[科普中國]-阻抗變換器

當(dāng)負(fù)載阻抗和傳輸線特性阻抗不等，或兩段特性阻抗不同的傳輸線相連接時均會產(chǎn)生反射，除用上面的阻抗調(diào)配器來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配外，還可以用阻抗變換器來達(dá)到匹配。只要在兩段所需要匹配的傳輸線之間，插入一段或多段傳輸線段，就能完成不同阻抗之間的變換，以獲得良好匹配，故稱為阻抗變換器。

簡介阻抗變換器的作用是解決微波傳輸線與微波器件之間匹配的，在通常情況下，同軸傳輸線的阻抗為75Ω，而與饋線相連的極化分離器和波道濾波器的輸入輸出阻抗為50Ω。

按結(jié)構(gòu)可分為同軸線阻抗變換器、矩形波導(dǎo)阻抗變換器、帶狀線和微帶線阻抗變換器；按阻抗變換的規(guī)律可分為階梯阻抗變換器和漸變式阻抗變換器。階梯阻抗變換器又可分為最大平坦式及切比雪夫式阻抗變換器。1

主要原理在微波傳輸線的負(fù)載不匹配，或者不同特性阻抗的傳輸線相連時，由于產(chǎn)生反射，使損耗增加、功率容量減小、效率降低。為了解決這些問題，可在兩者之間連接阻抗變換器。阻抗變換器就是能夠改變阻抗大小和性質(zhì)的微波元件，一般由一段或幾段不同特性阻抗的傳輸線所構(gòu)成。

圖6-38是幾種單階阻抗變換器及其簡化等效電路，分別是波導(dǎo)型、同軸線型和微帶線型。令各種傳輸線左、右兩端的特性阻抗為Ze1、Ze2，利用λp/4阻抗變換器的特性便可實(shí)現(xiàn)這兩段傳輸線的匹配。λp/4阻抗變換器的特性阻抗為

這里的波長是工作頻帶內(nèi)中心頻率點(diǎn)所對應(yīng)的波導(dǎo)波長。

單階阻抗變換器結(jié)構(gòu)簡單，但是工作頻帶窄。為了展寬工作頻帶，可采用多階λp/4阻抗變換器。

若將多階阻抗變換器用漸變線代替，則可將工作頻帶進(jìn)一步展寬。漸變線有直線式和指數(shù)式，圖6-39是微帶線指數(shù)漸變線阻抗變換器。漸變線總長l的取值取決于對頻帶低端反射系數(shù)的要求。2

分類介紹一、單節(jié)阻抗變換器

在兩段特性阻抗分別為Z01和Z02的傳輸線中間，加一段長度等于λp0/4的特性阻抗為Z0的傳輸線段，可使阻抗達(dá)到匹配。這種原理和方法適用于所有的傳輸線。對于矩形波導(dǎo)同樣也適用。使兩段等效阻抗不等的波導(dǎo)獲得匹配，即在等效阻抗分別為Z01和Z02的兩段波導(dǎo)中間串接一段長度為λp0/4，其等效阻抗為 的波導(dǎo)段即可達(dá)到。

對于波導(dǎo)寬壁尺寸口相同，窄壁尺寸分別為b1和b3的兩段矩形波導(dǎo)，若在它們中間加一段長度為λp0/4，波導(dǎo)寬壁尺寸為a，窄壁尺寸b2的波導(dǎo)段，則必須滿足

才能使兩段矩形波導(dǎo)獲得匹配，如圖1-22(a)所示。同理圖1-22(b)和圖1-22(c)分別表示同軸線和微帶線單節(jié)λp0/4阻抗變換器的典型結(jié)構(gòu)示意圖。

二、多節(jié)λ/4階梯阻抗變換器

特性阻抗不等的兩段傳輸線相接，連接處的阻抗由于不匹配而引起反射波，而且它只有一個連接面，因此無法產(chǎn)生另一個反射波與原來反射波抵消。當(dāng)中間加了一段λ/4阻抗變換器以后，又增加了一個連接面，這樣兩個連接面均會產(chǎn)生反射，而且由于兩個連接面之間有λ/4的距離，使兩個反射波到達(dá)輸入端時相位恰好相反。如果控制λ/4阻抗變換器的橫向尺寸，使兩個連接面所產(chǎn)生的反射波在輸入端等幅反相而抵消，則達(dá)到匹配。但因?yàn)橹挥袃蓚€連接面，因此只能對一個頻率達(dá)到匹配；而且由于只有一段λ/4阻抗變換器，當(dāng)要匹配兩段特性阻抗相差比較大的傳輸線時，由于兩個連接面處不連續(xù)電容比較大，會影響阻抗匹配性能。為了增加阻抗變換器的工作頻帶，以便在較寬的頻帶內(nèi)具有良好的匹配性能，往往采用如圖1-23所示的多節(jié)λ/4阻抗變換器，因其形狀像階梯故又稱為多節(jié)階梯阻抗變換器。3

阻抗變換器的應(yīng)用1．不同特性阻抗的傳輸線的連接

四分之一波長單節(jié)阻抗變換器的應(yīng)用實(shí)例如圖3-12所示，它用來連接兩段特性阻抗分別為Z1、Z2的傳輸線。變換器的特性阻抗在同軸線情況或波導(dǎo)情況下變換段的尺寸。

單節(jié)變換器只能在一個頻率點(diǎn)上(相應(yīng)于變換段電長度剛好為π/2的那個頻率)才是完全匹配的，而只在該頻率附近的一個很窄的頻帶內(nèi)有近似的匹配。前面已指出，為了展寬變換器的工作帶寬，可以采用多節(jié)變換器。在N節(jié)變換器中，通過合理選擇每節(jié)的特性阻抗Zn或反射系數(shù)ρn，就可以在N個頻率點(diǎn)上獲得全匹配，從而使變換器總的頻帶得到增加。至于ρn的具體選擇，可以按二項(xiàng)式分布來確定，也可以按切比雪夫分布來確定，后者能比前者獲得更好更寬的帶寬。在多節(jié)變換器中，當(dāng)把節(jié)數(shù)無限增加而保持總長度不變時，變換器由不連續(xù)的階梯過渡轉(zhuǎn)化為連續(xù)光滑變化的漸變過渡(見圖3-13)，這種漸變最簡單的就是線性變化，但用指數(shù)漸變或三角函數(shù)分布漸變效果會更好。漸變段越長，匹配越好，帶寬也越寬。更為理想的是切比雪夫漸變線，將切比雪夫階梯變換器的節(jié)數(shù)無限增加而每節(jié)的長度無限縮短，使總長度不變，就得到了切比雪夫漸變變換器。在同樣長度下，這種漸變線可以做到在給定長度下反射最小；反之在給定反射下，它需要的變換段長度最短。事實(shí)上，在合理設(shè)計(jì)下，波導(dǎo)截面的變化，甚至軸線的變化，連續(xù)變化的性能總可以比不連續(xù)的變化好，可以說是一個普遍的規(guī)律。對阻抗變換器是如此，對上節(jié)介紹過的彎波導(dǎo)、扭波導(dǎo)等也是如此。切比雪夫函數(shù)在微波元件的設(shè)計(jì)中應(yīng)用十分廣泛，不僅在阻抗變換器的設(shè)計(jì)中，也在濾波器、定向耦合器等設(shè)計(jì)中用來增加元件的工作頻率范圍。4

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)