CN102938640B - 一种双频阻抗匹配网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了由并联传输线和短截线组成的微波双频阻抗匹配网络，该匹配网络能够针对特定的频率相关复阻抗，在两个频点附近实现到实数阻抗的匹配。本发明提供的双频阻抗匹配网络，设置在射频源和负载之间，由并联传输线结构和短截线级联构成，所述并联传输线结构包括两条相互并联的传输线，本网络在射频源和负载之间实现双频阻抗匹配。本发明中的三条传输线由于可以并排设置，所以电路紧凑，充分节约线路排布空间，电路总长度较小。本发明设计合理，具有较大的设计自由度和适应性，适用的两个频点之间的频率比值大，能够适应各种不同的负载情况，应用范围广泛。

Description

一种双频阻抗匹配网络

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其是涉及一种能够支持多个频段工作的双频阻抗匹配网络。

背景技术

信号或者电能在传输的过程中，为了实现信号的无反射传输或最大功率的传输，要求电路连接实现阻抗匹配。阻抗匹配关乎着系统的性能，电路实现阻抗匹配可使系统的性能达到约定准则下的最优。

阻抗匹配的概念不仅适用于强电领域，也适用于弱电领域；不仅适用于模拟电路，也适用于数字电路；不仅适用于低频、低速电路，也同样适用于高频、高速和微波电路。阻抗匹配常见于各级放大电路之间：放大电路与负载之间；信号的传输电路之间；测量仪器与被测电路之间：天线与接收机或发射机与天线之间，等等。如果信号传输电路之间不能做到阻抗匹配，其输出功率就不能全部送到负载上，信号还会产生失真，甚至造成电路元器件的损坏，尤其在高频和微波电路中，经电路传输的能量会反射回来，产生驻波，严重时会引起馈线的绝缘层及发射机末级功放管的损坏。随着电子技术的发展，尤其是在现代高速电路的设计过程中，传输电路的阻抗匹配也是一项非常重要的工程技术指标，可实现高速变化的信号完整传输，因此阻抗匹配网络的设计成为电路设计中不可忽视的重要组成部分。

现有技术中，阻抗匹配网络是微波低噪声放大器、功率放大器、功率分配器和天线等微波器件的关键电路部分，其作用在于减少反射损耗，提高功率传输效率，提高相关电气性能。当前随着越来越多的通信制式和移动通信标准不断涌现和共存，微波射频系统越来越趋向于多频化，即能够同时支持多个频段的不同通信标准的工作，这也要求其中的微波组件能够多频化应用,而多频的阻抗匹配网络的研究非常关键。

目前在双频阻抗匹配网络方面已经提出了多种方案，例如以下几种：

1、用两段特性阻抗不同而长度相同的传输线级联，在两个频点实现从实数阻抗到实数阻抗的匹配；

2、用一段传输线和一个终端短路的短截线相级联，可在两个频点实现实数阻抗之间匹配；

3、用两段不同长度不同特性阻抗的传输线级联，在两个频点实现从频率不相关的复数阻抗到实数阻抗的匹配；

4、用三段不同长度不同特性阻抗的传输线级联，实现一个频率相关的复数负载在两个频点上到实数阻抗的匹配；

5、用两段传输线和一个两节的阶梯阻抗短截线，实现频率相关复数负载的双频匹配。

6、用两段传输线和二者之间的一个短截线级联也可实现频率相关复数负载的双频匹配。

但现有的双频阻抗匹配网络中有的方案尺寸较大，有的方案总长度较长，基本都存在着体积较大的缺陷。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了由并联传输线和短截线组成的微波双频阻抗匹配网络，该匹配网络能够针对特定的频率相关复阻抗，在两个频点附近实现到实数阻抗的匹配。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双频阻抗匹配网络，设置在射频源和负载之间，由并联传输线结构和短截线级联构成，所述并联传输线结构包括两条相互并联的传输线，本网络在射频源和负载之间实现双频阻抗匹配。

为了实现阻抗匹配，必须根据需要匹配的两种频点f1、f2和负载的参数，运算出本网络中各电路参数，本发明的具体电路参数提取过程如下：

如果给定各传输线和短截线的特性阻抗和电长度，我们可以推导出接入该匹配网络后的两点处的输入导纳Y_in1和Y_in表达式。并联传输网络中每条传输线的二端口网络Y矩阵为：

(1)

其中Y₀₁，Y₀₂，θ₁，θ₂，分别是两条传输线的特性导纳和电长度；

两条传输线的输入端和输出端都作了电气连接之后，总的二端口Y矩阵为：

(2)

设:，,得到:

(3)

Y_in1为输入导纳，Y_in1的实部和虚部分别为:

(4)

和:

(5)

为实现在两个频点处的阻抗匹配，必须在两个频点上都使得Y_in1的实部等于Y₀:

(6)

通过数值方法或优化方法，从这两个方程中提取出并联传输线结构的电路参量，包括Z1,,Z2和，然后通过公式（5）计算输入电纳在两个频点的值；

通过短截线提供电纳，使得该电纳在两个频点上将电纳补偿抵消掉，使得输入导纳等于Y₀，实现匹配；

对于开路短截线和短路短截线，其电纳为：

(7)

