矩形微帶天線及其匹配電路的關(guān)聯(lián)分析

1、矩形微帶天線及其匹配電路的關(guān)聯(lián)分析    第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起        第1章  緒  論1.1  研究背景微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起工程界的重視。在五十年代和六十年代只有一些零星脫的研究，真正的發(fā)展和實用是在七十年代。由于微波集成技術(shù)的發(fā)展以及各種低耗材料的出現(xiàn)，微帶天線的制作得到了工藝保證：而空間技術(shù)的

2、發(fā)展，又迫切需要低剖面的天線元，1970年出現(xiàn)了第一批實用的微帶天線。這之后，微帶天線的研究有了迅猛的發(fā)展，新形式和新性能的微帶天線不斷涌現(xiàn)，發(fā)表了大量的學(xué)術(shù)論文和研究報告，召開了專題會議和出版集，這表明微帶天線終于成為天線研究中的一個重要課題，受到各方面的注意，由于它獨特的結(jié)構(gòu)和多樣化的性能它比將在廣闊波段內(nèi)的各種無線電設(shè)備上得到越來越廣的應(yīng)用。 微帶天線同常規(guī)的微波天線相比具有一些突出的優(yōu)點。因而，在大約100MHz到100GHz的寬頻帶上獲得了大量的應(yīng)用。與通用的微帶天線相比，微帶天線的一些主要優(yōu)點有： 重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；制造成本低，易于大量生產(chǎn)；可以做

3、得很薄，因此，不打擾動裝載的宇宙飛船的空氣動力學(xué)性能；無需作打的變動，天線就能很容易地裝載在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上;天線的散射截面較小;稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化（左旋和有右旋）；比較容易制成雙頻工作地天線；不需要背腔；微帶天線適合與組合式設(shè)計；饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)相同制作。1.2  微帶天線的特點及發(fā)展狀況    通常的微帶天線是在一個薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電。    按照結(jié)構(gòu)特征可以將微帶天線分為兩大類:微帶貼

4、片天線和微帶縫隙天線。按照形狀可以分成矩形，圓形，三角形，環(huán)形微帶天線等。按照工作原理可以分成諧振型(駐波型)和非諧振型(行波型)微帶天線。近年來還有將分形技術(shù)應(yīng)用于微帶天線設(shè)計的，設(shè)計出的分形微帶天線具有超寬帶，多頻段工作的特點。    在天線領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)過廣泛的研究下，已經(jīng)形成了自己獨自的理論體系，微帶天線的應(yīng)用也日趨廣泛。如在衛(wèi)星通信方面美國的公司已研制成有源微帶陣列，并用于了直播衛(wèi)星天線；日本郵政省電波研究所己制成衛(wèi)星多波束微帶陣列天線的樣機; Lorch Microwave公司新近推出步進旋轉(zhuǎn)器衰減器(SCR)，其中就利用到了細長薄片型微帶天線裝置；目前，

5、國內(nèi)外各大著名的通信公司競相斥巨資開發(fā)研究的藍牙技術(shù)，其天線部分即為微帶天線；醫(yī)院里的醫(yī)用微波輻射計也是利用微帶天線作檢測裝置。但是微帶天線在擁有如此多優(yōu)點的同時，和普通的微波天線相比，還存在一些缺點：頻帶窄；有損耗，因而增益較低；介質(zhì)基片對性能影響大；大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射；最大增益實際上受限制；饋線與輻射元之間的隔離差；消射性能差；可能存在表面波；功率容量較低。這些缺點制約了微帶天線更為廣泛的應(yīng)用。1.3  研究目的和意義在無線電技術(shù)領(lǐng)域，對于信息的傳輸，天線的作用是不可缺少的。隨著社會的發(fā)展和進步，對信息傳輸?shù)囊笠苍絹碓礁?。因此，天線的發(fā)展方興未艾。微帶天線由于其低剖面

