毕业论文天线微带巴伦的设计

毕业论文（设计）

题目天线微带巴伦的设计

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天线微带巴伦的设计

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【摘要】凭借传输线的阻抗与阻抗匹配的知识和微带天线的传输的理论设计了一类宽带微带巴伦（平衡/非平衡转换器）。相对于传统基于共面波导和共面带状线的微带巴伦而言，所设计的这个新型微带巴伦采用的是低介电常数介质基板制作，它设计的结构精致小巧，并且花费很便宜。我们设计了一个 50Ω非平衡到 50Ω平衡馈电转换的微带巴伦，通过理论的计算，证明了该宽带微带巴伦具备了优异的超宽带特性，可以在从 0.1GHz 到12.5GHz 的频率范围内，计算得到的馈电端口的反射系数都是低于-9dB，插入损耗小于3.5dB。

【关键词】宽带微带巴伦共面波导微带天线

Design of a Novel Ultra Wideband Microstrip Balun

【Abstract】A novel wideband microstrip balun (balanced to unbalanced transformer) based on transmission line's impedance,impedance matching and microstrip antenna transmission is introduced.In comparison with one kind of traditional microstrip baluns, which consists of coplanar waveguide and coplanar strip line, the proposed balun has several advantages such as low-cost, compacted and easy to be fabricated, because it can be fabricated on a substrate with low dielectric constant and it has simple structure without a complex slot. As an example, a balun, which can carry out the transformation from the 50Ω unbalanced to the 50Ω balanced mode, is designed. Results of theoretical calculation show this balun possesses quite promising ultra wideband properties. In a very large frequency band ranging from 0.1GHz up to 12.5GHz, its return loss and insertion loss are lower than -9dB and 3.5dB respectively.

【Key words】wideband microstrip balun waveguide ground strip line

目录

1 序言 (1)

1.1 巴伦的简介 (1)

1.2 微带巴伦的工作原理 (1)

1.3 巴伦的种类 (2)

2 设计概述 (4)

2.1 背景与国内外研究现状 (4)

2.2 论文主要工作 (5)

2.3 论文结构 (5)

3 微带巴伦结构与阻抗计算 (5)

4 巴伦的设计 (10)

5 结论 (11)

6 总结与建议 (12)

参考文献 (14)

致谢 (15)

1 序言

1.1 巴伦的简介

巴伦就是平衡非平衡转换器的英文翻译，按照天线理论的原理，我们知道偶极天线是属于平衡型天线一类的，而同轴电缆则是属于非平衡传输线一类。假如我们把他们直接的连接起来，那么在同轴电缆的外层就会有高频电流的流过，也即是依据同轴电缆的传输原理知道，高频电流应该是在电缆的内部流动，而其外皮层就是屏蔽层（就是不导通的，绝缘的），则是没有电流的流动，如此一来，一定会影响天线的辐射效率与效果的（可以假设成电缆的屏蔽层同时参与了电波的辐射），因此，为了能够解决好这样的一个难题与问题，是需要在天线与电缆之间加入平衡非平衡转换器的，用此来切掉流入电缆屏蔽层的外部的电流，也就是说把从振子流过电缆屏蔽层的外皮的高频电流给切断[2]。有很多种办法可以采用，有高频开路法，有抵消法，再有就是变压器法，还有一种是抑制法，但这种抑制效果没有前述几种好，这里只简单的介绍，将会在后面的章节中说明。要记住的是我们仅仅只是截断屏蔽层外皮的高频电流，而不是所谓的截断流向屏蔽层的所有高频电流（要是这样的话不如直接把振子和电缆皮断开就得了），高频电流是在屏蔽层的里面流的。形象一点我们可以把电缆想象成一个水管，本来应该是希望水都在水管里流，如不加巴伦，水不单在水管里流，而且有一部分还流到了管子的外皮给浪费掉。所以引入巴伦的作用就是防止水的跑、冒、滴、漏，迫使水都能在水管里流。天线需要巴伦来达到某些匹配。如倒V天线的制作，首先是要求架设得尽量高，其次是架设的地方要尽量开阔，最后是尽量远离干扰源架设。天线振子用一般的电源线（俗称花线）就可以，有绝缘皮或是裸铜线都影响不大，线选粗一点可提高机械强度和辐射效率（但是效果并不十分明显，只是理论上的事），可以通过修剪振子的长度来使天线与电缆匹配。综上这些特点，一方面巴伦可以用作阻抗变换，也可以用作某些天线馈电的不平衡到平衡的转换。所以巴伦在微波技术中的天线领域已经有了广泛的应用，而且还有很大的发展潜力与提升的空间。

