畢業(yè)論文---天線微帶巴倫的設計

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設計）</b></p><p>　　題 目 天 線 微 帶 巴 倫 的 設 計 </p><p>　　院 系 </p><p>　　專 業(yè) 年級 <

2、/p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　天 線 微 帶 巴 倫 的 設

3、計</p><p>　　【摘 要】 憑借傳輸線的阻抗與阻抗匹配的知識和微帶天線的傳輸?shù)睦碚撛O計了一類寬帶微帶巴倫（平衡/非平衡轉換器）。相對于傳統(tǒng)基于共面波導和共面帶狀線的微帶巴倫而言，所設計 的這個新型微帶巴倫采用的是低介電常數(shù)介質基板制作，它設計的結構精致小巧，并且花費很便宜。我們設計了一個 50Ω非平衡到 50Ω平衡饋電轉換的微帶巴倫，通過理論的計算，證明了該寬帶微帶巴倫具備了優(yōu)異的超寬帶特性，可以在從 0

4、.1GHz 到12.5GHz 的頻率范圍內，計算得到的饋電端口的反射系數(shù)都是低于-9dB，插入損耗小于3.5dB。</p><p>　　【關鍵詞】 寬帶微帶巴倫 共面波導 微帶天線 </p><p>　　Design of a Novel Ultra Wideband Microstrip Balun</p><p>　　【Abstract】A novel wi

5、deband microstrip balun (balanced to unbalanced transformer) based on transmission line's impedance,impedance matching and microstrip antenna transmission is introduced.In comparison with one kind of traditional mic

6、rostrip baluns, which consists of coplanar waveguide and coplanar strip line, the proposed balun has several advantages such as low-cost, compacted and easy to be fabricated, because it can be fabricated on a substrate w

7、ith low dielectric constant and it has simpl</p><p>　　【Key words】 wideband microstrip balun waveguide ground strip line</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 序

8、言1</b></p><p>　　1.1 巴倫的簡介1</p><p>　　1.2 微帶巴倫的工作原理1</p><p>　　1.3 巴倫的種類2</p><p><b>　　2 設計概述4</b></p><p>　　2.1 背景與國內外研究現(xiàn)狀4</p&g

9、t;<p>　　2.2 論文主要工作5</p><p>　　2.3 論文結構5</p><p>　　3 微帶巴倫結構與阻抗計算5</p><p>　　4 巴倫的設計10</p><p><b>　　5 結 論11</b></p><p>　　6 總結與建議12<

10、/p><p><b>　　參考文獻13</b></p><p><b>　　致 謝14</b></p><p><b>　　1 序 言</b></p><p>　　1.1 巴倫的簡介</p><p>　　巴倫就是平衡非平衡轉換器的英文翻譯，按照天線理論

11、的原理，我們知道偶極天線是屬于平衡型天線一類的，而同軸電纜則是屬于非平衡傳輸線一類。假如我們把他們直接的連接起來，那么在同軸電纜的外層就會有高頻電流的流過，也即是依據(jù)同軸電纜的傳輸原理知道，高頻電流應該是在電纜的內部流動，而其外皮層就是屏蔽層（就是不導通的，絕緣的），則是沒有電流的流動，如此一來，一定會影響天線的輻射效率與效果的（可以假設成電纜的屏蔽層同時參與了電波的輻射），因此，為了能夠解決好這樣的一個難題與問題，是需要在天線與電纜之

12、間加入平衡非平衡轉換器的，用此來切掉流入電纜屏蔽層的外部的電流，也就是說把從振子流過電纜屏蔽層的外皮的高頻電流給切斷。有很多種辦法可以采用，有高頻開路法，有抵消法，再有就是變壓器法，還有一種是抑制法，但這種抑制效果沒有前述幾種好，這里只簡單的介紹，將會在后面的章節(jié)中說明。要記住的是我們僅僅只是截斷屏蔽層外皮的高頻電流，而不是所謂的截斷流向屏蔽層的所有高頻電流（要是這樣的話不如直接把振子和電纜皮斷開就得了），高頻電流是在屏蔽層的里面流的。

13、形象一點我們可以把電纜想象成一個水管，本來應該是希望水都在水管里流，如不</p><p>　　1.2 微帶巴倫的工作原理</p><p>　　微帶巴倫的主要功能有兩個，一個就是把微帶高頻信號從單端的不平衡輸入轉變成為平衡輸出的功能，另一個是完成阻抗匹配的功能。這兩個功能對微點天線的傳輸性能與效率有很重要的作用。</p><p>　　如下圖，巴倫的左邊一端接地，此端叫

14、做不平衡端口；巴倫的右邊有兩個連接端口2和3，注意的是：這兩個端口都沒有接地，使得他們對地的效應都是高阻抗，那么這樣的接端口就叫做平衡端口。若是在這兩個平衡連接端口的兩端與地之間都接上相同或是相等的負載電阻，那么這兩個端口就會對地產(chǎn)生大小相等而方向相反的電壓，即是</p><p>　　,圖中從電源端向負載端方向看進去，得到的等效輸入阻抗為 </p><p>　　由上式我們看的出：只要改變變