6、、價錢便宜，并可制成多功能、可共形的天線，其尺寸可大可小，大的微帶天線其長寬可到十幾米，小的只有幾毫米。顯然，其優(yōu)勢是明顯的?，F(xiàn)有的微帶天線還不能完全滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的需求。然而，微帶天線有很多設(shè)計參量可供調(diào)整優(yōu)化，以便進一步減少天線尺寸和造價。增加帶寬，使之對垂直極化渡和水平極化渡都敏感，提高其各項同性的輻射參數(shù)，減小天線與人體的相互作用。此外，天線是饋線的端接元件，相當一個單端口網(wǎng)絡(luò)，因此可以直接采用集總參數(shù)測量、微波測量中的各種阻抗測量技術(shù)，從普通的諧振法到先進的自動網(wǎng)絡(luò)分析儀法。但是天線作為一個特殊的輻射元件，可以不通過導(dǎo)線與周圍物體產(chǎn)生復(fù)雜的關(guān)系。這些關(guān)系可能使理想實驗時條件下測

7、量的阻抗數(shù)值難以置信。因此在實際天線的使用中，如移動車載天線、飛機的機載天線、艦載天線等的工作環(huán)境就是天線的一部，如果只根據(jù)實驗室、工廠測量的天線阻抗數(shù)值，在實際工作狀態(tài)下可能因為多種誤差源的存在而影響發(fā)射機輸出與天線的匹配效果。所以天線阻抗測試在實際工程中，特別是在移動的情況下是有必要根據(jù)工作環(huán)境的改變對天線的阻抗進行重新測試，以保證天線的工作效率。     第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起      

8、;  在寬帶短波天線系統(tǒng)中，由于短波天線的物理尺寸不可能自然諧振于短波的全頻帶（130MHz），因此在設(shè)計全頻帶短波天線系統(tǒng)時就必須通過適當?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)使天線的阻抗與發(fā)射機的輸出阻抗相匹配，同時由于天線的阻抗測量與其工作環(huán)境有一定關(guān)系，各種短波電臺在移動情況下也需要對不同工作環(huán)境時的天線阻抗進行匹配。微帶天線的阻抗一般是復(fù)數(shù)，因此，在射頻波段，把該阻抗匹配到50是個很困難的事情，進而才能和接收機或發(fā)射機相連接，從而形成通信系統(tǒng)。因此，研究具有一定的工程意義。對微帶天線的性能進行理論分析，利用計算機軟件地輔助，用陶瓷基片（ 9.8），厚度h1.27mm，設(shè)計出一個中心頻率在3G

9、Hz附近的矩形微帶天線。本文的研究將為矩形微帶天線及其匹配電路的設(shè)計做一個初步的探索。1.4  本文主要內(nèi)容安排第一章講述了微帶天線的歷史和優(yōu)缺點，敘述了微帶天線國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài)以及廣泛的應(yīng)用前景。    第二章闡述了微帶天線的基本理論，其中傳輸線理論是為下一步的理論基礎(chǔ)，并且詳細論述了微帶天線輻射的基本原理，還有介紹了微帶天線常用的饋電方法。    第三章簡單介紹了匹配電路的一些基本理論，其中包括阻抗匹配的狀態(tài)和方法。最后介紹了史密斯圓圖基本知識，其中有阻抗、導(dǎo)納的變換，還有史密斯圓圖的用法。  

10、60; 第四章簡單介紹了本文需要用到的仿真軟件，而且根據(jù)本文的要求設(shè)計出矩形微帶天線，并加以仿真分析得到一些結(jié)果。最主要的是詳盡地介紹了電路匹配的過程，分別給出了采用幾種方法來對電路進行匹配的方案，并相應(yīng)給出了一些仿真結(jié)果。最后就是介紹了對結(jié)合微帶天線和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計進行仿真分析，同樣得到了一些仿真結(jié)果。  第2章  微帶天線的基本理論2.1  概述在現(xiàn)代社會中，天線在我們的生活中占有非常重要的地位，它是各種無線電設(shè)備中不可缺少的組成部分，它能有效地、定向地輻射或接收無線電波，并且將其由饋線與收發(fā)系統(tǒng)聯(lián)系起來，起著能量轉(zhuǎn)換作用。微波傳輸線(是用來傳輸微波

11、信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng)的總稱)，從本質(zhì)上講是一個封閉系統(tǒng)。它的基本功能是傳輸電磁能量，其地磁場被束縛在傳輸線附近不會傳到遙遠的空間。它自身的不連續(xù)性可以用來構(gòu)成各種形式的微波原件。而天線是由傳輸線演變成的，但它的基本功能恰好與傳輸線相反，是向空間輻射或接收電磁能量，是一個開發(fā)系統(tǒng)。線天線與面天線的共同點是其輻射源都是高頻電流元。因此，我們應(yīng)該從電流元的輻射場開始來研究天線問題。阻抗特性和方向特性是研究天線要解決的兩個最重要的問題。對阻抗特性的研究是為了解決天線與饋線的匹配問題；而對方向特性的研究則是要解決定向輻射或定向接收問題，也就是要解決提高發(fā)射功率或接收機靈敏度的問題。但不論是阻抗

