CN102569970A - 微带渐变连接器 - Google Patents

Abstract

微带渐变连接器，属于微波器件技术领域。本发明的渐变阻抗的轮廓为轴对称的二次曲线。本发明的有益效果是，能调节连接器的长度，适应不同空间大小的需要，利于小型化尤其是SIW到微带的连接，总体上具有反射小、频带宽、可调性能高等特点。

Description

微带渐变连接器

技术领域

本发明属于微波器件技术领域。

背景技术

近年来，随着微波领域内器件电路集成化的发展趋势，以成熟的传输线理论和计算方法作为依托，各种形式的连接器得到充分应用，尤其以阶梯阻抗连接器最为传统。

这种传统的连接器，可以通过多种途径来实现阶梯阻抗，比如切比雪夫多节匹配变换器，但阶梯阻抗形式仍然存在较大反射，满足不了微波工程应用里的一些高性能要求，同时在调节上也有很大的不便，不能根据已有的具体空间来设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型匹配连接器，具有较高的回波损耗和较大的长度调节范围。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，微带渐变连接器，其特征在于，渐变阻抗的轮廓为轴对称的二次曲线。

所述二次曲线为y＝ax²，连接器长度

w₁＝2y₁，w₂＝2y₂，w₁和w₂是连接器两端的宽度，在工作频率为20G时，0.7≤a≤0.9。

本发明的有益效果是，能调节连接器的长度，适应不同空间大小的需要，利于小型化尤其是SIW到微带的连接，总体上具有反射小、频带宽、可调性能高等特点。

附图说明

图1是本发明的微带——连接器——矩形波导结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明在f＝20G时，a＝0-1的回波损耗图。

图4是本发明在a＝0.7，f＝15-25G的回波损耗图。

图5是a分别等于0.75，0.8，0.85，0.9时的回波损耗图。

具体实施方式

渐变连接器具有反射小的有点，但一些复杂函数如：三角形渐变，不便于手工计算长度的调整，而简单的直线却又不利于在连接处平滑的过渡，因此二次曲线是一个较好的综合。

整个连接器模型可分为三个部分，A区为微带结构，宽度为W1，并令微带端为x＝0，C区为矩形波导结构，有效宽度为W2，也可以换为SIW，B区为连接器，长度为L，其二次曲线形式为y＝ax²+b。

按照传输线理论，假设单位长度的电导和阻纳分别为：

z(x)＝jωL(x)

y(x)＝jωC(x)

根据电报方程得： $\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dI}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}=-y\left(x\right)V\left(x\right)\\ \frac{\mathrm{dI}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}=-z\left(x\right)I\left(x\right)\end{array}$

进一步整理可以得到： $\frac{d^{2}V\left(x\right)}{x}-\left(\frac{1}{z\left(x\right)}\frac{\mathrm{dz}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}\right)-\left[y\left(x\right)z\left(x\right)\right]V\left(X\right)=0$

其中： $y\left(x\right)z\left(x\right)=-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{LC}=-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{v_p}\right)}^2=-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{c_0}\right)}^2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}$

有效介电常数ε_eff是微带渐变线宽度与介质基片高度比值的关系式，根据哈默施泰公式，有效介电常数ε_eff与基片介电常数ε_r的关系(设基片表面厚度为0)为：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{1}{2}({\mathrm{\ϵ}}_r+1)+\frac{1}{2}({\mathrm{\ϵ}}_r-1)F$

式中系数F为：

$F=\frac{1}{\sqrt{1+12h/w}}$

式中w为宽度，h为基板厚度。

连接器的另一端，可以看做是一个等面积的平行板，因此介电常数可以看做：ε₂＝ε₀ε_r

对阻抗和介电常数作两个假设：

ε_eff＝d₁x²+d₂

$z\left(x\right)=\mathrm{j\ω}{d}_3{e}^{-d_{4}x}$

其中d_i为复常数。通过代入边界条件：

ε_eff(0，ω)＝ε₁(ω)

ε_eff(L，ω)＝ε₂(ω)

可以求得系数d₁和d₂。

二次曲线渐变阻抗为：

$z_c=\sqrt{\frac{L\left(x\right)}{C\left(x\right)}}=\frac{z\left(x\right)}{\sqrt{y\left(x\right)z\left(x\right)}}=c_0{d}_3\frac{e^{-d_{4}x}}{\sqrt{d_1{x}^2+d_2}}$

利用微带特征阻抗公式可以求得：

$z_1=\{\frac{\stackrel{\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}\ln (\frac{8d}{w}+\frac{w}{4d}),(w/d\≤1)}{120\mathrm{\π}}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}[w/d+1.393+0.667\ln (w/d+1.444)]},w/d\≥1$

