1、 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 微带线计算器的研究与开发学 院 物理与电子工程学院 年 级 2009 专 业 电子信息工程 班 级 1604091 学 号 160409114 学生姓名 潘 进 指导教师 范 瑜 职 称 副教授 论文提交日期 2012 年 1 月 9 日 常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文) ，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声
2、明的法律结果由本人承担。本人签名： 日期：常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计( 论文)的 规定，即：本科生在校期间进行毕业设计 (论 文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计(论文)被查阅 和借阅；学校可以将毕业设计( 论文) 的全部或部分内容 编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。本人签名： 日期：导师签名： 日期：常熟理工毕业设计
3、（论文）1微带线计算器的研究与开发摘 要微 带 线 是 现 代 高 频 与 微 波 电 路 设 计 中 运 用 最 多 的 工 具 ， 也 是 从 低 频 电 路设 计 到 射 频 电 路 设 计 的 一 个 飞 跃 。 然 而 ， 由 于 微 带 线 种 类 繁 多 ， 数 学 模 型 十分 复 杂 ， 计 算 过 程 异 常 繁 琐 ， 在 实 际 运 用 中 带 来 很 多 的 困 难 。本课题致力于将复杂的微带线计算公式用计算机编程实现，采用人机友好的图形用户界面（GUI）,采用窗口、光标、按键、菜单、文字等元素构成的用户视窗。用户通过对这些元素的单击、选择等就能很轻松地完成某项功能，
4、这种所见即所得的特性尤其在图形绘制等方面具有很好的应用。对一个需要发布的软件来说，图形用户界面是其首选，并且界面设计的好坏在某种程度上决定了软件在市场上的前途。本 课 题 将 对 微 带 线 结 构 进 行 数 学 建 模 ， 并 且 利 用 Matlab 软 件 GUI 工 具进 行 程 序 设 计 ， 研 制 了 一 个 微 带 线 计 算 器 。 并 且 将 GUI 界 面 通 过 编 译 器 变 成独 立 运 行 的 软 件 ， 能 够 运 用 此 计 算 器 软 件 进 行 的 微 带 线 电 路 的 分 析 与 综 合 设计 ， 从 而 提 高 电 路 设 计 的 效 率 ， 减
5、小 计 算 的 工 作 量 。关 键 词 ： 微 带 线 数 学 模 型 Matlab 软 件 微 带 线 计 算 器常熟理工毕业设计（论文）2Research and development of microstrip line calculatorAbstractThe microstrip line is a tool that widely used in modern high-frequency and microwave circuit design, also it is an enormous leap for Low frequency circuit design to
6、RF circuit design. However, because of the variety of microstrip line, the complicate mathematical model, and the tedious calculation process, in those condition, this tool brings a lot of difficulties in the practical application.The paper is committed to programming, which can realize the complex
7、calculation formula of the microstrip line, and we use graphical user interface(GUI) which is a man-mathine friendly software. GUI has many elements, such as window, cursor, menu and so on. When selecting and clicking these elements , we can finish many function easily, which is called what you see
8、is what you get, so this characteristic is a good application, especially in the graphics. GUI is the first choice for the software that will be published, and its interface design quality determines the future of software on the market.In order to develop a microstrip line calculator, in this paper