1.2 微带巴伦的工作原理

微带巴伦的主要功能有两个，一个就是把微带高频信号从单端的不平衡输入转变成为平衡输出的功能[9]，另一个是完成阻抗匹配的功能。这两个功能对微点天线的传输性能与效率有很重要的作用。

如下图，巴伦的左边一端接地，此端叫做不平衡端口；巴伦的右边有两个连接端口2和3，注意的是：这两个端口都没有接地，使得他们对地的效应都是高阻抗，那么这样的接端口就叫做平衡端口。若是在这两个平衡连接端口的两端与地之间都接上相同或是相等的负载电阻，那么这两个端口就会对地产生大小相等而方向相反的电压，即是

.

2.31

V V =-,图中从电

源端向负载端方向看

进去，得到的等效输

入阻抗为

2212(2)in L L R R R n n ==

由上式我们看的出：

只要改变变压器的变

压比n ，就可以使等效的输入电阻与信号源的内电阻相等而达到匹配。

1.3 巴伦的种类

巴伦按照用途的不同可以分为很多种。在天线的应用领域内，通常使用巴伦的主要作

用是：通过在天线和电缆之间使用平衡非平衡转换器，放入到电缆屏蔽层外层来切断流入

此间的电流[9]，换句话说就是用巴伦来切断从振荡器渗流到电缆屏蔽层外层的覆盖高频电

流。在微带天线的应用领域里，我们所知道的比较通用的种类主要有以下几种。

（1）抑制法

原理是：为了能起到阻止高频电流流向电缆屏蔽层外层的作用，引入一个高频扼流圈，让天线的中心振子经过它而接入到电缆屏蔽层的外层。这种方法其实就是把电缆绕上十圈

左右那样的的简单，当然绕在磁环上最好不过了，不过空心的也没有多大关系，大多数时

候是采用频率低多绕几圈，频率高少绕几圈。

（2）高频开路法（如右图）

此方法是在电缆屏蔽层

的外皮层的λ/4处连接一个

λ/4的套筒[17]，即是等效成

为一段λ/4的开路线，因为

λ/4的开路线对此种频率的

天线微带线是被视为开路

的，因而是能够达到截断高

频电流的作用。这种方法很

常用，不仅仅工作带宽很窄，而且很适合用于大功率的器件之中或是高频率的场合里，主

要是因为在低频率段，λ/4的套筒

就会（理论等效起来）显得很长。

（3）U型管对称变换器

U形管对称变换器最大的一个

特点，也是最主要的特点就是频带

很窄，它由同轴电缆构成，由于其

结构简便，花费的成本低，并能够

起到300Ω到75Ω的变换作用，所

以更多的时候是适用于电视转换

的接收装置[16]。

如图所示：同轴线内导体的一个点a与天线振子右臂直接连接，再经a点弯曲成U形的半波长段长度相同规格的同轴电缆，并在点b和振子臂连接，从而使得同轴线有一个180度的相移，点a与点b两点的电位相对于地面是有相等的幅度和相位的相反。这个弯曲不仅有对称变换的功能，并且还起到阻抗变换的作用。假如天线接收到的输入阻抗是300Ω，

则在每一臂的输入端与零电位点之间产生的阻抗是300Ω的一半，即是150Ω。根据传输线的理论得知，半波长电缆的输入阻抗达到匹配时，也即是U形弯曲管的输入阻抗值和电缆的负载阻抗值相等时，那么等效值就是并联在a点的两个纯电阻的值相加，在a点并联的两个电阻中每一个都是150Ω。由此便达到了良好的匹配，使得电缆负载阻抗等于特性阻抗值75Ω。

（4）变压器法

原理是：为了实现平衡非平衡的转换，对于高频信号，我们利用高频变压器的作用来实现转换的效果，使双向平衡电流输入变换成为单向的不平衡电流输出，这好比推挽输出变压器那样。对于变压器没有太严格的要求，可以是磁心绕制而成，也可以是空心绕制而成，总之这种方法是适合大功率使用的[17]。

（5）抵消法

原理是：采用合适的方法促使流入的电流大小相等但是方向相反而达到互相抵消的效果，应用较多的是常见的用磁环三线绕成的平衡非平衡转换器，这种方法的设计会产生较宽的频带，但是使用大功率时会受磁环磁饱和的限制，所以适合于低频率小功率的使用。

