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1、 第 1 页 共 15 页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 50，输出阻抗为 30 的阻抗变换器。1.2 主要技术指标：S11-20dB,S21-0.7dB,re(Z0)=50,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：（1）电抗补偿法：在传输线中的某些位置上加
2、入不消耗的匹配元件，如纯电抗的膜片、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 /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。（3）发射吸收法：利用铁氧体元件的单体传输特性（如隔离器等） 第 2 页 共 15 页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
3、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。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 /4 阻抗变换换器和支节匹配器。本论文主要采用 /4 阻抗变换器。2.1.3 /4 阻抗变换器/ 4 阻抗变换器是特征阻抗通常与主传输线不同、长度为 / 4的传输线段，它可以用于负载阻抗或信号源内
4、阻与传输线的匹配， 第 3 页 共 15 页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
5、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。/4 阻抗变换器由一段特性阻抗为 Z01 的 /4 传输线构成。如图3-2-1 所示图 3-2-1 /4 阻抗变换器原理性示意图 第 4 页 共 15 页 第 5 页 共 15 页由（3-4） 、 （3-5）可画出|随 （或 f）变化的曲线；曲线作周期为 的变化。设允许|m,则其工作带宽对应于 限定的范围频率。由于 偏离 /2 时|曲线急剧下降，故工作带宽很窄。图 3-2-2 单节 /4 阻抗变换器的带宽特性 第 6 页 共 15 页微带线 /4 阻抗变换器，一般
6、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。/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 第 7 页 共 15 页抗变换器随着阶梯数目的增加带来了尺寸
7、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: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： 第 8 页 共 15 页（1）50 微带线50 微带线模型 第 9 页 共 15 页50 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49.9069，接近 50，此时微带线的宽度约为 3.15mm 与理论值2.99mm 相差不大。（2）30 微带线 第 10 页 共 15 页30 微带线模型30 微带线的特性阻抗实部由图可以看出在 2.4GHz 时
8、，微带线阻抗的实部约为29.9607，接近 30，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 50 的宽度为（w1)3.15mm，长度为(l1)10mm，50 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,count 5 第 11 页 共 15 页优化图3、设计结果3.1 仿真结果：3.1.1 结构截图 第 12 页 共 15 页3.1.2 参数列表w:基板宽度 w1:50 微带线宽度 l1:50 微带线长度 W2:30 微带线宽度 l2:30 微带线长
9、度 l3:阻抗变换器长度ht:基板高度 3.1.3 指标图 第 13 页 共 15 页S11（回波损耗）图S21(插入损耗）图 第 14 页 共 15 页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。 第 15 页 共 15 页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 50.8263 约等于 50，符合设计要求。4、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。