15、壓器的變壓比n，就可以使等效的輸入電阻與信號源的內電阻相等而達到匹配。</p><p>　　1.3 巴倫的種類</p><p>　　巴倫按照用途的不同可以分為很多種。在天線的應用領域內，通常使用巴倫的主要作用是：通過在天線和電纜之間使用平衡非平衡轉換器，放入到電纜屏蔽層外層來切斷流入此間的電流，換句話說就是用巴倫來切斷從振蕩器滲流到電纜屏蔽層外層的覆蓋高頻電流。在微帶天線的應用領域里，我

16、們所知道的比較通用的種類主要有以下幾種。</p><p><b>　?。?）抑制法</b></p><p>　　原理是：為了能起到阻止高頻電流流向電纜屏蔽層外層的作用，引入一個高頻扼流圈，讓天線的中心振子經(jīng)過它而接入到電纜屏蔽層的外層。這種方法其實就是把電纜繞上十圈左右那樣的的簡單，當然繞在磁環(huán)上最好不過了，不過空心的也沒有多大關系，大多數(shù)時候是采用頻率低多繞幾圈，頻

17、率高少繞幾圈。</p><p>　?。?）高頻開路法（如右圖）</p><p>　　此方法是在電纜屏蔽層的外皮層的/4處連接一個/4的套筒，即是等效成為一段/4的開路線，因為/4的開路線對此種頻率的天線微帶線是被視為開路的，因而是能夠達到截斷高頻電流的作用。這種方法很常用，不僅僅工作帶寬很窄，而且很適合用于大功率的器件之中或是高頻率的場合里，主要是因為在低頻率段，/4的套筒就會（理論等效起

18、來）顯得很長。</p><p>　　（3）U型管對稱變換器</p><p>　　U形管對稱變換器最大的一個特點，也是最主要的特點就是頻帶很窄，它由同軸電纜構成，由于其結構簡便，花費的成本低，并能夠起到300到75的變換作用，所以更多的時候是適用于電視轉換的接收裝置。</p><p>　　如圖所示：同軸線內導體的一個點a與天線振子右臂直接連接，再經(jīng)a點彎曲成U形的半波

19、長段長度相同規(guī)格的同軸電纜，并在點b和振子臂連接，從而使得同軸線有一個180度的相移，點a與點b兩點的電位相對于地面是有相等的幅度和相位的相反。這個彎曲不僅有對稱變換的功能，并且還起到阻抗變換的作用。假如天線接收到的輸入阻抗是300，則在每一臂的輸入端與零電位點之間產(chǎn)生的阻抗是300的一半，即是150。根據(jù)傳輸線的理論得知，半波長電纜的輸入阻抗達到匹配時，也即是U形彎曲管的輸入阻抗值和電纜的負載阻抗值相等時，那么等效值就是并聯(lián)在a點的兩

20、個純電阻的值相加，在a點并聯(lián)的兩個電阻中每一個都是150。由此便達到了良好的匹配，使得電纜負載阻抗等于特性阻抗值75。 </p><p>　　（4）變壓器法 </p><p>　　原理是：為了實現(xiàn)平衡非平衡的轉換，對于高頻信號，我們利用高頻變壓器的作用來實現(xiàn)轉換的效果，使雙向平衡電流輸入變換成為單向的不平衡電流輸出，這好比推挽輸出變壓器那樣。對于變壓器沒有太嚴格的要求，可以是磁心繞制而

21、成，也可以是空心繞制而成，總之這種方法是適合大功率使用的。</p><p><b>　?。?） 抵消法</b></p><p>　　原理是：采用合適的方法促使流入的電流大小相等但是方向相反而達到互相抵消的效果，應用較多的是常見的用磁環(huán)三線繞成的平衡非平衡轉換器，這種方法的設計會產(chǎn)生較寬的頻帶，但是使用大功率時會受磁環(huán)磁飽和的限制，所以適合于低頻率小功率的使用。<

22、/p><p><b>　　2 設計概述　</b></p><p>　　就天線和混頻器及其他設備而言，巴倫為實現(xiàn)非均衡到均衡轉換的重要器件。這樣的轉換器對于微帶信號的傳輸與性能都有著很大的幫助與改善，所以寬帶巴倫的研究設計對于天線設計和生產(chǎn)開發(fā)等領域都起到了相當重要的作用。我們知道巴倫是微波平衡混頻器，倍頻器，推挽放大器和天線饋電網(wǎng)絡等平衡電路布局的重要組成部分。March

23、and在1944年第一個提出了基于TEM 模型的同軸傳輸線巴倫結構。前不久，研發(fā)成功的微波集成電路(MIC )和微波單片集成電路(MMIC)的平面巴倫備受人們的關注。除了一些設計上的修改，利用平面寬邊輸電線路設計MIC和MMIC巴倫，可是他們卻沒有提出定量分析設計方案。這樣就很難于測試的檢驗與工程的實施。接著Tsai 和Gupta根據(jù)準TEM 模新型雙耦合線巴倫的等效電路，提出了 Pavio巴倫的研究和設計方法；Randal 和 Cam

