS设计软件概述 174.2.2无损耗微带线阻抗仿真 174.2.3有损耗微带线阻抗仿真 20参考文献 25 4 第1章绪论1.1课题背景及意义射频(RF)是

12、可以辐射到空间的电磁频率， 频率范围从300KHZ300GHz,它是一种高频 交流变化电磁波的简称。传输线是用横电磁 (TEM)模的方式传送电能和(或)电信号的导波 结构，传输线的特点是横向尺寸小于工作波长。射频传输线的设计具有重要的意义，传输线设 计是高频有线网络和射频微波工程的基础，为了使能量可以在通信网路中无损耗地传输，良 好的传输线设计是重要关键。进行本课题的研究能够应用所学的电磁场和电磁波、通信等方面的理论知识，发挥自己 的创造力，解决具有实际意义的科学问题，从而巩固了所学专业知识，并从创新和研究能力 方面获得了锻炼和提高。1.2国内外发展现状微波技术的发展与实际应用在相互促进与协调

13、中不断地向前迈进。发展到现在，已经走 过了 60多年。第二次世界大战这个期间，微波技术的发展很快，这期间最重要的技术就是雷 达的研制。至V 1960年以后，随着通信事业的发展，人们开始研究起微波通信和卫星通信。差 不多到了 1970年，微波技术的应用范围就不断扩大，在遥感技术、医疗卫生、无损检测与研 究等领域有了较大的发展。不仅如此，在以后的发展之中，相继形成了微波波谱、微波生物、 微波超导等交叉学科。就目前来看，微波主要向下面几个方向发展：工作频段要向着高频段扩展，高频段是目前的研究重点。微波的元器件及整体设备要向着体积小型化、频带不断变宽的方向发展。不仅使占 用体积减小，也增加了器件的使用

14、年限。微波系统要向着自动化、智能化和多功能化方向发展。随着科学技术，尤其是计算 机技术的发展与普及，各种不同学科之间的相互渗透，促使微波设备、系统和测试仪表也渐 渐实现了自动化、智能化和多功能一体化。1.3本论文的内容安排本文研究的内容是射频传输线的设计及仿真。全文总共分为四章，第一章主要内容是绪 论，主要写了课题背景和意义，国内外的发展情况以及本文的框架结构。第二章的主要内容 是传输线理论分析。分析了微波及其特点、传输线方程、传输线的特性参量、传输线的工作 状态分析、阻抗圆图和阻抗匹配这几个方面。第三章的主要内容是射频传输线的计算机辅助 计算。运用MATLA语言设计相关程序方便了传输线的计算

15、。 并举例说明了传输线问题的常规 算法，同时也说明了调动设计的相应程序解决传输线问题的一般步骤。第四章的主要内容是 针对微带线特性阻抗匹配进行理论讨论和仿真实现。第二章传输线理论导体、均匀介质如果能够引导电磁波沿一定方向传输，我们就可以称其为传输线。传输线传输的电磁波的波形是不一样的，根据这一点，我们可以将传输线分为以下几种类型：第一种：双导体传输线双导体传输线是由两根或两根以上的平行导体组成的，导体中传输的电磁波是横电磁波，又称TEM波。主要有平行双线、同轴线、带状线和微带线等几种不同的类型。第二种：填充的介质是均匀的金属波导管由于电磁波传播在其管内，所以称为波导。主要有矩形波导、圆波导、脊

16、波导和椭圆波导 等几种类型。第三种：介质传输线因为沿着输电线路表面传播，所以称之为表面波波导。主要有介质波导，镜像线和单一表 面波传输线等几种类型。一般情况下，我们要求的传输线要有以下几个特点：1、损耗小2、工作频带宽3、功率容量大4、尺寸小且均匀2.1传输线方程传输线方程是用来研究传输线上电压、电流的变化规律，以及电压、电流之间相互关系 的方程。一般可以通过均匀传输线的等效电路推导得出。2.1.1时谐传输线方程对于一段均匀传输线，在其上面取一个微元段dz，设其集中参数分别为Rodz、Godz、Lodz和Codz。另外，还知道传输线的始端接的是正弦信号源，其角频率为-，终端接负载阻抗的 大小为

