传输线在宽带匹配中的应用.pdfVIP

电子科技 2007 年第2期(总第209期) 传输线在宽带匹配 中的应用 吴广德 , 傅光 (西安电子科技大学天线与电磁散射国家重点试验室 , 陕西西安 7 1007 1 ) 摘 要 提出了一种宽带匹配网络设计的新思路 。 文中以任意输入阻杭的匹配为分析模型 , 详细分析了传 输线在宽带匹配中的各种应用 , 并从宏观角度定性 分析了传输线在阻抗匹配中的应用原理 。 在此基础上 分析设 计了一副工作在3 0 一 8 8 M H : 频段 、 电压驻波比小于3 . 0的实用单极子天线 , 其 实测结果良好地满足了要求 。 关键词 传输线 ; 宽带匹配网络 ; 单极子 天线 ; 阻抗匹配 中图分类号 T N 8 11 APPl i eat ion so fT ra nsm ission Lin e inB ro a d ba n d M a抚h ing W u G u angde , F u G uang I n stitute ofAntenn a s an dEM Sea tter i ng , X idianUni ve r s it y , X i a n 710 07 1 , Chin a ) A bs t r ac t A no v elmethod 15pr opo s ed f o r d e sig n ingbr o a d ba ndma t ehin g networ k in thispape r . Applie a - tion s o f tr ans mis sio n lin e inbr o adband功atehing a r e a na l邓ed in thisp即e r , ba s ed o n t h e m ode l o f a r b itrar yim - ped an e e ma t ehing . T h e n thei呷eda n e e m a t ehin gt h e 呵 o f tr an sm is sio n lin e15 studied 卿a lita t i v ely f r o m the a ns l e of m aer os e oPie . In the end , a pr a etie a l m o n oPoleanten na withthe VSWRle s s tha n 3 . 0in30 一8 8 MH z f r e q ue n ey band15de si, ed a e eo r d ingtothe an a lysis abo v e , and t he m e asu r e m 朋tr e sulls ar e ingo od agre em e n t withthe simulation r e sults . Ke y w o r d s transm is sion lin e: br o adba n dm a t ehingnetwork; m o n oPole a n t en na; im Pedan eem a t ehing 随着现代通信技术的发展和现代军事保密技 术的要求 , 宽频带通讯天线 得到 了重要 的应用 和发展 。 宽带匹配 网络作为实现宽 带通 讯天线的 重要手段也随着迅速发展起来 。 至今已有很多有 关宽带匹配网络的文章发表 , , 然而这些文章之 中大部分都是采用 电感 、 电容作为宽带匹配网络 的组成元件 , 例如图 1所示 。 L , C , 厂厂 , , , 厂厂 ) ) ) 而在天线工作频带 内这些元件 , 特别是较大 的电感 , 常常由于其分布参数 的影响 , 实测值与 理想值存在较大的差别 , 甚至有时感 性容性发生 突变川 , 这给以后 的工作带来不便 , 例如设计时 得到的理论结果很好 , 而在实验过程中往往很难 实现设计结果 。 其 中一个很重要 的原 因就是所用 的元件在高频时值已经发生了变化 , 另一个原 因 则是设计过程中用了太多的这种元件 , 同样会给 后面的实验带来困难 。 因此 , 采用尽 量少 的元件 , 或者尽量不用这些元件来实现宽带匹配网络是必 要的 。 本文中将传输线巧妙的应用到阻抗匹配中 , 收到了较好的效果 。 收稿日期 : 20 06刃7一3 作者简介 : 吴广德 (197 9 一 ) , 男 宽带小型化天线 。 傅 光 (1963 究方向 : 天线理论与工程 。 , 硕士研究 生 。 研究方向 : 一 ) , 男 , 硕士 生导师 。 研 理论分析 在传输 线理论 s 中 , 对于任意负载的阻抗匹 配常用到传输线 , 如图2所示 。 传输线在宽带匹配中的应用 e o s (8) j esin (0) e o s (0) 尸l e s e s e s e s e se s .J 一一A 传输线 j上 sin (。) Z 尸 。 _ 二 _ _ 二 _ _ . 、_ 二_ . _ 其中 , C二 二拼为传输线特性阻抗归一化系数 , Z 0 乙。 图2阻抗匹配 为了研 究方便 , 将负载阻抗表示为 归一化 形式 : 为馈电端口输人阻抗 , 一般取为 5 0 几 。 