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共面波导传输线特性分析及工程应用

射频学堂 来源:射频学堂 2023-01-30 09:09 次阅读

使用高频板材能够设计制造出微带线、带状线、共面线等几大类型高频传输线,共面线又包含共面带线、共面波导以及槽线等多种结构形式。除微带线以外,共面波导也是高频电路工程设计中比较实用的一种传输线结构形式。

共面波导传输线的特性分析及工程应用

下面简要分析共面波导的性能特点,并通过实际工程案例分享应用经验。

微带线与共面波导结构形式:

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图1:微带线与共面波导结构

图1中所示左右两边分别为微带线结构和共面波导结构,通过看图我们直观的发现,共面波导可以理解成微带线的一种演化和升级。与微带线相比,共面波导在传输线两侧增加了大面积的接地平面,其结构略微复杂。

c011846a-a005-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图2:微带线的电磁场分布

如图2所示,微带线是一种半开放式的传输线结构,信号传输时会出现空间辐射的现象,属于准TEM模传输线。与微带线相同,共面波导也是半开放式的传输线结构,同为TEM模传输线。而共面波导因其信号线被大面积接地图案包围的特点,可以有效的减小传输时向外辐射的信号强度,产生的电磁辐射较小。

根据传输线的结构进行微带线和共面波导建模:

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图3:传输线建模

传输线特性阻抗测试:

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图4:传输线特性阻抗测试曲线

图4中红色和蓝色的曲线分别表示微带线和共面波导特性阻抗的实部和虚部。

再看看传输线弯曲对微带线和共面波导的影响:

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图5:弯曲传输线建模

弯曲传输线的驻波和特性阻抗变化曲线:

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图6:弯曲传输线驻波

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图7:弯曲传输线特性阻抗

图6、图7中红色和蓝色曲线分别代表微带线和共面波导驻波及特性阻抗。通过测试表明:共面波导在宽频带内特性阻抗及驻波波动范围小、变化连续平顺。

综合上述分析,共面波导具有如下特点:

1)在信号传输时对附近电路的辐射干扰小,具有较好的抗干扰性;

2)在宽频带范围内具有特性阻抗变化小,传输特性对版图变化不敏感,尤其在高频率工作条件下电气性能稳定可靠。

宽带功率分配电路是宽带接收机中常用的功能子电路,该电路需要在宽频带范围内有良好的带内平坦度。此外,宽带接收机因其高灵敏度的特点,其功能子电路的抗干扰性是电路设计时必须考虑的要素。

共面波导传输线的特点符合宽带接收机中功分电路的整体设计要求,在实际工程当中,电路的实现和制造面临两个问题:

1)因为共面波导传输线大面积版图接地的结构特点,制造出的电路板调试空间有限,因此在批量生产时对电路的一致性有较高的要求;

2)设备物料的成本控制。

电路要实现较高的批量一致性需要使用优良性能的高频板材,但这类板材的价格一般比较高,两者之间存在矛盾。ROGERS公司的高频板材RO4350B介电常数稳定性高,ξr的波动范围仅为±0.05,能有效地解决电路批产时出现的指标漂移和不便调试的问题;该板材出货量大、价格经济实惠,在满足电路实际工程需求的同时也有效地控制了成本。

以RO4350B板材为基础,使用共面波导设计工作频带为3.5GHz~5.5GHz的宽带功分器。

计算共面波导功分器的结构尺寸参数

a)四分之一波长50Ω传输线

W=2.4mm、L=12.1mm、G=0.5mm;

b)四分之一波长70.7Ω传输线

W=1.5mm、L=12.1mm、G=1mm。

构建共面波导功分器电路:

c049bc54-a005-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图8:功分器电路

共面波导功分器的性能指标测试:

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图9:共面波导功分器带性能曲线

功分电路在3.5GHz~5.5GHz范围内幅度波动很小,有效地减小了电路对接收机通带增益不平度的影响,免去了不少额外的增益补偿电路,简化了宽带接收机的整体方案,提高了机器整体的稳定性。

总结

工程中使用高频板材可以制作多种结构形式的传输线,每种结构的传输线都有其各自的性能特点,选择合适的传输线结构设计高频电路能够帮助设计者扬长避短,更加轻松的解决实际问题。同时,在电路实现时应全面考虑,处理好性能与成本之间的矛盾。

选用合适的高频板材进行电路设计,在满足实际需求的同时还能降低成本,并做出性价比更高、更具市场竞争力的产品

审核编辑:汤梓红
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原文标题:共面波导传输线特性分析及工程应用

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