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摘要本文根据当前宽频带无线通信系统的工作要求，设计出两种新型微带超宽带巴伦拓扑结构。所设计的第一种巴伦是基于微带-共面波导-微带和微带-共面带状线-微带这两种宽带过渡互联结构设计的，它是由输入端微带线、T 型结功率分配器、共面波导、共面带状线以及输出微带线组成。第二种巴伦是基于微带-槽线-微带过渡互联结构设计的，它是由输入端微带线，槽线以及两个呈旋转对称的微带线输出端组成。本文详细说明了两种巴伦的工作原理，工作流程并利用 HFSS 软件建立了相应的模型，给出了 S11、相位和幅度的仿真波形，而且在此基础上给出了这两个巴伦的优化设计方案。通过优化，所设计的两个模型的最终优化结果满足预先所提出的设计指标。27398
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毕业论文关键词 巴伦 共面波导 共面带状线 槽线 过渡结构 T型结
Title Design of Novel Microstrip Balun with Ultra WidebandAbstractIn this paper, according to the frequency requirement of modern communicationsystem, two new microstrip ultra-wideband baluns are designed. The first proposedbalun is based on microstrip-coplanar waveguide(CPW)-microstrip andmicrostrip-coplanar stripline(CPS)-microstrip transition structures forbroadband 180°phase shift.It consists of the input microstrip line,a T-junctionfor power splitting, coplanar waveguide, coplanar stripline, and the outputmicrostrip line. The second one is based on a microstrip-slotline-microstriptransition and it mainly consists of the input microstrip line, slotline, and twomicrostrip line outputs with rotational symmetry. This paper explains the workingprinciple of two kinds of baluns and their operation principle in detail.Furthermore, after using HFSS software to establish the corresponding models,simulated results of S11, phase, and amplitude of the two baluns are given. Byoptimizing the design of the two models, the final results can successfully meetthe design requirement.Keywords Balun Coplanar Waveguide Coplanar Stripline SlotlineTransition Structure T-junction
目次
1绪论1
1.1课题研究的背景和意义1
1.2国内外研究现状1
1.3本论文研究的主要内容2
2基础理论知识3
2.1巴伦3
2.1.1巴伦的定义.3
2.1.2巴伦的分类.3
2.2T型结.4
2.2.1无耗分配器.4
2.2.2电阻性分配器.5
2.3几种常见的微波传输线.7
2.3.1微带线.7
2.3.2共面波导.8
2.3.3共面带状线.10
2.4阻抗匹配11
2.4.1并联单支节匹配.12
2.4.2串联单支节匹配.13
2.5本章小结14
3基于CPW/CPS过渡结构的巴伦设计.15
3.1巴伦的设计指标15
3.2巴伦设计的基本原理15
3.2.1基本思路.15
3.2.2微带-共面波导-微带过渡结构设计.15
3.2.3微带-共面带状线-微带基本原理.16
3.3工作原理.17
3.3.1巴伦内部信号传输流程.17
3.3.2相位转换以及幅度平衡设计.17
3.4模型构建17
3.5仿真结果分析18
3.6优化设计19
3.6.1共面波导长度优化.20