12、特性還是方向特性都必須首先求出天線在遠區(qū)的電磁場分布。為此要求解滿足天線邊界條件的麥克斯韋方程組。對于這樣一個電磁場的邊值問題，嚴格的數(shù)學(xué)求解是很困難的。因此，采用工程近似的方法進行研究，即用某種初始場的近似分布代替真實的準確分布來計算輻射場。這樣，即避開了嚴格的電磁理論的計算又有一定的精確度。2.2  傳輸線模型理論微帶線由地板、介質(zhì)、金屬帶線和基片上方空氣介質(zhì)構(gòu)成，在空間上是一種開放的結(jié)構(gòu)，電磁場可以分布到整個空間。由于空氣介質(zhì)分界面的存在，微帶中的傳輸模是具有電場和磁場所有三個分量(包括縱向分量)的混合模。因此不能傳輸單一的橫電磁波TEM模。不過，在頻率不太高的情況下(10G以

13、下)，當滿足基片厚度遠小于工作波長時，能量大部分都集中在導(dǎo)體帶下面的介質(zhì)基片內(nèi)，此時傳播的是準TEM模。     第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起        對于矩形貼片天線利用端縫輻射的概念清楚地說明了輻射的機理?？梢詫⑤椛湓?、介質(zhì)基片和接地板視為一段半波長的傳輸線。輻射基本上可以認為是由矩形貼片傳輸方向上的兩個開路邊緣場引起的。由于輻射元長度約為半波長，兩開路端邊緣場的垂直分

14、量方向相反，而水平分量方向相同。對于遠區(qū)場來說，兩端開路的同向輻射場等效為無限大平面上同相激勵的兩個槽。傳輸線模型理論的分析方法簡明直觀，計算量小，但它難于應(yīng)用在矩形微帶天線及微帶振子以外的情況。同時由于傳輸線模型是一維的，對于多層結(jié)構(gòu)微帶天線的分析也無能為力。而且傳輸線模型理論建立在準TEM傳輸線理論基礎(chǔ)上，對于基片厚度與波長相比擬( )時，此分析方法也是不適用的。2.3  微帶天線結(jié)構(gòu)及其饋電點微帶天線是由一塊厚度遠小于波長的介質(zhì)板（稱為介質(zhì)基片）和（用印刷電路或微波集成技術(shù)）覆蓋在它的兩面上的金屬片構(gòu)成的，其中完全覆蓋介質(zhì)板一片稱為接地板，而尺寸可以和波長相比擬的另一片稱為輻射

15、元，如圖2-1所示。輻射元的形狀可以是方形、矩形、圓形和橢圓形等等。                             (a)               

16、0;                     (b)                  (2-4-2)由自由電場相關(guān)公式可得遠區(qū)電場為        

17、                    (2-4-3a)                         (2-4-3b)用二元陣因子   

18、             分別乘以式(2-4-3a)和(2-4-3b)即可求出天線的輻射場為                                &#

19、160;                               (2-4-4a)     第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起   &

20、#160;                                                 &

21、#160;                  (2-4-4b)式中                               &

22、#160;                              ,                    

23、;          , ，r是微帶片中心到場點的距離。當 時，則在此平面上僅有 分量，即得出E面的歸一化方向圖為                                &

24、#160;                               (2-4-5a)當 時，則在此平面上僅有 分量，即得出H面的歸一化方向圖為             

25、;                                                   

26、60;                                           (2-4-5b)對L=114.00mm，W76.00mm，厚度 ，介質(zhì)基片相對介電常數(shù)

27、具有空氣隙矩形微帶天線進行仿真。圖2-4（a）（b）分別給出了當 為不同數(shù)值時，E面和H面方向圖的仿真結(jié)構(gòu)。由圖看出：空氣隙對E面輻射方向圖的影響比對H面輻射分析圖的影響要大，在E面，隨著空氣隙高度的增加其波束寬度減小，這樣可以改善天線的方向性，提高其抗干擾能力。                            

28、                                              (2-5-2)將式(2-4-4a)和(2-4-4b)代入式(2-4-

