微带线计算器的研究与开发毕业设计论文(37页).doc

《微带线计算器的研究与开发毕业设计论文(37页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微带线计算器的研究与开发毕业设计论文(37页).doc（36页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、-微带线计算器的研究与开发毕业设计论文-第 33 页 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。

2、本人完全意识到本声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：微带线计算器的研

3、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，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

4、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 Research and development of microstrip line calculatorAbstractThe microstrip line is a tool that widely used in modern high-frequency and microwave circuit design, als

5、o it is an enormous leap for Low frequency circuit design to 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 pape

6、r is committed to programming, which can realize the complex 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 c

7、an finish many function easily, which is called what you see 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

8、 order to develop a microstrip line calculator, in this paper, 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

9、, so that we can use this calculator software to analysis and 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 目录1微波

10、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软件开发流程194.1 GUI概述194.2

11、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MCR234.5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321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

12、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

13、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2：1TEM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

14、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、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

15、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

16、.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

17、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

18、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。2 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

19、接地电介质基片上；其场力线的示意图绘于图2-1（b）。E xwdy(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

20、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,

21、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，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，。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场的相速却是c。这样，在电解质、空气分界面上不可能实现TEM的波的

22、相位匹配。一个是介质基片换成空气微带线单位长度电容；另一个是微带线单位长度电容。特性阻抗和相位常数可以用这两个电容表示为：， （2.1） （2.2）式中是空气微带线的特性阻抗，相速度和波导波长则为 = （2.3） （2.4）其中是微带线的有效介电常数。因此部分场线在电介质区域，部分场线在空气区域，所以有效介电常数满足关系 1 (2.5)并依赖于基片厚度d和导体宽度W。2.3微带线与带状线的区别 1）微带线是一根带状导(信号线)，与地平面之间用一种电介质隔离开。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。 2）带状线是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜

23、带线。如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。3）单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关。4）微带线速度快，抗干扰能力弱，带状线速度慢些，抗干扰能力强些。 5）通常同样的介质条件微带线的损耗小（线宽），带状线的损耗大（线细，有过孔）。2.4本章小结本章主要介绍了微带线的一些基本知识，先介绍了微带线的定义结构及特点，然后重点介绍了微带线的传输模式，微带线与带状线不同，微带线传输的是准TEM模，本章也详细解释了这个原因，这个重要特点对微带线的研究非常关键，关系到微带线的一些特性参量的计算，下一章就会介绍。另外还

24、比较了微带线和带状线，这两个重要的传输线的区别，列出了几个重要区别。 3微带线的主要参数3.1有效介电常数5 微带线的有效介电常数可以解释为一个均匀煤质的介电常数， = （3.1）这个均匀煤质取代了微带线的空气和电介质区域，如图所示。于是相速和传播常数由式（2.3）和式（2.4）给出。 dW图3-1 准TEM微带线的等效几何结构，其中厚度为d，相对介电常数为的电介质被相对有效介电常数为的均匀煤质取代3.2 特性阻抗我们假定已形成的线路导体的厚度t与基片的厚度h相比可以忽略不计（t/h0.005）。在这种情况下，我们能够利用只与线路尺寸（w和h）和介电常数有关的公式。它们可以分为两个应用区域，该

25、区域的划分依比值w/h大于还是小于1而定。 w/h （3.2） （3.3） w/h1 （3.4） （3.5）当导体带厚度t时，可等效为导体带宽度为，修正公式为（th，tmax （3.24）（2）表面波型表面波就是沿介质表面传输的波。其主要电磁能量集中于金属接地板以上的介质基片中，而在介质薄层外沿垂直介质表面方向按指数规律衰减，电磁场沿介质表面方向传输。当介电常数大于空气介电常数时，表面波的大部分电磁能量集中于导体和介质板附近。表面波同样也分为TE波和TM波两种。每种波型都有其相应的截止波长，与介质板厚度h及其相对介电常数有关。其中TE波的截止频率为： （3.25）TM波的截止频率为： （3.2

26、6）上两式中c为光速，最低的TM型表面波的截止长度为： （3.27）在所有的工作频率下它都存在，只能通过选择激励方式设法抑制。 对于最低的TE型表面波其截止波长为： （3.28）由于表面波的相速在光速c和之间，而微带线准TEM波的相速亦在此范围内，当两者相速相同时，则要发生强耦合而严重地破坏准TEM波的工作状态。对表面波强耦合频率为： （3.29）对表面波强耦合频率为： （3.30）因此应令微带线工作频率和，以避免发生强耦合，否则微带线有可能不工作在准TEM型，工作状况将完全被破坏。通过微带线尺寸和材料的适当选择，可以抑制大部分高次模，并不等于高次模的影响不存在，但此时微带线主要工作于准TEM

27、波，其他波型的作用则反映在对微带线TEM波参量的影响上。这种影响称为微带线的色散反应。当频率升高时，此种现象逐渐显著，以致必须将微带线的参量加以修正，才能用于电路设计，否则误差太大。3.6微带线的传输延迟7传输延迟是指信息传输过程中，由于传输经过的距离远或者一些故障，或者网络繁忙，导致传输并没有准时达到目的的情况，用来表示。 （3.31）或者： （3.32）3.7本章小结在本章中，我们主要介绍了微带线的各个参数定义，原理，以及参量的数值计算公式，特别是对特性阻抗和衰减常数及损耗做了详细的介绍，对微带线做了一个系统的认识，至此本次毕业设计对微带线的理论研究与分析设计已经基本结束，下面主要是研究计

