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1、1 南京理工大学 电光学院通信工程系 1.6 微带线谐振器 用微带传输线结构构成的谐振器一般用一段终端开路或短路微 带线构成。由于电磁波在终端全反射,在微带传输线上形成驻波, 发生谐振,贮存能量,故可构成谐振器。 1.6.1 终端短路微带线谐振器 根据传输线理论,终端短路的有限长微带线,其归一化输入阻抗为: 当终端短路时,有 2 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线谐振器 当时,即半导内波长的整数倍,其输入阻抗为: 由于微带线衰减很小,故 相当于串联谐振,为半波长串联谐振器。 当 时,即四分之一导内波长的奇数倍,其输入阻抗为: 由于微带线衰减很小,故 相当于并联谐振,为四分之一波长并联谐振
2、器 。 3 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线谐振器 1 半波长串联谐振器 半波长串联谐振器等效电路 无载品质因数: 4 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线谐振器 2 四分之一波长并联谐振器 1.6.2 终端开路微带线谐振器 由于终端开路传输线与终端短路传输线互为对偶关系,半波 长终端开路线相当于并联谐振而四分之一波长终端开路线相当于 串联谐振。 1.6.3 其它平面结构谐振器 在混合微波集成电路中,经常采用的平面谐振器还有其它几种 形式。 5 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带圆形谐振器(也称为介质径向线谐振器),即介质基片上面的 导体带是圆形或椭圆形,与接地板之间形成谐振腔
3、,这种谐振器可以较 方便与微带线耦合,其固有品质因数一般较高。可应用于微波半导体振 荡器中的谐振回路。 导体圆 盘 接地板介质基 片 接地板 导体圆 环 介质基 片 金属层 介质基 片 槽缝 接地板 微带圆形谐振器微带圆环谐振器槽线谐振器 微带环形谐振器,原理与上面类似。 微带槽线谐振器,它是在微带基板的一个金属覆盖面上用腐蚀的 办法制作出一定形状与尺寸的槽缝,暴露出介质,而另一面金属完全 腐蚀掉。 微带线谐振器 6 南京理工大学 电光学院通信工程系 1.7 微带线滤波器 微波滤波器是微波系统中非常重要的元件之一,它是微波放大器 、振荡器、变频器、倍频器等电路的重要组成部分,掌握微波滤波器 的
4、原理与设计对于完成微波混合集成电路与单片集成电路的分析、设 计及应用都有重要意义。 微波滤波器可看作是一二端口网络,具有选频的功能,可以分离 阻隔频率,使得信号在规定的频带内通过或被抑制。滤波器按其插入 衰减的频率特征来分有四种类型: v 低通滤波器 v 高通滤波器 v 带通滤波器 v 带阻滤波器 7 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线滤波器 8 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线滤波器 微波滤波器的技术指标通常有以下几项: 截止频率 频率范围和带宽 通带内最大衰减 一定带外频率下的带外衰减 形状系数 寄生通带 插入相移和时延频率特性 品质因数 波纹 微波滤波器的种类非常繁多,根据
5、其采用的传输线类型可分为 波导类型、同轴线类型、带状线类型和微带线类型等。 滤波器的设计方法也多种多样,一般采用的是综合法,即先设计 出滤波器的低通原型,然后应用频率变换,推导出其它种类滤波器 的设计公式,最后用适当的元件和结构来实现。 9 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线滤波器 1.7.1 微带线低通滤波器 用微带结构实现原型电路中串联电感和并联电容的方法有三类: 集总元件法、高低阻抗线法和开短路支线法。 例:电感输入的五节低通滤波器的微带线图,截止频率 , 通带内最大衰减 ,在 时带外衰减 ; 输入、输出微带线特性阻抗为 ;采用RT/Dourid5880基片材料。 12 串联电感
6、并联电容 10 南京理工大学 电光学院通信工程系 1.7.2 微带线带通滤波器 (a)电容间隙耦合滤波器 (b)耦合微带线滤波器(c)发夹线滤波器 (d)短路支线滤波器(e)开路支线滤波器 微带带通滤波器的结构 微带线滤波器 11 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线滤波器 Microwave Office 仿真模型: 12 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线滤波器 1.7.3 微带线带阻滤波器 (a)耦合谐振器带阻 滤波器 (b)开路支线带阻滤 波器 (c)耦合微带带阻滤 波器 微带带阻滤波器的结构 13 南京理工大学 电光学院通信工程系 Microwave Office 仿真模型
7、: 微带线滤波器 14 南京理工大学 电光学院通信工程系 1.8 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 它们的功能是把一个具有确定数值的阻抗,经过网络的作用,变 换为另一个需要的阻抗。 设计匹配网络的方法很多,主要有两种方式:通过阻抗与导纳圆 图设计微带线阻抗(可进一步决定线宽)及串并联线长度,还可以采 用网络综合法。前一种方法一般适用于窄频带情况,后一种方法可在 预定的各种指标下设计出所需的阻抗匹配网络。 在低于1GHz频率下,阻抗变换器 一般由集总参数元件构成,最简单的 阻抗匹配网络一般是由电感和电容组 成的两元件网络。 当系统的工作频率提高到几个GHz 范围,一般可以采用集总和分布参数混 合结