29、2)得到                                                  &

30、#160;     (2-5-8)    天線的總的品質(zhì)因數(shù) 可表示為                                       &

31、#160;            (2-5-9)其中， 、 和 分別為對應(yīng)于輻射損耗、介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗的Q值。                                &#

32、160;               (2-5-10)                                  

33、0;              (2-5-11)                                    

34、              (2-5-12)式中： 介質(zhì)損耗角正切       導(dǎo)體的電導(dǎo)率， 而導(dǎo)體損耗的等效電阻 和介質(zhì)損耗的等效電阻 分別為                      

35、                                (2-5-13)                  &#

36、160;                                  (2-5-16)    設(shè)實際天線的輻射功率為P，它在最大輻射方向上r處產(chǎn)生的輻射功率流密度和場強分別為 和 ；又設(shè)有一個理想的無方向性天線，其輻射功率為P不變，它在相同的距

37、離上產(chǎn)生的輻射功率流密度和場強分別為 和 ，其表達式分別為                                              

38、   (2-5-17)             圖3-1 無耗傳輸線信源的共軛匹配由圖3-1（b）可知，負載得到的功率為                           

39、60;                                     (3-1-2)要使負載得到的功率最大，首先要求         

40、60;                                                  (3

41、-1-3)此時負載得到的功率為                                               

42、60;                (3-1-4)可見當        時P取最大值，此時應(yīng)滿足     第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起         

43、;                                 (3-1-5)綜合式（3-1-3）和（3-1-5）得             &#

44、160;                                          (3-1-6)因此，對于不匹配電源，當負載阻抗折合到電源參考面上的輸入阻抗為電源內(nèi)阻抗的共軛值時，

45、即當 時，負載能得到最大功率值。通常將這種匹配稱為共軛匹配。此時，負載得到的最大為                                           &

46、#160;                    (3-1-7)                         圖3-2 傳輸線阻抗匹配方法示意圖1） 阻抗變換器法當負

47、載阻抗為純電阻 且其值與傳輸線特性阻抗 不相等時，可在兩者之間加接一節(jié)長度為 、特性阻抗為 的傳輸線來實現(xiàn)負載和傳輸線間的匹配，如圖3-3（a）所示。由無耗傳輸線輸入阻抗公式得                                   &#

48、160;                          （3-1-8）因此當傳輸線的特性阻抗 時，輸入端的數(shù)組阻抗 ，從而實現(xiàn)了負載和傳輸線間的阻抗匹配。由于傳輸線的特性阻抗為實數(shù)，所以 阻抗變換器只適合于匹配電阻性負載；若負載是復(fù)阻抗，則需先在負載與變換器之間加一段傳輸線，使變換器的終端為純電阻，然后 阻抗變換器實現(xiàn)負載匹配，如圖3-3（b）

49、所示。由于 阻抗變換器的長度取決于波長，因此嚴格說它只能在中心頻率點才能匹配，當頻偏時匹配特性變差，所以說該匹配法是窄帶的。           圖3-3  阻抗變換器2）支節(jié)調(diào)配器法支節(jié)調(diào)配器是由距離負載的某固定位置上的并聯(lián)或串聯(lián)終端短路或開路的傳輸線構(gòu)成的?？煞譃閱沃Ч?jié)調(diào)配器、雙支節(jié)調(diào)配器及多支節(jié)調(diào)配器。     第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起&#

50、160;                                 圖3-4  單位圓   Smith圓圖得到廣泛應(yīng)用的根本原因在于，任何一個網(wǎng)絡(luò)端口的反射系數(shù)可以轉(zhuǎn)換為該端口的歸一化阻抗（或?qū)Ъ{），因此，圖3-4單位圓內(nèi)的任何一點對應(yīng)了確定的

51、阻抗值（導(dǎo)納值），或者說，可以將網(wǎng)絡(luò)端口的阻抗（或?qū)Ъ{）作為一個點畫在圓圖上，它對應(yīng)的坐標可推導(dǎo)如下。由于反射系數(shù)為                                        &#

52、160;                        (3-2-1)式中Z為網(wǎng)絡(luò)端口阻抗， 為參考阻抗，z為歸一化阻抗，      一般 。則              

53、0;                                                 

54、0;         (3-2-2)用直角坐標表示 ， ，則有                                      &

55、#160;                          (3-2-3)分別求得歸一化電阻和電抗的表示式為                    

56、                                             (3-2-4)    

