第四章阻抗调配元件

§4.5阻抗调配元件•在微波系统传输系统中，消除或降低反射波的问题一直是重要技术课题。•传输线上反射波的存在使传输线的工作状态变坏；负载得到的信号功率减小；系统的功率容量降低；传输信号的波形也要受到影响。•反射因素:负载阻抗与传输线的波阻抗不相等；同类型不同型号（特别是波阻抗不同）的传输线连接；不同类型的传输线连接；传输线中接入各种必要的元器件等。消除或减小反射波的基本思路•消除或减小反射波的基本思路，是在传输线的适当位置上加入调配元件或网络，以它们产生的新的反射波去抵消传输线上原有的反射波，从而实现匹配。消除或减小反射波的基本方法•一是阻抗变换，这种方法的实质是运用补偿原理，即造成一个或多个新的反射点，使这些反射点产生的反射波与传输线上原有的反射波叠加相消。•另一种是阻抗调配，这种方法的原理就是在传输线上找到输入阻抗电阻部分与传输线波阻抗相等的位置，接入可调电抗性元件以抵消该点输入阻抗的电抗，从而达到匹配。一阻抗变换器•当负载阻抗与其传输线的波阻抗不相等，或两段波阻抗不同的传输线相连接时，在其间接入阻抗变换器可以消除或减小传输线上的反射波以获得匹配。•对某些传输线如金属波导，因其封闭性和制品的标准性，阻抗变换器要作成专用元件；而对于微带线则可根据负载情况设计微带阻抗变换段，并与微带电路一同光刻腐蚀（或真空镀膜的办法）一次形成。1一节四分之一波长线阻抗变换器•阻抗变换器的最基本型式是利用四分之一波长线的阻抗变换特性。•四分之一波长线阻抗变换器只能匹配纯阻负载。•若负载为阻抗时，一种办法是在负载上并接一长度可调短路线，因短路线的输入阻抗为纯电抗，这样可抵消负载阻抗的电抗，另一种办法是把阻抗变换器在传输线的电压波腹或波节点接入，传输线的电压波腹和波节点处的输入阻抗都是纯阻。工作原理LLpinZZZZZZ200120,)4(负载纯阻实现方法窄带特性•由于四分之一波长阻抗变换器是利用波长关系，所以严格地讲它只能对一个频率实现理想的匹配，当频率改变时阻抗变换关系将不再成立。因此四分之一波长阻抗变换器是窄带匹配元件。)(2)(24242)(0*0**0*0**fftgjRZfftgjZRZtgjRZtgjZRZdZLLLLin)(2)(4)1(1)4()4(|)(|0202000000fftgZRZRZRZZZZdLLLinin02*0)4(ZRZZLin实例同轴线、金属波导（矩形截面波导）及微带线的四分之一波长阻抗变换器的结构示意图。补偿原理•利用阻抗变换器实现传输线匹配，可以应用补偿原理来解释。•就是用匹配装置引起的反射波来抵消原来因传输线与其负载不匹配而出现的反射波。•一节四分之一波长阻抗变换器的补偿过程可通过图4-26来说明。01020102102022)(,)(ZZZZTZZZZTLLljiireUTUTU221)()()()(202022020220202010201021TZZZZZZZZZZZZZZTLLLL2多节（多阶梯）阻抗变换器•为了展宽阻抗变换器的工作频带，应用补偿原理可以在需要匹配的主传输线与其负载间设置多个反射面，这些参考面上的反射波经过不同波程引入相位滞后，这些局部反射波合成时有可能在多个频率上抵消，从而使主传输线与阻抗变换器接口参考面上的总电压反射系数为零，实现宽带匹配。•其具体实现就是多节（多阶梯）阻抗变换器。LZllll0Z1Z2ZnZ123n1n1S2S3SnS1nS123n1n讨论问题的两个前提LniZZZZZZ210在需要匹配的主传输线与其负载之间，插入n段长度均为l的传输线段，它们的波阻抗依序为只考虑各插入反射参考面上的一次反射，而略去实际上的多次反射。这样，n段传输线段形成n+1个反射参考面，每个反射参考面上的局部电压反射系数依序为nLnLniiiiiZZZZZZZZZZZZ11101011,,,,nLniiiZZSZZSZZS11011,,,,1111122111,,,,,1nniinjnijijjnjnijijjeeeeeeee21)1(24322121)1(2432211ll)2(2110njiiie总的反射系数是其电尺寸的函数，该函数是一组基函数的线性叠加。