微带线应用
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图 4 晶体管、印制地板和散热槽的正确安装图
为了使印制板具有良好的接地性能,须在印制板上合理分布小孔眼,并用镀银线 穿过小孔眼将上下两铜箔焊接在一起。 各级晶体管基极到地串接一个低 Q 的扼流圈和一头接地的小磁环线圈,以 提高电路的稳定性。 为防止自激,各元件引线尽可能短,以减小分布电感和电容。在激励级基极 串接一个10Ω、2 ������ 的电阻,在输出级基极串接一个1Ω、2 ������ 的电阻,以提高电
tan2 ������
(1 − 8)
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其中,γ是该结构的复传播常数,其实部表示衰减特性,虚部表示传播特性。 根据上式可以计算在无限长周期时, 该谐振单元结构具有两个传输零点的电 角度为: θ������ 1,������ 2 = ������ ± arctan 2 ������0������ − ������0������ ������0������ − 2������������ ������0������ (1 − 9)
图 2 频率选择耦合结构
图 3 滤波器传输线模型
若与耦合微带线长度������������ 相对应的电角度为θ, 则奇模单端口输入阻抗Z������������������ 与偶 模单端口输入阻抗Z������������������ 等效电路计算公式如下: Z������������������ = ������Z0������ tan ������ (1 − 6) Z0������ tan ������ − 2Z������ cot ������ Z������������������ = ������ (1 − 7) 2Z 1 + Z ������
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基于谐振加载的低通滤波器设计 利用短路谐振加载的非对称耦合线可以获得多个传输零点。因此,可以视为 一种频率选择的耦合结构,如图 2、图 4.13 所示。将 1/4 波长的开路谐振单元与 1/4 波长的频率选择耦合单元组合就可以在阻带包含 3 个传输零点。 1/4 波长的开 路谐振单元可视作是半波长短路谐振器的等效。实际上,电长度等效为 1/4 波长 的任意开路支节都可以用作串联谐振单元。由于传输零点的增多,低阶的带阻滤 波器在尺寸小,损耗小的优势之外,也实现了宽阻带特性。 利用经典的奇偶模分析方法可以对这种谐振加载结构进行分析。
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1 2 ������ ������ 0.1225 ℎ
k=
������ 1+0.63 ������−1
.
������0 = ������ ������ . 0 ������为自由空间的光速 ������0 为某频段的中心频率。 •利用 Smith 圆图来计算匹配网络各元件参数值 按照微带线功放电路图,分别画出输入级、级间级、输出功放级的等效电路 图。根据等效电路,利用 Smith 圆图分别计算出各级匹配网络的各元件参数值。 微带线功率放大器的制作技术和技巧 射频功率放大器用于高工作频率、高输出功率、高工作温度环境,因此晶体 管在结构上有如下特性:有对称的两片发射极片,如果发射极接地,使得集电极 和基极具有良好的隔离,晶体管底座常用氧化铍材料制作,导热性好,铜螺杆与 底座相连,也可用法兰盘相接,便于晶体管散热和机械安装,金属化的引线与氧 化铍连接,管帽用陶瓷封装。 晶体管与印刷电路板的不合理安装,会使晶体管散热性能差, 降低输出功率 甚至会烧坏晶体管,正确的安装图示于图 4。 图 5(见下页)表示典型螺杆式结构晶体管。
两个传输零点之间的区域定义为该谐振单元的阻带。
二、微带线功率放大器的设计和制作
对于 20MHz 以上频段,微带线功率放大器具有下述优点:重复特性好,便于工 厂生产,效率高一般可达到 43%以上(C 类放大器) ,稳定性高,结构尺寸 小。缺点是设计计算繁琐,制作有其特殊性。 通常有两种方法可以设计制作微带线功率放大器。 一种是采用 Smith 圆图法, 根据等效电路,计算各级的匹配网络,从而完成设计制作微带线功率放大器。另 一种方法是通过晶体管的 S 参数, 应用各种计算公式来设计和制作, 后者采用计 算机辅助设计,可将设计计算的结果直接通过打印机打印出来,显然,此法更胜 一筹。 下面主要介绍用 Smith 圆图法来设计制作微带线功率放大器。 微带线功率放大器的设计准则 •功率晶体管的选择 总的原则是根据电源电压、输出功率大小、所要求的功率增盆和最高工作频 率来选取晶体管。由于激励级、级间级和输出功放级所要求的噪声系数、激励电 平、匹配阻抗和功率增益不同,须查阅晶体管手册,可选择适合各级技术指标的 晶体管,既要考虑经济成本,又要做到量才录用。 选用微带线的材料和宽度,计算其特性阻抗和有效波长 微带线的材料选用原则是要求损耗角正切值小,相对介电常数要大,易于散 热,便于加工,视频段的不同可选用不同材料。印制板的介质厚度与微带线的宽 度之比决定了微带线的特性阻抗。若电路板已选定, 该电路微带线的特性阻抗由 下式可得: 377ℎ ������0 = (2 − 1) ������������ ∙������ −0.836 − 0.0724 ������������ ������ 1 + 1.753������ ℎ ������ 2������ + 1 式中:������ ������ = ������ + ������ ������������ ������ ������ 为微带线的宽度 ������为导体的厚度 ℎ为介质的厚度 ������ 为介电常数 按下式计算某频段的中心频率和微带线的有效波长: λ‘ = k ∙ ������ ������������������ (2 − 2) 式中:������ ������������������ = ������0 / ������
表格 1 原型滤波器变换一览表
其中∆=
������ 2 −������ 1 ������ 0