57、0;                                                 

58、0;                   第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起                     

59、                                                  

60、  (3-2-5)重新排列后得                                              

61、0;                  (3-2-6)                               &#

62、160;                                 (3-2-7)這是直角平面 和 上的兩組圓，電阻圓是式（3-2-6），電抗圓是式（3-2-7）。見圖3-5     對于電阻圓：   &

63、#160;                                            (3-2-8)     對于電抗

64、圓：                                                (3-2-9)電阻圓和電抗圓都

65、通過右邊 1， 0的點，此點對應(yīng)了 ，即 的開路點。將電阻圓和電抗圓合在一起即成為Smith阻抗圓圖，如圖3-6。在阻抗圖中，上半部分 為正數(shù)，表示感性，下半部分為 ，表示容性。圓圖上的任何一點描述的是電阻和電抗的串聯(lián)，即為 的形式。                       圖3-5  Smith電阻圓和電抗圓    

66、60;                                                 

67、60;            (3-2-10)     第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起        其中        。用圖解法在Smith圓圖上表示式（3-2-10），我們有幾種選擇。最直覺地顯示導(dǎo)

68、納的方法是在普通的Smith圓圖或ZSmith圓圖上辨認式（3-2-10），該式是從標準表示式（3-2-3）并通過：                                        &#

69、160;                       (3-2-11)求出的。換句話說，我們能在歸一化輸入阻抗表示式中用 ，乘反射系數(shù)，其等效于在復(fù) 平面上旋轉(zhuǎn) 。    除了前面的方法外，還有一個廣泛采用的輔助辦法。我們能用旋轉(zhuǎn)Smith圓圖自身來代替在Z-Smith圓圖上將反射系數(shù)旋轉(zhuǎn) 。用這種辦法得到的圓圖稱為導(dǎo)納Smith圓圖或稱Y-Smi

70、th圓圖，對應(yīng)的關(guān)系是歸一化電阻變?yōu)闅w一化電導(dǎo)，而歸一化電抗則變?yōu)闅w一化電納。即是：                                           

71、                     (3-2-12)和                            &#

72、160;                                   (3-2-13)對于特定的歸一化阻抗點 轉(zhuǎn)換為導(dǎo)納的重新解釋描繪在圖3-7中    正如在圖3-7中所見，轉(zhuǎn)換保持（a）方向不變，該方向反射系數(shù)的角度是

73、測量得到的，（b）旋轉(zhuǎn)方向不變（遠離或向著振蕩器）。注意末端點已給予了恰當?shù)臉酥荆欢搪肪€條件在Z-Smith圓圖中 ，在Y-Smith圓圖中是 ；相反，開路線在Z-Smith圓圖中， ，在Y-Smith圓圖中 。此外，負電納現(xiàn)在是在圓圖的上半平面，對應(yīng)電感性；而正電納在下半平面，對應(yīng)電容性。導(dǎo)納的實部從右向左增加。實際上，經(jīng)常應(yīng)用的導(dǎo)納圓圖和未經(jīng) 旋轉(zhuǎn)的阻抗圓圖具有相同的形式，在這種情況下，反射系數(shù)的相角是從圓圖的相反端點量度的。              

74、;                                                  

75、;        (3-2-14)該式可直接與                    比較得出。由式（3-2-14）求出線長 為：                 

76、60;                                              (3-2-15)其中 （ ）式余切函數(shù)的周期性要求的

77、。或者說，感性電抗 可通過下面的條件實現(xiàn)：                                              

78、60;                          (3-2-16)現(xiàn)在線長 為：                      

79、;                                          (3-2-17)2）短路線的變換此時，除了起始點是在實數(shù)軸上點 以外，變換規(guī)律與前面概述的相似。容性電抗

80、 從下面條件得到：                                                

81、60;               (3-2-18)該式是用 得到的。由式(3-2-18)可求得線長 ：                             

82、0;                                  (3-2-19)另一方面，感性電抗 實現(xiàn)的條件是：            &#

83、160;                                                 &#

84、160; (3-2-20)     第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起        現(xiàn)在求出的線長 是：                       

85、60;                                        (3-2-21)         

86、               圖3-8 復(fù)數(shù)負載阻抗在Smith圓圖中位置及其串聯(lián)或并聯(lián)電感、電容后的變化                             

87、60;      (a)                    （a）                        &

88、#160;         （b）圖4-3 矩形貼片仿真結(jié)果圖(a)輻射方向圖；(b)E面與H面增益圖  由                            得     &#

