TWI536653B - 微帶線、應用該微帶線之阻抗轉換器及微帶線設計方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種微帶線，尤其是涉及一種用於阻抗轉換器之微帶線及其設計方法。
隨著微波通訊技術的飛速發展，使用微帶線地方越來越多。微帶線是微波波段常用的導波器件，多用於微波訊號傳遞、阻抗轉換、帶通濾波、移相或者延遲線等。微帶線在用於微波傳播時主要依靠金屬導帶和金屬板之間的準橫向電磁場模(Quasi-Transverse Electric Magnetic mode，QTEM)來實現微波訊號傳輸。TEM具有奇模模式(Odd mode)與偶模模式(Even mode)，由於該兩種模式在非直線傳輸時的傳輸相速一般不等(奇模傳輸相速VO>偶模傳輸相速VE)，容易導致了通訊裝置方向性變差，進而影響系統的頻率響應。另外，習知的微帶線長度大多較長，如當用於傳輸中心頻率約為2.5GHz或5.8GHz之訊號時，微帶線的長度一般需要達到約27mm，如此容易增大了電路佈設面積，不利於通訊裝置的小型化。
有鑒於此，有必要提供一種頻率響應良好且長度較短的微帶線。
另，還有必要提供一種應用所述微帶線之阻抗轉換器。
另，還有必要提供一種所述微帶線的設計方法。
一種微帶線，其用以在電路中起阻抗匹配作用，所述微帶線包括一環帶及二側帶，所述二側帶設於環帶的兩側，分別用以饋入和饋出電磁波訊號，所述環帶上開設一開槽，以增加所述微帶線的奇模傳輸路徑。
一種阻抗轉換器，其包括一微帶線，所述微帶線包括一環帶及二側帶，所述環帶上開設一開槽以將該環帶分割為一第一邊帶及一第二邊帶，該第一邊帶和第二邊帶的一端形成一封閉端，另一端被開槽間隔開，所述二側帶分別設於第一邊帶和第二邊帶相間隔開的一端。
一種微帶線設計方法，該微帶線包括一環帶及二側帶，所述微帶線的設計方法包括如下步驟：依據傳輸線輸入阻抗公式計算微帶線的奇模負載導納和偶模負載導納；依據奇模負載導納、偶模負載導納及傳輸矩陣計算微帶線的二埠網路參數；依據微帶線的二埠網路參數得出微帶線的側帶長度及側帶阻抗、環帶長度、環帶奇模阻抗和環帶偶模阻抗的參數公式；依據微帶線具體的負載阻抗及微帶線側帶和環帶的尺寸和阻抗參數公式繪製不同的曲線。
上述的微帶線藉由在環帶上開設一鋸齒狀的開槽，有效地增加了奇模傳輸路徑，改善了系統的頻率響應。同時，藉由上述微帶線設計方法設計出的微帶線尺寸大大減小，有利於減小電路佈設面積，符合小型化發展趨勢。
100‧‧‧微帶線
10‧‧‧環帶
12‧‧‧開槽
122‧‧‧鋸齒單元
122a‧‧‧第一水平槽
122b‧‧‧第一傾斜槽
122c‧‧‧第二水平槽
122d‧‧‧第二傾斜槽
122e‧‧‧第三水平槽
14‧‧‧第一邊帶
16‧‧‧第二邊帶
30‧‧‧側帶
1-6‧‧‧曲線
圖1係本發明較佳實施方式之微帶線之平面示意圖；
圖2係圖1所示微帶線之等效模型圖；圖3係圖1所示微帶線之二埠網路A參數的等效電路圖；圖4係圖1所示微帶線之環帶傳輸特性等效模型圖；圖5係圖1所示微帶線之參數曲線圖；圖6係圖1所示微帶線之設計參數圖；圖7係圖1所示微帶線之插入損耗圖，其中負載阻抗為100歐姆；圖8係圖1所示微帶線之插入損耗圖，其中負載阻抗為180歐姆；圖9係圖1所示微帶線應用於帶通濾波器之插入損耗圖。
本發明公開一種微帶線，其可應用於需要使用阻抗轉換器的電路中。
請參閱圖1，所述微帶線100為一金屬片體，其用以在電路中起阻抗匹配作用。在本實施例中，該微帶線100的中心工作頻率為約2.5GHz和5.8GHz。該微帶線100包括位於同一平面內的一環帶10及二側帶30，該二側帶30對稱地設於環帶10相對的兩端，電磁波訊號從一側帶30饋入後經過環帶10傳輸，最終從另一側帶30饋出。
該環帶10大致呈“U”形，其中部位置開設一開槽12，該開槽12的一端貫通環帶10的一端，進而將該環帶10劃分為相對設置的一第一邊帶14及一第二邊帶16，該第一邊帶14與第二邊帶16的長度與微帶線100的工作頻率相關，二者的一端相連形成一封閉端，另一端被開槽12間隔開。
