毕业论文天线微带巴伦的设计Word格式.docx
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1.2微带巴伦的工作原理1
1.3巴伦的种类2
2设计概述4
2.1背景与国内外研究现状4
2.2论文主要工作5
2.3论文结构5
3微带巴伦结构与阻抗计算5
4巴伦的设计10
5结论11
6总结与建议12
参考文献13
致谢14
1序言
1.1巴伦的简介
巴伦就是平衡非平衡转换器的英文翻译，按照天线理论的原理，我们知道偶极天线是属于平衡型天线一类的，而同轴电缆则是属于非平衡传输线一类。
假如我们把他们直接的连接起来，那么在同轴电缆的外层就会有高频电流的流过，也即是依据同轴电缆的传输原理知道，高频电流应该是在电缆的内部流动，而其外皮层就是屏蔽层（就是不导通的，绝缘的），则是没有电流的流动，如此一来，一定会影响天线的辐射效率与效果的（可以假设成电缆的屏蔽层同时参与了电波的辐射），因此，为了能够解决好这样的一个难题与问题，是需要在天线与电缆之间加入平衡非平衡转换器的，用此来切掉流入电缆屏蔽层的外部的电流，也就是说把从振子流过电缆屏蔽层的外皮的高频电流给切断
。
有很多种办法可以采用，有高频开路法，有抵消法，再有就是变压器法，还有一种是抑制法，但这种抑制效果没有前述几种好，这里只简单的介绍，将会在后面的章节中说明。
要记住的是我们仅仅只是截断屏蔽层外皮的高频电流，而不是所谓的截断流向屏蔽层的所有高频电流（要是这样的话不如直接把振子和电缆皮断开就得了），高频电流是在屏蔽层的里面流的。
形象一点我们可以把电缆想象成一个水管，本来应该是希望水都在水管里流，如不加巴伦，水不单在水管里流，而且有一部分还流到了管子的外皮给浪费掉。
所以引入巴伦的作用就是防止水的跑、冒、滴、漏，迫使水都能在水管里流。
天线需要巴伦来达到某些匹配。
如倒V天线的制作，首先是要求架设得尽量高，其次是架设的地方要尽量开阔，最后是尽量远离干扰源架设。
天线振子用一般的电源线（俗称花线）就可以，有绝缘皮或是裸铜线都影响不大，线选粗一点可提高机械强度和辐射效率（但是效果并不十分明显，只是理论上的事），可以通过修剪振子的长度来使天线与电缆匹配。
综上这些特点，一方面巴伦可以用作阻抗变换，也可以用作某些天线馈电的不平衡到平衡的转换。
所以巴伦在微波技术中的天线领域已经有了广泛的应用，而且还有很大的发展潜力与提升的空间。
1.2微带巴伦的工作原理
微带巴伦的主要功能有两个，一个就是把微带高频信号从单端的不平衡输入转变成为平衡输出的功能
，另一个是完成阻抗匹配的功能。
这两个功能对微点天线的传输性能与效率有很重要的作用。
如下图，巴伦的左边一端接地，此端叫做不平衡端口；
巴伦的右边有两个连接端口2和3，注意的是：
这两个端口都没有接地，使得他们对地的效应都是高阻抗，那么这样的接端口就叫做平衡端口。
若是在这两个平衡连接端口的两端与地之间都接上相同或是相等的负载电阻，那么这两个端口就会对地产生大小相等而方向相反的电压，即是
图中从电源端向负载端方向看进去，得到的等效输入阻抗为
由上式我们看的出：
只要改变变压器的变压比n，就可以使等效的输入电阻与信号源的内电阻相等而达到匹配。
1.3巴伦的种类
巴伦按照用途的不同可以分为很多种。
在天线的应用领域内，通常使用巴伦的主要作用是：
通过在天线和电缆之间使用平衡非平衡转换器，放入到电缆屏蔽层外层来切断流入此间的电流
，换句话说就是用巴伦来切断从振荡器渗流到电缆屏蔽层外层的覆盖高频电流。
在微带天线的应用领域里，我们所知道的比较通用的种类主要有以下几种。
（1）抑制法
原理是：
为了能起到阻止高频电流流向电缆屏蔽层外层的作用，引入一个高频扼流圈，让天线的中心振子经过它而接入到电缆屏蔽层的外层。
这种方法其实就是把电缆绕上十圈左右那样的的简单，当然绕在磁环上最好不过了，不过空心的也没有多大关系，大多数时候是采用频率低多绕几圈，频率高少绕几圈。
（2）高频开路法（如右图）
此方法是在电缆屏蔽层的外皮层的
