專利名稱：多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)的合成阻抗匹配法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配方法。更確切地說，本發(fā)明采用所謂合成阻抗匹配法對網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)依賴于多個獨立變量的動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)實施阻抗匹配。通常上述的多個獨立變量中有一個變量是頻率。
目前，對微波網(wǎng)絡(luò)實施阻抗匹配基本上只是對頻率這一維變量而言，阻抗匹配大致可以分為窄頻帶匹配(包括點頻匹配)，中等帶寬匹配和寬頻帶匹配三種。上述三種不同頻帶寬度的匹配網(wǎng)絡(luò)無論從設(shè)計理論和設(shè)計方法，還是從電路結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，都有一整套比較成熟的技術(shù)可以采用和借鑒。實踐證明，這些已有技術(shù)基本上能夠適應(yīng)目前工程上的需要。但是，一旦網(wǎng)絡(luò)是所謂的多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)，即微波網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)不僅僅依賴于頻率，而且還依賴于其它參量，諸如電壓，相位，溫度，濕度...等參量，則目前的已有技術(shù)很難對這樣的多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)進行良好的阻抗匹配。現(xiàn)有技術(shù)的缺陷就在于解決此類網(wǎng)絡(luò)間失配的方法是在不匹配的網(wǎng)絡(luò)前和/或后級聯(lián)隔離器或環(huán)形器，以此來吸收因阻抗失配而產(chǎn)生的反射能量，最終將該反射能量轉(zhuǎn)化成熱而被消耗掉。此外，由于隔離器或環(huán)形器為非互易元件，因此它難于實現(xiàn)小型化和集成化。
針對這種情況，本發(fā)明的目的是提供一種所謂的合成阻抗匹配法，此方法可以用于設(shè)計某種匹配網(wǎng)絡(luò)，當在失配的網(wǎng)絡(luò)前和/或后插入該匹配網(wǎng)絡(luò)時，就可使多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)和欲與之連接的網(wǎng)絡(luò)之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的阻抗匹配，并且該匹配網(wǎng)絡(luò)易于實現(xiàn)小型化和集成化。
本發(fā)明涉及的多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)的合成阻抗匹配法由兩個方面構(gòu)成，其一是構(gòu)造匹配網(wǎng)絡(luò)的多個分支路;其二是優(yōu)化組合上述各個分支路，形成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計各個分支路時，對于某個感興趣的變量的某種狀態(tài)，例如對于溫度這個變量的一定溫度下這種狀態(tài)，該支路能對欲匹配的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)良好的阻抗匹配;同時，在已獲得良好匹配的情況下，分支路對該變量的變化并不敏感，而對于其它的變量及其各種狀態(tài)要敏感，更進一步，在設(shè)計各個分支路時，對于某些變量的某些狀態(tài)，該支路能對欲匹配的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)良好的阻抗匹配;同時，在已獲得良好匹配的情況下，分支路對上述那些變量的那些狀態(tài)的變化并不敏感，而對于其它的變量及其各種狀態(tài)要敏感。在各個分支路的組合方面，可以采用串聯(lián)，或并聯(lián)，或級聯(lián)，也可以采用串聯(lián)，并聯(lián)和級聯(lián)中不同組合的相互混聯(lián)。確定分支路的組合方式要進行優(yōu)化。優(yōu)化的標準是經(jīng)過對上述各個分支路的這種組合所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Χ嘧兞縿討B(tài)微波網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)良好的阻抗匹配。實際上，在進行阻抗匹配時，還可以根據(jù)具體情況對其它參量提出一些要求，例如對低噪聲的要求，對高功率的要求，對高效率的要求，對增益平坦度的要求，對非線性諧波的要求，對非線性交叉調(diào)制的要求等。換句話說，本發(fā)明涉及的多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)的合成阻抗匹配法能在滿足對上述的參量或其組合提出的要求情況下，對多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)良好的阻抗匹配。
本說明書附有八幅圖，其中

圖1是多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)匹配原理示意圖。網(wǎng)絡(luò)D是多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)，Гin為網(wǎng)絡(luò)D輸入端口10的反射系數(shù)，Гout為網(wǎng)絡(luò)D輸出端口11的反射系數(shù)。網(wǎng)絡(luò)N1和N2是依據(jù)本發(fā)明所涉及的合成阻抗匹配法待設(shè)計的匹配網(wǎng)絡(luò)。Г1為網(wǎng)絡(luò)N1的端口12的反射系數(shù)，Г2為網(wǎng)絡(luò)N2的端口13的反射系數(shù)。E是信號源。Yc是傳輸線的特性導納，同時，Yc又是信號源的內(nèi)阻抗和負載阻抗。
