1、天津理工大学 XXXX届本科毕业设计说明书（毕业论文）射频传输线的设计及仿真摘要射频（RF)是可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从 300KHz300GHz，它是一种高频交流变化电磁波的简称。传输线是用横电磁(TEM)模的方式传送电能和（或）电信号的导波结构,传输线的特点是横向尺寸小于工作波长。射频传输线的设计具有重要的意义，传输线设计是高频有线网络和射频微波工程的基础，为了使能量可以在通信网路中无损耗地传输，良好的传输线设计是重要关键。伴随着计算机技术的不断普及发展，计算机的辅助分析和辅助设计在各个工程领域获得了相当广泛的应用与继承。传输线问题借助计算机来辅助求解计算时，比较准确和快捷。我们
2、利用传输线的相应解析式，用 MATLAB 语言编制了求解传输线问题的一些程序。阻抗匹配是最重要的分布电路设计方法，它直接决定着电路负载获得信号功率的大小。我们就微带线阻抗匹配进行了理论上的讨论及其仿真实现。关键字：传输线理论 MATLAB 计算机辅助计算 微带线特性阻抗仿真RF Transmission Line Design and SimulationABSTRACTRadio frequency (RF) said electromagnetic frequency can be radiation into space,the range of the frequency range
3、from 300 KHZ to 300 GHZ,it is a kind of high frequency ac change electromagnetic waves.Transmission lines based on transverse electromagnetic (TEM) way to transmit power and (or) electrical signals of guided wave structures,the characteristics of the transmission line is horizontal size smaller than
4、 the wavelength of the work.The design of the RF transmission line is of great importance,transmission line design is a high frequency cable, RF microwave engineering, optical fiber communication and so on the basis of photoelectric engineering,in order to make energy can without loss of transmissio
5、n in the 天津理工大学 XXXX届本科毕业设计说明书（毕业论文）communication network, a good design of a transmission line is critical.Along with the popularization and development of computer technology, the computer aided analysis and design in various engineering fields obtained widespread application and development. Prob
6、lem of transmission lines with the help of a computer to assist in solving calculation, more accurate and fast. We use corresponding analytical formula of transmission line, the transmission line problem is compiled with MATLAB language of some of the program. Distribution circuit design method of i
7、mpedance matching is the most important, it directly decides the circuit load to obtain the size of the signal power. Well be microstrip line impedance matching for the discussion of theory and simulation implementation. Key words:Transmission line theory MATLAB computer aided calculation Microstrip