/4处连接一个
/4的套筒
，即是等效成为一段
/4的开路线，因为
/4的开路线对此种频率的天线微带线是被视为开路的，因而是能够达到截断高频电流的作用。
这种方法很常用，不仅仅工作带宽很窄，而且很适合用于大功率的器件之中或是高频率的场合里，主要是因为在低频率段，
/4的套筒就会（理论等效起来）显得很长。
（3）U型管对称变换器
U形管对称变换器最大的一个特点，也是最主要的特点就是频带很窄，它由同轴电缆构成，由于其结构简便，花费的成本低，并能够起到300
到75
的变换作用，所以更多的时候是适用于电视转换的接收装置
如图所示：
同轴线内导体的一个点a与天线振子右臂直接连接，再经a点弯曲成U形的半波长段长度相同规格的同轴电缆，并在点b和振子臂连接，从而使得同轴线有一个180度的相移，点
a与点b两点的电位相对于地面是有相等的幅度和相位的相反。
这个弯曲不仅有对称变换的功能，并且还起到阻抗变换的作用。
假如天线接收到的输入阻抗是300
，则在每一臂的输入端与零电位点之间产生的阻抗是300
的一半，即是150
根据传输线的理论得知，半波长电缆的输入阻抗达到匹配时，也即是U形弯曲管的输入阻抗值和电缆的负载阻抗值相等时，那么等效值就是并联在a点的两个纯电阻的值相加，在a点并联的两个电阻中每一个都是150
由此便达到了良好的匹配，使得电缆负载阻抗等于特性阻抗值75
（4）变压器法
为了实现平衡非平衡的转换，对于高频信号，我们利用高频变压器的作用来实现转换的效果，使双向平衡电流输入变换成为单向的不平衡电流输出，这好比推挽输出变压器那样。
对于变压器没有太严格的要求，可以是磁心绕制而成，也可以是空心绕制而成，总之这种方法是适合大功率使用的
（5）抵消法
采用合适的方法促使流入的电流大小相等但是方向相反而达到互相抵消的效果，应用较多的是常见的用磁环三线绕成的平衡非平衡转换器，这种方法的设计会产生较宽的频带，但是使用大功率时会受磁环磁饱和的限制，所以适合于低频率小功率的使用。
2设计概述
就天线和混频器及其他设备而言，巴伦为实现非均衡到均衡转换的重要器件。
这样的转换器对于微带信号的传输与性能都有着很大的帮助与改善，所以宽带巴伦的研究设计对于天线设计和生产开发等领域都起到了相当重要的作用。
我们知道巴伦是微波平衡混频器，倍频器，推挽放大器和天线馈电网络等平衡电路布局的重要组成部分
Marchand在1944年第一个提出了基于TEM模型的同轴传输线巴伦结构。
前不久，研发成功的微波集成电路（MIC）和微波单片集成电路（MMIC）的平面巴伦备受人们的关注。
除了一些设计上的修改，利用平面宽边输电线路设计MIC和MMIC巴伦，可是他们却没有提出定量分析设计方案。
这样就很难于测试的检验与工程的实施。
接着Tsai和Gupta根据准TEM模新型双耦合线巴伦的等效电路，提出了Pavio巴伦的研究和设计方法
；
Randal和Cam提出了一个多层Marchand巴伦散射参数和设计方程；
Kian和Yoke提出多节阻抗变换传输线巴伦，以增加传输线等效偶模阻抗的办法来设计高性能的巴伦
2.1背景与国内外研究现状
在天线的领域，像平面螺旋天线（sprialnaetmras），印刷偶极子天线（printeddipoleantennas），曲折臂天线（sinuousantennas）和对称偶极子天线...如果需要天线馈电的时候，不但要求阻抗匹配，而且要求馈电网络有宽带的带宽。
微带传输线具有体积小，质量小，频带宽，方便微波集成电路连接，可形成各种用途的微波元器件等优点，已经被广泛的使用。
由于天线频带的逐步加宽，对巴伦频带的要求也越来越不能满足。
再加上一般的巴伦不可以良好地使用在天线馈电网络上，尤其是，随着如今通信技术的壮大，通信容量的日益扩大，就使得天线在相当大的宽频带内运作，并且对巴伦的质量与性能的要求也越来越高。
由微带传输线构成的微带巴伦拥有超过一个微带传输线的性能和能实现宽频带的特性，它的设计有利于微带传输线的绩效发挥或是说能扩大其本身的功效，所以，宽带微带巴伦的研究俨然是热点研究方向。