圖2是多路并聯(lián)導納匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電路拓撲圖。其中各個變量F，x1，x2，...，xM之間是并聯(lián)的，而每個變量的各種狀態(tài)xij(i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，k)之間是串聯(lián)的。Yin*是Yin的共軛。Yin是多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)D的輸入導納。
圖3是多路串聯(lián)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電路拓撲圖。其中各個變量F，x1，x2，...，xM之間是串聯(lián)的，而每個變量的各種狀態(tài)xij(i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，k)之間是并聯(lián)的。Zin*是Zin的共軛。Zin是多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)D的輸入阻抗。
圖4是一路并聯(lián)導納匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電路拓撲圖。其中各個變量F，x1，x2，...，xM之間是串聯(lián)的，而每個變量的各種狀態(tài)xij(i＝1，2，...，M，j＝j(luò))均相同。Yin*是Yin的共軛，Yin是多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)D的輸入導納。
圖5是一路串聯(lián)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電路拓撲圖。其中各個變量F，x1，x2，...，xM之間是并聯(lián)的，而每個變量的各種狀態(tài)xij(i＝1，2，...，M，j＝j(luò))均相同，Zin*是Zin的共軛。Zin是多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)D的輸入阻抗。
圖6是寬頻帶多路開關(guān)電路的匹配原理示意圖。網(wǎng)絡(luò)N是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，Z1，Z2，...，ZM分別是其支路的輸入阻抗。
圖7是固態(tài)有源相控陣天線單元寬頻帶和寬掃描角阻抗匹配原理示意圖。網(wǎng)絡(luò)A代表發(fā)射用相控陣天線，其輸入端阻抗是頻率和波束掃描角的二維函數(shù)，標記30°，45°，55°，60°所表示的網(wǎng)絡(luò)代表波束掃描角分別為30°，45°，55°，60°上的阻抗匹配分支路。
圖8是高低溫射頻放大器阻抗匹配原理示意圖。網(wǎng)絡(luò)A代表射頻放大器，標記-30℃，+20℃，+40℃所表示的網(wǎng)絡(luò)代表射頻放大器分別工作在-30℃，+20℃，+40℃溫度下的阻抗匹配分支路。
設(shè)向量V＝(F，x1，x2，...，xM)-1，其中F，x1，x2，...，xM相互正交，某一多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)D是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)是H＝H(V)，對應(yīng)的散射參量[S]也是向量V的函數(shù)，如圖1所示，其中
Γin=S11+ (S12×S21×Γ2)/(1-S22×Γ2) (1)或Γout=S22+ (S12×S21×Γ1)/(1-S22×Γ1) (2)由(1)式和(2)式的對稱關(guān)系我們不難發(fā)現(xiàn)，只要求得匹配網(wǎng)絡(luò)N1，即只要能夠由Гin確定Г1，就可以完成如圖1所示的匹配，因為，我們可以采用同樣的辦法由Гout確定Г2。一旦得到了匹配網(wǎng)絡(luò)某端口的反射系數(shù)，就可以利用已有的達林頓綜合法，綜合出該匹配網(wǎng)絡(luò)。顯然，我們可以令Г1為
δ(x1-x1i)δ(x2-x2j)…δ(xM-xMK)(3)式中n＝1，2，...，N，i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J，...k＝1，2，...，K，Гin＊是Гin的共軛。當n，i，j，k足夠大時，上式的Г1就可以使得匹配網(wǎng)絡(luò)N1與多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)D實現(xiàn)任意高精度的匹配。實際應(yīng)用時，由于合成網(wǎng)絡(luò)附加的不理想性，例如合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗等，隨著支路的增加，網(wǎng)絡(luò)的合成效果變得緩慢，因此，一般地說串聯(lián)，并聯(lián)和混聯(lián)支路數(shù)目不大于16。
多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)D也可以是一個多端口網(wǎng)絡(luò)，上述的原理同樣有效。
由于有Γ1(V)= (Z1-ZC)/(Z1+ZC) (4)或Γ1(V)= (YC-Y1)/(YC+Y1) (5)式中Z1，Y1分別為Г1處的阻抗和導納，Zc，Yc分別為Г1處的特性阻抗和特性導納，因此，有兩種電路結(jié)構(gòu)可以綜合出網(wǎng)絡(luò)N1。圖2和圖3分別是多路并聯(lián)導納匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多點串聯(lián)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電路拓撲圖。當F＝fn，x1＝x1i，x2＝x2j，...，xM＝xMK時，對應(yīng)支路導通;否則對應(yīng)支路截止。實際上，支路相當于通斷開關(guān)，這意味著各分支的輸出響應(yīng)對相應(yīng)的變量的敏感度為無窮大，即