17、Zl。同时，我们将坐标原点选在初始端。设距始端 z处的电压为u，电流为i，则经过 dz段后电压为u-du、电流为i-di。因为它们既是坐标z的函数，又是时间t的函数，所以，可将其分别表示为u=u(z,t) , i=i(z,t)。可得经过dz段后电压和电流的变化量为- du (z,t)二-di(z,t)八3dz(乙t)d依据基尔霍夫定律，而且忽略方程中的高阶小量，可得-du(z,tRodzi(z,tL0dl(Zt) ： ( 2.1.1) -di(z,t)二 GdzU(z,t) Cdz、u(z,t)由于电压和电流随时间做相应的变化，可得其瞬时值 u , i与复数振幅U，I的关系为u( z, t)

18、=ReU (z)e宙: i(z,t) = ReI (z)ej 将式(2.1.2 )代入式(2.1.1 )中，消去等式两边因子ej i，可得dU(z)=(RojLo)l(z)dz警一(G。j C)U (z)dz令R丄o =Z，Goj CY,就得到时谐传输线方程为dUdz(2.1.2)(2.1.3)八Zl(z)四YUdz式中：Z单位长度的串联阻抗。Y单位长度的并联导纳，但。式(2.1.3 )表明：传输线电压的变化其实是由串联阻抗的降压作用造成的，而电流的变化则 是由并联导纳的分流作用引起的。2.1.2均匀传输线的波动方程将(2.1.3 )两边对z再求一次微分，使2二ZY =(尺 j Lo)(G j

19、 Co)，可得d2U (z) dz2 d2l(z) dz2-y2U (z) =O-2l(z)=O(2.1.4)均匀传输线的波动方程为其通解为: (2.1.5 )U(z)二 Ae-z A2ez1jzz l(z)=(Aie一 A2ez)Zo式中：Zo 传输线的特性阻抗,ZoRoj LoGoj Co传输线上波的传输常数，厂点jTC。)：，其中为实部，：为虚部;Ai，A2待定系数，为一常数，其大小由传输线的终端或始端给出的已知条件确定2.1.3入射波和反射波根据复数振幅和瞬时值大小之间的关系，可得传输线上电压和电流的瞬时值的表达式：u(z,t) =ReU (z)ej = Ae心 cost Pz) +

20、Aecosat + Pz)二 ui (z,t) ur(z,t)( 2.1.6a )i(乙t)二 Rel(z)ej 二e心 cos紳t - Pz) -比cos t + Pz)ZoZo= ii(乙t) ir(z,t)(2.1.6b)上式表明，传输线上任一点处的电压和电流是由两部分组成，第一部分表示的是从信号源向 负载方向传播的行波，即入射波。第二部分表示的是从负载向信号源方向传播的行波，即反 射波。2.2传输线的特性参量传输线的特性参量主要包括：传播常数、特性阻抗、相速和相波长，输入阻抗、反射系 数、驻波比(行波系数)等。2.2.1传播常数传播常数一般为复数，可表示为(2.2.1 )(Ro j L

21、o)(Go j Co)j式中，实部衰减常数，单位为分贝/米(dB/m)或奈培/米(Np/m);虚部：相移常数，单位为弧度/米(rad/m )。对于低耗传输线，一般满足 Ro m L0,G0八；：乜Co,所以有(222 )RoCo Go Loj| C2. Lo 2 C厂LoC0对于无耗传输线Ro = 0,G。= 0 ,则有(223 )实际应用中，常常可以把微波传输线当做低耗传输线来看待，这样就可大大简化传输线 的定性分析。2.2.2特性阻抗传输线的特性阻抗的定义如下:传输线上入射波电压5(Z)和入射波电流lj(Z)之间的比值大小，或反射波电压U,Z)与反射波电流lr(z)之比的负值，即ZoUi(