据了解国内外许多的文献都对微带巴伦进行了大量的研究，同时也设计出了许多不一样的新的结构微带巴伦，还对微带巴伦进行了大量的不同程度的改进。
但是最近几年，随着现代传媒的发展与社会形势的要求，微带巴伦越来越得到人们的广泛关注和研究，国内外已经产生了许多的新型结构特征的巴伦，这些宽带微带巴伦的研究设计已经得到了许许多多人或是国家的认可，并且还有一些研究文献可以表明。
下面举例说明，文献[1-9]中就介绍了一些优秀的宽带微带巴伦的设计，基于各种不同的方法与理论依据，研究设计的巴伦适合于不同的场合，当然它们都有自己的优点和缺点。
像文献[9]里的宽带巴伦，成功的使用了结构互补的共面波导（CoplanarWaveguide,CPW）和共面带状线（CoplanarStripLine,CPS）
，完成了50欧姆不平衡的馈电到80欧姆的平衡馈电的转换，工作频带属于低频范围
可是存在一些缺点：
选择了相对介电常数为10.2的大介质作为基板，使得成本相当的昂贵；
并且还使用了复杂的扇形槽结构，缺乏明确的设计方案和实施方案，这样就使制作增加了很大的困难；
为了确保金属导带分割的两个共面波导金属接地面等势，使用导电桥连接两个金属地面的连接方式，务必会对紧凑美观的巴仑结构产生一定的不利影响
2.2论文主要工作
在现在的经济社会背景下，我们本着花费成本越低廉、结构越小巧精致和制作越简单的目的设计宽带微带巴伦。
在国际形势下，我们看出巴伦在通信等信息化的通道与市场上的潜力与强大的作用。
为此，我们需要考虑设计的相关因素，就本设计而言，着重研究传输线阻抗，阻抗匹配与微带天线的相关内容。
2.3论文结构
第一章序言。
第二章开发概述。
第三章微带巴伦结构与阻抗计算。
第四章巴伦的设计。
第五章结论。
总结以及建议对天线微带巴伦的设计
参考文献
致谢
3微带巴伦结构与阻抗计算
我们知道微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线。
微带天线是20世纪70年代出现的一种新型天线，主要是应用于微波波段，因为它体积小，重量轻，能与载体共形，制造成本低。
目前，微带天线在卫星通信，雷达，武器制导，便携式无线设备等领域都有应用。
基于本文设计的目的，第一次采用接地共面波导（CoplanarWaveguideGround，CPWG）和耦合微带线（coupledstrPiLine，CSL）来尝试着设计制作一种新类型的微带巴伦。
通过
采用介质板背面的地使共面波导的两个接地面连接在一起，不用通过导线在表面架桥的方式来连接，因而这样的巴伦的结构会变得更加好看巧小，同时性能也更加的优化。
如右上图，在介质板的接地共面波导部分，我们引用了切比雪夫阻抗变换段，从而使接地共面波导一端的非平衡端口的特性阻抗为50欧姆变换成为与天线特性阻抗相匹配的值，以此用于天线的馈电网络。
由于成本的考虑，我们选用的是相对介电常数为2.65的聚四氟乙烯介质板作为基板
（文献[9]）。
这次设计的天线微带巴伦结构由接地共面波导和耦合微带线组成，上边三图为这次设计的天线微带巴伦结构俯瞰图、正面图和侧面图，首先接地的共面波导是非平衡端口，其次是耦合微带线对应平衡端口，最后在接地共面波导的部分我们引入了阻抗变换段
这个微带巴伦的结构相当的简单，并没有采用所谓复杂的缝隙和LC电路结构。
只需要在基板的侧壁敷涂金属连接面，再把接地共面波导的正面两个金属地和背面金属地相互连成一个整体，这样就确保了金属地等势，从而避开了使用导电桥方式的连接，促使结构变得相当的美观、小巧
阻抗是对于有电阻，电感和电容的交变电流电路中所起到的阻碍作用被称为阻抗。
阻抗常用Z来表示。
电阻，电感和电容是阻抗的三个组成部分，但不是简单的三个的总和。
阻抗的单位是在欧。
对于直流，对象对电流的阻碍效应称为电阻，所有材料定都有电阻，但是电阻值的大小有差异，因为材质的不同会产生不一样的电阻率。
电阻很小的材料称之为良导体，像金属等等；
电阻极大的物质被称为绝缘体，像木材和塑料等等。