叠加系数决定函数的频率响应特性。二项式阻抗变换器•叠加系数按照二项式展开系数选取。1614641813314121211432154321innnnjnnnecos21]!)]1()[1(!2)1(1[2122cos2)1(2422njijjjnjnnjnjnnjjneeiinnnennneeeeee二项式阻抗变换器频率特性二项式阻抗变换器设计1111111111111101111,,ln21,ln21ln21ln21ln21ln2111niiiniiiRZZRZZRRRZZZZSSSiiiiniiiiniiniiLniiiiiiiiii由展开系数确定每一节四分之一波长线的波阻抗。二项式阻抗变换器频带范围由上式可以确定波长范围，进而确定频带范围。|cos|ln21|cos|||21mnmnnmRnmmR1ln2cos4242ln2arccos02120111mmnmmR阻抗变换器讨论•以局部电压反射系数拟合二项式展开式系数的多节阻抗变换器，称为二项式阻抗变换器或最平坦通带特性阻抗变换器。•此外还有比较常用的，使总反射系数随电长度按切比雪夫（Tchebyscheff）多项式规律变化的，等波纹通带特性多节阻抗变换器。•电信工程界常把切比雪夫阻抗变换器称为最佳阻抗变换器。这种多节阻抗变换器在给定工作带宽及其内最大容许总反射系数模的前提下，其变换段总长度最短。切比雪夫阻抗变换器等波纹特性的示例二阻抗调配器•阻抗调配关键就是在传输线上找到一个特殊的位置，在这个位置处输入阻抗电阻为传输线的波阻抗，而后采用串（并）电抗（纳）元件的方法，使得电抗（纳）等于零，从而实现等效负载和传输线的匹配。•实际的微波系统中采用独立阻抗调配器件实现上述功能。1双分支调配器双分支调配器的波阻抗和主传输线的波阻抗一致。2用导纳圆图分析双分支调配器工作过程辅助圆画法和功能•将匹配圆作为一个整体逆时针转动一定角度即可画出辅助圆。•这个角度就是点在双分支中间传输线上移动对应圆图上转动的角度。•这样由辅助圆顺时针转动到匹配圆，表示了点在双分支中间传输线由信源向负载移动各种可能的情况。调配的思路•T1分支的作用，加入一个电纳，由负载点沿等电导圆运动到辅助圆。•T2分支的作用，加入一个电纳，由匹配圆上的点，沿等电导圆（匹配圆）运动到圆图的中心匹配点。•T1~T2之间的传输线作用就是由辅助圆点转动到匹配圆的对应点。调配条件和盲区•调配条件：负载点所在的等电导圆必须和辅助圆相交，至少的相切。•盲区：若负载点落在和辅助圆相切的圆内，则不可能利用双分支调配器实现阻抗调配，这个区域称为调配的盲区。•两分支线中心距l，决定辅助圆的位置，也影响匹配盲区的大小。l越小盲区越小，但l过小在结构上难于实现。调配条件和盲区•调配条件：负载点所在的等电导圆必须和辅助圆相交，至少的相切。•盲区：若负载点落在和辅助圆相切的圆内，则不可能利用双分支调配器实现阻抗调配，这个区域称为调配的盲区。•两分支线中心距l，决定辅助圆的位置，也影响匹配盲区的大小。l越小盲区越小，但l过小在结构上难于实现。双螺钉调配器盲区•双螺钉调配器，对应于波导系统，由于螺钉只能提供容性电纳，始终状态导纳之差小于0。•负载点位于辅助圆的下方，这样双螺钉调配器盲区比较双分支调配器盲区要大一些。盲区示意图消除盲区途径•一种办法是在负载与调配器间加入适当长度的传输线段，可将从盲区移出；•另一种办法是增加分支（或螺钉）数目，如有三分支或三螺钉调配器等。三分支或三螺钉调配器原理图小结•传输线经过匹配装置（阻抗变换器或阻抗调配器）与负载匹配后，传输线上消除了反射波而呈行波状态。•但是在匹配段上仍然是行驻波状态，即在匹配点与负载之间仍存在着反射波，其对负载接收信号功率等的影响还需作进一步的分析讨论。