2.4GHZ微带渐变阻抗变换器设计报告
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50Ω，输出阻抗为30Ω的阻抗变换器。
1.2主要技术指标：S11<-20dB,S21<-0.7dB,re(Z0)=50Ω,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λ/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）
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λ/4阻抗变换换器和支节匹配器。本论文主要采用λ/4阻抗变换器。
2.1.3 λ/4阻抗变换器
λ/ 4阻抗变换器是特征阻抗通常与主传输线不同、长度为λ/ 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。
λ/4阻抗变换器由一段特性阻抗为Z01的λ/4传输线构成。如图3-2-1所示
图3-2-1 λ/4阻抗变换器原理性示意图
由（3-4）、（3-5）可画出|Γ|随θ（或f）变化的曲线；曲线作周期为π的变化。设允许|Γ|≤|Γ|m,则其工作带宽对应于Δθ限定的范围频率。由于θ偏离π/2时|Γ|曲线急剧下降，故工作带宽很窄。
图3-2-2 单节λ/4阻抗变换器的带宽特性
微带线λ/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。λ/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:
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：
（1）50Ω微带线
50Ω微带线模型
50Ω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49.9069Ω，接近50Ω，此时微带线的宽度约为3.15mm与理论值2.99mm相差不
大。
（2）30Ω微带线
30Ω微带线模型
30Ω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29.9607Ω，接近30Ω，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50Ω的宽度为（w1)3.15mm，长度为(l1)10mm，50Ω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
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
w:基板宽度 w1:50Ω微带线宽度 l1:50Ω微带线长度
W2:30Ω微带线宽度 l2:30Ω微带线长度 l3:阻抗变换器长度ht:基板高度
3.1.3指标图
S11（回波损耗）图
S21(插入损耗）图
VWSR（驻波比）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。
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50.8263Ω约等于50Ω，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。