8、构. 15 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 集总两元件匹配网络阻抗变换过程示意图 16 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 集总、分布参数混合网络阻抗变换过程示意图 17 南京理工大学 电光学院通信工程系 1.8.1 四分之一波长阻抗变换器 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 根据传输线理论,其输入阻抗为纯电阻 ,取 , 完成了 到 的变换。这种阻抗变换机构一般只能对纯电阻性负载有效. 对于任意负载 ,使用两种方案先完成到 的变化。 方案一: 方案二: 18 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 1.8.2
9、 四分之一波长阶梯阻抗变换器 为加宽带宽,常采用多节阶梯阻抗变换器: 1.8.3 渐变线阻抗变换器 19 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 1.8.4 单株线阻抗变换器 单株线阻抗变换器是依靠调整与主传输线相并联(或串联)的 终端短路(或开路)支线的长度及在主线上的接入位置(或主传输 线长度)来实现预定的阻抗变换的。对于微带类型的微波电路来说, 经常采用的是所谓的 形或反 形结构。 形阻抗变换器 反 形阻抗变换器 20 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 形阻抗变换器 设计参数有四个:主线和支线的长度,主线和支线的特性阻抗(取决 于
10、主线和支线线宽)。设计中既可以确定特性阻抗而调整线长,又可以根 据固定线长而仅调整特性阻抗。 利用阻抗(导纳)圆图,设计线长度 和 : 1.设 ,在主线圆图上标注出对应于 和 归一化值的 和 ,分别为阻抗变换的出发点和目标点, 2. 画出通过 点的等反射系数圆,则 应在圆上;画出通过点 的 等电导圆,由于终端开路或短路支线并联于主线,而且从主线看去 的输入阻抗为纯电抗,故也应在圆上。圆和圆的交点有两个, 取其中一个认为是点 ,这样主线长度即是从 出发、沿圆、向信 号源方向旋转、到达 点的对应长度, 21 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 3.设采用终端短路支线作
11、为并联于主线上的株线,可在支线圆图上标出 支线负载阻抗 对应点,并在其上画出通过 点的等反射系数圆。 从主线圆图上可求出 和 对应的电纳差,此电纳差即应该是支线输 入阻抗对应的归一化电纳,在支线圆图上画出此归一化电纳对应的等 电纳圆。圆与圆的交点对应阻抗即为 。这样支线长度即是从 出发、沿圆、向信号源方向旋转、到达 点的对应长度。 4. 应注意本问题还有另外一组解,即 点的另外一个位置,求解过程与 前类似。支线当然也可选取开路终端负载,其对应支线长度也可以很 容易从支线圆图上求得。 22 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 23 南京理工大学 电光学院通信工程系
12、微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 24 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 设计线特性阻抗 和 : 设 、 ,则有: 其正负号取决于支线是短路还是开路终端 设 、 ,则有: 假设采用终端开路支线可有: 25 南京理工大学 电光学院通信工程系 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络 反 形阻抗变换器 26 南京理工大学 电光学院通信工程系 1.8.5 滤波阻抗变换器 它的设计思路及结构形式和一般滤波器是基本相同的,主要不同之 点仅在于一般滤波器的输入输出阻抗相等和接近相等,但滤波阻抗变换 器的输入输出阻抗可大不相同,在设计时有意把滤波器的两端阻抗设计 成要求值即可。 1.9
13、微带线平衡不平衡转换器 平衡-不平衡转换器简称为“巴仑”,即BALanced-UNbalanced transformer,缩写为BALUN。它的作用是将高频信号从单端输入 变成平衡输出,并完成阻抗匹配功能。 27 南京理工大学 电光学院通信工程系 巴仑低频电路 2 巴仑初级的一端是接地的, 初级是不平衡端口。巴仑次级2 和3两端都不接地,对地都具有 高阻抗,因而次级是平衡端口。 当初级两端与地之间都接有负载 电阻时,它们对地产生的电压大 小相等而方向相反。 改变变压器的变比 可使输入电阻与信号源电阻 相等而达到匹配。 巴仑的线路和结构随工作波段和电路形式不同而不同,有同轴线 结构、微带线结构
14、等,在平衡类型的微波混频器、放大器等电路中有 重要作用。 微带线平衡不平衡转换器 28 南京理工大学 电光学院通信工程系 上金属带 微带线平衡不平衡转换器 1.9.1 双面微带线巴仑 1 介质夹心 横向剖面图 双面微带线巴仑 上金属带 下金属带 介质基片( ) 屏蔽盒 2 3 上金属带 下金属带 纵向立体图 1 2 渐变微带线巴仑 1 介质夹心 2 3 下金属带 29 南京理工大学 电光学院通信工程系 1.9.2 共面微带线巴仑 微带线平衡不平衡转换器 1 2 共面微带线及共面微带线巴仑 介质基片 中心带地板地板 平衡输出口 下地板 微带线输入 不平衡端口金属化接地孔 腐蚀掉区域 3 30 南京理工大学 电光学院通信工程系 第一章 作业 补充题: 试给出微带线三端口功率分配耦合器、微带环形电桥 (1800电桥)和分支线电桥(900电桥)的结构示意图,并 分别简述其工作原理。 第二章