8、 line characteristic impedance simulation天津理工大学 XXXX届本科毕业设计说明书（毕业论文）目 录第 1 章 绪论 .11.1课题背景及意义 .11.2 国内外发展现状 .11.3 本论文的内容安排 .1第二章 传输线理论 .22.1传输线方程 .22.1.1 时谐传输线方程 .22.1.2 均匀传输线的波动方程 .32.1.3 入射波和反射波 .42.2 传输线的特性参量 .42.2.1 传播常数 .42.2.2 特性阻抗 .52.2.3 相速和相波长 .52.2.4 输入阻抗 .62.2.5 反射系数 .72.2.6 驻波比及行波系数 .72.3
9、 均匀无耗传输线工作状态的分析 .82.3.1 行波状态（无反射情况） .82.3.2 驻波状态（全反射情况） .92.3.3 行驻波状态（部分反射情况） .92.4阻抗圆图 .92.4.1 等反射系数圆 .102.4.2 等阻抗圆 .102.5 传输线的阻抗匹配 .112.5.1 共轭匹配 .112.5.2 无反射匹配 .112.5.3 阻抗匹配的方法 .11第三章 传输线问题的计算机辅助计算 .133.1 利用公式求解 .133.2 利用阻抗圆图求解 .143.3 利用计算机辅助计算求解 .15第四章 微带线特性阻抗仿真 .164.1 微带线基本理论 .164.2 微带线特性阻抗仿真 .1
10、74.2.1 ADS设计软件概述 .174.2.2 无损耗微带线阻抗仿真 .17天津理工大学 XXXX届本科毕业设计说明书（毕业论文）4.2.3 有损耗微带线阻抗仿真 .20参考文献 .25天津理工大学 XXXX届本科毕业设计说明书（毕业论文）1第 1 章 绪论1.1 课题背景及意义射频（RF)是可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从 300KHz300GHz，它是一种高频交流变化电磁波的简称。传输线是用横电磁(TEM)模的方式传送电能和（或）电信号的导波结构,传输线的特点是横向尺寸小于工作波长。射频传输线的设计具有重要的意义，传输线设计是高频有线网络和射频微波工程的基础，为了使能量可以在通信网
11、路中无损耗地传输，良好的传输线设计是重要关键。进行本课题的研究能够应用所学的电磁场和电磁波、通信等方面的理论知识，发挥自己的创造力，解决具有实际意义的科学问题，从而巩固了所学专业知识，并从创新和研究能力方面获得了锻炼和提高。1.2 国内外发展现状微波技术的发展与实际应用在相互促进与协调中不断地向前迈进。发展到现在，已经走过了 60多年。第二次世界大战这个期间，微波技术的发展很快，这期间最重要的技术就是雷达的研制。到 1960年以后，随着通信事业的发展，人们开始研究起微波通信和卫星通信。差不多到了 1970年，微波技术的应用范围就不断扩大，在遥感技术、医疗卫生、无损检测与研究等领域有了较大的发展
12、。不仅如此，在以后的发展之中，相继形成了微波波谱、微波生物、微波超导等交叉学科。就目前来看，微波主要向下面几个方向发展：（1）工作频段要向着高频段扩展，高频段是目前的研究重点。（2）微波的元器件及整体设备要向着体积小型化、频带不断变宽的方向发展。不仅使占用体积减小，也增加了器件的使用年限。（3）微波系统要向着自动化、智能化和多功能化方向发展。随着科学技术，尤其是计算机技术的发展与普及，各种不同学科之间的相互渗透，促使微波设备、系统和测试仪表也渐渐实现了自动化、智能化和多功能一体化。1.3 本论文的内容安排本文研究的内容是射频传输线的设计及仿真。全文总共分为四章，第一章主要内容是绪论，主要写了课
13、题背景和意义，国内外的发展情况以及本文的框架结构。第二章的主要内容是传输线理论分析。分析了微波及其特点、传输线方程、传输线的特性参量、传输线的工作状态分析、阻抗圆图和阻抗匹配这几个方面。第三章的主要内容是射频传输线的计算机辅助计算。运用 MATLAB语言设计相关程序方便了传输线的计算。并举例说明了传输线问题的常规算法，同时也说明了调动设计的相应程序解决传输线问题的一般步骤。第四章的主要内容是针对微带线特性阻抗匹配进行理论讨论和仿真实现。天津理工大学 XXXX届本科毕业设计说明书（毕业论文）2第二章 传输线理论导体、均匀介质如果能够引导电磁波沿一定方向传输，我们就可以称其为传输线。传输线传输的电
14、磁波的波形是不一样的，根据这一点，我们可以将传输线分为以下几种类型：第一种：双导体传输线双导体传输线是由两根或两根以上的平行导体组成的，导体中传输的电磁波是横电磁波，又称 TEM波。主要有平行双线、同轴线、带状线和微带线等几种不同的类型。第二种：填充的介质是均匀的金属波导管由于电磁波传播在其管内,所以称为波导。主要有矩形波导、圆波导、脊波导和椭圆波导等几种类型。第三种：介质传输线因为沿着输电线路表面传播,所以称之为表面波波导。主要有介质波导,镜像线和单一表面波传输线等几种类型。一般情况下，我们要求的传输线要有以下几个特点：1、损耗小2、工作频带宽3、功率容量大4、尺寸小且均匀2.1 传输线方程
15、传输线方程是用来研究传输线上电压、电流的变化规律，以及电压、电流之间相互关系的方程。一般可以通过均匀传输线的等效电路推导得出。2.1.1 时谐传输线方程对于一段均匀传输线，在其上面取一个微元段 ，设其集中参数分别为 、 、zdzdR0zG0和 。另外，还知道传输线的始端接的是正弦信号源，其角频率为 ，终端接负载zdL0zC0 阻抗的大小为 。同时，我们将坐标原点选在初始端。设距始端 处的电压为 ，电流为 ，LZ zui则经过 段后电压为 、电流为 。因为它们既是坐标 的函数，又是时间 的函数，zdudid t所以，可将其分别表示为 ， 。可得经过 段后电压和电流的变化量为),(tz),(tzz