其中和分别是短截线的特性阻抗和电长度；

和必须满足以下方程：

(8)

对联立方程（8），通过数值方法求解和。

作为本发明的一种技术方案，所述短截线为短路短截线。

作为本发明的一种技术方案，所述短截线为开路短截线。

作为本发明的一种技术方案，所述数值方法包括牛顿法，所述优化方法包括遗传算法。

与现有技术相比，本发明提供的双频阻抗匹配网络中的三条传输线由于可以并排设置，使得设计电路总长度较小，因此电路设计紧凑，充分节约了线路排布的空间。本发明设计合理，具有较大的设计自由度和适应性，能够适应各种不同参数的负载，而且两个设计频点之间的比值可以较大，适用范围较广。

附图说明

图1为实施例中的复数负载电路结构图；

图2为图1中负载的输入导纳的实部和虚部曲线；

图3为本发明提供的双频阻抗匹配网络中短截线为开路短截线的结构示意图；

图4为本发明提供的双频阻抗匹配网络中短截线为短路短截线的结构示意图；

图5为不同双频阻抗匹配网络的S11曲线

其中f1=1GHz,f2=1.8GHz,2.0GHz，2.4GHz；

图6为不同双频阻抗匹配网络的S11曲线

其中f1=1GHz,f2=2.8GHz,3.5GHz，4GHz；

附图标记列表：

1-传输线，2-短截线，3-负载。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1中构建了一个随频率变化的复数负载。该复数负载中包含一段特性阻抗Zc=30Ω、电长度θ=50deg1GHz，即在1GHz频点处电长度为50度的传输线，传输线终端接有100欧姆电阻。该负载的输入导纳的实部和虚部曲线绘制于图2中。

根据上述复数负载设计如图3所示的双频阻抗匹配网络，由并联传输线结构和短截线2级联构成，其中并联传输线结构包括两条相互并联的传输线1，本双频阻抗匹配网络设置在射频源与负载之间，即本双频阻抗匹配网络的一端连接射频源，另一端连接上述复数负载3。需要说明的是，短截线2指的是一段长度的传输线，短截线一端开路或短路，另一端接入电路中。具体地说，在本发明中使用的短截线既可以是如图3所示的终端开路短截线，也可以是如图4所示的终端短路短截线。

为了该双频阻抗匹配网络在两个频点上实现阻抗匹配，必须根据需要匹配的两种频点f1、f2和负载的参数，运算出并联传输网络中的两条传输线以及短截线的特性阻抗和电长度，具体电路参数提取过程如下：

双频阻抗匹配网络的终端导纳Y_l在频率f₁和f₂上分别为Y_l1和Y_l2，并联传输线结构中的两条传输线特性阻抗和电长度均不相同，如果给定各传输线和短截线的特性阻抗和电长度，我们可以推导出接入该匹配网络后的两点处的输入导纳Y_in1和Y_in表达式。并联传输网络中每条传输线的二端口网络Y矩阵为：

(1)

其中Y₀₁，Y₀₂，θ₁，θ₂，分别是两条传输线的特性导纳和电长度。

两条传输线的输入端和输出端都作了电气连接后，总的二端口Y矩阵为：

(2)

如果设：，,我们得到：

(3)

Y_in1为输入导纳，Y_in1的实部和虚部分别为：

(4)

和:

(5)

其中B_in是输入导纳的虚部，即输入电纳，G_in是输入导纳的实部，即输入电导。为实现在两个频点处的阻抗匹配，必须在两个频点上都使得Y_in1的实部等于Y₀:

(6)

其中Y_0-为匹配导纳，不同的通信网络一般有相应的匹配导纳标准值，例如，在移动通信网络中，匹配导纳为0.02s（单位为西门子），对应的匹配阻抗为50Ω。由于双频阻抗匹配网络需要适应两个频点f₁、f₂，因此通过上述方程(6)能够得出两个超越方程，通过一定的数值方法或优化方法，可以从这两个方程中提取出并联传输线结构的电路参量，即并联传输线结构中两条传输线的特性阻抗和电长度，即Z₁、θ₁和Z₂、θ₂。

当Z₁,、θ₁和Z₂、θ₂的值确定之后，我们可以通过公式（5）计算输入电纳在两个频点的值。

我们通过一个短截线提供电纳，使得该电纳在两个频点上将电纳补偿抵消掉，这样可使得输入导纳等于Y₀，实现匹配。

对于开路短截线和短路短截线，其电纳为：

(7)

其中，上式中open即表示使用开路短截线时的运算公式，short即表示使用短路短截线时的运算公式。其中，和分别是短截线的特性阻抗和电长度，和必须满足的方程是：

(8)

对联立方程（8），可以通过一定的数值方法求解和。

前述段落中提到的数值方法可以为常见的运算方法如牛顿法，优化方法可采用遗传算法。

根据实际应用中常见的频率f₁和f₂的几种不同组合，结合本例中的实际负载参数，能够设计出适应各种频率组合的双频阻抗网络，下表1中例举出了数个不同双频阻抗匹配网络的设计数据。