利用矩形波导特征阻抗公式可以求得：

$z_2=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{h}{w}\frac{{\mathrm{\η}}_e}{\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/2w)}^2}}$

其中

是介质的波阻抗。

代入如下边界条件可以求得阻抗里的系数d₃和d₄：

z_c(0，ω)＝z₁(ω)

z_c(L，ω)＝z₂(ω)

在求得渐变阻抗公式后，进一步需要求解x＝0处反射系数。

可以将连续渐变线看做一系列长度为Δz的增量节组成，随着增量节数的升高，从一节到另一节阻抗改变Δz(z)，于是产生反射系数增量为：

$\mathrm{\Δ\Γ}=\frac{(Z+\mathrm{\ΔZ})-Z}{(Z+\mathrm{\ΔZ})+Z}\≈\frac{\mathrm{\ΔZ}}{2Z}$

在增量趋于0的情况下，我们可以得到微分形式：

$\mathrm{d\Γ}=\frac{\mathrm{dZ}}{2Z}=\frac{1}{2}\frac{d(\ln Z/Z_0)}{\mathrm{dz}}\mathrm{dz}$

Z₀为连接器起点的阻抗，对应模型的微带，用小反射理论，在z＝0处的总反射系数可用所有带有适当相移的局部反射求和得出：

$\mathrm{\Γ}=\frac{1}{2}{\∫}_{z=0}^L{e}^{-2\mathrm{j\βz}}\frac{d}{\mathrm{dz}}\ln \left(\frac{Z}{Z_0}\right)\mathrm{dz}$

其中L是连接器的总长度，该式为反射系数与连接器长度的关系。进一步根据连接器轮廓的几何曲线y＝ax²+b得：

$L=\sqrt{\frac{y_2-y_1}{a}}$

其中

为矩形波导宽度的一半，

为微带宽度的一半，该式即为曲线二次项系数与连接器长度的关系，方便调节长度。同时可知，反射系数也是曲线二次项系数的函数。二次项系数与调节作用：①随系数增加，长度L则会减小；②随系数减小，长度L则会增大；③反射系数随L变化会而变化，并有极值，因此可用二次项系数改善中心频率的带宽④渐变阻抗受矩形波导阻抗影响，而矩形波导阻抗是频率的函数，最终反射系数随频率变化也出现极值。

在微带和波导的尺寸为w₁＝1mm，w₂＝12mm，h＝1mm，ε_r＝10.2，f＝20G的情况下，通过连续改变曲线二次项系数a，得到连续不同的连接器长度L，和对应的反射系数Γ，这里用HFSS仿真。

将测试的结果，以二次曲线系数为横轴，以回波损耗为纵轴，可以得到：在a＝0.56～0.74的范围内，反射系数斜率最大，并在a＝0.65处反射最大，形成极值回波损耗极值s₁₁≈-14db，对应连接器长度

因此，设计预留微带和波导间隔时，应尽量避免长度靠近4毫米；也可根据需要的回波损耗来找到对应的二次项系数，进一步求出应预留的长度，例：若需要在频率20G附近大于30db的回波损耗，则应取a≠0.62～0.68的范围，若进一步需要节省空间，则可取a＝0.7，但不宜太大，最好能保证L大于3毫米，太短容易在连接处出现较高的反射。

接着做扫频分析，取f＝25g～35g频率范围，得到：在f≤20.2G的时，s₁₁≥30db。

实际工程应用中往往将频率范围设置较宽，a＝0.7并不能满足，故取a＝0.9，则得到：f≤22G时s₁₁≥30db，中心频带加宽。

事实上，曲线二次项系数a对反射曲线有近似平移的作用，可以用来改善中心频率的带宽：随着系数的增大，回波损耗的极值点不断向高频平移，也会带动整个回波损耗曲线的偏移，因此可以达到改善中心频带的作用，以20G作为中心频率，当a＝0.75时，f＝21G会出现极值s₁₁≈15.9db；当a＝0.8时，f＝21.5G会出现极值s₁₁≈18.7db；当a＝0.85时，f＝21.75～22G会出现极值s₁₁≈21.4db；当a＝0.9时，f＝22.5G会出现极值s₁₁≈17.1db；当a＝0.95时，f＝22.75G会出现极值s₁₁≈7.5db。

Claims (2)

1.微带渐变连接器，其特征在于，渐变阻抗的轮廓为轴对称的二次曲线。

2.如权利要求1所述的微带渐变连接器，其特征在于，所述二次曲线为y＝ax²，连接器长度

w₁＝2y₁，w₂＝2y₂，w₁和w₂是连接器两端的宽度，在工作频率为20G时，0.7≤a≤0.9。

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