阻抗变换器

工业设备

当负载阻抗和传输线特性阻抗不等，或两段特性阻抗不同的传输线相连接时均会产生反射，除用上面的阻抗调配器来实现阻抗匹配外，还可以用阻抗变换器来达到匹配。只要在两段所需要匹配的传输线之间，插入一段或多段传输线段，就能完成不同阻抗之间的变换，以获得良好匹配，故称为阻抗变换器。

简介

阻抗变换器的作用是解决微波传输线与微波器件之间匹配的，在通常情况下，同轴传输线的阻抗为75Ω，而与馈线相连的极化分离器和波道滤波器的输入输出阻抗为50Ω。

按结构可分为同轴线阻抗变换器、矩形波导阻抗变换器、带状线和微带线阻抗变换器；按阻抗变换的规律可分为阶梯阻抗变换器和渐变式阻抗变换器。阶梯阻抗变换器又可分为最大平坦式及切比雪夫式阻抗变换器。

主要原理

在微波传输线的负载不匹配，或者不同特性阻抗的传输线相连时，由于产生反射，使损耗增加、功率容量减小、效率降低。为了解决这些问题，可在两者之间连接阻抗变换器。阻抗变换器就是能够改变阻抗大小和性质的微波元件，一般由一段或几段不同特性阻抗的传输线所构成。

图1左是几种单阶阻抗变换器及其简化等效电路，分别是波导型、同轴线型和微带线型。令各种传输线左、右两端的特性阻抗为Ze1、Ze2，利用λp/4阻抗变换器的特性便可实现这两段传输线的匹配。λp/4阻抗变换器的特性阻抗为

这里的波长是工作频带内中心频率点所对应的波导波长。

单阶阻抗变换器结构简单，但是工作频带窄。为了展宽工作频带，可采用多阶λp/4阻抗变换器。

若将多阶阻抗变换器用渐变线代替，则可将工作频带进一步展宽。渐变线有直线式和指数式，图1右是微带线指数渐变线阻抗变换器。渐变线总长l的取值取决于对频带低端反射系数的要求。

分类介绍

一、单节阻抗变换器

在两段特性阻抗分别为Z01和Z02的传输线中间，加一段长度等于λp0/4的特性阻抗为Z0的传输线段，可使阻抗达到匹配。这种原理和方法适用于所有的传输线。对于矩形波导同样也适用。使两段等效阻抗不等的波导获得匹配，即在等效阻抗分别为Z01和Z02的两段波导中间串接一段长度为λp0/4，其等效阻抗为的波导段即可达到。

对于波导宽壁尺寸口相同，窄壁尺寸分别为b1和b3的两段矩形波导，若在它们中间加一段长度为λp0/4，波导宽壁尺寸为a，窄壁尺寸b2的波导段，则必须满足

才能使两段矩形波导获得匹配，如图2(a)所示。同理图2(b)和图2(c)分别表示同轴线和微带线单节λp0/4阻抗变换器的典型结构示意图。

二、多节λ/4阶梯阻抗变换器

特性阻抗不等的两段传输线相接，连接处的阻抗由于不匹配而引起反射波，而且它只有一个连接面，因此无法产生另一个反射波与原来反射波抵消。当中间加了一段λ/4阻抗变换器以后，又增加了一个连接面，这样两个连接面均会产生反射，而且由于两个连接面之间有λ/4的距离，使两个反射波到达输入端时相位恰好相反。如果控制λ/4阻抗变换器的横向尺寸，使两个连接面所产生的反射波在输入端等幅反相而抵消，则达到匹配。但因为只有两个连接面，因此只能对一个频率达到匹配；而且由于只有一段λ/4阻抗变换器，当要匹配两段特性阻抗相差比较大的传输线时，由于两个连接面处不连续电容比较大，会影响阻抗匹配性能。为了增加阻抗变换器的工作频带，以便在较宽的频带内具有良好的匹配性能，往往采用如图2所示的多节λ/4阻抗变换器，因其形状像阶梯故又称为多节阶梯阻抗变换器。

阻抗变换器的应用

1．不同特性阻抗的传输线的连接

四分之一波长单节阻抗变换器的应用实例如图3左所示，它用来连接两段特性阻抗分别为Z1、Z2的传输线。变换器的特性阻抗在同轴线情况或波导情况下变换段的尺寸。

单节变换器只能在一个频率点上(相应于变换段电长度刚好为π/2的那个频率)才是完全匹配的，而只在该频率附近的一个很窄的频带内有近似的匹配。前面已指出，为了展宽变换器的工作带宽，可以采用多节变换器。在N节变换器中，通过合理选择每节的特性阻抗Zn或反射系数ρn，就可以在N个频率点上获得全匹配，从而使变换器总的频带得到增加。至于ρn的具体选择，可以按二项式分布来确定，也可以按切比雪夫分布来确定，后者能比前者获得更好更宽的带宽。在多节变换器中，当把节数无限增加而保持总长度不变时，变换器由不连续的阶梯过渡转化为连续光滑变化的渐变过渡(见图3右)，这种渐变最简单的就是线性变化，但用指数渐变或三角函数分布渐变效果会更好。渐变段越长，匹配越好，带宽也越宽。更为理想的是切比雪夫渐变线，将切比雪夫阶梯变换器的节数无限增加而每节的长度无限缩短，使总长度不变，就得到了切比雪夫渐变变换器。在同样长度下，这种渐变线可以做到在给定长度下反射最小；反之在给定反射下，它需要的变换段长度最短。事实上，在合理设计下，波导截面的变化，甚至轴线的变化，连续变化的性能总可以比不连续的变化好，可以说是一个普遍的规律。对阻抗变换器是如此，对上节介绍过的弯波导、扭波导等也是如此。切比雪夫函数在微波元件的设计中应用十分广泛，不仅在阻抗变换器的设计中，也在滤波器、定向耦合器等设计中用来增加元件的工作频率范围。

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