射頻微帶濾波器基礎(chǔ)理論
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在傳輸線的終端(負(fù)載端)z´處,終端反射系數(shù)用Γ2表示,由式(9)得
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因此,
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由式(11)可見,終端反射系數(shù)只與負(fù)載阻抗和傳輸線的特性阻抗有關(guān)。
當(dāng)電磁波在終端負(fù)載不等于傳輸線特性阻抗的傳輸線上傳輸時,會產(chǎn)生反射波。反射波的大小除了用電壓反射系數(shù)來描述外,還可用電壓駐波系數(shù)VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)或行波系數(shù)K來表示。駐波系數(shù)ρ定義為沿傳輸線合成電壓(或電流)的最大值和最小值之比,即
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傳輸線上合成電壓(或電流)振幅值的不同,是由于各處入射波和反射波的相位不同引起的。當(dāng)入射波的相位與該點(diǎn)反射波的相位同相時,則該處合成波電壓(或電流)出現(xiàn)最大值;反之兩者相位相反時,合成波電壓(或電流)出現(xiàn)最小值,故有
|U|max=|Ui|+|Ur|=|Ui|(1+|Γ|) (13)
|U|min=|Ui|-|Ur|=|Ui|(1-|Γ|) (14)
可得到駐波系數(shù)和反射系數(shù)的關(guān)系式為
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或者
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因此,傳輸線的反射波的大小可用反射系數(shù)的模、駐波系數(shù)和行波系數(shù)來表示。反射系數(shù)的范圍為0≤|Γ|≤1,駐波系數(shù)的范圍為1≤ρ≤∞。當(dāng)|Γ2|=0、ρ=1表示傳輸線上沒有反射波,即為匹配狀態(tài)。
1.6、傳輸線的工作狀態(tài)
傳輸線的工作狀態(tài)指的是傳輸線上電壓和電流的分布狀態(tài),傳輸線的工作狀態(tài)取決于終端負(fù)載。
(1)當(dāng)ZL=Z0(即負(fù)載匹配)時,終端反射系數(shù)Γ2=0,反射波電壓和反射波電流均為零,稱為行波狀態(tài)。
(2)當(dāng)ZL=0(即負(fù)載短路)時,終端反射系數(shù)Γ2=-1。
(3)當(dāng)ZL=∞(即負(fù)載開路)時,終端反射系數(shù)Γ2=1。
在第(2)和(3)種情況下,反射波與入射波幅度相同(負(fù)號表示反射波與入射波相位相反),稱為全反射狀態(tài)。
在一般情況下,0<|Γ2|<1,稱為部分反射。
1.7、均勻傳輸線輸入阻抗
終端接負(fù)載阻抗時,則從距終端為z′處向負(fù)載方向看過去的阻抗為輸入阻抗,定義為該點(diǎn)的電壓U(z')與電流I(z')之比,并用Zin表示。
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1.8、史密斯圓圖
史密斯圓圖是以保角映射原理為基礎(chǔ)的圖解方法,通過史密斯圓圖,可以讓使用者迅速的得出在傳輸線上任意一點(diǎn)阻抗,電壓反射系數(shù),VSWR等數(shù)據(jù),簡單方便,所以在電磁波研究領(lǐng)域一直被廣泛應(yīng)用。雖然隨著各種微波CAD軟件的發(fā)展,已經(jīng)很少進(jìn)行手工計算,但在利用軟件對射頻電路進(jìn)行設(shè)計和分析時掌握史密斯圓圖的意義仍然十分重要。
2、微帶傳輸線理論
微帶傳輸線是50年代發(fā)展起來的一種微波傳輸線。與金屬波導(dǎo)相比,它具有體積小、重量輕、使用頻帶寬、可集成化并能構(gòu)成各種用途的微波元件等優(yōu)點(diǎn),但損耗稍大,Q值較低,功率容量小。微帶線一般用薄膜工藝制造,介質(zhì)基片選用介電常數(shù)高、微波損耗低的材料,常用的介質(zhì)基片材料有氧化鋁陶瓷、氧化鈹、藍(lán)寶石、鐵氧體、聚四氟乙烯等。導(dǎo)體薄膜應(yīng)具有導(dǎo)電率高、穩(wěn)定性好、與基片的粘附性強(qiáng)等特點(diǎn)。
2.1、微帶傳輸線的結(jié)構(gòu)
微帶傳輸線一般制作工藝是將基片研磨,拋光和清洗,然后將基片放在真空鍍膜機(jī)中形成一層鉻-金層,再利用光刻技術(shù)制作所需的電路,最后采用電鍍方法使導(dǎo)體帶和接地板達(dá)到所要求的厚度(3~5倍趨膚深度),并裝上所需要的有源器件和其他元件形成微帶電路。因此,微帶傳輸線可以看作是由雙導(dǎo)體傳輸線演變而來的雙導(dǎo)體微波傳輸線,圖2所示為微帶傳輸線結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 微帶線的結(jié)構(gòu)示意圖