24、提出了一個多層 Marchand 巴倫散射參數(shù)和設計方程；Kian 和Yoke提出多節(jié)阻抗變換傳輸線巴倫，以增加傳輸線等效偶模阻抗的辦法來設計高性能的巴倫。 </p><p>　　2.1 背景與國內外研究現(xiàn)狀 </p><p>　　在天線的領域，像平面螺旋天線（sprialnaetmras），印刷偶極子天線（printeddipoleantennas），曲折臂天線（sinuousanten

25、nas）和對稱偶極子天線...如果需要天線饋電的時候，不但要求阻抗匹配，而且要求饋電網(wǎng)絡有寬帶的帶寬。微帶傳輸線具有體積小，質量小，頻帶寬，方便微波集成電路連接，可形成各種用途的微波元器件等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛的使用。由于天線頻帶的逐步加寬，對巴倫頻帶的要求也越來越不能滿足。再加上一般的巴倫不可以良好地使用在天線饋電網(wǎng)絡上，尤其是，隨著如今通信技術的壯大，通信容量的日益擴大，就使得天線在相當大的寬頻帶內運作，并且對巴倫的質量與性能的要求也越

26、來越高。由微帶傳輸線構成的微帶巴倫擁有超過一個微帶傳輸線的性能和能實現(xiàn)寬頻帶的特性，它的設計有利于微帶傳輸線的績效發(fā)揮或是說能擴大其本身的功效，所以，寬帶微帶巴倫的研究儼然是熱點研究方向。據(jù)了解國內外許多的文獻都對微帶巴倫進行了大量的研究，同時也設計出了許多不一樣的新的結構微帶巴倫，還對微帶巴倫進行了大量的不同程度的改進。但是最近幾年，隨著現(xiàn)代傳媒的發(fā)展與社會形勢的要求，微帶巴倫越來越得到人們的廣</p><p>

27、;　　2.2 論文主要工作</p><p>　　在現(xiàn)在的經(jīng)濟社會背景下，我們本著花費成本越低廉、結構越小巧精致和制作越簡單的目的設計寬帶微帶巴倫。在國際形勢下，我們看出巴倫在通信等信息化的通道與市場上的潛力與強大的作用。為此，我們需要考慮設計的相關因素，就本設計而言，著重研究傳輸線阻抗，阻抗匹配與微帶天線的相關內容。</p><p><b>　　2.3 論文結構</b&g

28、t;</p><p><b>　　第一章 序言。</b></p><p><b>　　第二章 開發(fā)概述。</b></p><p>　　第三章 微帶巴倫結構與阻抗計算。</p><p>　　第四章 巴倫的設計。</p><p><b>　　第五章 結論。</b&

29、gt;</p><p>　　總結以及建議對天線微帶巴倫的設計</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　3 微帶巴倫結構與阻抗計算</p><p>　　我們知道微帶天線是由導體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質基

30、片上形成的天線。微帶天線是20世紀70年代出現(xiàn)的一種新型天線，主要是應用于微波波段，因為它體積小，重量輕，能與載體共形，制造成本低。目前，微帶天線在衛(wèi)星通信，雷達，武器制導，便攜式無線設備等領域都有應用。</p><p>　　基于本文設計的目的，第一次采用接地共面波導(CoplanarWaveguideGround，CPWG)和耦合微帶線(coupledstrPiLine，CSL)來嘗試著設計制作一種新類型的微帶

31、巴倫。通過采用介質板背面的地使共面波導的兩個接地面連接在一起，不用通過導線在表面架橋的方式來連接，因而這樣的巴倫的結構會變得更加好看巧小，同時性能也更加的優(yōu)化。如右上圖，在介質板的接地共面波導部分，我們引用了切比雪夫阻抗變換段，從而使接地共面波導一端的非平衡端口的特性阻抗為50歐姆變換成為與天線特性阻抗相匹配的值，以此用于天線的饋電網(wǎng)絡。由于成本的考慮，我們選用的是相對介電常數(shù)為2.65的聚四氟乙烯介質板作為基板（文獻[9]）。

32、 這次設計的天線微帶巴倫結構由接地共面波導和耦合微帶線組成，上邊三圖為這次設計的天線微帶巴倫結構俯瞰圖、正面</p><p>　　這個微帶巴倫的結構相當?shù)?/p>

33、簡單，并沒有采用所謂復雜的縫隙和LC電路結構。只需要在基板的側壁敷涂金屬連接面，再把接地共面波導的正面兩個金屬地和背面金屬地相互連成一個整體，這樣就確保了金屬地等勢，從而避開了使用導電橋方式的連接，促使結構變得相當?shù)拿烙^、小巧。</p><p>　　阻抗是對于有電阻，電感和電容的交變電流電路中所起到的阻礙作用被稱為阻抗。阻抗常用Z來表示。電阻，電感和電容是阻抗的三個組成部分，但不是簡單的三個的總和。阻抗的單位是在