2 设计概述

就天线和混频器及其他设备而言，巴伦为实现非均衡到均衡转换的重要器件。这样的转换器对于微带信号的传输与性能都有着很大的帮助与改善，所以宽带巴伦的研究设计对于天线设计和生产开发等领域都起到了相当重要的作用。我们知道巴伦是微波平衡混频器，倍频器，推挽放大器和天线馈电网络等平衡电路布局的重要组成部分[17]。Marchand 在1944年第一个提出了基于TEM 模型的同轴传输线巴伦结构。前不久，研发成功的微波集成电路(MIC )和微波单片集成电路(MMIC)的平面巴伦备受人们的关注。除了一些设计上的修改，利用平面宽边输电线路设计MIC和MMIC巴伦，可是他们却没有提出定量分析设计方案。这样就很难于测试的检验与工程的实施。接着Tsai 和Gupta根据准TEM 模新型双耦合线巴伦的等效电路，提出了 Pavio巴伦的研究和设计方法[17]；Randal 和 Cam提出了一个多层 Marchand 巴伦散射参数和设计方程；Kian 和Yoke提出多节阻抗变换传输线巴伦，以增加传输线等效偶模阻抗的办法来设计高性能的巴伦[18]。

2.1 背景与国内外研究现状

在天线的领域，像平面螺旋天线（sprialnaetmras），印刷偶极子天线（printeddipoleantennas），曲折臂天线（sinuousantennas）和对称偶极子天线...如果需要天线馈电的时候，不但要求阻抗匹配，而且要求馈电网络有宽带的带宽。微带传输线具有体积小，质量小，频带宽，方便微波集成电路连接，可形成各种用途的微波元器件等优点，已经被广泛的使用。由于天线频带的逐步加宽，对巴伦频带的要求也越来越不能满足。再加上一般的巴伦不可以良好地使用在天线馈电网络上，尤其是，随着如今通信技术的壮大，通信容量的日益扩大，就使得天线在相当大的宽频带内运作，并且对巴伦的质量与性能的要求也越来越高。由微带传输线构成的微带巴伦拥有超过一个微带传输线的性能和能实现宽频带的特性，它的设计有利于微带传输线的绩效发挥或是说能扩大其本身的功效，所以，宽带微带巴伦的研究俨然是热点研究方向。据了解国内外许多的文献都对微带巴伦进行了大量的研究，同时也设计出了许多不一样的新的结构微带巴伦，还对微带巴伦进行了大量的不同程度的改进。但是最近几年，随着现代传媒的发展与社会形势的要求，微带巴伦越来越得到人们的广泛关注和研究，国内外已经产生了许多的新型结构特征的巴伦，这些宽带微带巴伦的研究设计已经得到了许许多多人或是国家的认可，并且还有一些研究文献可以表明。下面举例说明，文献[ 1 - 9 ]中就介绍了一些优秀的宽带微带巴伦的设计，基于各种不同的方法与理论依据，研究设计的巴伦适合于不同的场合，当然它们都有自己的优点和缺点。像文献[9]里的宽带巴伦，成功的使用了结构互补的共面波导(Coplanar Waveguide, CPW)和共面带状线(Coplanar Strip Line, CPS)[9]，完成了50欧

姆不平衡的馈电到80欧姆的平衡馈电的转换，工作频带属于低频范围[9]。可是存在一些缺点：选择了相对介电常数为10.2的大介质作为基板，使得成本相当的昂贵；并且还使用了复杂的扇形槽结构，缺乏明确的设计方案和实施方案，这样就使制作增加了很大的困难；为了确保金属导带分割的两个共面波导金属接地面等势，使用导电桥连接两个金属地面的连接方式，务必会对紧凑美观的巴仑结构产生一定的不利影响[9]。

2.2 论文主要工作

在现在的经济社会背景下，我们本着花费成本越低廉、结构越小巧精致和制作越简单的目的设计宽带微带巴伦。在国际形势下，我们看出巴伦在通信等信息化的通道与市场上的潜力与强大的作用。为此，我们需要考虑设计的相关因素，就本设计而言，着重研究传输线阻抗，阻抗匹配与微带天线的相关内容。

