寬帶阻抗匹配變換器的設(shè)計(jì)

韓 俊，何明浩，郭利榮

（空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019）

寬帶阻抗匹配變換器的設(shè)計(jì)

韓 俊，何明浩，郭利榮

（空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019）

為解決寬帶阻抗匹配變換器設(shè)計(jì)的復(fù)雜問(wèn)題，克服頻率展寬對(duì)阻抗變換器的影響，設(shè)計(jì)了一種兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器，并分析了寬帶阻抗變換器的頻率特性。利用微波網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)理論分析了兩節(jié)寬帶阻抗變換器的設(shè)計(jì)過(guò)程，推導(dǎo)了頻率特性的數(shù)學(xué)模型，最后對(duì)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明可以找到最佳轉(zhuǎn)換比（負(fù)載與特性阻抗之比）使得頻率特性得到改善程度，適用于寬帶阻抗匹配變換器的快速設(shè)計(jì)。

寬帶阻抗變換器；頻率特性；轉(zhuǎn)換比

0 引 言

阻抗變換器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為微波射頻電路以及最大功率傳輸系統(tǒng)中的基本部件。λ／4寬帶阻抗變換器在微波技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用，對(duì)于實(shí)際的裝備一般工作在一個(gè)頻段內(nèi)，而單節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器只能對(duì)點(diǎn)頻實(shí)現(xiàn)良好的匹配。實(shí)際裝備應(yīng)用中易造成資源浪費(fèi)，而多節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器借助切比雪夫匹配［1］的方法可以實(shí)現(xiàn)滿意的頻率響應(yīng)特性，但是設(shè)計(jì)復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)難度大。

對(duì)阻抗變換器的設(shè)計(jì)分析已經(jīng)進(jìn)行了很多研究［2-7］。在文獻(xiàn)［8］中單節(jié)阻抗變換器是窄帶的，只能對(duì)一個(gè)頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的匹配。文獻(xiàn)［4，5］提出了阻抗變換器的新方法，但是設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜且都未對(duì)頻率特性進(jìn)行分析。在文獻(xiàn)［6］中通過(guò)對(duì)兩節(jié)理想傳輸線構(gòu)成的阻抗變換器的方程的計(jì)算，得到能在兩個(gè)任意頻率點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的雙頻阻抗變換器的所有參數(shù)，但是在一定約束條件下。文獻(xiàn)［7］提出了一種新的雙頻阻抗變換器設(shè)計(jì)方法，并分析了不同變頻比時(shí)阻抗變換器的頻率特性，但是未給出最佳變頻比。目前研究成果均取得一定的成效，但是仍不能滿足現(xiàn)有裝備的需求，工程適用價(jià)值不高。

針對(duì)當(dāng)前所存在的問(wèn)題，本研究借助微波網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)理論設(shè)計(jì)了兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器，并分析了其頻率特性。兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器在最佳轉(zhuǎn)換比下，當(dāng)信號(hào)變頻或者頻率展寬時(shí)，能較好的實(shí)現(xiàn)寬帶匹配，且設(shè)計(jì)的變換器簡(jiǎn)單，易于工程化實(shí)現(xiàn)。首先分析了單節(jié)和兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器電路模型，并導(dǎo)出阻抗變換器頻率特性數(shù)學(xué)表達(dá)式，其次對(duì)于給定的終端負(fù)載阻抗與阻抗變換器主線特性阻抗之比，通過(guò)直接比較曲線“高低”的方法找到最佳的轉(zhuǎn)換比，使得兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器頻率特性得到改善，即可以實(shí)現(xiàn)一定頻率范圍內(nèi)對(duì)純電阻實(shí)現(xiàn)良好的阻抗變換。

1 阻抗變換器頻率特性

1.1 單節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器頻率特性

單節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器由一段輸入特性阻抗為Z0、長(zhǎng)度為λ／4的傳輸線構(gòu)成，如圖1所示。

1 單節(jié)λ／4寬帶抗變換器模型

當(dāng)頻率f≠f0，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λ和λ0，單節(jié)λ／4阻抗變換器的頻率特性為［8］：

式（1）中，RL為終端負(fù)載，l＝λ0／4為阻抗變換器的幾何長(zhǎng)度，Z01＝為阻抗變換器的特性阻抗

1.2 兩節(jié)λ／4阻抗變換器頻率特性

由于單節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器只能對(duì)點(diǎn)頻實(shí)現(xiàn)良好的匹配，三節(jié)甚至多節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器設(shè)計(jì)復(fù)雜、傳輸線長(zhǎng)、工藝要求嚴(yán)格等問(wèn)題，依據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)原理，設(shè)計(jì)了一種兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器，并對(duì)設(shè)計(jì)的寬帶阻抗變換器的頻率特性進(jìn)行分析。

兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器由輸入特性阻抗為Z0、兩段特性阻抗為Z01和Z02、長(zhǎng)度為λ／4的傳輸線以及終端負(fù)載阻抗構(gòu)成，兩節(jié)傳輸線的幾何長(zhǎng)度l＝λ0／4，兩節(jié)傳輸線是均勻無(wú)耗的，設(shè)計(jì)的模型如圖2所示［9］。

圖2 兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器模型

當(dāng)頻率 f≠f0時(shí)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為 λ和 λ0，由得：

綜合以上的分析，可知兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器的頻率特性數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

將Z01＝代入式（5），并化簡(jiǎn)可得：

因此，轉(zhuǎn)換比為：

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 單節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器頻率特性曲線

圖3 單節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器頻率特性曲線

從圖3中可以看出單節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器只能對(duì)某一個(gè)頻點(diǎn)即在f／f0＝1時(shí)實(shí)行嚴(yán)格匹配，對(duì)于f／f0≠1時(shí)即頻率展寬時(shí)頻率特性變化很大，即單節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器對(duì)于其他頻率點(diǎn)匹配不好，致使駐波比增大，傳輸能量損耗嚴(yán)重，不利用信號(hào)傳輸，裝備的使用效能得不到發(fā)揮。

2.2 兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器頻率特性曲線

仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：歸一化終端負(fù)載RL＝2，轉(zhuǎn)換比ζ＝1.1，對(duì)兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器的頻率特性進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真得到橫坐標(biāo)為f／f0、縱坐標(biāo)為頻率特的兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器的頻率特性曲線，當(dāng)ζ＝1.0時(shí)，得到的為單節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器的頻率特性，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 單節(jié)、兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器頻率特性曲線

比較圖4中單節(jié)和兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器的頻率特性曲線，直觀明了地看出兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器的頻率特性得到改善，即在f／f0≠1時(shí)，阻抗變換器對(duì)頻率特性的影響變小。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)的兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器可以改善頻率特性。這可以降低駐波比的影響，傳輸能量損耗降低，盡可能發(fā)揮裝備的使用效能。

2.3 兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器的最佳轉(zhuǎn)換比

由圖5可知，不同的轉(zhuǎn)化比下，兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器對(duì)頻點(diǎn)的匹配效果不同。當(dāng)轉(zhuǎn)化比ζ＝1.190 0時(shí)，頻率特性值最小，即ζ＝1.1900為當(dāng)前歸一化終端負(fù)載＝2時(shí)的最佳阻抗變換器轉(zhuǎn)換比。從圖6中也可直接看到轉(zhuǎn)化比ζ＝1.190 0為曲線“位置最低”，變化率最小。因此，可以得到ζ＝1.190 0為兩節(jié)λ／4阻抗變換器的最佳頻率特性的轉(zhuǎn)換比。

圖5 兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器頻率特性曲線隨轉(zhuǎn)換比的變換

圖6 f／f0＝1.3時(shí)頻率特性|ΓB|隨轉(zhuǎn)換比ζ變化曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)單節(jié)和兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器的頻率特性的分析，以及對(duì)單節(jié)和兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器的頻率特性進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器可以有效地改善頻率特性。通過(guò)直接比較曲線“高低”的方法可以方便地找到最佳的轉(zhuǎn)換比。因此，采用本研究所設(shè)計(jì)的兩節(jié)λ／4寬帶阻抗變換器作為寬帶阻抗變換器器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且方便設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可以用于快速設(shè)計(jì)寬帶阻抗匹配變換器。

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韓 俊（1983—），男，安徽合肥人，工程師，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、電子對(duì)抗信息處理等；

E-mail：duj81＠163.com

何明浩（1963—），男，江蘇江陰人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)，雷達(dá)與對(duì)抗等；

郭利榮（1988—），男，福建建甌人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗信息處理。

Design of the Broadband Im pedance M atching Transformer

HAN Jun，HE Ming-hao，GUO Li-rong
（Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China）

In order to solve the complex problem of designing the broadband impedancematching transformer and overcome the influence of frequency broadening for impedance transformer，a two-sectionλ／4 broadband impedance transformer is designed，and its frequency characteristic is studied.The design process of broadband impedance transformer is analyzed with microwave network cascade theory.What is more，themathematicalmodel of frequency characteristic is derived and the simulation experiment for the model ismade.The simulation results show that the broadband impedance transformer gets the optimum transforming ratio（the ratio of the load and characteristic impedance），and the frequency characteristic is improved，which can be applied to the fast design for the broadband impedancematching transformer. Key words：broadband impedance transformer；frequency characteristic；conversion ratio

TN92

：A

：1673-5692（2015）01-078-04

10.3969／j.issn.1673-5692.2015.01.013

2014-09-01

2014-09-21