34、歐。對于直流，對象對電流的阻礙效應稱為電阻，所有材料定都有電阻，但是電阻值的大小有差異，因為材質的不同會產(chǎn)生不一樣的電阻率。電阻很小的材料稱之為良導體，像金屬等等；電阻極大的物質被稱為絕緣體，像木材和塑料等等。也有一種處在半導體和導體之間的電阻值接近零的物質叫做超導體?？墒墙蛔冸娏鲌龀穗娮钑璧K電流，還有電容和電感同樣也會阻礙電流的流動，只不過阻礙的方式不同，這種影響被稱之為電抗，即阻礙電流的作用。電容和電感的電抗分別叫作電容抗和電感

35、抗，簡而言之容抗和感抗。同樣測量單位也是歐姆，但是他們值的大小和交流電的頻率相關，這是實驗測出來的，容抗與頻率的變化成反比，反之感抗與頻率的變化成正比。而且，電容抗和電感抗的區(qū)別還在于相位角度，具有向量上的關系式，所以才有阻抗是電阻和電抗的矢量和之說。對于一個特定的電路，阻抗不是常數(shù)，而是隨頻率改變而變化的。在電阻，電感和電容的串聯(lián)電路上，電路的阻抗一般高于電阻，即是阻抗減少到最低限度。相反</p><p>　　

36、但是在我們的這個天線微帶巴倫設計中，主要是由接地共面波導和耦合微帶線兩部分組成，其中接地共面波導稱作非平衡端口，而耦合微帶線叫做平衡端口。由其結構得知涉及的計算主要是接地共面波導阻抗的計算、再是耦合微帶線阻抗的計算和當在接地共面波導部分加入阻抗變換的切比雪夫阻抗變換計算。</p><p>　?。?）微帶接地共面波導阻抗計算：眾所周知，微波傳輸線是現(xiàn)在重點研究的課題內容，而作為一種有著固定傳輸特性的新型傳輸線，共面

37、波導與其變型結構已經(jīng)成為了如今的一個研究熱點。在經(jīng)過一些列論證和比較之后，在眾多計算方案中，我們最終采用了保角變化分析法，因為我們發(fā)現(xiàn)這種方法對于以準TME波為主模的接地共面波導傳輸來說是最為方便而又實用的，在表達式上，也能最大限度的簡化以往繁雜的計算。當然，保角變換公式分析法也是有其使用限制的，具體來說，這種方法在理論上的準確程度僅僅是在零頻率上的推導中能得到體現(xiàn)，但是在實際的微波集成電路中，我們發(fā)現(xiàn)由于線尺寸和介質基板都非常小，所以

38、在這種特殊情況下，傳輸參數(shù)與頻率的關系可忽略不計，即使是在頻率很高的時候，我們也依然可以認為這二者無關聯(lián)，即頻率為零，于是保角變換分析法仍然有用武之地，特別是在研究變型結構的共面波導的時候，保角變化的靜態(tài)分析法具有不可替代的優(yōu)越性和重要性，所以凡是有關于接地共面波導阻抗的計算內容，在本次設計中一律都采用的是保角變換法。毫無疑問，相比于傳統(tǒng)的微帶傳輸線而言，共面波導擁有更多得天獨厚的優(yōu)勢，其中最突出的莫過于接地共面波導能在介質基片的一邊&

39、lt;/p><p>　　接地共面波導的阻抗的計算，我們采用保角變換的方法（引用文獻資料），阻抗計算公式如下：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　上式子中稱作第一類完全橢圓積分，為模數(shù)，為余模數(shù)，即，而稱作余模數(shù)的第一類完全橢圓積分，又稱是第一類余橢圓積分。因為上式關系到橢圓函數(shù)的積分問題，所以實際應用不方便，這里不

40、便推導，只作為引用性的介紹。</p><p>　　上式中的等效介電常數(shù)的值為：</p><p><b>　　（3.2）</b></p><p>　　其中為介質板的相對介電常數(shù)值。</p><p>　　微帶耦合微帶線阻抗計算：耦合微帶線在無源和有源的微波集成電路中有著廣泛的應用，像是在定向耦合器，濾波器和阻抗匹配網(wǎng)絡中的應

41、用。對稱耦合微帶線，就是相耦合的微帶線具有著相同的大小，相同的導體帶和地面材料，以及相同的填充介質。耦合微帶線由部分介質組成的不均勻系統(tǒng)，準確的說，它是具有分散特點的混合模式。所以，耦合微帶線的分析也是越來越復雜，最通用的分析方法是準靜態(tài)分析法，就是耦合微帶線的傳輸模式是被視為TEM模式（準TEM模式）。根本上，當在耦合線的雙單線激勵（奇數(shù)模式激發(fā)和激勵模式）的同時，其中的兩種電磁耦合的狀態(tài)（奇數(shù)模式耦合的耦合模式）導致了耦合線將出現(xiàn)兩