28、算器软件开发和设计，该部分会由第四章重点介绍。4软件开发流程4.1 GUI概述GUI 是 Graphical User Interface 的简称，即图形用户界面。创建MATLAB用户界面必须有三个基本元素：组件在GUI 中的每个项目（按钮，标签，编辑框等）都是一个图形化组件。组件可分为三类：图形化控件（按钮，编辑框等），静态元素（窗口和文本字符串），菜单和坐标系。图形化控件和静态元素由函数uicontrol创建，菜单由函数uimenu 和uicontextmenu 创建，坐标系经常用于显示图形化数据，由函数axes创建，图象窗口（Figure）。GUI的每个组件都必须安排图象窗口中。鼠标单击

29、或键入信息是一个事件，如果MATLAB程序运行相应的函数，那么MATLAB函数肯定会有所反应，这些相应的语句被称为回应8。GUI开发流程图： 开始启动MATLAB7.0启动GUI窗口的控件布局及参数设置设置控件回调函数设置关闭程序函数结束 图4-1 GUI开发流程图4.2 微带线计算器界面的设计运行MATLAB7.0，在command window中输入guide 在弹出的窗口中选择blank gui 点ok进入MATLAB GUI选择界面左上方“OK”也就是push button 按钮，在GUI界面里分别放置五个按钮，并分别命名为“计算”，“作图（w/h-Z）”，“作图(r与Z)”，“返回”

30、，“关闭”。Tag属性可以不做改变，以系统默认的的属性编程。以相同的方式在GUI界面上放置其他控件，形成如图所示的界面，这样一个微带线的计算器界面就基本可以设置好了。 图4-2 微带线计算器界面1、按钮“计算”。该按钮主要实现微带线参数的计算，可以实现正过来计算，又可以实现倒过来计算，正过来计算的意思是已知微带线的相对介电常数；导体的宽度w；介质基片的厚度为h；微带线的厚度为k，这样根据上一章分析的特性阻抗的公式就可以计算出特性阻抗Z，倒过来计算的意思是我们已知了特性阻抗Z，可以计算出微带线的宽度或者介质基片的厚度。不过计算时需要注意的时，由于微带线的厚度k0；所以我们必须根据上一章讲到的修正

31、公式，进行修正一下，才能更接近实际值。2、两个作图按钮。第一个按钮”作图（w/h-Z）”，这个按钮的功能顾名思义，就是做出w/h和Z的关系图，根据这两个量的关系图我们可以看出微带线的特性阻抗Z随着w/h的增大而减少。如图4-3（a）所示。第二个按钮“作图(r与Z”主要是显示介电常数r和Z的关系，根据4-3（b）所示，在相同尺寸下，r越大，特性阻抗越小。Z()w/h （a）Z() （b）图4-3 /h-Z，-Z的关系图3、“返回”按钮。该按钮的作用就是返回主界面。4、“关闭”按钮。该按钮的作用就是关闭主界面。以上按钮功能实现的代码均在附录中，这里不再赘述。4.3 编译器的说明和使用前面已经完成好

32、了计算器的界面设计以及计算器的功能的实现，如果我们要把该GUI界面独立运行，变成一个可脱离MATLAB执行的可独立运行软件，那么我们就要用到MATLAB编译器这个自带软件了。为了满足用户这方面的需求MATLAB 提供了编译器Complier 4.0组件，可以使用编译器完成我们所需要的要求。4.3.1编译器的安装和配置在命令窗口中输入：mbuild setup命令窗口输出为：Please choose your compiler for building standalone MATLAB applications: Would you like mbuild to locate install

33、ed compilers y/n?其含义是“请选择独立运行程序的编译器，是否需要mbuild查找已安装的编译器”，选择n后，命令窗口输出如下：Select a compiler: 1 Lcc-win32 C 2.4.1 2 Microsoft Visual C+ 6.0 3 Microsoft Visual C+ .NET 2003 4 Microsoft Visual C+ 2005 5 Microsoft Visual C+ 2005 Express Edition 6 Microsoft Visual C+ 2008 0 None Compiler:这里列出的是MATLAB支持的通用编译

34、器。选择y后，命令窗口输出如下：Select a compiler: 1 Lcc-win32 C 2.4.1 in D:MATLABR2008asyslcc 2 Microsoft Visual C+ 6.0 in C:Program FilesMicrosoft Visual Studio 0 None此时显示了系统中已安装的编译器，Lcc-win32 C 2.4.1是MATLAB自带的C编译器，不能用来编译C+，选择1后命令窗口输出如下：Please verify your choices: Compiler: Lcc-win32 C 2.4.1 Location: D:MATLABR2008asyslcc Are these correct y/n?选择y后，命令窗口输出如下：Trying to update options file: C:Documents and SettingsAdministratorApplication DataMathWorksMATLA