表1：六种双频阻抗匹配网络的电路参数（相关电长度为f1频率点处的电长度）

利用理想无耗传输线模型可以仿真获得各双频阻抗匹配网络在端接如图1所示的复数负载后的反射曲线S11。图5、图6分别为表1中列出的各个双频阻抗匹配网络在连接该复数负载情况下适应不同频点的S11曲线。

每个反射曲线都有两个传输零点，表示在两个频点上实现匹配，在此频点附近有满足一定匹配指标的匹配带宽，一般10dB匹配带宽达到100MHz以上，这满足很多实际应用的带宽要求。在这几个阻抗匹配网络中，频率比值最大值为4。可见本双频阻抗匹配网络适应的两个频点之间的频率比值大。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.一种双频阻抗匹配网络，设置在射频源和负载之间，其特征在于：由并联传输线结构和短截线级联构成，所述并联传输线结构包括两条相互并联的传输线，本网络在射频源和负载之间实现双频阻抗匹配，为了实现阻抗匹配，必须根据需要匹配的两种频点f1、f2和负载的参数，运算出本网络中各电路参数，所述具体电路参数提取过程如下：

根据各传输线和短截线的特性阻抗和电长度，能够推导出接入该匹配网络后的两点处的输入导纳Y_in1和Y_in表达式，并联传输网络中每条传输线的二端口网络Y矩阵为：

$\begin{array}{cc}\[Y_i\]=\left[\begin{array}{cc}-{\mathrm{jY}}_{0i}{\mathrm{cot\θ}}_i& {\mathrm{jY}}_{0i}{\mathrm{csc\θ}}_i\\ {\mathrm{jY}}_{0i}{\mathrm{csc\θ}}_i& -{\mathrm{jY}}_{0i}{\mathrm{cot\θ}}_i\end{array}\right]& i=1,2\end{array}---\left(1\right)$

其中Y₀₁，Y₀₂，θ₁，θ₂，分别是两条传输线的特性导纳和电长度；

两条传输线的输入端和输出端都作了电气连接之后，总的二端口Y矩阵为：

$\[Y\]=\[Y_1\]+\[Y_2\]=\left[\begin{array}{cc}{Y}_{11}& Y_{12}\\ Y_{21}& Y_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-j(Y_{01}{\mathrm{cot\θ}}_1+Y_{02}{\mathrm{cot\θ}}_2)& j(Y_{01}{\mathrm{csc\θ}}_1+Y_{02}{\mathrm{csc\θ}}_2)\\ j(Y_{01}{\mathrm{csc\θ}}_1+Y_{02}{\mathrm{csc\θ}}_2)& -j(Y_{01}{\mathrm{cot\θ}}_1+Y_{02}{\mathrm{cot\θ}}_2)\end{array}\right]---\left(2\right)$

设:Y₁₂＝Y₂₁＝jB_A，Y₁₁＝Y₂₂＝jB_B,得到:

$Y_{in1}=Y_{11}-\frac{Y_{21}{Y}_{12}}{Y_{22}+Y_L}={\mathrm{jB}}_B+\frac{B_A^2}{{\mathrm{jB}}_B+G_L+{\mathrm{jB}}_L}---\left(3\right)$

Y_in1为输入导纳，Y_in1的实部和虚部分别为:

$G_{in1}=\frac{B_A^2{G}_L}{G_L^2+{(B_B+B_L)}^2}---\left(4\right)$

和:

$B_{in1}=B_B+\frac{-B_A^2(B_B+B_L)}{G_L^2+{(B_B+B_L)}^2}---\left(5\right)$

为实现在两个频点处的阻抗匹配，必须在两个频点上都使得Y_in1的实部等于Y₀:

G_in1(f_i)＝Y₀i＝1,2(6)

通过数值方法或优化方法，从这两个方程中提取出并联传输线结构的电路参量，包括Z1,θ₁,Z2和θ₂，然后通过公式(5)计算输入电纳B_in1在两个频点的值；

通过短截线提供电纳，使得该电纳在两个频点上将电纳B_in1补偿抵消掉，使得输入导纳等于Y₀，实现匹配；

对于开路短截线和短路短截线，其电纳为：

$B_s=\left\{\begin{array}{cc}jtan\left({\mathrm{\θ}}_s\right)/Z_s& Open\\ -j\cot \left({\mathrm{\θ}}_s\right)/Z_s& Short\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中Z_s和θ_s分别是短截线的特性阻抗和电长度；

Z_s和θ_s必须满足以下方程：

B_s(f_i)＝-B_in1(f_i)i＝1,2(8)

对联立方程(8)，通过数值方法求解Z_s和θ_s。

2.根据权利要求1所述的双频阻抗匹配网络，其特征在于:所述短截线为短路短截线。

3.根据权利要求1所述的双频阻抗匹配网络，其特征在于:所述短截线为开路短截线。

4.根据权利要求1所述的双频阻抗匹配网络，其特征在于:所述数值方法包括牛顿法，所述优化方法包括遗传算法。