宽带阻抗匹配变换器的设计

韩 俊，何明浩，郭利荣

（空军预警学院，武汉 430019）

宽带阻抗匹配变换器的设计

韩 俊，何明浩，郭利荣

（空军预警学院，武汉 430019）

为解决宽带阻抗匹配变换器设计的复杂问题，克服频率展宽对阻抗变换器的影响，设计了一种两节λ／4宽带阻抗变换器，并分析了宽带阻抗变换器的频率特性。利用微波网络级联理论分析了两节宽带阻抗变换器的设计过程，推导了频率特性的数学模型，最后对模型进行仿真实验。结果表明可以找到最佳转换比（负载与特性阻抗之比）使得频率特性得到改善程度，适用于宽带阻抗匹配变换器的快速设计。

宽带阻抗变换器；频率特性；转换比

0 引 言

阻抗变换器和阻抗匹配网络已经成为微波射频电路以及最大功率传输系统中的基本部件。λ／4宽带阻抗变换器在微波技术中具有广泛的应用，对于实际的装备一般工作在一个频段内，而单节λ／4宽带阻抗变换器只能对点频实现良好的匹配。实际装备应用中易造成资源浪费，而多节λ／4宽带阻抗变换器借助切比雪夫匹配［1］的方法可以实现满意的频率响应特性，但是设计复杂，工程实现难度大。

对阻抗变换器的设计分析已经进行了很多研究［2-7］。在文献［8］中单节阻抗变换器是窄带的，只能对一个频点实现严格的匹配。文献［4，5］提出了阻抗变换器的新方法，但是设计过程复杂且都未对频率特性进行分析。在文献［6］中通过对两节理想传输线构成的阻抗变换器的方程的计算，得到能在两个任意频率点上实现阻抗匹配的双频阻抗变换器的所有参数，但是在一定约束条件下。文献［7］提出了一种新的双频阻抗变换器设计方法，并分析了不同变频比时阻抗变换器的频率特性，但是未给出最佳变频比。目前研究成果均取得一定的成效，但是仍不能满足现有装备的需求，工程适用价值不高。

针对当前所存在的问题，本研究借助微波网络级联理论设计了两节λ／4宽带阻抗变换器，并分析了其频率特性。两节λ／4宽带阻抗变换器在最佳转换比下，当信号变频或者频率展宽时，能较好的实现宽带匹配，且设计的变换器简单，易于工程化实现。首先分析了单节和两节λ／4宽带阻抗变换器电路模型，并导出阻抗变换器频率特性数学表达式，其次对于给定的终端负载阻抗与阻抗变换器主线特性阻抗之比，通过直接比较曲线“高低”的方法找到最佳的转换比，使得两节λ／4宽带阻抗变换器频率特性得到改善，即可以实现一定频率范围内对纯电阻实现良好的阻抗变换。

1 阻抗变换器频率特性

1.1 单节λ／4宽带阻抗变换器频率特性

单节λ／4宽带阻抗变换器由一段输入特性阻抗为Z0、长度为λ／4的传输线构成，如图1所示。

1 单节λ／4宽带抗变换器模型

当频率f≠f0，对应的波长为λ和λ0，单节λ／4阻抗变换器的频率特性为［8］：

式（1）中，RL为终端负载，l＝λ0／4为阻抗变换器的几何长度，Z01＝为阻抗变换器的特性阻抗

1.2 两节λ／4阻抗变换器频率特性

由于单节λ／4宽带阻抗变换器只能对点频实现良好的匹配，三节甚至多节λ／4宽带阻抗变换器设计复杂、传输线长、工艺要求严格等问题，依据微波网络级联原理，设计了一种两节λ／4宽带阻抗变换器，并对设计的宽带阻抗变换器的频率特性进行分析。

两节λ／4宽带阻抗变换器由输入特性阻抗为Z0、两段特性阻抗为Z01和Z02、长度为λ／4的传输线以及终端负载阻抗构成，两节传输线的几何长度l＝λ0／4，两节传输线是均匀无耗的，设计的模型如图2所示［9］。

图2 两节λ／4宽带阻抗变换器模型

当频率 f≠f0时，对应的波长为 λ和 λ0，由得：

综合以上的分析，可知两节λ／4宽带阻抗变换器的频率特性数学表达式为：

将Z01＝代入式（5），并化简可得：

因此，转换比为：

2 仿真实验

2.1 单节λ／4宽带阻抗变换器频率特性曲线

图3 单节λ／4宽带阻抗变换器频率特性曲线

从图3中可以看出单节λ／4宽带阻抗变换器只能对某一个频点即在f／f0＝1时实行严格匹配，对于f／f0≠1时即频率展宽时频率特性变化很大，即单节λ／4宽带阻抗变换器对于其他频率点匹配不好，致使驻波比增大，传输能量损耗严重，不利用信号传输，装备的使用效能得不到发挥。