42、種不同的傳輸模式，即奇模波和偶模波。 </p><p>　　（3）切比雪夫阻抗變換的原理與方法：在負載阻抗與傳輸線的特性阻抗不相等，或是連接兩節(jié)傳輸線的特性阻抗是不等的情況下，產(chǎn)生阻抗的不匹配的反射現(xiàn)象，導致了傳輸系統(tǒng)的容量和傳輸效率降低，這樣負載就不能獲得最大的電力負荷。要消除如此的不利的反射現(xiàn)象，可在其間加入一阻抗變換器，從而獲得良好的匹配。微帶電路中，最常見的應用阻抗變換器主要由以下形式：</p>

43、;<p><b>　　一：漸變線</b></p><p>　　對于不同的阻抗，傳輸線的特性阻抗逐漸的由一個阻抗值變到另一個阻抗值。使連接區(qū)域的反射系數(shù)控制在允許的范圍內，不僅能提高寬帶又可以不使變換器的尺寸太大。</p><p><b>　　二：/4式變阻器</b></p><p>　　在電磁微波技術和微帶電

44、路中已廣泛的應用。寬帶變阻使用的是多段變阻器。使用最緊湊的結構和優(yōu)異的性能，在實際中，還采用了綜合設計的方法，它屬于窄帶阻抗變壓器。</p><p><b>　　三:短節(jié)變阻器型</b></p><p>　　顧名思義，此種短節(jié)變阻器的每節(jié)的長度都相當?shù)亩?，只?32或/16長。定義上講：它是由L、C集總參數(shù)變阻電路變換而來的。相對于/4多節(jié)變阻器，此種變阻器有很大的改

45、善與提高，在同樣的變阻器總長的前提下，此種結構的特性有著顯著地提高。在微波電路中，它是很實用的，并且結構外觀看起來簡單、緊湊。</p><p>　　綜上所述：切比雪夫阻抗變換器是一種短變阻器，它具有其它阻抗變換器所沒有的許多優(yōu)點，所以一般的我們又把切比雪夫阻抗變換器的設計方法另稱為“優(yōu)化方法”。主要原因是：比雪夫阻抗變換器的過渡期段的總長度是最短的，在此有兩個前提，一是相同的給定的工作頻段，二是允許的最大的反射模

46、式；換句話說，在最大對我反射系數(shù)和總長度的前提下，有著最寬的工作頻帶。設計如此轉換器，我們會發(fā)現(xiàn)轉換器的總反射系數(shù)的模在通帶內按一定的規(guī)律在變化，這種規(guī)律就是n階第一類切比函數(shù)（這是一個多項式）規(guī)律，因此叫作切比雪夫阻抗變換器。在這里，只作一個簡單的了解性的介紹。 </p><p>　　下面介紹有關方面的微帶巴倫的插入損耗：微帶線的損耗包括三種損耗，一是導體的損耗，二是介質的損耗，三是輻射的損耗。介質的損耗是由于

47、微波基板中大分子碰撞交替極化和互相摩擦引起的熱損失而造成的，也即是因為存在一個漏電造成的損耗；損耗主要是導體的損耗，一方面受接地和導體帶都是有限電導率的限制而造成的損耗，另一方面的損耗是由于耐磨損耗電阻而造成的；輻射的損耗主要是介電損耗和導體的損耗，它是由帶兩邊的半開放的地區(qū)對電磁波的輻射而產(chǎn)生的。結合以上幾種損耗，以及綜合整個研究設計過程與實際問題的考慮，我們總結了以下幾個影響微帶線損耗的主要因素：</p><p&

48、gt;　　1，電導率。這里是指導體材料本身的電導率，成反比例關系，微帶線損失隨著微帶巴倫的導電性的增加而減小；反之也成立。</p><p>　　2，工作頻率。此處說的是微帶線的工作頻率，成正比例關系，微帶線的損耗隨著工作頻率的增大而增大越高，就大；反之也成立。</p><p>　　3，導體表面光潔度。由于導體表面的粗糙度大于或是等于該導體的透入深度，就會增加電流流動的有效途徑，不僅僅是被利

49、用的那部分電流的流動，也包括了未被利用而損耗的那部分電流的流動，進而會增加導體的損耗，所以導體表面的光潔度對微帶線的損耗會產(chǎn)生重大的影響。</p><p>　　因此，在實際的設計引用中，我們更愿意選擇相對介電常數(shù)比較大；單片基板的厚度應是不變；電阻率和介電強度應是高、導熱系數(shù)應是高；在所需的頻率和溫度的范圍內有一個是常數(shù)的介電常數(shù)。這些特點的滿足，足以稱的上是理想的基片材料，特別是在微波集成電路中，我們強調這幾個

