基本介紹
- 中文名：阻抗變換器
- 外文名：impedance transformer
- 限制因素：工作頻帶窄
- 設計依據：切比雪夫函式
- 分類：階梯和漸變式阻抗變換器等
- 目的：改變阻抗大小和性質
簡介,主要原理,分類介紹,阻抗變換器的套用,
簡介
按結構可分為同軸線阻抗變換器、矩形波導阻抗變換器、帶狀線和微帶線阻抗變換器；按阻抗變換的規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。
主要原理
在微波傳輸線的負載不匹配，或者不同特性阻抗的傳輸線相連時，由於產生反射，使損耗增加、功率容量減小、效率降低。為了解決這些問題，可在兩者之間連線阻抗變換器。阻抗變換器就是能夠改變阻抗大小和性質的微波元件，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現這兩段傳輸線的匹配。λp/4阻抗變換器的特性阻抗為
這裡的波長是工作頻帶內中心頻率點所對應的波導波長。
單階阻抗變換器結構簡單，但是工作頻帶窄。為了展寬工作頻帶，可採用多階λp/4阻抗變換器。
若將多階阻抗變換器用漸變線代替，則可將工作頻帶進一步展寬。漸變線有直線式和指數式，圖6-39是微帶線指數漸變線阻抗變換器。漸變線總長l的取值取決於對頻帶低端反射係數的要求。
分類介紹
一、單節阻抗變換器
在兩段特性阻抗分別為Z01和Z02的傳輸線中間，加一段長度等於λp0/4的特性阻抗為Z0的傳輸線段，可使阻抗達到匹配。這種原理和方法適用於所有的傳輸線。對於矩形波導同樣也適用。使兩段等效阻抗不等的波導獲得匹配，即在等效阻抗分別為Z01和Z02的兩段波導中間串接一段長度為λp0/4，其等效阻抗為 的波導段即可達到。
對於波導寬壁尺寸口相同，窄壁尺寸分別為b1和b3的兩段矩形波導，若在它們中間加一段長度為λp0/4，波導寬壁尺寸為a，窄壁尺寸b2的波導段，則必須滿足
才能使兩段矩形波導獲得匹配，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λp0/4阻抗變換器的典型結構示意圖。
二、多節λ/4階梯阻抗變換器
特性阻抗不等的兩段傳輸線相接，連線處的阻抗由於不匹配而引起反射波，而且它只有一個連線面，因此無法產生另一個反射波與原來反射波抵消。當中間加了一段λ/4阻抗變換器以後，又增加了一個連線面，這樣兩個連線面均會產生反射，而且由於兩個連線面之間有λ/4的距離，使兩個反射波到達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，使兩個連線面所產生的反射波在輸入端等幅反相而抵消，則達到匹配。但因為只有兩個連線面，因此只能對一個頻率達到匹配；而且由於只有一段λ/4阻抗變換器，當要匹配兩段特性阻抗相差比較大的傳輸線時，由於兩個連線面處不連續電容比較大，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具有良好的匹配性能，往往採用如圖1-23所示的多節λ/4阻抗變換器，因其形狀像階梯故又稱為多節階梯阻抗變換器。
阻抗變換器的套用
1．不同特性阻抗的傳輸線的連線
四分之一波長單節阻抗變換器的套用實例如圖3-12所示，它用來連線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情況下變換段的尺寸。
單節變換器只能在一個頻率點上(相應於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有近似的匹配。前面已指出，為了展寬變換器的工作頻寬，可以採用多節變換器。在N節變換器中，通過合理選擇每節的特性阻抗Zn或反射係數ρn，就可以在N個頻率點上獲得全匹配，從而使變換器總的頻帶得到增加。至於ρn的具體選擇，可以按二項式分布來確定，也可以按切比雪夫分布來確定，後者能比前者獲得更好更寬的頻寬。在多節變換器中，當把節數無限增加而保持總長度不變時，變換器由不連續的階梯過渡轉化為連續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，但用指數漸變或三角函式分布漸變效果會更好。漸變段越長，匹配越好，頻寬也越寬。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數無限增加而每節的長度無限縮短，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。事實上，在合理設計下，波導截面的變化，甚至軸線的變化，連續變化的性能總可以比不連續的變化好，可以說是一個普遍的規律。對阻抗變換器是如此，對上節介紹過的彎波導、扭波導等也是如此。切比雪夫函式在微波元件的設計中套用十分廣泛，不僅在阻抗變換器的設計中，也在濾波器、定向耦合器等設計中用來增加元件的工作頻率範圍。
