北邮通信工程微波期中论文--四分之一波长阻抗变换器扩展带宽的方法探究

信息与通信工程学院微波技术基础期中论文论文题目：λ/4阻抗变换器扩展带宽的方法探究班级：姓名：学号：日期：2013年5月微波技术基础·期中论文目录λ/4阻抗变换器扩展带宽的方法探究..............................................................................3摘要.................................................................................................................................31.引言..............................................................................................................................42.λ/4阻抗变换器工作原理............................................................................................42.1单节λ/4阻抗变换器............................................................................................42.1.1负载阻抗为纯电阻RL..................................................................................42.1.2负载阻抗为复数ZL......................................................................................62.2多节λ/4阻抗变换器............................................................................................72.2.1二项式多节阻抗变换器...............................................................................72.2.2切比雪夫多节阻抗变换器...........................................................................83.λ/4阻抗变换器扩展带宽的方法................................................................................83.1使用多节...............................................................................................................83.2使用切比雪夫方式.............................................................................................103.3调整0/LRZ值.....................................................................................................113.4使用补偿式阻抗变换器.....................................................................................123.5使用连续式阻抗变换器.....................................................................................144.方法比较....................................................................................................................155.结论............................................................................................................................16参考文献.......................................................................................................................16微波技术基础·期中论文-3-λ/4阻抗变换器扩展带宽的方法探究摘要：微波技术领域中的λ/4阻抗变换器具有频带窄的缺点，为改善其频率特性，可采用多节、切比雪夫方式、调整0/LRZ值、补偿式阻抗变换器、连续式阻抗变换器等方式。本文借助计算机仿真，对上述方法进行了定量分析，绘制出频率特性曲线图，比较各方法的优缺点与适用范围，得出结论：在设计对带宽要求不高时，可采用单一方式，如多节、切比雪夫方式实现，但设计对带宽要求较高时，应考虑使用多种方式，其中调节0/LRZ值和使用切比雪夫方式次之对相对带宽值的提高最为明显。关键字：λ/4阻抗变换器，带宽，仿真TheExplorationOfBandwidthExtensionForaQuarterwaveTransformerAbstract:Inthefieldofmicrowavetechnology,thequarterwavetransformerhasthedisadvantageofnarrowbandwidth.Toimproveitsfrequencycharacteristics,multi-section,Chebyshevmethod,adjustingthevalueof0/LRZ,compensatedimpedancetransformer,continuousimpedancetransformercanbeused.Withthehelpofcomputersimulation,theessayanalysestheabovemethodsquantificationally,plotsthefrequencycharacteristiccurvestocomparetheadvantagesanddisadvantagesofeachmethodandapplicationscope.Thustheconclusioncanbemade:whentherequirementforthebandwidthisnotcritical,itcanbeachivedbyasingleapproach,suchasmulti-section,Chebyshevways,butforhigherbandwidthrequirements,youshouldconsiderusingavarietyofways.Inthefiveways,toadjustthevalueof0/LRZandtheChebyshevmethod,showsthemostobviousimprovementfortherelativebandwidth.Keywords:QuarterwaveTransformer,Bandwidth,Simulation微波技术基础·期中论文-4-1引言传输线理论在微波技术的领域中应用非常广泛。其主要应用在两个方面：一是利用其有限长度均匀、无耗传输线的一些特性，设计不同的元器件；二是利用这种传输线理论解决传输线中能量传输中的一些问题。/4阻抗变换器是基于传输线理论而产生的一种常见阻抗变换元件，并在微波工程，特别是雷达射频传输系统中有着广泛的应用，但/4阻抗变换器频带窄，只能对单频点实现严格的匹配，使其应用受限。为改善阻抗变换器的频率特性，本文在分析其工作原理的基础上，对多节、切比雪夫方式、调整0/LRZ值、采用补偿式阻抗变换器及连续式阻抗变换器五种方法进行了分析与仿真。2/4阻抗变换器工作原理/4阻抗变换器是特征阻抗通常与主传输线不同、长度为/4的传输线段，它可以用于负载阻抗或信号源内阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传输；此外，在微带电路中，将两段不同特性阻抗的微带线连接在一起是为了避免线间反射，也应在两者之间加四分之一波长变阻器。按照传输线连接的负载的不同，可分为实数负载和复数负载；按照所使用/4阻抗变换器节数不同，可分为单节和多节；其中多节阻抗变换器按照实现方式的不同，可分为二项式（最大平坦特性）多节阻抗变换器和切比雪夫（等波纹特性）多节阻抗变换器。2.1单节/4阻抗变换器2.1.1负载阻抗为纯电阻RL如图1(a)所示，假设主传输线特性阻抗为Z0，但是RLZ0，则可以在RL与主传输线之间接入一段特性阻抗为Z1的/4传输线，为波长，使得该传输线输入参考面1-1的输入阻抗与主传输线的特性阻抗相等，如图1(b)所示，即110ZZ，11Z为参考面1-1的输入阻抗。（a）（b）图1/4阻抗变换器模型微波技术基础·期中论文-5-这样就实现了匹配。根据微波传输线理论得：2111LZZR，因为110ZZ，所以10LZRZ（1）显然，/4线段只能对频率0f得到理想匹配。当频率变化时，匹配将被破坏，主传输线上的反射系数将增大，因此，/4变阻器的通带带宽很窄。下面讨论负载为纯电阻时，传输线上的反射系数与频率的关系。根据传输线理论，当0ff时，1-1端的输入阻抗为：L11111LR+jtan+jRtanZZZZ（2）式中，2,fl，为相位常数，l为负载与1-1参考面的距离，为相速，在中心频率0f处，将0044lf带入（2）得到：L101111L0R+jtan()2+jRtan()2fZfZZfZf（3）因此主传输线在任意频率下的反射系数的模为：221101100000-==-1(+1)4()tan()+2LLLZZRRRfZZZZZf（4）变阻器的中心频率与相对带宽一般定义为：1202fff（5）210qffWf（6）式中，1f和2f分别为频带的上下边界，0f为中心频率，qW为相对带宽。假设m为可容许的最大反射系数幅值，当1mfff时，=m，带入式（4）得到：020022arccos[]1LmmLmRZffRZ（7）微波技术基础·期中论文-6-由于式（4）的响应在中心频率为0f附近是对称的，变阻器的相对带宽近似变为：002()mqffWf（8）再将式（7）代入式（8）得：020242arccos[]1LmqLmRZWRZ（9）2.1.2负载阻抗为复数ZL/4阻抗变换器在对复数阻抗的负载进行匹配时，应将其接在传输线上电压驻波的波腹或波节位置，从该位置上朝负载看去输入阻抗为纯电阻性。如图2所示：图2复数负载阻抗/4阻抗变换器接入波节位置（离负载距离为LM），输入阻抗为为等效负载阻抗，为驻波比，即：1000/1/ZZZZ（10）接入波腹位置（离负载距离为LN），则：1000ZZZZ（11）2.2多节/4阻抗变换器微波技术基础·期中论文-7-多节/4阻抗变换器模型如下图所示，图3多节阻抗变换器图中显示了N节阻抗变换器，0123N,,,,ZZZZZ…，为各节的特性阻抗，LR为负载阻抗（为实数），