2.3 论文结构

第一章序言。

第二章开发概述。

第三章微带巴伦结构与阻抗计算。

第四章巴伦的设计。

第五章结论。

总结以及建议对天线微带巴伦的设计

参考文献

致谢

3 微带巴伦结构与

阻抗计算

我们知道微带天线是

由导体薄片粘贴在背面

有导体接地板的介质基

片上形成的天线。微带天

线是20世纪70年代出现

的一种新型天线，主要是

应用于微波波段，因为它

体积小，重量轻，能与载

体共形，制造成本低。目前，微带天线在卫星通信，雷达，武器制导，便携式无线设备等领域都有应用。

基于本文设计的目的，第一

次采用接地共面波导

(CoplanarWaveguideGround，

CPWG)和耦合微带线

(coupledstrPiLine，CSL)来尝

试着设计制作一种新类型的微

带巴伦。通过采用介质板背面的地使共面波导的两个接地面连接在一起，不用通过导线在表面架桥的方式来连接，因而这样

的巴伦的结构会变得更加好看巧

小，同时性能也更加的优化。如右

上图，在介质板的接地共面波导部

分，我们引用了切比雪夫阻抗变换

段，从而使接地共面波导一端的非

平衡端口的特性阻抗为50欧姆变换

成为与天线特性阻抗相匹配的值，以此用于天线的馈电网络。由于成本的考虑，我们选用的是相对介电常数为 2.65的聚四氟乙烯介质板作为基板[9]（文献[9]）。这次设计的天线微带巴伦结构由接地共面波导和耦合微带线组成，上边三图为这次设计的天线微带巴伦结构俯瞰图、正面图和侧面图，首先接地的共面波导是非平衡端口，其次是耦合微带线对应平衡端口，最后在接地共面波导的部分我们引入了阻抗变换段[9]。

这个微带巴伦的结构相当的简单，并没有采用所谓复杂的缝隙和LC电路结构。只需要在基板的侧壁敷涂金属连接面，再把接地共面波导的正面两个金属地和背面金属地相互连成一个整体，这样就确保了金属地等势，从而避开了使用导电桥方式的连接，促使结构变得相当的美观、小巧[9]。

阻抗是对于有电阻，电感和电容的交变电流电路中所起到的阻碍作用被称为阻抗。阻抗常用Z来表示。电阻，电感和电容是阻抗的三个组成部分，但不是简单的三个的总和。阻抗的单位是在欧。对于直流，对象对电流的阻碍效应称为电阻，所有材料定都有电阻，但是电阻值的大小有差异，因为材质的不同会产生不一样的电阻率。电阻很小的材料称之为良导体，像金属等等；电阻极大的物质被称为绝缘体，像木材和塑料等等。也有一种处在半导体和导体之间的电阻值接近零的物质叫做超导体。可是交变电流场除了电阻会阻碍电流，还有电容和电感同样也会阻碍电流的流动，只不过阻碍的方式不同，这种影响被称之为电抗，即阻碍电流的作用。电容和电感的电抗分别叫作电容抗和电感抗，简而言之容

抗和感抗。同样测量单位也是欧姆，但是他们值的大小和交流电的频率相关，这是实验测出来的，容抗与频率的变化成反比，反之感抗与频率的变化成正比。而且，电容抗和电感抗的区别还在于相位角度，具有向量上的关系式，所以才有阻抗是电阻和电抗的矢量和之说。对于一个特定的电路，阻抗不是常数，而是随频率改变而变化的。在电阻，电感和电容的串联电路上，电路的阻抗一般高于电阻，即是阻抗减少到最低限度。相反的，电感和电容的并联电路中，谐振阻抗会增加到最大值。

但是在我们的这个天线微带巴伦设计中，主要是由接地共面波导和耦合微带线两部分组成，其中接地共面波导称作非平衡端口，而耦合微带线叫做平衡端口。由其结构得知涉及的计算主要是接地共面波导阻抗的计算、再是耦合微带线阻抗的计算和当在接地共面波导部分加入阻抗变换的切比雪夫阻抗变换计算。