50、優(yōu)點集于一身的基片材料更適合理論的研究與工程開發(fā)設計。為了更優(yōu)性能的設計出基板，并能夠很實用的運用于實際的工程中，而且發(fā)揮出其讓幾乎所有的高頻能量集中在金屬帶與絕緣材料內的作用與特性，我們通常選擇相對介電常數(shù)》1的介質板為基板。</p><p><b>　　4 巴倫的設計</b></p><p>　　在現(xiàn)金的社會背景下，國際社會形勢的驅動下，大家知道，研究設計的東西都

51、趨于簡單智能化，形成了結構化的模式，同時也提倡節(jié)約型社會，再者設計研究的東西的實用性要足夠的大，能夠解決實際的重要的問題，為了把微帶巴倫的理論與設計推廣，由知識層面走向應用化，更好的面對實際應用與工程，走向社會國際化，我們根據(jù)巴倫結構與理論方案，結合一些設計的經(jīng)驗與技巧，采用從特殊研究設計再推廣到一般的方法，設計了一個50Ω非平衡到50Ω平衡饋電的轉換的微帶巴倫。如右圖：為了降低工程實施的難度，綜合材料本身的特性與限制，我們選擇的是聚四

52、氟乙烯板，它的相對介電常數(shù)是2.65，這種介質基板的厚度為1mm。下面計算微帶巴倫的阻抗值，首先是接地共面波導部分的阻抗計算，=2.8mm,=2mm,=10mm，采用上述的接地共面波導阻抗計算的公式，計算得到的阻抗值是49.78Ω，其次耦合微帶線部分的阻抗計算，=2.8mm,=2mm,=10mm，采用上述耦合微帶線的經(jīng)驗理論計算，得到得到的阻抗值是50.02Ω。值得一提的是：本次設計中，大家會發(fā)現(xiàn)，接地共面波導的金屬導帶寬和空隙寬度的值

53、，相比較于耦合微帶線的金屬導帶寬和空隙寬度的值，奇怪</p><p>　　從下圖中我們得到仿真理論計算的結果：頻率的變化范圍是0.1~11.6GHz，在這個變化的范圍內有兩個顯著地現(xiàn)象，一是其反射系數(shù)都是小于-10dB， 二是由仿真計算得到的非常小的插入損耗，其值僅僅不超過1dB。這種理論的結果很是準確，有文獻[1,7,9]可以佐證。</p><p>　　圖形分析是一種定性定量分析的結合，

54、有利于更準確地分析實際的工作問題與難題，并且對于理論的真實性反應很是可靠，對于設計工程的實際也是很有指導性與方向性，更是對于理論的研究有前瞻性。從上面的仿真理論計算結果我們可以得出結論：此次設計的這個新型天線微帶巴倫具有一個超強的特優(yōu)點，就是它擁有十分優(yōu)良的超寬帶特性。從0.1GHz的低頻一直延伸到12.5GHz的高頻范圍內，這都是其工作頻帶，明顯的其工作頻帶大大的提高增寬了。這種優(yōu)勢特點不但相比于傳統(tǒng)巴倫的帶寬是遠遠的提高了，而且相比

55、于現(xiàn)有絕大多數(shù)文獻設計的寬帶微帶巴倫的工作帶寬也是大大的提高了。下面就一些參考文獻中的微帶巴倫的工作頻帶舉例對比說明，像是改進了的Marchand巴倫，擁有從0.3GHz到2.3GHz的工作頻帶（文獻[2]）；用于偶極子天線饋電的寬帶巴倫，擁有從2.14GHz到3.34GHz的工作帶寬（文獻[3]）；文獻[4]中是擁有帶寬為1GHz的寬帶微帶巴倫；文獻[5]中是擁有從低頻至3.4GHz高頻的工作頻帶的寬帶巴倫。從此上的分析來講，以及從歷

56、來的參考文獻與設計來對比，此次分析研究設計的微帶巴倫擁有足夠寬的工作頻帶，有利于提高微</p><p><b>　　5 結 論</b></p><p>　　本次設計的新型微帶巴倫是通過數(shù)值模擬的理論計算的，引用了一些可行、可信的研究結果，我們得出的結果是此種類型的巴倫具有寬帶性能的特點，詳細的主要結論如下：</p><p>　　1.盡管采用接地

57、共面波導和耦合微帶線這兩種常用方法，但是我們對其進行了創(chuàng)興型的改進與改良，進而設計了一種新型的微帶巴倫平衡非平衡轉換器，并且實現(xiàn)的微帶巴倫具有寬帶特性這一突出性的特點。這個方案的實施是受到文獻[9]的影響與啟發(fā)，從而對50歐姆非平衡到50歐姆平衡饋電轉換的微帶巴倫進行了嘗試性的設計，最后得出的結果說明此次設計的這種巴倫是具有超寬帶特性的顯著性能，因為相比于以往文獻中的巴倫，它是具有更寬的帶寬和更優(yōu)良的性能，可以從低頻率帶寬范圍逐步擴大到