22、z)li(z)Ur(z) _Ro+j叫_ lr (z)Go j Co(224)式(2.2.4 )就是传输线特性阻抗的定义公式。对于无耗传输线Ro =0,Go =0，则有Zo =对于低耗传输线，则有乙Co 2.2.3相速和相波长传输线上的入射波和反射波是传播方式是不一样的，它们速度相同，传播方向不同。相 速：p则是指波的等相位面的移动速度。入射波的等相位面满足的方程为(225)-、z二常数对式(2.2.5 )求导，就可以得到入射波的相速 pdt(2.2.6)相波长p与相速：p区别在于， p是指波在一个周期T内等相位面在传输线上移动的距离, 即(227 )式中：f电磁波频率；T振荡周期；o 真空中

23、电磁波的波长;；r 周围介质特性参量2.2.4输入阻抗传输线理论中有很多重要的概念，阻抗是其中之一。用它来分析传输线的工作状态是很 方便的。在均匀无耗传输线上，将输入阻抗定义为：Zin(Z)ZL jZ0 tan ：zZo jZL tan(228)式(2.12)可以看出，均匀无耗传输线上z处的输入阻抗Zin(z)与Zo，Zl，Z及工作频率都有 关系。当传输线和负载阻抗均为给定值时，在线上分布的各点的输入阻抗随着距终端的距离I的改变呈现周期性变化，(周期=-/2 )。且在一定的点上，有一定的阻抗关系，其关系式如下 所示：Zin(l) =Zll=n (n= 0,1,2,?(2.2.9a)2Z 2 Z

24、in(l)= l = (2n 1)( n =0,1,2, ?(2.2.9b)Zl4从式(2.2.9a )和(2.2.9b )可看出，当传输线上某点的输入阻抗等于其负载阻抗时，则该 点距负载为半波长的整数倍，当某点的输入阻抗与特性阻抗的平方与负载阻抗的比值相等时， 则该点距负载为 /4的奇数倍。若 /4的传输线则具有变换阻抗性质的作用时，有且仅当Z。为实数，Zl为复数并联电路的阻抗计算，均匀无耗传输线上的输入导纳为表达式为1Zin=丫 YljY。tan : z0 YojYL tan ：z(2.2.10)1式中：Yo特性阻抗，Yo ZoYl负载阻抗,Yl =Zl225反射系数由式（2.4.1 ）

25、,（2.4.2 ）可知，传输线的波一般是由入射波和反射波相互叠加而成的, 为了描述传输线的反射特性，我们提出了“反射系数”这个概念。当均匀无耗传输线终端连接任意大小负载时，沿线的电压表达式和电流表达式分别为:U(z)二Aej z Ae-Ui(z) Ur(z) l(z)訂(Aej 2_2 z)=ii(z) l(z)Z0(2.2.11)则距终端z处的反射波电压U,Z）与入射波电压Uj（Z）之比就为该处的电压反射系数:u（z），即(2.2.12)根据以上推论作如下定义一一z处的电流反射系数为:i(z -：u(z)(2.2.13)由此可得，传输线上随意分布各点处的电压反射系数，电流反射系数，大小小相等

26、。相 位之间相差二二。对于均匀无耗传输线上的电压和电流，也可以用入射波和反射系数来表示，即U 二 Ui(z)1丨l(z)“i(z)1(z)(2.2.14)由（2.18 ）式可以得出输入阻抗与反射系数之间的关系为Zin (z)=Zo1()1(2.2.15)终端反射系数与负载阻抗之间具有一定的关系，如下式:Zl 二 Z。V -L1L(2.2.16)2.2.6驻波比及行波系数当终端负载阻抗不等于传输线的特性阻抗时，传输线上存在影响阻抗匹配的反射波，这 种情况被称为传输线特性阻抗与负载阻抗之间的不匹配，即失配。反射系数不仅可以用失配程度来描述，同时可以用驻波比，即SWR来衡量。电压/ （电流）的SWR

27、的定义为：传输线上电压/ （电流）的最大值比最小值，即反射系数与驻波比之间存在着UmaxImaxUlmin 一即.Imin1 +maxri 1minrp =Up =定的数学关系,U(2217 )(2218 )(2219 )-1P 1传输线反射波的相对大小在有些时候也可以用行波系数来表示。行波系数K的定义为传输线上电压/ （电流）的最大值和最小值之间的比值，因此，行波系数和驻波比之间为倒数关 系，即(2220)由此可得，可以用驻波比，行波系数，反射系数的模值这三个参量来准确的描述传输线上的 反射波值的大小。2.3均匀无耗传输线工作状态的分析传输线的工作状态从三个方面来描述，沿线电压的的分布规律，