（1）微带接地共面波导阻抗计算：众所周知，微波传输线是现在重点研究的课题内容，而作为一种有着固定传输特性的新型传输线，共面波导与其变型结构已经成为了如今的一个研究热点。在经过一些列论证和比较之后，在众多计算方案中，我们最终采用了保角变化分析法，因为我们发现这种方法对于以准TME 波为主模的接地共面波导传输来说是最为方便而又实用的，在表达式上，也能最大限度的简化以往繁杂的计算。当然，保角变换公式分析法也是有其使用限制的，具体来说，这种方法在理论上的准确程度仅仅是在零频率上的推导中能得到体现，但是在实际的微波集成电路中，我们发现由于线尺寸和介质基板都非常小，所以在这种特殊情况下，传输参数与频率的关系可忽略不计，即使是在频率很高的时候，我们也依然可以认为这二者无关联，即频率为零，于是保角变换分析法仍然有用武之地，特别是在研究变型结构的共面波导的时候，保角变化的静态分析法具有不可替代的优越性和重要性，所以凡是有关于接地共面波导阻抗的计算内容，在本次设计中一律都采用的是保角变换法。毫无疑问，相比于传统的微带传输线而言，共面波导拥有更多得天独厚的优势，其中最突出的莫过于接地共面波导能在介质基片的一边产生中心导体带，这样能大大提高传输线的有效传输效率。除此之外，它还能在紧靠中心导体的侧面产生地面层，由此，它与地面间的寄生电感也被降低了不少，同时还会在介质基片的另一边产生金属层，有效降低了传输过程中带来的辐射。再加上它在其他方面还有很多非常重要的优势，比如它制造难度小，各种元器件安装起来非常方便等等。这使得这款新型传输线的应用备受关注，越来越多的进入人们的视野，成为了一项潜力巨大的新技术。

接地共面波导的阻抗的计算，我们采用保角变换的方法

[10]（引用文献资料），阻抗计算公式如下：

012'

'

1260()()[]()()eff Z K k K k K k K k π

ε=+ （3.1）

上式子中1()K k 称作第一类完全椭圆积分，1k 为模数，'1k 为余模数，即'2111k k =-，而

'1()K k 称作余模数的第一类完全椭圆积分，又称'1()K k 是第一类余椭圆积分[9]。因为上式关系到

椭圆函数的积分问题，所以实际应用不方便，这里不便推导，只作为引用性的介绍。 上式中的等效介电常数eff ε的值为： '2212'

'

12()/()1(1)()()()()eff

r K k K k K k K k K k K k εε=+-+ （3.2）

其中r ε为介质板的相对介电常数值。

（2）微带耦合微带线阻抗计算：耦合微带线在无源和有源的微波集成电路中有着广

泛的应用，像是在定向耦合器，滤波器和阻抗匹配网络中的应用。对称耦合微带线，就是相耦合的微带线具有着相同的大小，相同的导体带和地面材料，以及相同的填充介质[8]。耦合微带线由部分介质组成的不均匀系统，准确的说，它是具有分散特点的混合模式。所以，耦合微带线的分析也是越来越复杂，最通用的分析方法是准静态分析法，就是耦合微带线的传输模式是被视为TEM 模式（准TEM 模式）。根本上，当在耦合线的双单线激励（奇数模式激发和激励模式）的同时，其中的两种电磁耦合的状态（奇数模式耦合的耦合模式）导致了耦合线将出现两种不同的传输模式，即奇模波和偶模波。

（3）切比雪夫阻抗变换的原理与方法：在负载阻抗与传输线的特性阻抗不相等，或是连接两节传输线的特性阻抗是不等的情况下，产生阻抗的不匹配的反射现象，导致了传输系统的容量和传输效率降低，这样负载就不能获得最大的电力负荷。要消除如此的不利的反射现象，可在其间加入一阻抗变换器，从而获得良好的匹配。微带电路中，最常见的应用阻抗变换器主要由以下形式：