58、高頻率12.5GHz。這種設計的理念盡管是基于文獻的，但是對使用接地共面波導和耦合微帶線設計微帶巴倫平衡非平衡轉換器的實際設計中，我們做了很多的改變。這種改變的優(yōu)勢也從結果中體現(xiàn)出來了。</p><p>　　2.相比傳統(tǒng)的微帶巴倫，使用接地共面波導和耦合微帶線設計的新型微帶巴倫是具有以下的特點：</p><p>　　穩(wěn)定性高：因為使用了接地共面波導側壁部分的表面涂金屬連接面的方法是可以實現(xiàn)

59、接地共面波導周圍的等勢的，這種等勢是利用了材料自身的特性，利用這樣的特性是很巧妙的，這樣就可以防止采用線橋方式連接電線的傳統(tǒng)方法，相對比起來此種方法可以消除輻射的影響，進一步提高系統(tǒng)的優(yōu)良性與穩(wěn)定性。</p><p>　　結構簡單美觀：此次設計的新型微帶巴倫的結構是大大的被簡化了的，主要是沒有像傳統(tǒng)的方法那樣增加專門的電路結構，比如像是一些復雜的LC電路和槽結構等，因而這種新型微帶巴倫的結構比傳統(tǒng)的巴倫看起來簡單

60、，小巧，美觀（當然實際上也是如此）。</p><p>　　成本低:在設計新型微帶巴倫中，由于使用的介質板的相對介電常數(shù)比較小，并且從材料自身的特點出發(fā)來為設計所使用，這樣大大的節(jié)約了成本。但是，按照傳統(tǒng)的方法，采用共面波導和共面?zhèn)鬏斁€的方法來設計的不平衡—平衡阻抗變換微帶巴倫，它們一般都是選擇相對介電常數(shù)較大的介質板，不僅僅成本上增加了，而且對于設計的阻抗變換巴倫的平衡輸出的阻抗越大，這種設計方法在實際的工程中所

61、需要得共面線的距離就越小，這樣就會直接的增加工程實施的難點?？墒窃诒敬挝О蛡惖脑O計里，是不存在這個問題的。 </p><p>　　3.接地共面波導阻抗和耦合微帶線的阻抗計算，可用于高頻條件設計微帶巴倫阻抗的求值。使用在本次微帶巴倫設計中，計算分別得到的結果是，接地共面波導阻抗值是49.78歐姆，耦合微帶線的阻抗值是50.02歐姆。在設計的巴倫背靠背連接時，因為頻率的變化從0.1到12.5GHz的范圍內，模擬反射

62、系數(shù)是很小的，說明了此公式是可用于設計微帶巴倫參數(shù)求值的。</p><p>　　在今后的研究設計中，我們將會進一步的改善微帶巴倫的設計方案，在接地共面波導的部分，阻抗變換段的創(chuàng)興型引入，不僅僅實現(xiàn)了不平衡-平衡饋電的轉換這一功效，還發(fā)揮了阻抗變換的作用。這種寬帶微帶天線巴倫的設計是可以廣泛的推廣與應用在微波場等領域的。</p><p><b>　　6 總結與建議</b>

63、;</p><p><b>　　總結：</b></p><p>　　微帶巴倫設計中，平衡端口輸出的兩個信號，要求是相等的幅度且相位相差180度，這個要求在幾種巴倫的常用種類中，我們都能夠了解到這是一種很通用的有效地方法，也是一個節(jié)約成本并且提高性能與設計簡化的要求。但是在實際的設計中，因為測試條件和儀器本身的限制，其振幅和相位的值都是沒有測試的，都是在理想的情況下通過

64、理論計算得到的。所以，這種理論的結果只是給與我們方向性的知道與對比于實際情況的一個參照，在實際的設計工程里，是會有一定的誤差的。在此次微帶巴倫的設計過程里，吸收了前輩們的先進設計理念與參考了他們的設計方案，結合當下研究的方向與熱點，以及國際社會形式的一種走向與指導，從而開拓創(chuàng)新的設計了這個方案，主要是憑借著介質基板的側壁表面涂有金屬的連接，巧妙地把接地共面波導的前面兩個金屬地和后面金屬地連接成為了一個整體?？墒窃趯嶋H加工應用的過程中，由

65、于一些原因，在實際中一面墻的印刷金屬連接面若是沒能實現(xiàn)，則分別焊接在前面金屬地和后面金屬地的薄銅片引起的等電位的實現(xiàn)是有問題的，對巴倫的工作績效有一定的影響。這對于現(xiàn)在的狀況是一個不足，但是一方面肯定了我們的設計有一定的良好的可行性與理念性，另方面給與我們以</p><p><b>　　建議:</b></p><p>　　上面是在本次設計中遇到的實際狀況，為了能夠解決