,������������ 为截止频率,������0 = ������1 ������2 为几何均值。
宽阻带滤波器研究现状 各种结构形式的微带滤波器的设计理论与方法在过去几十年里得到了广泛而深 入的研究。 对比带通滤波器和带阻滤波器的频率响应,可以发现带阻滤波器的带 内抑制与带通滤波器的损耗对应,带阻滤波器的阻带与带通滤波器的通带,带阻 滤波器的反射零点也相对应于带通滤波器的反射零点。实际应用中,也广泛采用 带通滤波器耦合拓扑结构来设计带阻滤波器。宽阻带滤波器有多种实现形式, 典型研究结果包括以下一些。 有学者提出了采用 T 形和十字形短截线构造基于光子带隙的宽阻带低通滤波器。 滤波器在 0.5~3GHz 通带内插损小于 1dB,3~20GHz 阻带抑制优于 20dB。 有学者使用等效的 T 形节替代低通滤波器中的串联传输线以实现在低通滤 波器中嵌入带阻滤波器,这种滤波器可以实现 3.6~12GHz 的带外抑制,但尺寸 偏大。 相关学者提出了一种新型的阶梯结构周期性紧凑型微带谐振器单元 (CMRC) 低通滤波器。 还有相关研究人员采用了一种新型的缺陷地结构,用该结构设计了 一个低通滤波器,其 20dB 阻带宽度约为截止频率的 3.7 倍。 有学者提出了一种半圆缺陷地微带线,该结构比传统的正方形 DGS 微带线 有更好的带阻特性和等效 Q 值。 从国内外研究进展来看, 宽阻带滤波器实现方式主要有,通过在低通滤波器 进行谐振加载的方法,利用晶体带隙的方法以及缺陷地结构方法等。
表格 2 各级晶体管参数
晶体管型号 输入阻抗 Zin(Ω) 输出阻抗 Zout(Ω) MRF225 5.8-j5.2 22-j33.5 MRF226 1.7+j0.2 6.6-j3.7
Vdc=12.5V
输入
MRF 225
0 ������
Байду номын сангаас
式中,Z������ 为微带开路谐振器的特性阻抗,Z0������ ,Z0������ 为平行耦合微带线的奇、偶模 特性阻抗。两者的电角度θ相同。 该结构单元的传播常数可根据 Bloch 周期结构理论和奇偶模分析方法与双端口 网络参数关系得到: ������������������������ + ������������������������ 1 − cosh ������������������ = = ������������������������ − ������������������������ 1 −
一、微带滤波器设计
微波滤波器是一种重要的微波元件,种类繁多,按照传输线类型来分,包括 波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器和微带滤波器,并且由于其具有的选 频功能,即通过所需频率信号而抑制不需要频率的信号,得到了广泛的应用。微 带带通滤波器是微带滤波器的一种,根据不同带宽、结构需求,目前已发展了宽 带、 超宽带、 小型化、 缺陷地等多种技术。HPM 短电磁脉冲检波器的输入电路, 要求对低频和高频干扰信号进行抑制,同时信号通带要能够尽量宽。超宽带滤波 器,性能优良、易于集成,在微波电路中有着重要的实用价值。 宽阻带低通滤波器设计 低通滤波器在射频电路设计中应用非常广泛,其基本作用是抑制高频信号, 使所需要的低频信号无损耗的通过。检波器后端的低通滤波器,主要目的是滤掉 前端耦合的高频信号(9.7GHz) ,设计目标是截止频率低于 3.5GHz 的低通滤波 器。 尝试了平行耦合线等形式低通滤波器后,发现一般的低通滤波器的会存在寄 生通带, 比如截止频率 3GHz 的低通滤波器, 在 3.5~5GHz 的频带内衰减能大于 20dB,但在 9GHz 左右反而成了通带。HPM 短电磁脉冲载频约为 9.7GHz,脉冲 的占空比很小,即脉冲调制频率很低,要求低通滤波器通带带宽尽量窄,同时有 较宽的阻带。DGS 低通滤波器和谐振加载耦合带线低通滤波器是宽阻带低通滤 波器两种常用形式。 带阻滤波器可以通过低通滤波器原型变换得到,如图所示。
图 1 低通滤波器原型的梯形电路(a)并联模型(b)串联模型
用逆变换获得带阻响应。 ω ω0 −1 − (1 − 1) ω0 ω 从而低通原型的串联电感变化到并联 LC 电路,元件值为 ω←∆
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∆������������ (1 − 2) ������0 1 ′ ������������ = (1 − 3) ������0 ∆������������ 低通原型的并联电容变换到串联 LC 电路,元件值为 1 ������′������ = (1 − 4) ������0 ∆������������ ∆������������ ′ ������������ = (1 − 5) ������0 表 1.1 为从低通滤波器原型变换到高通、带通和带阻滤波器时的元件参数。 ������′������ =
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路稳定性,但会降低0.1~0.2dB的增益。
图 5 螺杆式结构晶体管
微带线功率放大器的技术指标 可调频率范围:220~225MHz 最小功率输出:13 W 最小功率增益:19.5dB 在滤波器输出端为 12W 时输入功率:12.5mW 电源电压:12.5V 各级晶体管参数
������0 ������ +������0 ������ 2������������ ������0 ������ −������0 ������ 2������������
+ ������0������ tan2 ������
0 ������ 0 ������
������
− ������
������0 ������
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微波工程论文
微带滤波器与放大器原理及设计
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微带滤波器与放大器原理及设计
摘要: 本文简要介绍了宽阻带低通滤波器的设计,微带线功率放大器的设计和制 作,微带线 E 类功率放大器的设计。并简单介绍了 S 参数。 关键词:微带线,滤波器,放大器,S 参数