一：渐变线

对于不同的阻抗，传输线的特性阻抗逐渐的由一个阻抗值变到另一个阻抗值。使连

接区域的反射系数控制在允许的范围内，不仅能提高宽带又可以不使变换器的尺寸太大。

二：λ/4式变阻器

在电磁微波技术和微带电路中已广泛的应用。宽带变阻使用的是多段变阻器。使用最

紧凑的结构和优异的性能，在实际中，还采用了综合设计的方法，它属于窄带阻抗变压器。

三:短节变阻器型

顾名思义，此种短节变阻器的每节的长度都相当的短，只有λ/32或λ/16长[9]。定义

上讲：它是由L 、C 集总参数变阻电路变换而来的[9]。相对于λ/4多节变阻器，此种变阻

器有很大的改善与提高，在同样的变阻器总长的前提下，此种结构的特性有着显著地提高。在微波电路中，它是很实用的，并且结构外观看起来简单、紧凑。

综上所述：切比雪夫阻抗变换器是一种短变阻器，它具有其它阻抗变换器所没有的许多优点，所以一般的我们又把切比雪夫阻抗变换器的设计方法另称为“优化方法”。主要原因是：比雪夫阻抗变换器的过渡期段的总长度是最短的，在此有两个前提，一是相同的给定的工作频段，二是允许的最大的反射模式；换句话说，在最大对我反射系数和总长度的前提下，有着最宽的工作频带。设计如此转换器，我们会发现转换器的总反射系数的模在通带内按一定的规律在变化，这种规律就是n阶第一类切比函数（这是一个多项式）规律，因此叫作切比雪夫阻抗变换器。在这里，只作一个简单的了解性的介绍。

下面介绍有关方面的微带巴伦的插入损耗：微带线的损耗包括三种损耗，一是导体的损耗，二是介质的损耗，三是辐射的损耗[7]。介质的损耗是由于微波基板中大分子碰撞交替极化和互相摩擦引起的热损失而造成的，也即是因为存在一个漏电造成的损耗；损耗主要是导体的损耗，一方面受接地和导体带都是有限电导率的限制而造成的损耗，另一方面的损耗是由于耐磨损耗电阻而造成的；辐射的损耗主要是介电损耗和导体的损耗，它是由带两边的半开放的地区对电磁波的辐射而产生的。结合以上几种损耗，以及综合整个研究设计过程与实际问题的考虑，我们总结了以下几个影响微带线损耗的主要因素：1，电导率。这里是指导体材料本身的电导率，成反比例关系，微带线损失随着微带巴伦的导电性的增加而减小；反之也成立。

2，工作频率。此处说的是微带线的工作频率，成正比例关系，微带线的损耗随着工作频率的增大而增大越高，就大；反之也成立。

3，导体表面光洁度。由于导体表面的粗糙度大于或是等于该导体的透入深度，就会增加电流流动的有效途径，不仅仅是被利用的那部分电流的流动，也包括了未被利用而损耗的那部分电流的流动，进而会增加导体的损耗，所以导体表面的光洁度对微带线的损耗会产生重大的影响。

因此，在实际的设计引用中，我们更愿意选择相对介电常数比较大；单片基板的厚度应是不变；电阻率和介电强度应是高、导热系数应是高；在所需的频率和温度的范围内有一个是常数的介电常数。这些特点的满足，足以称的上是理想的基片材料，特别是在微波集成电路中，我们强调这几个优点集于一身的基片材料更适合理论的研究与工程开发设计。为了更优性能的设计出基板，并能够很实用的运用于实际的工程中，而且发挥出其让几乎所有的高频能量集中在金属带与绝缘材料内的作用与特性，我们通常选择相对介电常数》1的介质板为基板。

4 巴伦的设计

在现金的社会背景下，国际社会形势

的驱动下，大家知道，研究设计的东西都

趋于简单智能化，形成了结构化的模式，

同时也提倡节约型社会，再者设计研究的

东西的实用性要足够的大，能够解决实际

的重要的问题，为了把微带巴伦的理论与

设计推广，由知识层面走向应用化，更好

的面对实际应用与工程，走向社会国际化，

我们根据巴伦结构与理论方案，结合一些

设计的经验与技巧，采用从特殊研究设计

再推广到一般的方法，设计了一个50Ω非

平衡到50Ω平衡馈电的转换的微带巴伦。

如右图：为了降低工程实施的难度，综合

材料本身的特性与限制，我们选择的是聚

四氟乙烯板，它的相对介电常数是2.65，这种介质基板的厚度为1mm[9]。下面计算微带巴伦的阻抗值，首先是接地共面波导部分的阻抗计算，1s=2.8mm,1w=2mm,1l=10mm，采用上述的接地共面波导阻抗计算的公式，计算得到的阻抗值是49.78Ω[9]，其次耦合微带线部分的阻抗计算，2s=2.8mm,2w=2mm,

l=10mm，采用上述耦合微带线的经验理论计算，得到得到

2

的阻抗值是50.02Ω[9]。值得一提的是：本次设计中，大家会发现，接地共面波导的金属导带宽和空隙宽度的值，相比较于耦合微带线的金属导带宽和空隙宽度的值，奇怪的是结果是一样的，但这是纯粹的偶然。我们仅仅从实验设计的角度来看待这个问题，从定性上去设计研究分析比较，定量上的我们暂时不予计较，因为我们是运用了从特殊到一般的理论研究方法。