對于上述的兩種結(jié)構(gòu)，電路的通道數(shù)為P＝N+I+J+…+K(7)顯然，實現(xiàn)這樣復雜的電路非常困難，不過我們仔細研究(6)式可以發(fā)現(xiàn)，倘若下式能夠成立
則圖2和圖3的電路結(jié)構(gòu)就會簡化為圖4和圖5。對應(yīng)著極限情況是
實際應(yīng)用時，電路的敏感度既不可能為無窮大也不可能為零，因此必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)和電路對其它控制變量的敏感度，對電路拓撲進行優(yōu)化，使每個分支電路的敏感度降至最小。此外，通常的多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)的各個參量之間均可表現(xiàn)為某種程度的非線性受控關(guān)系，所以匹配網(wǎng)絡(luò)最好由有源電路構(gòu)成。毫無疑問，一般電路都存在著頻率響應(yīng)，所以實際的匹配網(wǎng)絡(luò)對各變量的響應(yīng)中都可能包含著受頻率控制的成分。因此，網(wǎng)絡(luò)對頻率的響應(yīng)取決于全部與頻率有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明所涉及的合成阻抗匹配法設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，并在失配的網(wǎng)絡(luò)前和/或后插入該匹配網(wǎng)絡(luò)，使之取代隔離器或環(huán)形器，減小反射能量的損失，提高了電子系統(tǒng)的整體性能。同時，由于隔離器或環(huán)形器是非互易元件，很難實現(xiàn)小型化和集成化，因此本發(fā)明所涉及的匹配網(wǎng)絡(luò)的另一顯著特點是能夠在結(jié)構(gòu)上與其它集成化的電子系統(tǒng)相兼容，實現(xiàn)全固態(tài)集成。
實施例1.寬頻帶多路開關(guān)電路的匹配是合成阻抗匹配法的典型應(yīng)用之一。如圖6所示，對于Z1，Z2，...，Zm的m個支路，匹配網(wǎng)絡(luò)可以是如圖5所示的電路。這時，相當于x1，x2，...，xM對應(yīng)Z1，Z2，...，Zm.在這種狀態(tài)下，無論系統(tǒng)工作在哪條支路，匹配網(wǎng)絡(luò)能對開關(guān)電路實現(xiàn)良好的匹配。
實施例2.由于寬頻帶相控陣天線各單元之間的互耦作用，天線的輸入阻抗是頻率和波束掃描角的二維函數(shù)。通常，波束在小范圍內(nèi)掃描時，如波束掃描范圍小于30°，天線的輸入阻抗變化不大。當波束掃描范圍較大時，如在45°～60°之間，則天線輸入阻抗變化劇烈。我們可以選擇在大約30°，45°，55°，60°四個掃描角附近，對固態(tài)有源相控陣天線單元阻抗進行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，在上述四條支路上同時需要考慮寬頻帶特性，如圖7所示，其中A代表發(fā)射用相控陣天線。
實施例3.高低溫射頻放大器也是本發(fā)明所述的合成阻抗匹配法的應(yīng)用場合之一。對于射頻放大器，如中心頻率為10GHz的放大器，在大范圍變溫條件下，實現(xiàn)AGC比較困難。而在惡劣的環(huán)境下，如環(huán)境溫度為-30℃～+50℃時，放大器的開環(huán)增益變化很大，這時我們可以采用如圖8所示的電路進行匹配，實現(xiàn)增益控制，使增益平坦度滿足系統(tǒng)的要求。
實施例4.固態(tài)PIN電調(diào)衰減器電路按原理可以分為吸收型和反射型兩大類。為了得到大動態(tài)范圍的衰減量，例如大于90dB的衰減量，會使電路失配非常嚴重。特別是反射型PIN電調(diào)衰減器目前還必須使用環(huán)形器來解決電路失配問題。利用本發(fā)明所述的合成阻抗匹配法，可以選用對應(yīng)不同衰減量的分支電路進行電路匹配，例如衰減量為0dB，10dB，20dB，30dB，50dB，80dB等的電路。
實施例5.自適應(yīng)天線陣能自動地形成波束主瓣方向和自動地抑制干擾方向上的增益為零。在完成這兩項工作中，天線的輸入阻抗隨頻率和波束主瓣方向而變化。利用本發(fā)明所述的合成阻抗匹配法能夠設(shè)計對自適應(yīng)天線陣實施匹配的匹配網(wǎng)絡(luò)。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明所涉及的合成阻抗匹配法由兩個方面構(gòu)成，其一是構(gòu)造匹配網(wǎng)絡(luò)的各個分支路；其二是通過對阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化組合上述的這些分支路，由此形成的網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Χ嘧兞縿討B(tài)微波網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)良好的阻抗匹配。
2.如權(quán)利要求1所述的分支路的組合，采用該合成阻抗匹配法設(shè)計的匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以是多路并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的多路并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當采用本發(fā)明所涉及的合成阻抗匹配法設(shè)計的并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的并聯(lián)分支數(shù)量足夠大時，該匹配網(wǎng)絡(luò)對多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)的匹配可以獲得任意高的精度。
4.如權(quán)利要求3所述的多路并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其并聯(lián)分支數(shù)小于或等于16。