9、, we will use mathematical modeling to analysis the structure of the microstrip line, and design program with GUI tools in Matlab software. In addition, GUI will be translated through the complier into a software that can run independently, so that we can use this calculator software to analysis and
10、 integrated design in microstrip line circuit, which can improve the efficiency of the circuit design and reduce the workload of calculation. Key words: Microstrip line; Mathematical model; Matlab software; Microstrip line calculator常熟理工毕业设计（论文）3目录1 微波传输线的发展理论 .41.1 传输线的发展 .41.2 传输线的定义和分类 .41.2.1 微波
11、传输线的定义 .41.2.2 微波传输线的种类 .41.3 微带线 .51.3.1 微带线的发展 .51.3.2 微带线的作用 .61.4 本章小结 .62 微带线的理论分析 .72.1 微带线基本概念 .72.2 微带线的主模分析 .72.3 微带线与带状线的区别 .92.4 本章小结 .103 微带线的主要参数 .113.1 有效介电常数 .113.2 特性阻抗 .113.3 衰减常数 .123.3.1 导体损耗 .133.3.2 介质损耗 .133.3.3 辐射损耗 .153.4 波导波长 .153.5 微带线的色散特性 .153.6 微带线的传输延迟 .183.7 本章小结 .184
12、软件开发流程 .194.1 GUI 概述 .194.2 微带线计算器界面的设计 .204.3 编译器的说明和使用 .224.3.1 编译器的安装和配置 .224.3.2 编译 .234.4 安装 MCR.234.5 去除 exe 文件 dos 黑屏 .244.6 软件运行 .254.7 本章小结 .285 总结 .29参考文献 .30致谢 .31附录 .32常熟理工毕业设计（论文）41 微波传输线的发展理论1.1 传输线的发展微波工程早期的里程碑之一是发展了用于低耗传输微波功率的波导和其他传输线。早期的微波系统依靠波导和同轴作为传输线媒介，波导具有运行高功率容量及低损耗的优点，但它体积大而且价
13、格昂贵。同轴线具有非常宽的宽带，而且便于实验应用，但在其中制作复杂的微波元件是困难的。平面传输线提供了另一种选择，它采用带状线、微带线、槽线、共面波导以及很多其他类似的几何结构，这些平面传输线是紧凑的、低价位的，而且易于与有源器件如二极管、三极管集成来形成微波集成电路。第一个平面传输线可能是平面带状同轴线，类似于带线，在第二次世界大战中用于制作功率分配网络。但是平面传输线知道 20 世纪 50 年代才得到强势的发展。微带线开发与 ITT 实验室，它是带状线的竞争者。第一个微带线采用相对较厚的电介质基片，它突显出非 TEM 波模的行为，以及线上的频率色散。这一特点使它比带状线更不理想，这种情况知
14、道 20 世纪 60 年代开始应用很薄的基片才改变。薄的基片降低了传输线的频率依赖性，而现在微带线经常是微波集成电路的最佳媒介 1。1.2 传输线的定义和分类1.2.1 微波传输线的定义以横电磁 (TEM)模的方式传送电能和电信号的导波结构。传输线的特点是其横向尺寸远小于工作波长。主要结构型式有平行双导线、平行多导线、同轴线、带状线，微带线等，各种传输 TE 模、TM 模，或其混合模的波导都可认为是广义的传输线。1.2.2 微波传输线的种类 微波传输线不仅可以用来传输电磁能量，还可以用来构成多种微波元件，传输线的种类繁多，按其传输的电磁波类型可以分为三类 2：常熟理工毕业设计（论文）51TEM
15、 波传输线，其中包括平行双线、同轴线、带状线和微带线等。这类传输线主要用来传输 TEM 波，具有频带宽的特点。但在高频传输电磁波能量损耗较大。2TE 波和 TM 传输线，又称包微波传输线，其中包括矩形波导、圆波导、脊波导和椭圆波导等，这类传输线主要用来传输 TE 波和 TM 等色散波，具有损耗小、功率容量大、体积大而带宽窄等特点。3表面波传输线，包括介质波导、镜像线、单极线，他主要用于传输表面波，电磁波能量沿传输线表面传输，这类传输线具有结构简单、体积小、功率容量大等特点，主要用于毫米波段，用来制作表面天线及某些微波元件。本章主要介绍 TEM 波的传输线：平行双线、同轴线、带状线和微带线。1、