从下图中我们得到仿真理论计算的结果：频率的变化范围是0.1~11.6GHz，在这个变化的范围内有两个显著地现象，一是其反射系数都是小于-10dB[9]，二是由仿真计算得到的非常小的插入损耗，其值仅仅不超过1dB[9]。这种理论的结果很是准确，有文献[1,7,9]可以佐证。

图形分析是一种定性定量分析的结合，有利于更准确地分析实际的工作问题与难题，并且对于理论的真实性反应很是可靠，对于设计工程的实际也是很有指导性与方向性，更

是对于理论的研究有前瞻性。从上面的仿真理论计算结果我们可以得出结论：此次设计的这个新型天线微带巴伦具有一个超强的特优点，就是它拥有十分优良的超宽带特性。从0.1GHz的低频一直延伸到12.5GHz的高频范围内，这都是其工作频带，明显的其工作频带大大的提高增宽了。这种优势特点不但相比于传统巴伦的带宽是远远的提高了，而且相比于现有绝大多数文献设计的宽带微带巴伦的工作带宽也是大大的提高了。下面就一些参考文献中的微带巴伦的工作频带举例对比说明，像是改进了的Marchand巴伦，拥有从0.3GHz 到2.3GHz的工作频带（文献[2]）[9]；用于偶极子天线馈电的宽带巴伦，拥有从2.14GHz

到3.34GHz的工作带宽（文献[3]）[9]；文献[4]中是拥有带宽为1GHz的宽带微带巴伦[9]；

文献[5]中是拥有从低频至3.4GHz高频的工作频带的宽带巴伦[9]。从此上的分析来讲，以及从历来的参考文献与设计来对比，此次分析研究设计的微带巴伦拥有足够宽的工作频带，有利于提高微带巴伦本身的特性，更突破性的说明了巴伦的作用与将来的美好发展，这还显著地提高了天线传输的性能与通信的效率。

5 结论

本次设计的新型微带巴伦是通过数值模拟的理论计算的，引用了一些可行、可信的研究结果，我们得出的结果是此种类型的巴伦具有宽带性能的特点，详细的主要结论如下：

1.尽管采用接地共面波导和耦合微带线这两种常用方法，但是我们对其进行了创兴型的改进与改良，进而设计了一种新型的微带巴伦平衡非平衡转换器，并且实现的微带巴伦具有宽带特性这一突出性的特点。这个方案的实施是受到文献[9]的影响与启发，从而对50欧姆非平衡到50欧姆平衡馈电转换的微带巴伦进行了尝试性的设计，最后得出的结果说明此次设计的这种巴伦是具有超宽带特性的显著性能，因为相比于以往文献中的巴

伦，它是具有更宽的带宽和更优良的性能，可以从低频率带宽范围逐步扩大到高频率12.5GHz。这种设计的理念尽管是基于文献的，但是对使用接地共面波导和耦合微带线设计微带巴伦平衡非平衡转换器的实际设计中，我们做了很多的改变。这种改变的优势也从结果中体现出来了。

2.相比传统的微带巴伦，使用接地共面波导和耦合微带线设计的新型微带巴伦是具有以下的特点：

稳定性高：因为使用了接地共面波导侧壁部分的表面涂金属连接面的方法是可以实现接地共面波导周围的等势的，这种等势是利用了材料自身的特性，利用这样的特性是很巧妙的，这样就可以防止采用线桥方式连接电线的传统方法，相对比起来此种方法可以消除辐射的影响，进一步提高系统的优良性与稳定性。

结构简单美观：此次设计的新型微带巴伦的结构是大大的被简化了的，主要是没有像传统的方法那样增加专门的电路结构，比如像是一些复杂的LC电路和槽结构等，因而这种新型微带巴伦的结构比传统的巴伦看起来简单，小巧，美观（当然实际上也是如此）。

成本低:在设计新型微带巴伦中，由于使用的介质板的相对介电常数比较小，并且从材料自身的特点出发来为设计所使用，这样大大的节约了成本。但是，按照传统的方法，采用共面波导和共面传输线的方法来设计的不平衡—平衡阻抗变换微带巴伦，它们一般都是选择相对介电常数较大的介质板，不仅仅成本上增加了，而且对于设计的阻抗变换巴伦的平衡输出的阻抗越大，这种设计方法在实际的工程中所需要得共面线的距离就越小，这样就会直接的增加工程实施的难点。可是在本次微带巴伦的设计里，是不存在这个问题的。

