基于平面微带谐振腔的微波产生技术研究--毕业论文.doc
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1、基于平面微带谐振器的微波产生技术研究摘要:随着科学技术的快速发展,微波技术发挥着非常关键的作用。对于微波形成的整个技术而言,平面微带谐振器因具备高品质因子、高性能等优势获得了人们的重视。现代通讯技术逐渐朝着高集成度趋势进行,因为微带谐振器可集成特点,具有非常可观的市场前景。本文着重介绍微带线相关理论及微带线特征参数,然后研究了平面微带线谐振器方程式,并就平面微带线谐振器的品质因子、谐振频率及衰减常数展开探究和分析。同时还就矩形微带线谐振器,圆环微带线谐振器,圆盘微带线谐振器及三角形微带线谐振器的特性做出探讨。还针对矩形微带线谐振器和圆环微带线谐振器的重点指标谐振频率、品质因子及衰减常数做出仿真
2、研究。根据仿真结果表明,其品质因子均处在一个数量级中,品质因子大小主要是和衰减常数、谐振频率有关。若波长较小,则谐振频率较大,品质因子也较大。关键词:平面微带线;谐振器;谐振频率;品质因子;衰减常数Study on microwave generation technique based on planar microstrip resonator Abstract: With the rapid development of science and technology, microwave technology plays a very important role. For the wh
3、ole technology of microwave forming, planar microstrip resonators have attracted much attention because of their high quality factor and high performance. Modern communication technology is developing towards high integration, because microstrip resonators can be integrated and have a very large mar
4、ket prospect. This paper focuses on the characteristics of microstrip line theory and microstrip line parameters, and then study the planar microstrip line resonator equation, and the quality factor, the planar microstrip line resonator resonant frequency and attenuation constant inquiry and analysi
5、s. At the same time, the characteristics of rectangular microstrip resonators, ring microstrip resonators, microstrip microstrip resonators and triangular microstrip resonators are discussed. The resonant frequency, quality factor and attenuation constant of rectangular microstrip resonators and rin
6、g microstrip resonators are studied by simulation. According to the simulation results, the quality factors are all in an order of magnitude, and the quality factor is mainly related to the attenuation constant and resonance frequency. If the wavelength is small, the resonant frequency is larger and
7、 the quality factor is larger.Key words: planar microstrip line; resonantor; resonant frequency; quality factor; attenuation constant; II目 录1引言11.1微波的特性11.2微波谐振器的介绍22平面微带线的基本特征22.1平面微带线简介22.2平面微带线的特性43平面微带谐振器的基本特性63.1矩形微带线谐振器63.2圆环微带线谐振器83.3圆盘微带线谐振器93.4三角形微带线谐振器104平面微带线谐振器的仿真114.1矩形微带线谐振器仿真114.2圆环微带