89、160;       其中 是相移常數(shù)， 是相速度， 為真空中的光速。代入已知數(shù)據(jù)，得 所以接入的 阻抗的傳輸線長度為： 而且 阻抗傳輸線的寬度W可以通過Transmission Line Calculator傳輸線計算軟件求出。如圖4-5所示。                       

90、;       圖45 TLC傳輸線計算由圖45可知         下面同過ADS電路仿真軟件仿真。打開ADS軟件后，在各個板塊中選出相關(guān)的元件，并搭建好所要求的電路圖，對相關(guān)元件的數(shù)值修改成上面所算的相關(guān)數(shù)值。傳輸線的電路圖如圖46所示。   圖46  阻抗變換電路圖保存后，點擊仿真鍵進行仿真，得出相關(guān)的參數(shù)曲線圖，如圖4-7所示。       

91、;                       圖4-7 電路的S參數(shù)由于本題要求在頻率 時，電路達到匹配狀態(tài)，由圖4-7可知道，圖中的S參數(shù)是在頻率 時，電路才達到匹配，這是由于在對元件數(shù)值計算過程中取值時有誤差而產(chǎn)生的結(jié)果。因此，這樣的曲線結(jié)果不達到所要求的數(shù)值，必須進行元器件數(shù)值的修改。修改后的傳輸線電路圖如圖4-8所示。    &

92、#160;                     圖48  修改后的電路圖在圖4-8，我們對傳輸線的長度和寬度都做了相應(yīng)的修改。其中：                   仿真后的結(jié)果如圖4-9所示 

93、;                        圖410 利用Smith圓圖設(shè)計的單節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)     第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起       

94、0;由圖4-10可知有4條線路可以符合本題的要求：1）   2）  3）  4） 則這四條線路的電路圖分別為，如圖4-11所示   圖411 電路匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖在這四個電路圖中，我們選擇（a）、（c）進行分析計算，并把這個兩個圖轉(zhuǎn)變?yōu)閱喂?jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，如下圖4-12所示                    

95、0;  圖412 單節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)我們可以注意到圖4-10中，對應(yīng)于 的輸入駐波比圓于等電導(dǎo)圓 和電納圓 都有兩個交點，（ ， ， ， ），這就是四個可能的解。由于我們只選擇了圖4-11（a）、（c）電路圖計算，所以，這兩個電路的短截線的兩個相應(yīng)電納值分別為 和 。下面我們通過手算計算短截線和傳輸線的長度。首先我們首先求出其波長 。因為                    

96、       所以           ，                   其中c是真空中光速， 是相移常數(shù)， 是相速度。代入已知數(shù)據(jù) ，得         

97、0;                              以下計算短截線的長度：因為 ，                   

98、;             所以                                     &#

99、160;               代入已知數(shù)據(jù)，得 由于圖4-12（a）中的元件是電感，所以其對應(yīng)是短路短截線，所以所求的短路短截線的長度為 。用同樣的方法可以求出另一個解： 由于圖4-12（c）的元件是電容，所以其對應(yīng)是開路短截線，所以開路短截線的長度為 短截線的長度已求出，下面我求傳輸線的長度：            &

100、#160;          圖413 利用Smith圓圖設(shè)計的單節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)如圖4-13所示，我們所求的傳輸線是 和 這兩段。我們先求出 這段傳輸線。如圖4-13所示，因為傳輸線旋轉(zhuǎn)一圈的長度是 ，所以我們只要求出從A旋轉(zhuǎn)到 之間所改變的幅度就可以求出其長度。因為                    

101、      所以                       所以     第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起       &#

102、160;又因為                    所以                      即從 之間旋轉(zhuǎn)的幅度為 所以傳輸線的長度為：我們可用同樣的方法求出另一段傳輸線的長度。 

103、此外，我們需要利用Transmission Line Calculator 傳輸線計算軟件計算出傳輸線的寬度W通過計算            下面我們用ADS仿真軟件對其進行仿真測試。在這里我們只選擇圖4-12（a）的電路來仿真打開ADS仿真軟件后，找出相關(guān)的元器件，按照圖4-12（a）搭建后電路圖，具體的電路仿真圖如圖4-14所示             

