一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的設計方法及電路與流程
2023-08-01 00:22:06 1
本發明涉及通信技術領域，尤其涉及一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的設計方法及電路。
背景技術：
微波技術被廣泛用於工業，農業，遙感，軍事等行業，為適應民用通信、電子偵探以及電子對抗的發展要求，微波通信系統朝著高性能、小型化、寬帶及多頻帶的方向發展。微波傳輸線作為傳輸電磁波的導波系統，一直是構成所有微波部件最基礎也是最重要的一部分，然而，目前絕大部分的研究集中在均勻傳輸線方向，這主要是因為均勻傳輸線的特徵參數可以由相應的理論公式得到，這些參數中包括S參數(散射參數)和ABCD參數(傳輸矩陣，A、D為無量綱參數，C為導納，B為阻抗)，它們的研究已經非常成熟。
在現有技術中，阻抗變換器作為微波電路中最常用也是最重要的關鍵部件之一，通常採用的是均勻傳輸線或者階梯阻抗傳輸線。然而，基於均勻傳輸線的雙頻帶阻抗變換器常常存在寄生通帶，插損大，帶寬窄，物理尺寸大等缺陷，這使得其應用受到很大限制。
技術實現要素：
本發明提供一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的設計方法及電路，解決了通過數學優化模型優化出阻抗變換器的結構尺寸，使阻抗變換器相應的傳輸線為非均勻傳輸線，使傳輸線在縱向方向上的寬度連續變化的技術問題。
為解決以上技術問題，本發明提供一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的設計方法，包括如下步驟：
S1.將阻抗變換器每條非均勻傳輸線的特性阻抗用截斷的傅立葉展開並得到歸一化表達式；
S2.將每條非均勻傳輸線按照長度均等分成至少兩段；
S3.求出每條非均勻傳輸線的傳輸矩陣；
S4.求出整個阻抗變換器的傳輸矩陣；
S5.根據位於雙頻帶中的離散頻率fj求出阻抗變換器輸入端的反射係數Γin(fj)；
S6.構造頻率目標函數
S7.構造阻抗約束條件Zmin≤Z≤Zmax，Z為阻抗變換器中非均勻傳輸線任意點處的特性阻抗；
S8.基於所述阻抗約束條件最小化所述頻率目標函數，並構造數學優化模型
S9.得到傅立葉係數an,bn,cn,...；
S10.將步驟S9得到的傅立葉係數an,bn,cn,...代入所述步驟S5中，分析判定輸入終端阻抗輸出端的反射係數是否小於預定值，若是，執行步驟S11，若不是，則返回到步驟S2；
S11.將所述步驟S9中得到的傅立葉係數an,bn,cn,...代入所述步驟S1中每條非均勻傳輸線的特性阻抗的歸一化表達式中，求出每條非均勻傳輸線的特性阻抗；
S12.根據傳輸線綜合方法由所述步驟S11中得到的每條非均勻傳輸線的特性阻抗求出每條非均勻傳輸線的物理尺寸；
S13.將所述步驟S12中的每條非均勻傳輸線與輸入終端阻抗和輸出終端阻抗連接的電路進行三維電磁仿真檢驗阻抗變換器的阻抗匹配效果。
進一步地，在所述步驟S5中，將兩個雙頻帶分別表示為[f1L,f1H]和[f2L,f2H]，且f2L＞f1H，fj由一系列位於雙頻帶中的離散頻率組成，j＝1,2,...M。
進一步地，所述步驟S7中的約束條件根據實際中電路加工工藝的精度設定為20Ω<Z<120Ω。
進一步地，在步驟S8中，通過最小二乘法最小化所述頻率目標函數以構造數學優化模型。
本發明還提供一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的電路，包括由水平非均勻傳輸線、開路非均勻傳輸線與/或短路非均勻傳輸線、輸入終端阻抗、輸出終端阻抗連接組成的T型電路、π型電路或H型電路；所述水平非均勻傳輸線連接於輸入終端阻抗輸出端與輸出終端阻抗輸入端之間，所述輸入終端阻抗輸入端與輸出終端阻抗輸出端分別連接輸入終端阻抗和輸出終端阻抗後接地；以所述水平非均勻傳輸線方向為X軸，所述水平非均勻傳輸線的垂直平分線為Y軸。
進一步地，所述T型電路設有一條水平非均勻傳輸線、一條開路非均勻傳輸線和一條短路非均勻傳輸線；所述開路非均勻傳輸線的一端與短路非均勻傳輸線的一端均連接於所述輸出終端阻抗輸入端。
進一步地，所述π型電路，設有一條水平非均勻傳輸線以及兩條並聯的開路非均勻傳輸線或兩條並聯的短路非均勻傳輸線；所述兩條開路非均勻傳輸線中的一條連接所述輸入終端阻抗輸出端，另一條連接所述輸出終端阻抗輸入端，或所述短路非均勻傳輸線中的一條連接於所述輸入終端阻抗輸出端，另一條連接於所述輸出終端阻抗輸入端；所述π型電路沿Y軸對稱。