加传输线 以后的总负载阻抗可 以表示为 : 牙 = 翌丛里鱼丝应些) Z ,=a + jb 传输线归一化矩阵表示为 : ()j言 sn (“)Z ,+co s (0) 代人式(1) , 整理得 : ae o s (o)( 。s (。) 一 立 sin (o) a + Slf l (0)(b e o s (8) + esin (0) 牙 = 十 eo s(8) 一 Sln(。) + 粤 sin (。 。s (o) + 。,in (a)( c o s (o) 一 立 sin (a) ) (0) 2 a sin (8) eos (8) CC , 2 e o s (8) 一 S ln (e) + 典 sin, (a) b 令实部为 1 , 得到 : 卜左 叙典 2 C +4 叮 。52 (2。) + 2 (1 +a Z + b Z 2 C Za) aZ+ bZ 一 Za) 2 _ 月 b Z 4 一下 今 , - 世毕兰 C。s (2。) + (1 + C = O (2) 显然 , 对于任意Z 之=a + j b , 通过解上述方程 , 可 以得到一个恰当的0值和与之相对应的 。 值 , 即可 以得到一个恰当的传输线长度和与之相对应的传 输线特性阻抗使负载阻抗实部达到z 。= 5 0 f l 。 同样 , 令虚部为0 , 得 : ta n (2 8) Zbe 一aZ+ b Z 一cZ (3) 因此 , 对于任意Z ,二a + j b , 都可以得到一个合适 的传输线长度及其特性阻抗 , 通过匹配后 , 总负 载阻抗为零 。 当然 , 在式(2 )中得到 的 a和在式 中得到的0 一般来说是不相等的 。 在工程应用 中 , 并不 是严 格将阻抗匹配到Z 0 = SOn , 使驻波比等于 1 , 而是 将阻抗实部匹配到接近 Z 0 = 5 0 n , 虚部尽量小 , 使驻波比在一定范围内 , 如 1 . 5 一 3 。 因此在式(2 ) 和式(3)中分别得到的0不必一定相等 , 只需要取 一个适当的 0能将阻抗的实部和虚部变换到一定范 围内就可以 。 在实际应用中 , 要匹配 的是一个频 带 , 也称之为宽带匹配 , 对于 一段有一定 长度的 传输线 , 在匹配不同频率时 , 它所对应的电长 。度 并不相等 , 只需要这段传输 线能在整个频率上取 一个较好的平衡 ; 在实际操作中 , 可以通过适当 的优化程序(如遗传算法 ) , 找出所需要的传输线 长度及其特性阻抗的最佳值 , 以满足特 性要求 。 以上推导说明了传输线具有阻抗变换的作用 。 为了便于说明 , 采用等特性阻抗传输线简 单 化模型 , 从一个直观角度来看传输线在 宽带匹配 中的应用 。 负载阻抗归一化表达式 , 采用反射系 数的方法表示为 : r l= lr le华 通过传输线匹配 , 总反射系数为 : r(0) = r ,e 一, 2口= lr 之1eJ(沪 一口) 上式反映在 sm i t h阻抗圆图上 , 是阻抗Z 随着 电长 度 。的变化沿等lr , 圆移动 , 而等 r , I 圆与阻抗 的等电阻曲线 、 等电抗曲线都是相交的 , 这就意 味着沿等lr , 圆移动可 以改变阻抗 。 需要注意的 是采用等特性阻抗传输线 , 因此反射系数!r , l不 变化 , 电压驻波比也没有改 变 。 在输人阻抗沿等 电子科技/ 20 0 7 年0 2 月巧日 13 传输线在宽带匹配中的应用 lr ! 圆移动的过程中 , 输人阻抗实部和虚部的相 对大小发生 了变化 , 这就为实现阻抗匹配提供了 可能 , 例如 , 当输人阻抗的虚部太小时(相对于实 部) , 可以通过传输线将它变的不是那么小 , 再加 人适当的电感电容元件(如开路 、 短路的并 联枝 节)作为辅助 , 则可实现 。 再者 , 要想改善电压驻 波比 , 还可以通过改变传输 线的特性阻抗以实现 所预期的 匹配 。 在实际中 , 改变传输线的特性阻 抗不是那么方便 , 但是通过 在其前端添加传输线 阻抗变换器的方法间接改变传输线的特性阻抗就 容易多了 。 另外 , 传输线在阻抗匹配方面还有其他应用 。 例如终端短路 、 终端开路传输 线 , 归一化阻抗分 别为j tan (o)和 一 j e ot (o) 。 将 其分别用在并联 、 串连电路里 , 作为并联枝节 或串连枝节 , 其作用 相当于普通意义上的电感 、 电容 。 在阻抗匹配中 , 它们配合使用有时会起到很好的效果 。 事实上 , 上 述传输线在宽 带匹 配中的应用 , 以常用的四分之一波长阻抗变换器来看 , 只是传 输线长度是四分之一波长 , 所匹配的是纯 电阻和 点频率 ; 而以短路 、 开路传输线做串连枝节或并 联枝节与应用 Sm i th 圆图来进行的单枝节 、 双枝节 匹配是同类问题的延伸 。 在宽带匹配中 , 这些方 法配合使用 , 有时会得到令人更加满意的效果 。 