28、电流的分布规律，以及 阻抗的分布规律。均匀无耗传输线的工作状态，随着终端负载阻抗大小的改变和性质的不同， 可分为三种。2.3.1行波状态（无反射情况）当传输线为半无限长或者当负载阻抗等于传输线特性阻抗时，传输线上就没有反射波得 存在，因此传输线就会在行波状态工作。何为行波状态，即负载吸收了全部的入射功率，即传输线与负载之间达到匹配。 在行波状态下，线上的电压的复数表达式与电流的复数表达式的数学关系式如下：U（z）二 Uj（z）二 A1j z（2.3.1）I （z） = h （z）二 A1 e_j z（2.3.2）Zo行波状态下有着如下的分布规律：（1）线上电压振幅，电流振幅值恒定，不发生变化。

29、（2）电压行波相位与电流行波相位相等，均为时间 t与位置z之间的函数，即（233）线上任意点处的输入阻抗均相等，与其特性阻抗相等，即(2.3.4 )Zin(Z)二 Zo2.3.2驻波状态(全反射情况)当传输线终端在以下三种情况下，传输线终端的入射波将全部反射。第一种情况；短路时, 即Zl =0 ；第二种情况：开路时，即Zl：；第三种情况下；接纯电抗负载即Zl二jXL时。 在以上几种情况下沿线入射波与反射波相互叠加形成驻波分布。何为驻波状态，即负载对入射波功率的吸收为0,也可以说负载与传输线完全失配。驻波状态下有JT(z) =1, P= o驻波状态下的均匀无耗传输线有以下两个特点：入射波波长等于

30、驻波波腹值的二分之一，波节值等于零。电流波腹与电压波节位于短路线终端；电压波腹与电流波节则位于开路端；当连接负载为纯电抗时，终端既不是 波腹也不是波节。传输线相同位置的电压相位与电流相位之间相差时因此驻波状态时，能量只能实现2存储而不能进行能量的传输。2.3.3行驻波状态(部分反射情况)当均匀无耗传输线终端连接一般复阻抗 Zl =Rl +jXL时，Tl 2=50OfmTerm ” Tenifl Nkim1 Z=a)0hm .6.375, 2625in A/RF SimScherri0 itemswire图4.2仿真原理图Figure 4.2 The prin ciple diagram of

31、the simulatio n仿真原理图如图4.2所示，在图中，MSub为微带线参数设置控制器，控制器的各项参数 可以按照先前设置的微带线参数进行设置。MLIN为微带线。Term是滤波器的端口。S-PARAMETERS为S参数控制器，参数设置如下：Sweep Type=L in ear,表示采用线性扫描方式。Start=2GHz ，表示扫描频率起始点为2GHzStop=2.8GHz ，表示扫描频率终点位2.8GHz。Step-size=1M Hz, 表示扫描步长为1MHZ4、仿真结果在完成如上的设置后，便可以进行仿真。mlfreq=2.400G HzdBiS(1,1)=-1D3 278图4.3

32、 S(1,1)输出波形Figure 4.3 S (1,1) the output waveform如图4.3所示，可以看到反射系数 S(1,1)在2.4GHz时最小，为103.278dB，因此该微带线达到了最佳匹配。5、仿真对比改变此微带线的长和宽，令I =15mm, w=2mm ,再对此微带线进行仿真，仿真结果如图4.4所示mlfreq=2-733GHz dB(S(1.1W5.42D旳 |i i i I i i I ii 八 | i i |i IIJQ X.1I MS 23ISXT ZJ；freq. GHza二替p图4.4Figure 4.4从图4.4中看出，此时反射系数 S(1,1)在2.