16、平行双线：传输的是 TEM 波，是使用最早最普遍的一种传输线；当频率提高到其对应的波长与双线的距离相比拟时，其辐射损耗显著增加；而减小平行双线距离会减小击穿电压降低其功率。主要用于中波及短波无线电信中作发射机与天线间的馈线，及有线长途载波通信的传输线（现只存留使用于县乡以下小容量通信系统中，干线通信中已被光纤所取代） 。2、同轴线：采用封闭结构减少了平行双线可能出现的辐射损耗；但随着频率的提高，会出现 TE 和 TM 波，为了抑制 TE 和 TM 波，必须减小截面尺寸，会增加内导体的损耗，降低传输功率。它是一种宽频带的传输线，其频率范围可从直流一直到 100GHz，因此广泛应用于通信设备、测量
17、系统、计算机网络及微波元件之中。3、带状线：带状线的结构是由上下两块板是接地板,中间的导体带位于上下板间的对称面上,导体带与接地板之间可以是空气或填充其他介质。由于带状线可看做是由同轴线演变而来的,因此它传输的是 TEM 波,对其传输特性可以用静态场方法进行分析。1.3 微带线1.3.1 微带线的发展微带线是微波传输线的一种。最初的平行传输线随着频率的升高会有显著常熟理工毕业设计（论文）6的辐射损耗，不适于作很高频段（例如分米波、厘米波段）电磁波的传输线和电路元件，因此发展成封闭结构的同轴线和波导，防止了辐射损耗，大大提高了工作性能，把微波技术推进到一个新的水平。但是，同轴线和波导的最大缺点是
18、体积和重量大。此外，同轴线和波导作为传输线和电路元件还存在机械加工复杂、成本高、调整不容易等缺点。从六十年代以来，无线电技术对小型化的要求日益迫切，改变以波导、同轴线为主体的微波系统已成为当务之急；同时在微波固体器件上已产生重大突破，要求有微波传输线与之配合，此时微带线就占据了重要的应用位置，因为它的下述三个主要特点解决了微波电路小型化、集成化中的主要矛盾 3。1、 可用印刷电路的方法做成平面电路，电路结构十分紧凑；2、 高介电常数的介质基片缩短了导波波长，使传输线纵、横向尺寸均大为缩减；3、 微带线导体的半边是自由空间，连接固体器件十分方便1.3.2 微带线的作用一般的传输线由两个或两个以上
19、的导体组成，用来传输 TEM 波。微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。适合制作微波集成电路。与金属波导相比，其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；但损耗稍大，功率容量小。 1.4 本章小结在本章中，我们学习了传输线的发展，以及传输线的几个类型，一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传输 TEM 波，常见的传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等。其中，微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。常熟理工毕
20、业设计（论文）72 微带线的理论分析2.1 微带线基本概念如果说带状线可以看出是由同轴线演变而成，那么微带线则可以看出是双导线演化而成的。微带线是一种最流行的平面传输线，主要是因为它可以用照相印制工艺来加工，而且它容易与其他有源和无源的微波器件集成。微带线的几何结构示于图 2-1（a） 。宽度为 W 的导体印制在薄的、厚度为 d，相对介电常数为 的接地r电介质基片上；其场力线的示意图绘于图 2-1（b） 。xwd ry(a)(b)H图 2-1 微带线传输线：（a）几何结构；（b）电力线和磁力线2.2 微带线的主模分析严格地讲，微带线属于非均匀介质系统，在非均匀介质的结构中不存在TEM 模，也不
21、存在纯 TE 模或纯 TM 模，而是 TE 模和 TM 模的混合模。微带线可以看成是由平行双导线演变来的，假设在无限均匀介质中有一平行双导线线上E常熟理工毕业设计（论文）8传输的主模是纯 TEM 模，如果在两导线间的中心对称面上放置一个极薄的理想的导体板，将双导线从中心对称面分为上下两部分，如果在任一单根导线和理想导体平板之间馈电，其间仍可传输纯 TEM 模，因而将未馈电的那一根导线移去，也不会改变馈电的导线与理想导体平板场分布。把此馈电的导线变成扁平导体带，就形成了上半空间为同一种介质的微带线，若该介质是空气则称为空气微带线。对于空气介质的微带线,它是双导线系统,且周围是均匀的空气,因此它可
22、以存在无色散的 TEM 模。图 2-2 由普通传输线至带形传输线的演变由于空气微带线的辐射损耗大，没有实际的使用价值，通常微带线是制作在介质基片上的,虽然它仍然是双导线系统, 在导体和接地板之间填充有介质,而上方是空气，因此，这个系统不仅存在介质与导体的分界面，而且存在空气与导体、空气与介质的分界面。在这种混合介质系统中，是不存在纯 TEM 模。可以证明,在两种不同介质的传输系统中,不可能存在单纯的 TEM 模,而只能存在 TE 模和 TM 模的混合模。但在微波波段的低频端由于场的色散现象很弱,传输模式类似于 TEM 模,故称为准 TEM 模 4。 若电介质不存在（ =1） ，则我们可以把这个传输线想象成一个双线传输线，r它由宽度为 W、分开距离为 2d 的两个平的带状导体组成（根据镜像理论接地平面可以拉开） 。在这种情形下，我们应该有一个简单的 TEM 传输线，其中=c， 。p0k电介质的的存在，特别是电介质没有填充带的上边的区域（y d）的实际情况，使得微带线的行为和分析复杂化。由于微带线不能支持纯的 TEM 波，因为在电介质区域的 TEM 场的相速应该是 c/ ，但是空气区域中的 TEM 场的相r