声恤到 线天 Z . R 侧 “洲 传输线 变压器 图4天线匹配网络示意图 口口口叮叮曰曰口口曰曰曰曰 l11 1 1 主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主 ;幸 ) 鼻 瞬瞬 曰曰曰门门门门门门口口口 门门门门门曰曰门门曰曰曰曰曰 下下下门门门门 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一厂厂厂厂厂厂厂厂厂一 一厂一一厂一 一厂门 门门 m m m m m m m m m m m m m口口厂厂曰曰曰曰曰 口口 团团团口口口口口口口口口口口口曰曰曰曰曰 曰曰 口口口 口口口口口口口口口 口口 口口曰曰 口口口口曰曰口口户户曰曰同 同 曰曰曰阅阅 口口 口口门门门 口口 门门门门门口口囚囚曰曰口口冈冈门门门门门 曰曰 曰曰曰门门门门门门曰曰曰曰曰曰曰门门门门 门门 曰曰曰门门口口口口口口口口 门门 口口 巨巨 困困曰 曰 l LJ J JL _ 1 1 1 口口 二二一 一 刁刁 孟二 日日【一门 门 宁宁宁宁宁宁宁宁宁宁宁宁宁宁宁宁1 1 1 r1 1 1r . 1 1 1f , ,r困 困 F F F F F F F 1 1 1F 1 1 1r 一 ., .日 日日日日日日日 国沙的卜 2 应用实例与实验结果 f/ MH Z 在以上 分析的理论基础上 , 设计了一 副工作 在30 一 88M H z 频 段 、 电压 驻波比(VSWR)小于 3 . 0 的实用单极子天线 。 利用优化算法得到天线各 个参数 。 天线结构示意图如图3所示 。 天线结构参 数H = 2 025m m , h = 1595mm , D = 400m m , 尺 二ZO0 n 。 天线匹配 网络示意图如图4所示 。 其 中 , 匹配网络结构参 数 n= 2 . 25 , l en= 150 m m , 2 0 = 50n , L = 388 n h 。 按上述尺寸实际制作单极子天线 , 并分 别对 加载单极子天线有无匹配网络进行了电压驻波比 (VSWR )测量 , 测量结果如图5所示 。 由测量结果可以看出 , 天线在没有加载具有 传输线的匹 配 网络匹配前 , 驻 波比很大 , 而使用 图5 V SWR比较曲线 具有传输线的匹配网络匹配后 , 天线的驻波比明 显变小 , 满足对驻波比(vswR)小于3 . 0 的要求 。 3 结论 以往宽带匹配网络的设 计通常使用电感 、 电 容作为基本的设计元件 , 而这些元件的元件值随 频率变化的特性经常给设计带来不便 。 导致设计 目标与实测结果出现较大差异 。 本文中详细分析 了传输线在宽带匹配中的应用 , 证明传输线是宽 带匹配的有效手段 , 并采用传输线作为宽带匹配 (下转第1 8 页) 14 E l eetr oni c S c i . / * 关闭 FIFO * / R EG (t JLeo No ) = ox 03 ; / * 设置数据位 8 , 无 奇偶校验位 , 1位停止位 * / R E G(ueo嘟) = oxos;/ * 脉冲 中断 , 中断请 求或查询模式 , / R EG(UBRD xvO) = = diviso r; / * 设置波特率 * / 3 . 2 . 2 配 置存储映像 , 建立系统 的 内存空间映射 图 3 . 2 . 3 从n a sh 中将 ker n e l加载到SDRA M的ker n e l 区域 Bl ob 将压缩的 uClinu x 内核加载到 S DRA M 地 址o x0 C300000 , 如果选择启动 uClinux 内核 , 那么 压缩的 u C li 内核将 自解压 . T e x t 段到 Ox o e( X j 80 0 , 然后再跳转到核处 , 开始运行 u C l in u x 。 3 . 2 . 4 设置 内核启动参数 3 . 2 . 5 跳转到操作系统 内核启动参数 直接调用操作系统人口处函数 Mo vPe , #KERNE LRA M . BA SE 4 结束语 Sa ms un g 公司的S 3C 4 4BOX 微 控制器为手持设 备和一般应用提供了一种高性价比 和高性 能的方 案 。 相对于其他以 A R M7T DMI为内核的芯片来说 , S 3C44 BOX芯片具有价格低廉 、 接口丰富和国内应 用最为 广泛 的特点 。 因此 这里 的平 台选 择了 以 S 3C4 4 BOX 为核心 , 启动程序B lo b主要参考B lo b - 2 . 0 . 5 , 它的可读性好 、 可移植性较高 , 经过对底 层 的简 单修改就可以应用 于其他的 A RM 硬件 系统 。 参考文献 1 赵俊良 , 李哲英 . B lo b在S 3C叫B 0上 的移植仁J . 单片机 与嵌人式系统应用 , 2o o 4 ( 9 ) : 3 7 一 3 9 . 2 严国清 , 熊建设 . 5 3以4BOX中B o otL oader 的实现J . 数据采集与嵌人式系统 , 20 04(6) : 4 0 一4 3 , 3 杜春雷 . A R M体系结构与编程M . 北京 : 清华大学 出 版社 , 200 3 . 4 Bakke rJn , E五kMou w . Bl o b 一2 . 0 . 5 一p r e Z . t a r . 邵EB/