2.2 两节λ／4宽带阻抗变换器频率特性曲线

仿真实验参数设置：归一化终端负载RL＝2，转换比ζ＝1.1，对两节λ／4宽带阻抗变换器的频率特性进行仿真。通过仿真得到横坐标为f／f0、纵坐标为频率特的两节λ／4宽带阻抗变换器的频率特性曲线，当ζ＝1.0时，得到的为单节λ／4宽带阻抗变换器的频率特性，仿真结果如图4所示。

图4 单节、两节λ／4宽带阻抗变换器频率特性曲线

比较图4中单节和两节λ／4宽带阻抗变换器的频率特性曲线，直观明了地看出两节λ／4宽带阻抗变换器的频率特性得到改善，即在f／f0≠1时，阻抗变换器对频率特性的影响变小。由此可见，设计的两节λ／4宽带阻抗变换器可以改善频率特性。这可以降低驻波比的影响，传输能量损耗降低，尽可能发挥装备的使用效能。

2.3 两节λ／4宽带阻抗变换器的最佳转换比

由图5可知，不同的转化比下，两节λ／4宽带阻抗变换器对频点的匹配效果不同。当转化比ζ＝1.190 0时，频率特性值最小，即ζ＝1.1900为当前归一化终端负载＝2时的最佳阻抗变换器转换比。从图6中也可直接看到转化比ζ＝1.190 0为曲线“位置最低”，变化率最小。因此，可以得到ζ＝1.190 0为两节λ／4阻抗变换器的最佳频率特性的转换比。

图5 两节λ／4宽带阻抗变换器频率特性曲线随转换比的变换

图6 f／f0＝1.3时频率特性|ΓB|随转换比ζ变化曲线

3 结 语

通过对单节和两节λ／4宽带阻抗变换器的频率特性的分析，以及对单节和两节λ／4宽带阻抗变换器的频率特性进行仿真。结果表明，两节λ／4宽带阻抗变换器可以有效地改善频率特性。通过直接比较曲线“高低”的方法可以方便地找到最佳的转换比。因此，采用本研究所设计的两节λ／4宽带阻抗变换器作为宽带阻抗变换器器件结构简单且方便设计，具有较强的实用性，可以用于快速设计宽带阻抗匹配变换器。

［1］周越，张国锋.切比雪夫阻抗变换器的设计方法［J］.大学物理，2012，31（11）：29-31.

［2］ENZO C.Model Characterizes Transmission-Line Transformers［J］.Microwaves＆RF，1996，35（11）73-80.

［3］ORFANIDIS S J.A Two-sections Dual-band Chebyshev Imped-ante Transformer［J］.IEEE：Microwave And Wireless Components Letters，2003，13（9）：382-384.

［4］马银圣，罗良金，邱蕴等.非常规变比阻抗变换器的设计与实现［J］.中国电子科学研究院学报，2013，8（3）：327-330.

［5］刘兴，李文赢.基于神经网络的四分之波长微带阻抗变换器设计［J］.重庆工学院学报：自然科学版，2008，22（3）：72-74.

［6］陈军，徐昌彪.两节宽带阻抗变换器的优化设计［J］.重庆邮电大学学报：自然科学版，2008，20（2）：194-196.

［7］蔡钧.双波段阻抗变换器［J］.现代雷达，2007，29（9）：81-83.

［8］傅文斌.微波技术与天线［M］.机械工业出版社，2007.

［9］涂升，焦永昌，宋跃等.一种具有陷波特性的Yivaldi天线设计［J］.电波科学学报，2010，25（2）：383-387.

［10］CESAR M.A Small Dual-Frequency Transformer in Two Sections［J］.IEEE Teansactions on Microwave Theory and Techniques，2003，51（4）：1157-1161.

韩 俊（1983—），男，安徽合肥人，工程师，博士，主要研究方向为雷达信号处理、电子对抗信息处理等；

E-mail：duj81＠163.com

何明浩（1963—），男，江苏江阴人，教授，博士，博士生导师，主要研究方向为雷达系统，雷达与对抗等；

郭利荣（1988—），男，福建建瓯人，硕士研究生，主要研究方向为电子对抗信息处理。

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