進一步地，所述H型電路，設有一條水平非均勻傳輸線、兩條並聯的開路非均勻傳輸線和兩條並聯的短路非均勻傳輸線；所述兩條開路非均勻傳輸線中的一條連接於所述輸入終端阻抗輸出端，另一條連接於所述輸出終端阻抗輸入端；所述兩條短路非均勻傳輸線中的一條連接於所述輸入終端阻抗輸出端，另一條連接於所述輸出終端阻抗輸入端；所述H型電路沿Y軸對稱。
進一步地，所述輸入終端阻抗和輸出終端阻抗為任意複數。
進一步地，所述電路工作於雙頻帶。
本發明提供的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的設計方法，通過數學優化模型優化出阻抗變換器的結構尺寸，使阻抗變換器相應的傳輸線為非均勻傳輸線，使傳輸線在縱向方向上的寬度連續變化，從而實現了電磁波信號在傳輸線上的通暢傳輸。使用該方法構造的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的電路，反射係數小，諧波抑制大，插損小，帶寬大，物理尺寸比傳統的均勻傳輸線阻抗變換器小以及其設計更加靈活。並且，該阻抗變換器無需任何集中電抗元件即可用於任意複數終端阻抗的匹配，資源運用少且應用範圍廣，經濟實惠，性價比高。
附圖說明
圖1是本發明提供的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的設計方法的流程圖；
圖2是本發明實施例提供的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的電路中的T型電路的電路結構圖；
圖3是本發明實施例提供的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的電路中的第一種π型電路的電路結構圖；
圖4是本發明實施例提供的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的電路中的第二種π型電路的電路結構圖；
圖5是本發明實施例提供的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的電路中的H型電路的電路結構圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。以下僅為較佳實施例，不構成對本發明保護範圍的限制。
參見圖1，是本發明提供的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的設計方法的流程圖。在本實施例中，所述的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的設計方法，包括如下步驟：
S1.將阻抗變換器每條非均勻傳輸線的特性阻抗用截斷的傅立葉展開並得到歸一化表達式
其中i為不同電路的區別下標，A-E為一個電路中每條非均勻傳輸線的區別下標，Z0為輸入終端阻抗。
S2.將每條非均勻傳輸線按照長度均等分成K段，K為大於1的自然數；
S3.求出每條非均勻傳輸線的傳輸矩陣
h＝A,B,C,D,E；Zi為從第1段到第K段中第i段的特性阻抗。
S4.求出整個阻抗變換器的傳輸矩陣[ABCD]，其中A、D為無量綱參數，C為導納，B為阻抗；
S5.根據位於雙頻帶中的離散頻率fj求出輸入終端阻抗輸出端的反射係數
S6.構造頻率目標函數
S7.構造阻抗約束條件Zmin≤Z≤Zmax，Z為阻抗變換器中任一非均勻傳輸線任意點處的特性阻抗；
S8.基於所述阻抗約束條件最小化所述頻率目標函數，並構造數學優化模型
S9.得到傅立葉係數an,bn,cn,...；
S10.將步驟S9得到的傅立葉係數an,bn,cn,...代入所述步驟S5中，分析判定輸入終端阻抗輸出端的反射係數是否小於預定值，若是，執行步驟S11，若不是，則返回到步驟S2；
S11.將所述步驟S9中得到的傅立葉係數an,bn,cn,...代入所述步驟S1中每條非均勻傳輸線的特性阻抗的歸一化表達式中，求出每條非均勻傳輸線的特性阻抗；
S12.根據傳輸線綜合方法由所述步驟S11中得到的每條非均勻傳輸線的特性阻抗求出每條非均勻傳輸線的物理尺寸；
S13.將所述步驟S12中的每條非均勻傳輸線與輸入終端阻抗和輸出終端阻抗連接的電路進行三維電磁仿真檢驗阻抗變換器的阻抗匹配效果。