8、线谐振器仿真225结束语28参考文献30致 谢31II1引言1.1微波的特性二十一世纪以来,通讯技术获得了快速进步和应用,同时微波技术作为通讯技术领域至关重要的一部分,其实际应用的范围与深度均呈现出快速发展的趋势,在这里主要以平面微带谐振腔微波技术获得了人们的认可和关注。针对微波形成的技术而言,由于平面微带线谐振器具备高品质因子、高性能等优势,而且使用非常便捷、普遍。现阶段针对平面微带线谐振器微波技术探究和开发,在模型设计方面不够全面,同时模型参数的精度仍有待提升。 微波技术主要是起源于二战中的雷达技术,进入21世纪,微波技术继续在广播、有线电视、电话和无线通信领域扮演着越来越重要的角色,在其
9、他领域如工农业等应用中也初露锋芒。我国的微波能技术在工业上也有了更多的应用。 对于整个无线电波而言,微波波长最短。由于微波非常短小,其所应用元器,装置的规格相类似,就低频电路而言,其规格要比波长小,因此在某个时间点,电路中传输的电流值保持一致,元件参数聚集起来;对于高频电路而言,元件参数主要是按照空间布置,也就是分布参数。相对于低频电波而言,微波有主要具有下属优势:(1)高频特性 微波的振荡频率非常大,一秒震荡频率就高达3亿次。因为相对于低频电波而言,微波频率要超过数个数量级,部分效用在低频段内展现不明显,只不过在微波波段内便可以十分明确地进行展现。(2)似光形 微波波长都要比全世界中的普通物
10、质短,甚至是处在相同数量级,所以微波发射至宏观物质内(比方说房屋、船舶、舰艇等),就会出现明显的反射效用,其非常类似于光波特性,不仅仅能够如同光传输,同时还严格按照波动规律。比方说多普乐效用。(3)散射特性 当电波发射至相关物质时,其发生波不仅仅会出现相关反射,同时将出现相应的散射,在这里将该物质称作为散射体,散射主要是通过入射波与其相关散射体间彼此交互所产生的,所以散射波会包含散射体的部分特征,比方说时域、频域、相位等数据资源。人们主要是就各个物体散射特征展开测量,并由此来获得相应的数据信息,从而完成目标辨认,作为完成微波遥感等技术的重要方式。(4)穿透电离层 由于微波存在高频震荡,同时还可
11、以射穿高空电离层,同时微波还不会发射至电离层后出现反射,该特征同样还能够用于卫星通讯。此外,由于受到天线视距的限制,其往往应用于地表通信,借助于中继站进行信息传递,便能够实现跨区域微波通讯。 现阶段,微波技术作为科研的重要发现和技术进步。经过多年的发展和创新,其已经得到普遍使用,并逐渐成为相对较完善的科类,并且获得人们的认可的关注,举例来说通讯、雷达、导航等方面。1.2微波谐振器的介绍 对于微波技术而言,具备储能及选频特征的设备就是微波谐振器,其作为使用范围非常大的微波元件。低频段时常常选取集中参数电感L及电容C构成谐振回路,但是频率到达微波频段以后,由于趋肤效应引起的欧姆损耗,由介质引起的介
12、质损耗和辐射引起的损耗明显提高,谐振回路的Q值在很大程度上降低了。同时,随着频率的提高,电感和电容的值很大的降低,一方面减少储存空间,使得谐振回路的Q值及功率容量等性能明显降低;另一方面由于L和C太小,其在工艺结构上难以实现。因此,在微波技术中采用的是波导型腔、同轴性腔、微带谐振器、介质谐振器等谐振器(腔)。谐振腔是微波谐振电路和微波放大电器的重要组成部分。 微波谐振器的基本参数有:(1)谐振波长(谐振频率):微波谐振器发生谐振的频率就是谐振频率。由于谐振器能够在很多个离散频率中产生谐振,因为谐振频率其实表示为相关模式场量产生的谐振频率,于无限大介质内相应波长就是谐振波长。(2)微波谐振腔的品
13、质因子:品质因子作为微波谐振器主要参数,其表示出谐振器选取性的优缺点及耗能规模。(3)等效电导G0。2平面微带线的基本特征2.1平面微带线简介平面微带线作为构建微波集成电路重点成分,其主要是将微波集成电路内不同的有源、无源部件衔接起来,从而创建出电容、滤波器、谐振器等元件,通过与不同有源固态器件进行衔接能够形成集成放大器等。平面微带线能够认作是由平行双导线转变而成。具体见图1。图1微带线的演变 平面微带线规格空间较小,而且非常轻,便于生产制造,同时还能够和固态器件相接通,因为微波集成电路使用的非常普遍。其主要通过介质基片导带及其下接地板构建来的,所有平面微带线通过薄膜工艺进行开发生产,基片采取
14、介电常数较大的石英材质,导带选择良导体材质。 因为平面微带线介质主要是通过空气、介质基片构建而来的混杂体系,具有纵向分量,所以从根本而言其并非横电磁场。基于相应的规格空间,若其纵向分量非常小,那么就能够认作是波,换而言之就是准波。 平面微带线主要是在弱色散区运作,将平面微带线运行方式认作是波,通过该“准静态探究法”能够用来研究其阻抗。具体表达式如下: (1) 仅需求得平面微带线相速及电容C,那么便能够获得其特性阻抗。若其周边采取相对介电常数闭封,那么其相速=/,单位长度分布电容=,而特性阻抗表达式如下: (2) 对于具体平面微带线而言,在介质空气内其相速为/区域,单位长度发布电容区域。特性阻抗