16、dzii zuudttzd),(),(,天津理工大学 XXXX届本科毕业设计说明书（毕业论文）3依据基尔霍夫定律，而且忽略方程中的高阶小量，可得（2.1.1）tuzzi tizzudCtGtdLiR),(),(),( ,00由于电压和电流随时间做相应的变化，可得其瞬时值 ， 与复数振幅 ， 的关系为iUI（2.1.2）)(Re),(tjzItziUu将式（2.1.2）代入式（2.1.1）中，消去等式两边因子 ，可得tj)()(00zUCjGdzIILRU令 ， ,就得到时谐传输线方程为ZLjR0YCjG00（2.1.3）)()(zYUdzIZI式中：Z单位长度的串联阻抗。Y单位长度的并联导纳，
17、但 。Z式（2.1.3）表明：传输线电压的变化其实是由串联阻抗的降压作用造成的，而电流的变化则是由并联导纳的分流作用引起的。2.1.2 均匀传输线的波动方程将（2.1.3）两边对 再求一次微分，使 ，可得z )(0002 CjGLjRZY均匀传输线的波动方程为（2.1.4）0)()(22zIdzIU其通解为：)(1)(20zzeAZzIeU （2.1.5）天津理工大学 XXXX届本科毕业设计说明书（毕业论文）4式中： 传输线的特性阻抗， ；0Z 00CjGLRZ传输线上波的传输常数， ，其中 为实 jj)(00部， 为虚部；待定系数，为一常数，其大小由传输线的终端或始端给出的已知条件确定。21
18、,A2.1.3 入射波和反射波根据复数振幅和瞬时值大小之间的关系，可得传输线上电压和电流的瞬时值的表达式：（2.1.6a）),(),()cos()cos(Re 21tzut zteAzteAUzri zZtj （2.1.6b）),(,)s()s( 0201tziti ztZztIzr zztj上式表明，传输线上任一点处的电压和电流是由两部分组成，第一部分表示的是从信号源向负载方向传播的行波，即入射波。第二部分表示的是从负载向信号源方向传播的行波，即反射波。2.2 传输线的特性参量传输线的特性参量主要包括：传播常数、特性阻抗、相速和相波长，输入阻抗、反射系数、驻波比（行波系数）等。2.2.1 传
19、播常数传播常数 一般为复数，可表示为（2.2.1） jCjGLjR)(000式中，实部 衰减常数，单位为分贝/米（dB/m）或奈培/米（Np/m）；虚部 相移常数，单位为弧度/米（rad/m）。对于低耗传输线，一般满足 ,所以有000,LR（2.2.2）0002 CLjGC对于无耗传输线 ,则有,0R天津理工大学 XXXX届本科毕业设计说明书（毕业论文）5（2.2.3）0CL实际应用中，常常可以把微波传输线当做低耗传输线来看待，这样就可大大简化传输线的定性分析。2.2.2 特性阻抗传输线的特性阻抗的定义如下：传输线上入射波电压 和入射波电流 之间的比值大小，或反射波电压 与)(zUi )(zI
20、i )(zUr反射波电流 之比的负值，即)(zIr（2.2.4）000)()(CjGLRzIUzIZri 式（2.2.4）就是传输线特性阻抗的定义公式。对于无耗传输线 ，则有0,0GR0CLZ对于低耗传输线，则有 0LZ2.2.3 相速和相波长传输线上的入射波和反射波是传播方式是不一样的，它们速度相同，传播方向不同。相速 则是指波的等相位面的移动速度。入射波的等相位面满足的方程为p常数 （2.2.5）zt对式（2.2.5）求导，就可以得到入射波的相速 p（2.2.6）tzpd相波长 与相速 区别在于， 是指波在一个周期 T内等相位面在传输线上移动的距离，ppp即（2.2.7）rppfT02式中
21、： 电磁波频率；f天津理工大学 XXXX届本科毕业设计说明书（毕业论文）6振荡周期；T真空中电磁波的波长；0周围介质特性参量。r2.2.4 输入阻抗传输线理论中有很多重要的概念，阻抗是其中之一。用它来分析传输线的工作状态是很方便的。在均匀无耗传输线上，将输入阻抗定义为：（2.2.8）zjZzZLintan)(0式（2.12)可以看出，均匀无耗传输线上 处的输入阻抗 与 ， ， 及工作频率都)(i0ZLz有关系。当传输线和负载阻抗均为给定值时，在线上分布的各点的输入阻抗随着距终端的距离的改变呈现周期性变化，（周期= ）。且在一定的点上，有一定的阻抗关系，其关系式l 2/如下所示：（ =0,1,2,） LinZl)(2nl（2.2.9a）( =0,1,2,) Linl20)(4)1(l（2.2.9b）从式（2.2.9a）和（2.2.9b）可看出，当传输线上某点的输入阻抗等于其负载阻抗时，则该点距负载为半波长的整数倍，当某点的输入阻抗与特性阻抗的平方与负载阻抗的比值相等时，则该点距负载为 的奇数倍。若 的传输线则具有变换阻抗性质的作用时，有且仅当4/4/为实数， 为复数。0ZL并联电路的阻抗计算，均匀无耗传输线上的输入导纳为表达式为（2.2.10）zjYzZYLinin tan)(1)(0式中： 特性阻抗， ;0Y0负载阻抗， 。LLZY1