33、733GHz时最小，即在这个频率达到了最佳 匹配。所以上述关于无损耗微带线的匹配设计是合理的。4.2.3有损耗微带线阻抗仿真有损耗微带线阻抗仿真与无损耗微带线阻抗仿真相比，为了实现有损耗微带线在所要求频率下的最佳匹配，不仅要对微带线进行优化设计，还应该在微带线两端加入阻抗匹配电路。下面就对有损耗微带线阻抗仿真进行研究。1、微带线参数的优化由于要进行参数的优化仿真，所以，与无损耗微带线阻抗仿真设置参数不同，在设置参 数初始值时，还需要设置参数的优化范围。原件参数的设置与参数的优化范围设置如下图 4.5和图4.6所示。图4.5二端口体传输线参数设置Figure 4.5 Two-port tran

34、smissi on line parameter sett ings图4.6设置完成的变量控制器Figure 4.6 Set variable con troller2、仿真原理图的建立S的+砂3fcpB3.D GHl .呂蚯Wlb.D MbUVAR101-2*5 6-M- C2=2fi3) ”L2=2Mfl-J OPTIML=ll pH R=4Temi . TW11Z=5D0ftmOjilrnGaailEipr=-pfi?5niS(1Jr SlminstahceNawSPI*Mfen Ma- 伽 igJiM 0Rantievaiti= Treq RangeMiH(1=2 4GH Rang$M

35、aKl1|=2.4GHzyUHp TL1 C . . 2=4S.3(W .pi . L=iO.cmu BC=C1 IFA*0.&96Q Fi13 Hl -TrAOChSH 科UiJj =.TnM aOSln=DL=t2pHTermTerm2 NuTrt=2Z=5Q cnmOftknoptiml I .Ofrtimljipe-Ranctarn UseANOoalE-y&s M9h6fS=20DSar&CLntfilE F=nd&wrfldEnrcr=O 0SUHiSet=i Fire昭re內sis十hknh N E rfi血曲讯t WSelSeSVaiusyisESd=Sarfl3oins=y&

36、s nGoais=yis寻砂尊Q駅3&flNfflTIM31=IW .SAlinefations=n&U曲IlCM齢旳訂图4.7仿真原理图Figure 4.7 The prin ciple diagram of the simulatio n仿真原理图如图4.7所示，图中Optim为优化控制器。GOA为优化目标其设置参数如 下：Expr= “phase(S(1,1) ” ,说明优化的目标是S(1,1)相位。SimInstanceName= “SP1，说明优化的目标控制器为 SP1。LimitMin1=-179 ，说明 S(1,1)相位的最小值为-179。LimitMax1=-170,说明 S(

37、 1,1 )相位的最大值为-170。RangeVar= “freq ”，说明优化范围变量为频率 freq。RangeMin=2.4GHz说明满足相位的最小频率值。Ra ngeMax=2.4GH，说明满足相位的最大频率值。在电路图设置完成后，进行仿真。仿真同时也会对设置的各种参数进行优化。4、仿真结果二近盘是dml-1D01 .01.21 .41 G 1,82.D2.22.42.62.G3.0freq. GHzfreq=2.400GHz phase(S(1t1)=-1l 75.986 optlter=0图4.8 S(1,1) 相位图Figure 4.8 S (1, 1) phase diagra

38、m完成上述设置后，便可以进行仿真。图4.8是S (1,1 )的相位图，从图上可知在2.4GHz时,S(1,1)相位为-175.986，满足-179到-170之间的优化要求。5、传输线衰减的计算为了计算传输线的衰减，要在原理图中插入计算公式。ADS中有一个测量公式控制器，在“Simulation-S_Param ”原件面板里选择“ Meas Eqn” (测量公式控制器)插入原理图中。双击控制器进行设置，如图4.9所示，控制器的设置如下：Atte n=0.996*sqrt(freq/1G)+90*(freq/1G)*0.019*sqrt(3.19),该式是为了计算传输线的总衰减。Dielectric_loss=90*freq/1G*0.019*sqrt(3.19),该式是为了计算由电介质引起的衰减值。Con d_loss=0.996*sqrt(freq/1G),该式是为了计算由导电介质引起的衰减值。l| 血丘EqnMea1 Measl =1.Cond_loss=0 996*sqrt(freq/1.G)Di