E面双支节终端短路波导匹配的研究
雷达发射微波信号, 通过接收微弱反射信号确定目标的位置。功率的大小决定了侦探距离。在大功率传输系统中, 波导传输系统经常被采用。提高微波系统的功率容量成为微波技术研究的重要任务之一。传输线上的功率传输与驻波系数ρ有关, 当传输线上出现驻波时, 功率容量将减小ρ倍。因此系统的匹配技术尤为关键。
本文讨论的E面双支节终端短路波导匹配, 是在波导传输线上间隔3/4λ处, 串联两段终端短路波导, 短路面为短路活塞, 通过史密斯圆图的应用, 调节短路面的位置能实现匹配。在有些情况下, 负载端需连接1/4λ长的波导。
1 理论分析
构成雷达、通讯等微波系统的元件各种各样, 各元件的阻抗也不同样, 系统调配时总会遇到一些非常困难的工作, 对各元件的不同阻抗进行匹配就是其中之一。从微波源的输出, 到末段负载天线发射, 都需要进行匹配。在通讯系统中还有低噪声放大器、功率放大器与天线之间的匹配, 本振、混频器、放大器等之间的匹配。阻抗匹配分三种情况, 负载匹配、源无反射匹配和共轭匹配。
元器件之间的匹配一般在传输线上完成。匹配的方法比较多, 四分之一波长阻抗变换器体积小, 频带窄;多节阶梯阻抗变换器频带宽, 体积大。渐变线阻抗变换器的频带相当宽, 体积也比较适中。理论上这三者阻抗变化器仅适宜输入阻抗为纯电阻的情况。而微波负载的阻抗是大多数情况下均含有电抗的成分。支节线阻抗匹配器在工程上是一种常用的方法。单支节调配器需要选择合适的位置, 以串联或并联的方式连接单支节线。负载的阻抗不同, 介入的位置也相应变化。实际上同一批加工的负载, 阻抗不可能相同。因此, 单支节调配器在工程应用时存在许多缺点。双支节调配可以在传输线路上, 间隔一定的距离并联或串联两个支路, 通过改变短路线或者开路线的长度, 调节并联电纳值或串联电抗值, 最终实现阻抗匹配。
阻抗匹配过程可以通过史密斯圆图完成。史密斯圆图是传输线理论中一种重要的工具, 应用时先将负载的阻抗对传输线特性阻抗进行归一化, 连接支节线时沿等电阻或等电导圆上移动;在传输线上移动的时候, 沿等反射系数圆移动, 移动的终点为史密斯圆的圆心。
对于任意阻抗Z, 运用史密斯圆图进行分析。任意负载Z在圆图上位于点1, 并联支节线后, 沿等电纳圆移动到点2, 由于两个并联支节线间隔3/4λ, 因此沿等反射系数圆移动到点3, 最后一个并联支节线, 将沿等电纳圆移动到圆心匹配点。
支节线可以串联或并联短路活塞, 需要占据一定的空间, 根据实际情况可以采取在波导的宽面接入支节线, 即ET分支线;或者在波导的窄面接入支节线, 即HT分支线。对于ET波导分支线, 其S参数矩阵为:
假设3端口短路分支线的长度分别为L, 则该端口的输入和输出信号幅度相同相位相差2βL。通过改变L的长度, 实际上改变了电纳数值, 对应史密斯圆图上沿等电导圆上移动。最终实现匹配的作用。
在改变支节线长度时, 对于不同的频率其电长度不相同, 实现阻抗匹配时短路线的长度仅满足个别频率点的要求, 因此支节线调配的工作带宽并不理想。
2 数值结果
本文中选用BJ00矩形波导传输线, 两个端口的终端, 接不同的特性阻抗传输线。1端口的阻抗与波导的特性阻抗相同, 2端口接两倍波导的特性阻抗。此时的反射系数比较大, 不利于信号的传输。在波导的宽边间隔3/4λ, 分别串联了两段终端短路负载, 调节短路线的长度, 端口的匹配也随着改变, 微波信号通过该匹配器的插入损耗也发生变化。表1给出了在合适支节线长度情况下, 频率和散射参数变化最佳的情况。
表1中的数据是经过支节线1、2不同的组合, 经大量实验后优选出来。工作频率不相同, 支节线1、2长度有所变化;对于同一个频率, 支节线1、2长度有不同的组合;匹配完成后支节线1、2的长度不能互相交换;另外当它们的长度发生变化时, 频率特性变化非常敏感。研究结果表明S11随频率变化比较大, 20dB的带宽仅为400MHz, 表明了双支节调配器的带宽比较窄, 和理论分析相吻合。
3 结语
对于任何系统, 特别是微波系统, 阻抗匹配是极为关注的问题。微波元件的输入阻抗与传输线的特性阻抗相差较大的时候, 需要接入阻抗调配器, 使得信号可以顺利地传输。在本文的分析中, 通过大量的实验, 验证了双支节调配理论。同时可以推断, 在传输线上将串联的形式, 改为并联, 甚至同时采用串并联的方式, 均能够实现电路的匹配。
研究结果表明, 双支节调配是基于传输线匹配的一种方法, 适用于一般的传输线如同轴、微带等常见的传输线。设计匹配时可以选择合适的连接方式, 在具体的传输系统中, 可以根据系统的结构情况和实现, 选择容易实现的串联或并列的组合, 达到阻抗匹配的结果, 增强传输线的功率传输。
摘要：传输线上的功率传输与驻波系数ρ有关, 当传输线上出现驻波, 功率容量将减小ρ倍。传输线的阻抗匹配, 对于微波系统和微波元件的设计非常重要。本文描述了E面双支节终端短路波导匹配的方法, 应用史密斯圆图, 理论分析双支节匹配, 对波导传输线进行阻抗组合的匹配方法。
关键词：波导,史密斯,双支节,匹配
参考文献
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