3.6.2槽宽优化.21
3.6.3共面带状线宽度优化.22
3.7本章小结23
4基于微带-槽线-微带线过渡结构的巴伦设计24
4.1巴伦的设计指标24
4.2巴伦设计基本原理24
4.2.1基本思路.24
4.2.2微带-槽线过渡结构设计24
4.3工作原理27
4.3.1巴伦内部信号传输流程.27
4.3.2相位转换设计.28
4.4模型构建29
4.5仿真结果分析29
4.6优化设计30
4.6.1槽线宽度优化.30
4.6.2微带线长度优化.31
4.7本章小结32
结论33
致谢34
参考文献35
1 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着科学技术的不断进步，通信系统也不断发展，目前所使用一般的通信系统主要是根据传输媒质来分类的，分为无线和有线这两大类通信系统。它不仅仅在微电子和航空航天领域发挥了重要的作用，同时针对各种数据的处理或者设备的远程操控，通信系统也扮演了不可或缺的角色。超宽带通信技术是无线通信中的典型代表，从出现到现在都受到广大科研人员的高度关注。实际应用的时候对于通信频带的应用性要求也随之变高，因此，针对超宽带的研究成为很热门的领域。天线是无线通信技术不可或缺的一个连接设备，也朝着超宽带的方向发展，而且，与此同时，对其小型化的研究也一直受到科研人员的关注。当前研究的超宽带天线基本都是平衡型，因此我们只能够依靠平衡-不平衡转换器功能来解决平衡型天线馈电网络的适用性问题，也即是发挥巴伦的平衡-不平衡之间的转换作用。巴伦作为天线的重要组成部分，是天线的主要馈电形式，因此，这个课题旨在对新型超宽频带巴伦的建模方法与应用开展研究，主要包括超宽带巴伦理论模型分析及设计。1.2 国内外研究现状我国的超宽带巴伦还有超宽带天线研究在本世纪初才开始起步，相比于国外，落后将近半个世纪，因此我国在这个方面的研究远远落后于国外，存在很大的发展空间。不过，即使国内关于超宽带天线和超宽带巴伦的研究较国外起步略晚， 但我们也取得了很多的研究成果。不足的是，我们对于超宽带巴伦的研究还很不成熟，相关可查询的文献资料比较少。所以，国内对超宽带巴伦的研究空间是很大的，我们应该借鉴和开发各种资源，不断深入对超宽带巴伦的研究。当前，国内外主要从两个方面开展关于巴伦的研究，分别是宽带和小型化研究。在 2001年的时候，我国把针对超宽带天线和巴伦的研究项目列入到 863 国家计划里面；2004 年，又把针对巴伦和超宽带天线的研究计划列入到国家自然科学基金项目里[1]。在小型化方面，主要的设计方法是基于集总参数元件设计小型化的巴伦，尽管这种设计方法可以实现巴伦的小型化设计，然而，当系统工作频率升高时，集总元件的损耗效应愈来愈明显，从而导致基于集总参数元件设计的巴伦损耗变得很大，严重影响了巴伦的工作性能；此外，由于巴伦的工作带宽与集总元件的阶数密切相关，为实现较宽的工作带宽，我们必须提高集总元件的阶数，然而，随着集总元件阶数的提高，电路损耗也将会提高且差分信号的相位更加难以控制。在宽带巴伦设计方面，目前国内外最常规的设计方案是基于 Marchand 巴伦的拓扑模型进行相应的设计及改进，根据其原理可知它的工作带宽与平行耦合线之间的耦合程度有关，由于平行耦合线的耦合程度主要取决于线间耦合间距，而耦合间距的大小又依赖于工艺的加工精度，因此使用Marchand 巴伦的设计方案也只能在一定程度上实现宽带宽，目前国内外报道出来的最优带宽比为15:1[2]，迫切需要做进一步宽带设计。现在无线通讯系统的工作频段覆盖数十 MHz 至数十 GHz，此频率范围内适用的巴伦种类比较繁杂。总体而言，在工作频率较低的频带范围内，巴伦一般使用集总参数进行设计。随着频率的提高，由于集总参数损耗变大，在高频工作范围内国内外一般使用分布参数进行巴伦设计，然而基于分布参数设计的巴伦，往往元件的电长度较大，如何减小元件尺寸并且提高带宽是国际学术界研究的重点。1.3 本论文研究的主要内容本文详细介绍了关于巴伦的知识，并且在现有知识的指导下，深入学习，给出了两种新型的宽带 180°巴伦的设计。 第一种巴伦是基于微带-共面波导-微带和微带-共面带状线-微带过渡结构，第二种是基于微带-槽线-微带过渡结构，它们都具有良好相位和幅度平衡性能。本文从理论知识介绍，巴伦设计原理，仿真数据验证，优化设计方案几个方面，论述这两个巴伦的特性和功能。本论文的主要安排如下：第一章：介绍超宽带巴伦研究的相关知识背景以及当前国内外的研究现状。第二章：介绍相关的基础理论知识，具体是巴伦的简介、T 型结的相关知识、传输线理论、共面波导，阻抗匹配，共面带状线。第三章：详细论述基于微带-共面波导-微带和微带-共面带状线-微带过渡结构的巴伦，包括其原理分析，工作流程，建模仿真以及设计优化方案。第四章：详细说明基于微带-槽线过渡结构-微带过渡结构的巴伦，包括其原理分析，工作流程，建模仿真以及设计优化方案。