該開槽12呈鋸齒結構，其包括若干形狀相同且依次連接的鋸齒單元122。該鋸齒單元122用以增加該微帶線100的奇模傳輸路徑，以使奇模和偶模的傳輸相速趨於一致，進而改善系統頻率響應。在本實施例中，每一鋸齒單元122均包括一第一水平槽122a及依次對稱設於第一水平槽122a兩側的二第一傾斜槽122b、二第二水平槽122c、二第二傾斜槽122d和二第三水平槽122e。其中，該第一水平槽122a靠近第一邊帶14，該第二水平槽122c設於環帶10中間，該第三水平槽122c靠近第二邊帶16。該第一水平槽122a、第二水平槽122c及第三水平槽122e彼此平行，該第一傾斜槽122b與第二傾斜槽122d平行，相鄰的二鋸齒單元122的第三水平槽122e相互重疊。如此，使得每一鋸齒單元122的兩側均呈階梯狀，且每一所述鋸齒單元122的兩側的階梯數量均為2。
該二側帶30形狀大小相當，二者相對設置，並分別垂直於第一邊帶14和第二邊帶16相間隔的一端的外側。
以下結合參閱圖2至圖4說明該微帶線100的環帶10及側帶30尺寸的設計原理。其中，圖2為該微帶線100的等效模型，定義微帶線100的輸入端阻抗為Z0，負載阻抗為RL，側帶30的長度為θ1，阻抗為Z1，第一邊帶14和第二邊帶16的長度均為θc，環帶10的奇模阻抗為Zoe，偶模阻抗為Zoo。其中Z1與側帶30的寬度相關，θ1及θc與微帶線100接收訊號的頻率相關，該第一邊帶14或第二邊帶16的寬度與第一邊帶14及第二邊帶16的間距(即開槽12的寬度)之比由該Zoe及Zoo共同決定。圖3為該微帶線的二埠網路A參數(正向傳輸參數)的等效電路。其中，A表示輸出埠開路時的反向轉移電壓比，B表示輸出埠短路時的反向轉移阻抗，C表示輸
出埠開路時的正向轉移導納，D表示輸出埠短路時的反向轉移電流比。由A參數方程得公式1：
請結合參閱圖4，定義第一邊帶14或第二邊帶16的奇模負載阻抗為ZLe，偶模負載阻抗為ZLo。依據傳輸線輸入阻抗公式得：
由偶模傳輸特性Z L →∞得公式2：
同理，由奇模傳輸特性Z L =0得公式3：
其後，依據第一邊帶14與第二邊帶16的傳輸(ABCD)矩陣得(公式4)：
(公式4)其中，
|Z|=z oo Z oe
將公式2、3帶入公式4分別計算出A、B、C、D的數值，並將該等數值帶入公式1化簡後得公式a，b，c，d：
定義n=f1/f0(f1和f0均為該微帶線100的工作頻率)，由於公式a，b，c，d四個方程式涉及θ1、Z1、θc、Zoe及Zoo五個未知數，故該θ1、Z1、θc、Zoe及Zoo有複數個解。
請參閱圖5，當負載阻抗為RL取不同值時，即可繪製出θ1、Z1、θc、Zoe及Zoo對應的曲線。其中X軸表示RL的電阻值，Y軸表示Z1、Zoe及Zoo的阻抗值，H軸表示θ1和θc的角度值，Zoe/Zoo的
比值為一常數。最後通過具體的負載阻抗RL萃取θ1、Z1、θc、Zoe及Zoo的值即可得到微帶線100的具體尺寸，並藉由微調以作最優化選擇。由於負載阻抗RL與微帶線100的寬度成反比，故在本實施例中該負載阻抗RL的最大值為180歐姆，以便於設計。請參閱圖6，當負載阻抗RL=100歐姆時，該微帶線100的長度約為12.57mm，當負載阻抗RL=180歐姆時，該微帶線100的長度約為13.23mm。與習知技術相比，本發明的微帶線100的長度可以明顯減小，有利於通訊裝置的小型化發展。
請參閱圖7及圖8，其中曲線1、2分別表示負載阻抗RL為100歐姆時，微帶線100在模拟軟體和測量治具下獲得的插入損耗(S11)示意圖，曲線3、4分別表示負載阻抗RL為180歐姆時，微帶線100在模拟軟體和測量治具下獲得的返回損耗示意圖。由圖7及圖8可以看出，所述微帶線100在工作於2.5GHz和5.8GHz頻段時其返回損耗值均符合設計要求。請參閱圖9，當該微帶線100用於雙頻帶通濾波器時，曲線5、6分別表示在模拟軟體和測量治具下獲得的插入損耗示意圖。由圖9可知，本發明的微帶線100在2.5GHz和5.8GHz的工作頻段分別形成一通帶，並在通帶頻段內具有低損耗，在衰減頻段具有高損耗，進而使得帶通頻率與截止頻率範圍之間形成較陡的“過渡坡”。