15、维持/区域。所以在这里应该采取等效介电值,保持在1与间。那么该等效平面微带线相速、波长、发布电容及特性阻抗各自是: (3) (4) (5) (6)在这里采取保角转换法来获得平面微带线发布电容与空气分布电容的比值就是等效介电值,表示填充因子。 (7) 用于显示介质填充状况。若,那么,意味着填充物为空气。在这里值保持在范围内,为平面微带线尺寸函数,其表达式如下: (8)2.2平面微带线的特性传导线衰减主要包括导体衰减、介质衰减及辐射衰减,导体衰减主要是由传导线导体损耗所造成的。因为趋肤效用,导体衰减通常聚集发生于导体外表,尤其在高频状况时,趋肤效用降低导体相应截面积,进一步加大该消耗,导体损耗是造
16、成传导线内衰减的重要部分。如果要降低介质衰减,应该采取损耗角正切值偏低的基片材质,比方说钻石、石英等。相对于波导、同轴线而言,平面微带线发生的衰减更大,如果是不计较辐射衰减的成分,那么还会包括导体损耗及介质损耗。3平面微带谐振器的基本特性 3.1矩形微带线谐振器 通过平面微带制造出的谐振器就是微带谐振器。其类型非常繁多,比方说两边分别为短路和开路的型、两边短路或两边开路型。因为微带具备介质基片,所以其制造模式中形成短路非常有难度,而形成开路就比较简便。而且还要注意微带中心导带出现终断并非标准开路。因为中心导带末端具有过剩电流与电荷以及能量辐射。如从图中可以看出矩形微带线是将介质基片导体制造为矩
17、形。其主要是于形式下运作,所以与同轴线谐振腔非常相似。两端短路或开路形成谐振器,平面微带线一边短路一边开路形成谐振器。图2 矩形微带线谐振器 平面微带线终端开路长为,那么导入端阻抗表达式: (12) 在这里是平面微带线波导波长,结合并联谐振,能够求出: (13) 结合串联,能够求出: (14) 因为平面微带线具有介质基片,所以在制造方面形成开路非常简单,可要形成短路则非常难。所以在此通常选取开路形态,相对于同轴线而言,平面微带线导带终断并不是处于标准开路,也就是不计较辐射衰减,由于边缘效用其实就是接地电容,同时电容能够作为传导线原理处置。在这里采取不持续电容,其主要用于加长微带线,所以平面微带
18、线节谐振腔具体长度要低于运算所求谐振长度。两边开路的微带谐振器谐振公式: (15) 其中是具体导带长度;是缩小长度。平面微带线内求解边缘电容方式,能够得到表达式: (16)其中与各自是中心导带宽度与介质基片厚度。若,那么式中误差将不超过百分之四 相应的微带谐振器谐振表达式: (17) 矩形微带线谐振器的空载品质因子采取 (18)在这里通过求得储存能量,每单位储存能量是,在这里表示沿线传导功率,表示相速,通过得到功率损耗,所以应该求解沿线变动率: (19) 在这里是衰减常数: (20) 同时因此 (21) 若是平面微带线导体衰减常数(): (22) 因为矩形微带线谐振器损耗相对更高,因此其品质因
19、子较低,若两端发生短路,品质因子保持范围中;若两端为开路,品质因子保持数十至数百范围,一边开路要超过两边。3.2圆环微带线谐振器从下图中可以看出,圆环微带线谐振主要将介质基片中导体带创建为圆环形,而该谐振形式为,主模是。若平面微带线平均周长是平面微带线带内波长整数倍,那么电波就可以由带内产生可靠的行波振荡。导体环和接地板相应环形区域便就是电壁,2个同轴圆柱体侧表面就是磁壁,能够采取电壁和磁壁形式思维对比分析空腔谐振器。图3 圆环微带线谐振器由于应该防止高次振荡形式,环大小规格应该如下: (23) 其中环宽,平均半径。通常而言因为比较低,则。在这里T形式谐振波长计算式如下: (24) 还有环平均
20、半径要避免过小,不然将会导致变窄。从下图中震荡形式可知,该形式仅仅出现,及分量;主模T于接地板与环形导带内保持闭合状况,所以其辐射衰减相对较低,因此模微带环形腔值差不多和微带线值相一致。图4 环形谐振腔3.3圆盘微带线谐振器从图5中可以看出圆盘微带线谐振器中介质基片导体带为圆环状,该谐振器能够较好的和微带线进行耦合,其中谐振器震荡形式为T,主模为T。该谐振器品质因子较大。图5 圆盘微带线谐振器 其能够采取标准电壁和磁壁模型进行探究,电壁为导体圆盘和圆盘相关接地板模块,磁壁为附属圆柱面。该电壁和磁壁所覆盖区域内为放置介质圆柱腔。只不过由于该圆柱相对较小,场沿长度无法出现半波长变动,也就是电磁场形
21、式和长度不存在关联性。其圆盘半径R与谐振频率关系式为: (25) 其空载品质因子表达式为: (26) 在这里为基片宽度(mm);为导体电导率();为谐振频率()为边缘效用等效介电值;圆盘、圆环微带线谐振器品质因子均处于相同数量级中。3.4三角形微带线谐振器三角形微带线谐振器也是非常普遍的微带线谐振器,相对于圆盘形而言,其辐射因数非常大,所以对于低衰减来说具有非常大的优点等边三角形谐振器谐振波数: (27) 其中为边长,整数及要求如下 (28) 若是能够实现以下随便一组值便可以获得主模 (29) 该主模波数为 (30) 等腰三角形谐振要求如下 (31) 其中a为等腰三角形腰长,m=0,n=1主模
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