也有一种处在半导体和导体之间的电阻值接近零的物质叫做超导体。
可是交变电流场除了电阻会阻碍电流，还有电容和电感同样也会阻碍电流的流动，只不过阻碍的方式不同，这种影响被称之为电抗，即阻碍电流的作用。
电容和电感的电抗分别叫作电容抗和电感抗，简而言之容抗和感抗。
同样测量单位也是欧姆，但是他们值的大小和交流电的频率相关，这是实验测出来的，容抗与频率的变化成反比，反之感抗与频率的变化成正比。
而且，电容抗和电感抗的区别还在于相位角度，具有向量上的关系式，所以才有阻抗是电阻和电抗的矢量和之说。
对于一个特定的电路，阻抗不是常数，而是随频率改变而变化的。
在电阻，电感和电容的串联电路上，电路的阻抗一般高于电阻，即是阻抗减少到最低限度。
相反的，电感和电容的并联电路中，谐振阻抗会增加到最大值。
但是在我们的这个天线微带巴伦设计中，主要是由接地共面波导和耦合微带线两部分组成，其中接地共面波导称作非平衡端口，而耦合微带线叫做平衡端口。
由其结构得知涉及的计算主要是接地共面波导阻抗的计算、再是耦合微带线阻抗的计算和当在接地共面波导部分加入阻抗变换的切比雪夫阻抗变换计算。
（1）微带接地共面波导阻抗计算：
众所周知，微波传输线是现在重点研究的课题内容，而作为一种有着固定传输特性的新型传输线，共面波导与其变型结构已经成为了如今的一个研究热点。
在经过一些列论证和比较之后，在众多计算方案中，我们最终采用了保角变化分析法，因为我们发现这种方法对于以准TME波为主模的接地共面波导传输来说是最为方便而又实用的，在表达式上，也能最大限度的简化以往繁杂的计算。
当然，保角变换公式分析法也是有其使用限制的，具体来说，这种方法在理论上的准确程度仅仅是在零频率上的推导中能得到体现，但是在实际的微波集成电路中，我们发现由于线尺寸和介质基板都非常小，所以在这种特殊情况下，传输参数与频率的关系可忽略不计，即使是在频率很高的时候，我们也依然可以认为这二者无关联，即频率为零，于是保角变换分析法仍然有用武之地，特别是在研究变型结构的共面波导的时候，保角变化的静态分析法具有不可替代的优越性和重要性，所以凡是有关于接地共面波导阻抗的计算内容，在本次设计中一律都采用的是保角变换法。
毫无疑问，相比于传统的微带传输线而言，共面波导拥有更多得天独厚的优势，其中最突出的莫过于接地共面波导能在介质基片的一边产生中心导体带，这样能大大提高传输线的有效传输效率。
除此之外，它还能在紧靠中心导体的侧面产生地面层，由此，它与地面间的寄生电感也被降低了不少，同时还会在介质基片的另一边产生金属层，有效降低了传输过程中带来的辐射。
再加上它在其他方面还有很多非常重要的优势，比如它制造难度小，各种元器件安装起来非常方便等等。
这使得这款新型传输线的应用备受关注，越来越多的进入人们的视野，成为了一项潜力巨大的新技术。
接地共面波导的阻抗的计算，我们采用保角变换的方法
（引用文献资料），阻抗计算公式如下：
（3.1）
上式子中
称作第一类完全椭圆积分，
为模数，
为余模数，即
，而
称作余模数的第一类完全椭圆积分，又称
是第一类余椭圆积分
因为上式关系到椭圆函数的积分问题，所以实际应用不方便，这里不便推导，只作为引用性的介绍。
上式中的等效介电常数
的值为：
（3.2）
其中
为介质板的相对介电常数值。
（2）微带耦合微带线阻抗计算：
耦合微带线在无源和有源的微波集成电路中有着广泛的应用，像是在定向耦合器，滤波器和阻抗匹配网络中的应用。
对称耦合微带线，就是相耦合的微带线具有着相同的大小，相同的导体带和地面材料，以及相同的填充介质
耦合微带线由部分介质组成的不均匀系统，准确的说，它是具有分散特点的混合模式。
所以，耦合微带线的分析也是越来越复杂，最通用的分析方法是准静态分析法，就是耦合微带线的传输模式是被视为TEM模式（准TEM模式）。
根本上，当在耦合线的双单线激励（奇数模式激发和激励模式）的同时，其中的两种电磁耦合的状态（奇数模式耦合的耦合模式）导致了耦合线将出现两种不同的传输模式，即奇模波和偶模波。
