一般来说,并联型微带线匹配电路分为单枝节匹配和双枝节匹配,如下。
1.微带单枝节匹配电路
单枝节匹配有两种拓扑结构:第一种为负载与短截线并联后再与一段传输线串联,第二种为负载与传输线串联后再与短截线并联,如图3.11所示。
上述两种匹配网络中都有四个可调整参数:短截线的长度ls和特性阻抗Z0s,传输线的长度lL和特性阻抗Z0L。可以想象:四个参数的合理组合,可以实现任意阻抗之间的匹配。
下面的实例分析介绍了图3.11(a)所示匹配网络的设计过程。为了简单,将短截线特性阻抗Z0s和传输线特性阻抗Z0L均取为Z0,通过调整它们的长度实现预定的输入阻抗。
图3.11 单枝节匹配电路的基本结构
利用Ansoft公司的Designer电路设计软件的软件圆图能够很方便地进行设计。类似软件还有Winsmith等。
2.设计实例
设计单枝节匹配网络,将负载阻抗ZL=(60-j45)Ω变换为输入阻抗Zin=(75+j90)Ω。假设图3.11(a)中的短截线和传输线的特性阻抗均为Z0=75Ω。
步骤一:求归一化阻抗
步骤二:选择短截线长度ls的基本原则是,短截线产生的电纳Bs能够使负载阻抗ZL=0.8-j0.6变换到归一化输入阻抗点的反射系数圆上,如图3.12所示。可以看出,对应于的输入反射系数圆与等电导圆g=0.8有两个交点(yA=0.8+j1.05和yB=0.8-j1.05),是两个可能的解。短截线的两个相应的电纳值分别为jsA=yA-yL=j0.45和jsB=yB-yL=-j1.65。对于第一个解而言,开路短截线的长度可以通过在Smith圆图上测量lsA求出,lsA是从y=0点(开路点)开始沿Smith圆图的最外圈向源方向移动(顺时针)到达y=0.45点所经过的电长度,本例中lsA=0.067λ。只需将短截线的长度增加1/4工作波长,开路短截线就可以换成短路短截线。在同轴系统中,用短路线段;在微带电路中,用开路短截线。
图3.12 利用圆图设计单枝节匹配网络(www.daowen.com)
类似于第一个解,由bsB可求出开路短截线的长度lsB=0.337 λ和短路短截线的长度lsB=0.087λ。在这种情况下,我们发现短路短截线需要比开路短截线的长度更短。其原因是由于开路短截线的等效电纳为负值。
同理,我们可以求出串联传输线长度,其中第一个解为lsA=0.266λ,第二个解为lsB=0.07λ。
3.微带双枝节匹配电路
单枝节匹配网络具有良好的通用性,它可在任意输入阻抗和实部不为零的负载阻抗之间形成阻抗匹配或阻抗变换。这种匹配网络的主要缺点之一是需要在短截线与输入端口或短截线与负载之间插入一段长度可变的传输线。虽然这对于固定型匹配网络不会成为问题,但会给可调型匹配器带来困难。我们可以通过这种网络中再增加一个并联短截线来解决上述问题,这就是双枝节匹配网络,如图3.13所示。
图3.13 双枝节匹配网络
在双枝节匹配网络中,两段开路或短路短截线并联在一段固定长度的传输线两端。传输线l2的长度通常选为1/8、3/8或5/8个波长。在无线通信射频应用中通常采用3/8和5/8个波长的间隔,以便简化可调匹配器的结构。
为了确保匹配,导纳yC(等于zL与传输线l1串联后再与并联短截线ls1并联)必须落在这个移动后的g=1圆(称之为yC圆)上。通过改变短截线ls1的长度,我们可以使点yD最终变换为位于旋转后的等电导圆g=1上。只要点yD(即zL与传输线l1串联)落在等电导圆g=2之外,上述变换过程就可以实现。也就是说,间距一定的双枝节匹配电路存在可能的匹配禁区,实际工作中应避开这个禁区。解决这个问题的方法是双短截线可调匹配器的输入、输出传输线符合l1=l3±λ/4的关系,如果可调匹配器不能对某一特定负载实现匹配,我们只需要对调可调匹配器的输入、输出端口,则yD必将移出匹配禁区。
由于双枝节匹配网络存在匹配禁区,工程中常用的是三枝节或四枝节匹配电路。最典型的是波导多螺钉调配器,反复调整各个螺钉的深度,测量输入端驻波比,可以使系统匹配,并且获得良好的频带特性。
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