24GHZ微带渐变阻抗变换器设计报告Word格式文档下载.docx
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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。
匹
器
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,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。
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
图3-2-1入/4阻抗变换器原理性示意图
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Zoi+jPltaii(Z?
z4)
C3-1)
Rl
假设负战为述电阻.即佥司“则冇;
为了使£
尸矗实现匹配,则必须使
由F无耗线的特性IE抗为实数‘故X/4阻抗变换器只陡匹配纯电魁负载。
着当Z^Rl+JXl为复数时,根辦存驻波的电压波腹和波节点处的输入Rt抗为纯
阳一PZuRnrKZj
可将W4阴抗变换器接任靠述终筑的电压波腹或波胃点处來实现阴抗卩L
llL=C■-4/i;
i.(工波恢点按人,咖kJ汶DM1C:
Zjj=JZq•述o=Zc^p
若人/4线住电压波廿点接入,则X/4线的特性阻抗为
单节A/4M抗乩S!
器的I'
建缺点是麹带窄.
当工作披长为M时,“24*对单一工件频率窃当矗巳云R町冥现%配./
即亦派当工作规半D偏离珀吋,匸AV4H24,牛汕H环心心
—
r-
r-
収+N)+]八云Wtim国
而是:
(3-3)
(3-4)
在中心频宰附近;
万0=0.相片J1=0,此时限抗变换器不存在,「|晟大.
(3-5)
R-Z^\
max=
|R+羽
由(3-4)、(3-5)可画出|r|随B(或f)变化的曲线;
曲线作周期为n的变化。
设允许Ir|<
|r|m,则其工作带宽对应于限定的范
fil~e
围频率。
由于B偏离n/2时IrI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|r1=1r|皿时,则通带边缘I.的日值为务二0z=n-0.且由式(3-3)
有弘=<
tjcos|?
厂”—|(3-6)
0'
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~o7
3-7)
通常用分数带宽肌表示频带宣度.£
与亦有如F其系
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
渐变規的甸藝商1,叫配啊两我的WL抗为Z2,(Z1>
Z2),药为渐査規中心位代的PU抗.则20=JziH,
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:
Ww,W
Of
sw/jy?
a?
劲丄屮<■力
假设微带觀的宽度为删.介廣基片的卑度为瓦”級口盲度为血lDh之间】■度Ki设置・若屈》则端I1宣度为10w、若w<
LW门宽度为5w并IL鬲度为311-111:
接杵.进入特性矶杭为旳O微带线与特性阻抗为300的做苗线的设计阶段。
给疋介质施JiJfl充1勺介脈村料为FR4_e]>
oxy.也就龙£
1=4」・介听和[的M反为H=I血nm.做帯缄的M反忽略不计.嘤求T件频率为2.4GHzd
根据輪足的婪求■首先用弟•章的公式2」分别计族了讣特性矶抗为冈口做带贱和30。
微带线的宽度,算出耒的结%大釣为2.99mm和4.1&
nmi再根据公式LX£
#算出fit惜线的波长h125mm*ffif.fHIHFSS软件进行设讣仿戊,过程如卜•:
250
后00—
:
岬刃帖1
50
Q微带线的特性阻抗实部
(1)50Q微带线
.OD
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
30
30Q微带线模型
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,50
Q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,count5
4000
230
233
240
F隔GHzl
24.J345.
|HXL盼财
XYPlot7FfssoMi|iM
-1000—
-2030—
优化图
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
Pptoeies
J
hit
h'
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I邓
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3.15
Iengn
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D苗瑜
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E.Tim
Design
15
nm
险讪
B
3Z5I5
Ie帶
ht
nr
I.Em
Iengp
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:
基板咼度
3.1.3指标图
_亠二)fP
S11(回波损耗)图
朋的0
鮎0
^7825-
4•啊一
W玛5
24
JDW晒78
W術mCMJ5_ap
插入损耗)图
XYPlotB
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S21(
Re(ZO)(输入阻抗)图
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3.2测试结果:
1Q4
VWSR
X¥
P"
4
(驻波比)图
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1.|
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'
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2.J
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IS21
如3D
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2.4GHZ时为50.8263Q约等于50Q,符合设计要求。
四、结论与体会
通过本次作品设计,对于阻抗匹配这部分微波知识有了更深的了解。
同时也对HFSS这个软件的操作也更加熟练,特别是以前不懂的方面,也有了进一步加深认识。
同时也要感谢各位学长学姐的悉心指导。
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