3.接地共面波导阻抗和耦合微带线的阻抗计算，可用于高频条件设计微带巴伦阻抗的求值。使用在本次微带巴伦设计中，计算分别得到的结果是，接地共面波导阻抗值是49.78欧姆，耦合微带线的阻抗值是50.02欧姆。在设计的巴伦背靠背连接时，因为频率的变化从0.1到12.5GHz的范围内，模拟反射系数是很小的，说明了此公式是可用于设计微带巴伦参数求值的。

在今后的研究设计中，我们将会进一步的改善微带巴伦的设计方案，在接地共面波导的部分，阻抗变换段的创兴型引入，不仅仅实现了不平衡-平衡馈电的转换这一功效，还发挥了阻抗变换的作用[9]。这种宽带微带天线巴伦的设计是可以广泛的推广与应用在微波场等领域的。

6 总结与建议

总结：

微带巴伦设计中，平衡端口输出的两个信号，要求是相等的幅度且相位相差180度，这个要求在几种巴伦的常用种类中，我们都能够了解到这是一种很通用的有效地方法，也

是一个节约成本并且提高性能与设计简化的要求。但是在实际的设计中，因为测试条件和仪器本身的限制，其振幅和相位的值都是没有测试的，都是在理想的情况下通过理论计算得到的。所以，这种理论的结果只是给与我们方向性的知道与对比于实际情况的一个参照，在实际的设计工程里，是会有一定的误差的。在此次微带巴伦的设计过程里，吸收了前辈们的先进设计理念与参考了他们的设计方案，结合当下研究的方向与热点，以及国际社会形式的一种走向与指导，从而开拓创新的设计了这个方案，主要是凭借着介质基板的侧壁表面涂有金属的连接，巧妙地把接地共面波导的前面两个金属地和后面金属地连接成为了一个整体。可是在实际加工应用的过程中，由于一些原因，在实际中一面墙的印刷金属连接面若是没能实现，则分别焊接在前面金属地和后面金属地的薄铜片引起的等电位的实现是有问题的，对巴伦的工作绩效有一定的影响。这对于现在的状况是一个不足，但是一方面肯定了我们的设计有一定的良好的可行性与理念性，另方面给与我们以后的研究与设计提出了一些疑问与指出了方向。

建议:

上面是在本次设计中遇到的实际状况，为了能够解决上述问题，以及弥补方案的不足，给予我们以后的研究设计提供更好的操作平台与理论指导，我们结合此次研究设计的实际工作与遇到的难题提出了以下几点改进的建议。

(1)研究与设计的理论方案的改进，对微带巴伦的插入损耗和反射系数的完善。

以后的研究与设计里，总结此次设计的经验，并参照先进工作者与学者们的宝贵经验与理论指导，将进一步改善此次微带巴伦的设计，像是接地共面波导部分增加阻抗变换段，不仅可以实现不平衡到平衡的馈电转换，还能够发挥阻抗变换的效用。以此来利于工程的操作性与实现性。此宽带微带天线巴伦可以广泛应用在天线等微波领域。

（2）进一步扩大微带巴伦的工作频带宽

天线的传输对带宽是要求相当的高与宽，带宽也是天线微带传输的一个必要的指标，它影响到天线微带传输的质量。对微带巴伦的工作贷款的进一步扩大，利于在更大的带宽内，采用方法来减小反射系数与插入系数，最终来提高天线微带的传输性能与效率。

（3）改进设施条件，对微带巴伦的精确设计与分析

因为设施的条件的限制会影响设计的准确性，只要设施的条件达到了一定的水平才能够给予微带巴伦的研究设计与分析的精确性。这个需要进一步的改进。

（4）拓宽思路，对于相关领域的研讨，发展与健全微带巴伦的知识体系与框架

在如今的国际形势下，我们需要看清楚未来的走向，大胆的创新与尝试，健全这个微带巴伦的理论体系，在以后的国家发展与国际的形势走势下发挥重要的作用。

参考文献

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[ 18 ] 王雯雯 .射频前端小型化无源器件的研究与设计 . 山西大学 2010

致谢

历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。首先诚挚的感谢我的论文指导老师。她在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。还有教过我的所有老师们，你们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多为人处世的道理。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

感谢四年中陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，让我度过了一段美好的时光，收获了许许多，成长了许多，特别是改变了许多，在这里，真诚的说声谢谢，感谢一路上有你们。