本發明的微帶線100通過在其中部開設鋸齒結構的開槽12，增加了奇模的傳輸路徑，有效地改善了系統的頻率效應。通過該微帶線100可設計出雙頻帶通濾波器，不僅大幅減少製作成本及產品體積，更有效地抑制掉不需要的頻率。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟
，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，本發明之範圍並不以上述實施例為限，舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧微帶線
10‧‧‧環帶
12‧‧‧開槽
122‧‧‧鋸齒單元
122a‧‧‧第一水平槽
122b‧‧‧第一傾斜槽
122c‧‧‧第二水平槽
122d‧‧‧第二傾斜槽
122e‧‧‧第三水平槽
14‧‧‧第一邊帶
16‧‧‧第二邊帶
30‧‧‧側帶
Claims (9)
- 一種微帶線，其用以在電路中起阻抗匹配作用，其改良在於：所述微帶線包括一環帶及二側帶，所述二側帶設於環帶的兩側，分別用以饋入和饋出電磁波訊號，所述環帶上開設一開槽，以增加所述微帶線的奇模傳輸路徑，所述開槽呈鋸齒結構，其設於環帶中部，且一端貫通環帶的一端。
- 如申請專利範圍第1項所述之微帶線，其中所述環帶包括相對設置的一第一邊帶及一第二邊帶，所述第一邊帶與第二邊帶一端相連，另一端被開槽間隔開。
- 如申請專利範圍第2項所述之微帶線，其中所述二側帶分別設於第一邊帶和第二邊帶相間隔開的一端的外側。
- 如申請專利範圍第2項所述之微帶線，其中所述開槽包括若干形狀相同且依次連接的鋸齒單元，每一鋸齒單元的兩側均呈階梯狀。
- 如申請專利範圍第4項所述之微帶線，其中每一所述鋸齒單元包括一第一水平槽及依次對稱設於第一水平槽兩側的二第一傾斜槽、二第二水平槽、二第二傾斜槽和二第三水平槽，該第一水平槽靠近第一邊帶，該第二水平槽設於環帶中間，該第三水平槽靠近第二邊帶，該第一水平槽、第二水平槽及第三水平槽彼此平行，該第一傾斜槽與二傾斜槽平行，相鄰的二鋸齒單元的第三水平槽相互重疊。
- 一種阻抗轉換器，其包括一微帶線，其改良在於：所述微帶線包括一環帶及二側帶，所述環帶上開設一開槽以將該環帶分割為一第一邊帶及一第二邊帶，該第一邊帶和第二邊帶的一端形成一封閉端，另一端被開槽間隔開，所述二側帶分別設於第一邊帶和第二邊帶相間隔開的一端，所 述開槽呈鋸齒結構。
- 如申請專利範圍第6項所述之阻抗轉換器，其中所述微帶線的工作頻率為2.5GHz和5.8GHz。
- 一種微帶線設計方法，該微帶線包括一環帶及二側帶，所述微帶線的設計方法包括如下步驟：依據傳輸線輸入阻抗公式計算微帶線的奇模負載導納和偶模負載導納；依據奇模負載導納、偶模負載導納及傳輸矩陣計算微帶線的二埠網路參數；依據微帶線的二埠網路參數得出微帶線的側帶長度及側帶阻抗、環帶長度、環帶奇模阻抗和環帶偶模阻抗的參數公式；依據微帶線不同的負載阻抗及微帶線側帶和環帶的尺寸和阻抗參數公式繪製不同的曲線；設置該二側帶於環帶的兩側，在環帶上開設一開槽，該開槽呈鋸齒結構，其設於環帶中部，且一端貫通環帶的一端。
- 如申請專利範圍第8項所述之微帶線設計方法，其中所述依據微帶線不同的負載阻抗及微帶線側帶和環帶的尺寸和阻抗參數繪製不同的曲線的步驟後還包括一依據微帶線具體的負載阻抗萃取微帶線側帶和環帶的不同尺寸及阻抗數值的步驟。
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