（3）切比雪夫阻抗变换的原理与方法：
在负载阻抗与传输线的特性阻抗不相等，或是连接两节传输线的特性阻抗是不等的情况下，产生阻抗的不匹配的反射现象，导致了传输系统的容量和传输效率降低，这样负载就不能获得最大的电力负荷。
要消除如此的不利的反射现象，可在其间加入一阻抗变换器，从而获得良好的匹配。
微带电路中，最常见的应用阻抗变换器主要由以下形式：
一：
渐变线
对于不同的阻抗，传输线的特性阻抗逐渐的由一个阻抗值变到另一个阻抗值。
使连接区域的反射系数控制在允许的范围内，不仅能提高宽带又可以不使变换器的尺寸太大。
二：
/4式变阻器
在电磁微波技术和微带电路中已广泛的应用。
宽带变阻使用的是多段变阻器。
使用最紧凑的结构和优异的性能，在实际中，还采用了综合设计的方法，它属于窄带阻抗变压器。
三:
短节变阻器型
顾名思义，此种短节变阻器的每节的长度都相当的短，只有
/32或
/16长
定义上讲：
它是由L、C集总参数变阻电路变换而来的
相对于
/4多节变阻器，此种变阻器有很大的改善与提高，在同样的变阻器总长的前提下，此种结构的特性有着显著地提高。
在微波电路中，它是很实用的，并且结构外观看起来简单、紧凑。
综上所述：
切比雪夫阻抗变换器是一种短变阻器，它具有其它阻抗变换器所没有的许多优点，所以一般的我们又把切比雪夫阻抗变换器的设计方法另称为“优化方法”。
主要原因是：
比雪夫阻抗变换器的过渡期段的总长度是最短的，在此有两个前提，一是相同的给定的工作频段，二是允许的最大的反射模式；
换句话说，在最大对我反射系数和总长度的前提下，有着最宽的工作频带。
设计如此转换器，我们会发现转换器的总反射系数的模在通带内按一定的规律在变化，这种规律就是n阶第一类切比函数（这是一个多项式）规律，因此叫作切比雪夫阻抗变换器。
在这里，只作一个简单的了解性的介绍。
下面介绍有关方面的微带巴伦的插入损耗：
微带线的损耗包括三种损耗，一是导体的损耗，二是介质的损耗，三是辐射的损耗
介质的损耗是由于微波基板中大分子碰撞交替极化和互相摩擦引起的热损失而造成的，也即是因为存在一个漏电造成的损耗；
损耗主要是导体的损耗，一方面受接地和导体带都是有限电导率的限制而造成的损耗，另一方面的损耗是由于耐磨损耗电阻而造成的；
辐射的损耗主要是介电损耗和导体的损耗，它是由带两边的半开放的地区对电磁波的辐射而产生的。
结合以上几种损耗，以及综合整个研究设计过程与实际问题的考虑，我们总结了以下几个影响微带线损耗的主要因素：
1，电导率。
这里是指导体材料本身的电导率，成反比例关系，微带线损失随着微带巴伦的导电性的增加而减小；
反之也成立。
2，工作频率。
此处说的是微带线的工作频率，成正比例关系，微带线的损耗随着工作频率的增大而增大越高，就大；
3，导体表面光洁度。
由于导体表面的粗糙度大于或是等于该导体的透入深度，就会增加电流流动的有效途径，不仅仅是被利用的那部分电流的流动，也包括了未被利用而损耗的那部分电流的流动，进而会增加导体的损耗，所以导体表面的光洁度对微带线的损耗会产生重大的影响。
因此，在实际的设计引用中，我们更愿意选择相对介电常数比较大；
单片基板的厚度应是不变；
电阻率和介电强度应是高、导热系数应是高；
在所需的频率和温度的范围内有一个是常数的介电常数。
这些特点的满足，足以称的上是理想的基片材料，特别是在微波集成电路中，我们强调这几个优点集于一身的基片材料更适合理论的研究与工程开发设计。
为了更优性能的设计出基板，并能够很实用的运用于实际的工程中，而且发挥出其让几乎所有的高频能量集中在金属带与绝缘材料内的作用与特性，我们通常选择相对介电常数》1的介质板为基板。
4巴伦的设计
在现金的社会背景下，国际社会形势的驱动下，大家知道，研究设计的东西都趋于简单智能化，形成了结构化的模式，同时也提倡节约型社会，再者设计研究的东西的实用性要足够的大，能够解决实际的重要的问题，为了把微带巴伦的理
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