在本實施例中，在所述步驟S5中，將兩個雙頻帶分別表示為[f1L,f1H]和[f2L,f2H]，且f2L＞f1H，fj由一系列位於雙頻帶中的離散頻率組成，j＝1,2,...M；所述步驟S7中的約束條件根據實際電路加工工藝的精度設定為20Ω<Z<120Ω；在所述步驟S8中，通過最小二乘法最小化所述頻率目標函數以構造數學優化模型。
本發明還提供一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的電路，包括由水平非均勻傳輸線、開路非均勻傳輸線與/或短路非均勻傳輸線、輸入終端阻抗、輸出終端阻抗連接組成的T型電路、π型電路或H型電路；所述水平非均勻傳輸線連接於輸入終端阻抗輸出端與輸出終端阻抗輸入端之間，所述輸入終端阻抗輸入端與輸出終端阻抗輸出端分別連接輸入終端阻抗Z0和輸出終端阻抗ZL後接地；以所述水平非均勻傳輸線方向為X軸，所述水平非均勻傳輸線的垂直平分線為Y軸。
參見圖2，是本發明實施例提供的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的電路中的T型電路的電路結構圖。在本實施例中，所述的T型電路設有一條水平非均勻傳輸線101、一條開路非均勻傳輸線102和一條短路非均勻傳輸線103；所述開路非均勻傳輸線102的一端與短路非均勻傳輸線103的一端均連接於所述輸出終端阻抗輸入端Zout1。
所述水平非均勻傳輸線101長度為lA1其特性阻抗ZA1用截斷的傅立葉展開表示；
所述開路非均勻傳輸線102長度為lB1其特性阻抗ZB1用截斷的傅立葉展開表示；
所述短路非均勻傳輸線103長度為lC1其特性阻抗ZC1用截斷的傅立葉展開表示。
參見圖3，是本發明實施例提供的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的電路中的第一種π型電路的電路結構圖。在本實施例中，所述第一種π型電路，設有一條水平非均勻傳輸線201以及兩條並聯的開路非均勻傳輸線202、203；當所述兩條並聯的開路非均勻傳輸線302、303也可被替換為兩條並聯的短路非均勻傳輸線302、303，與水平非均勻傳輸線301串聯時，即為第二種π型電路，如圖4；
在圖3中，所述開路非均勻傳輸線202連接所述輸入終端阻抗輸出端Zin2，開路非均勻傳輸線203連接所述輸出終端阻抗輸入端Zout2；在圖4中，所述短路非均勻傳輸線302連接於所述輸入終端阻抗輸出端Zin3，短路非均勻傳輸線303連接於所述輸出終端阻抗輸入端Zout3；
所述水平非均勻傳輸線201長度為lA2其特性阻抗ZA2用截斷的傅立葉展開表示；
所述開路非均勻傳輸線202長度為lB2其特性阻抗ZB2用截斷的傅立葉展開表示；
所述開路非均勻傳輸線203長度為lC2其特性阻抗ZC2用截斷的傅立葉展開表示；
所述水平非均勻傳輸線301長度為lA3其特性阻抗ZA3用截斷的傅立葉展開表示；
所述短路非均勻傳輸線302長度為lB3其特性阻抗ZB3用截斷的傅立葉展開表示；
所述短路非均勻傳輸線303長度為lC3其特性阻抗ZC3用截斷的傅立葉展開表示。
所述第一種π型電路和第二種π型電路均沿Y軸對稱。
參見圖4，是本發明實施例提供的一種雙頻帶非均勻傳輸線阻抗變換器的電路中的H型電路的電路結構圖。在本實施例中，所述H型電路，設有一條水平非均勻傳輸線401、兩條並聯的開路非均勻傳輸線402、403和兩條並聯的短路非均勻傳輸線404、405；所述開路非均勻傳輸線402連接於所述輸入終端阻抗輸出端Zin4，開路非均勻傳輸線403連接於所述輸出終端阻抗輸入端Zout4；所述短路非均勻傳輸線404連接於所述輸入終端阻抗輸出端Zin4，短路非均勻傳輸線405連接於所述輸出終端阻抗輸入端Zout4；所述H型電路沿Y軸對稱。
所述水平非均勻傳輸線401長度為lA4其特性阻抗ZA4用截斷的傅立葉展開表示；
所述開路非均勻傳輸線402長度為lB4其特性阻抗ZB4用截斷的傅立葉展開表示；
所述開路非均勻傳輸線403長度為lC4其特性阻抗ZC4用截斷的傅立葉展開表示；
所述短路非均勻傳輸線404長度為lD4其特性阻抗ZD4用截斷的傅立葉展開表示；
所述短路非均勻傳輸線405長度為lE4其特性阻抗ZE4用截斷的傅立葉展開表示；
在本實施例中，所述輸入終端阻抗Z0和輸出終端阻抗ZL可以為任意複數；所述T型電路、π型電路和H型電路均工作於雙頻帶。
以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。