66、上述問題，以及彌補方案的不足，給予我們以后的研究設計提供更好的操作平臺與理論指導，我們結合此次研究設計的實際工作與遇到的難題提出了以下幾點改進的建議。</p><p>　　(1)研究與設計的理論方案的改進，對微帶巴倫的插入損耗和反射系數(shù)的完善。</p><p>　　以后的研究與設計里，總結此次設計的經(jīng)驗，并參照先進工作者與學者們的寶貴經(jīng)驗與理論指導，將進一步改善此次微帶巴倫的設計，像是接地

67、共面波導部分增加阻抗變換段，不僅可以實現(xiàn)不平衡到平衡的饋電轉換，還能夠發(fā)揮阻抗變換的效用。以此來利于工程的操作性與實現(xiàn)性。此寬帶微帶天線巴倫可以廣泛應用在天線等微波領域。</p><p>　?。?）進一步擴大微帶巴倫的工作頻帶寬</p><p>　　天線的傳輸對帶寬是要求相當?shù)母吲c寬，帶寬也是天線微帶傳輸?shù)囊粋€必要的指標，它影響到天線微帶傳輸?shù)馁|量。對微帶巴倫的工作貸款的進一步擴大，利于在

68、更大的帶寬內，采用方法來減小反射系數(shù)與插入系數(shù)，最終來提高天線微帶的傳輸性能與效率。</p><p>　?。?）改進設施條件，對微帶巴倫的精確設計與分析</p><p>　　因為設施的條件的限制會影響設計的準確性，只要設施的條件達到了一定的水平才能夠給予微帶巴倫的研究設計與分析的精確性。這個需要進一步的改進。</p><p>　　（4）拓寬思路，對于相關領域的研討，

69、發(fā)展與健全微帶巴倫的知識體系與框架</p><p>　　在如今的國際形勢下，我們需要看清楚未來的走向，大膽的創(chuàng)新與嘗試，健全這個微帶巴倫的理論體系，在以后的國家發(fā)展與國際的形勢走勢下發(fā)揮重要的作用。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[ 1 ] 林 強,張祖蔭,張 兵.微帶巴倫設計[J].現(xiàn)代雷達 200

70、4 </p><p>　　[ 2 ] 陳振國. 微波技術基礎與應用. 北京：北京郵電大學出版社 2002</p><p>　　[ 3 ] 宋錚,張建華，黃冶. 天線與電波傳播. 西安：西安電子科技大學出版社 2003 </p><p>　　[ 4 ] Lin Yu-de , Tsai Syh-nan.Coplanar waveguide-fed unip

71、lanar bow-Tie antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and </p><p>　　Propagation, 1997, 45(2):305-306. </p><p>　　[ 5 ] J Thaysen,K B Jakobsen, J Appel-Hansen. A wideband balun-how does it w

72、ork?[J]. Applied Microwave ＆Wireless, </p><p>　　2000, 12(1):40-50. </p><p>　　[ 6 ] B Preetham Kumar, G R Branner, Bob Huang. Parametric analysis of improved planar Balun circuits for wireles

73、s </p><p>　　microwave and RF applications[A]. IEEE Conference Proceeding[C].1999:474-475. </p><p>　　[ 7 ] 清華大學微帶電路編寫組．微帶電路．北京： 人民郵電出版社 1976</p><p>　　[ 8 ] 范壽康,盧春蘭,李平輝.微波技術與微

74、波電路[M].北京:機械工業(yè)出版社 2003. </p><p>　　[ 9 ] 郭福強等. 一種新型超寬帶微帶巴倫的設計 .信息與電子工程 2006 </p><p>　　[ 10 ] 周希朗.變型共面波導的保角變換[J].通信學報 1997 </p><p>　　[ 11 ] 張秉一，劉重光．微波混頻器．北京： 國防工業(yè)出版社 1984

75、</p><p>　　[ 12 ] 黃玉蘭. 電磁場與微波技術. 北京：人民郵電出版社 2007</p><p>　　[ 13 ] 吳明英，毛秀華. 微波技術. 西安：西安電訊工程學院出版社 1985</p><p>　　[ 14 ] 盛振華. 電磁場微波技術與天線. 西安: 西安電子科技大學出版社 1995</p><p>　　

76、[ 15 ] 畢 崗. 電磁場與微波. 杭州：浙江大學出版社 2006</p><p>　　[ 16 ] 魏云飛. 寬帶寬波束衛(wèi)星通信天線的研究》. 西安：西安電子科技大學 西安電子科技大學 2010 </p><p>　　[ 17 ] 湯唯.四同軸連接器高速傳輸參數(shù)測試方法的研究與實現(xiàn).成都：電子科技大學2008 </p><p>　　[ 18 ]

77、 王雯雯 .射頻前端小型化無源器件的研究與設計 . 山西大學 2010 </p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　歷時將近兩個月的時間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下度過了。首先誠摯的感謝我的論文指導老師。她在忙碌的教學工作中擠出時間來審查、修改我的論文。還有教過我的所有老師們，你們嚴謹細

78、致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣。另外，在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。在此向幫助和指導過我的各位老師表示最衷心的感謝！導師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不僅使我樹立了遠大的學