104、                  圖414 傳輸線電路圖保存，點擊仿真鍵進行仿真，仿真后得到的結(jié)果如圖4-15所示。                          圖415

105、傳輸線電路的S參數(shù)由圖4-15可知，當頻率在 時， 。與我們題目要求的匹配頻率點 雖然相差不多，但S參數(shù)曲線只有 ，這明顯不能達到我們的要求，相差也很大，一般要求都要在 以下才能符合我們做電路匹配的要求。因此，為了能符合要求，必須對電路相關(guān)的元器件進行適當?shù)恼{(diào)整，盡可能達到要求。經(jīng)過適當?shù)卣{(diào)整，傳輸線的電路改變?nèi)鐖D4-16所示。                      

106、60;    圖416 修改后的傳輸線電路由圖4-16可知道，修改后的元器件的長度已經(jīng)有了改變，分別為：  電路修改后，再一次點擊仿真，仿真的結(jié)果如圖4-17所示。                       圖418  利用Smith圓圖設(shè)計的LC電路匹配網(wǎng)絡(luò)第一種路線是 ，其電路圖如418（a）所示。第二種路線是

107、，其電路圖如418（b）所示。                     圖419  L型匹配網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)     第1章  緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起        在這兩個匹配

108、網(wǎng)絡(luò)中，我們選擇其中一種匹配網(wǎng)絡(luò)進行計算，我們選擇圖4-19（a）進行計算。首先，我們對電路圖進行分析，由Smith圓圖軟件可知道，Smith圓圖上半?yún)^(qū)是感性負載區(qū)，下半?yún)^(qū)是容性負載區(qū)。當負載 從負載點 向B點移動時，因為是順時針移動，而且是向著Smith圓上半?yún)^(qū)方向移動，所以串聯(lián)一個電感。然后當從B點向 點移動時，因為是順時針而且向Smith下半?yún)^(qū)移動，所以我們并聯(lián)一個電容。因此，其匹配網(wǎng)絡(luò)電路就這樣形成，并且符合本題要求。電容，電感的具體數(shù)值我們通過以下辦法可算出。由圖4-19可得，阻抗 等于        &

109、#160;                                                 &

110、#160;    （4-3-1）其中是 電容器的電納， 是電感器的電抗。將輸入、輸出阻抗表示為實部與實部的形式（即 與 ）又因為本題中的阻抗均為   因此式（4-2-1）可化為                               &

111、#160;                               （4-3-2）將式（4-2-2）化簡后，將其實部、虛部分開，可得到兩個方程             

112、;             （4-3-3）                              （4-3-4）將式（4-2-4）代入式（4-2-3）解得  

113、0;                                                 

114、0;          （4-3-5）代入已知數(shù)據(jù) ，得將 代入式（4-2-4），得因此，匹配網(wǎng)絡(luò)中的電感、電容的值分別為                       下面我們對求出的匹配網(wǎng)絡(luò)通過ADS電路仿真軟件進行求證是否達到要求。打開ADS仿真軟件后，在目錄中選出相關(guān)的電路元件進行電

115、路搭建，仿真。其電路仿真圖如圖4-20所示。                               圖420  LC電路圖電路圖搭建好后，保存。然后點擊仿真鍵進行仿真。仿真結(jié)果如圖4-21所示       第1章 

116、 緒  論 1.1  研究背景 微帶天線的概念早在二十世紀就已經(jīng)提出來了，但是并沒有引起                                  圖421 電路的S參數(shù)由圖4-21可知，圖中的 曲線在 時， 達到匹配。明顯這樣的數(shù)據(jù)達不到我

117、們的要求，我們的要求時在 時，電路達到匹配，因此，我們必須對匹配網(wǎng)絡(luò)中的元件進行適當調(diào)整，直到達到要求。經(jīng)過調(diào)整，電路中的電感值有所改變，由原來的 變?yōu)?，此時電路圖如圖4-22所示。                           圖422 修改后的電路圖保存后，點擊仿真鍵再次仿真，得到的結(jié)果如圖4-23所示。  

118、;                                圖424 Layout中的原始作圖在進行l(wèi)ayout仿真之前，先要進行預(yù)設(shè)置。在菜單欄選擇Momentum ->Mesh->Setup，選擇Global標簽。 鑒于ADS在Layout中的Momentum仿真是很慢的，在允許的精度下，可以把“Mesh Frequency”和 “Number of Cells per Wavelength” 設(shè)置得小一點