5.如權(quán)利要求4所述的多路并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其并聯(lián)分支數(shù)為偶數(shù)較好。
6.如權(quán)利要求5所述的多路并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其并聯(lián)分支數(shù)最好為2-8。
7.如權(quán)利要求2所述的多路并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當該匹配網(wǎng)絡(luò)中的每個變量F，x1，x2，...，xM中的各個狀態(tài)Fn(n＝1，2，...，N)，x1i(i＝1，2，...I)，x2j(j＝1，2，...，J)，...，xMk(k＝1，2，...，K)對各自變量的敏感度等于零時，多路并聯(lián)分支的數(shù)量減少至M+1。
8.如權(quán)利要求7所述的多路并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當該匹配網(wǎng)絡(luò)中的變量x1，x2，...，xM對全體變量x＝(x1，x2，...，xM)-1的敏感度等于零時，多路并聯(lián)分支的數(shù)量減少至2。
9.如權(quán)利要求2所述的多路并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其并聯(lián)分支的數(shù)量一般大于或等于2，但是并聯(lián)分支的數(shù)量最好不大于4。
10.如權(quán)利要求1所述的分支路的組合，采用該合成阻抗匹配法設(shè)計的匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以是多點串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的多點串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當采用本發(fā)明所涉及的合成阻抗匹配法設(shè)計的串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的串聯(lián)結(jié)點數(shù)量足夠大時，該匹配網(wǎng)絡(luò)對多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)的匹配可以獲得任意高的精度。
12.如權(quán)利要求11所述的多路串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其串聯(lián)分支數(shù)小于或等于16。
13.如權(quán)利要求12所述的多路串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其串聯(lián)分支數(shù)為奇數(shù)較好。
14.如權(quán)利要求13所述的多路串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其串聯(lián)分支數(shù)最好為3-9。
15.如權(quán)利要求10所述的多點串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當該匹配網(wǎng)絡(luò)中的每個變量F，x1，x2，...，xM中的各個狀態(tài)Fn(n＝1，2，...，N)，x1i(i＝1，2，...I)，x2j(j＝1，2，...，J)，...，xMk(k＝1，2，...，K)對各自變量的敏感度等于零時，多點串聯(lián)結(jié)點的數(shù)量減少至M+1。
16.如權(quán)利要求15所述的多點串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當該匹配網(wǎng)絡(luò)中的變量x1，x2，...，xM對全體變量x＝(x1，x2，...，xM)-1的敏感度等于零時，多點串聯(lián)結(jié)點的數(shù)量減少至2。
17.如權(quán)利要求10所述的多點串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其串聯(lián)結(jié)點的數(shù)量一般大于或等于2，但是串聯(lián)結(jié)點的數(shù)量最好不大于4。
18.如權(quán)利要求7所述的多路并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中除頻率外各路的輸出響應(yīng)對頻率的敏感度為零時，對于這些支路可以不考慮頻率的影響，多路并聯(lián)分支的數(shù)量減少至M。
19.如權(quán)利要求8所述的多路并聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中除頻率外的支路的輸出響應(yīng)對頻率的敏感度為零時，對于這些支路可以不考慮頻率的影響，并聯(lián)分支的數(shù)量減少至1。
20.如權(quán)利要求15所述的多點串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中除頻率外各路的輸出響應(yīng)對頻率的敏感度為零時，可以不考慮頻率的影響，多點串聯(lián)結(jié)點的數(shù)量減少至M。
21.如權(quán)利要求16所述的多點串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中除頻率外的支路的輸出響應(yīng)對頻率的敏感度為零時，可以不考慮頻率的影響，串聯(lián)結(jié)點的數(shù)量減少至1。
22.如權(quán)利要求1所述的分支路，實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明涉及的合成匹配法所設(shè)計的匹配網(wǎng)絡(luò)的分支路最好是由有源電路構(gòu)成。
23.如權(quán)利要求1所述的分支路，當設(shè)計某一分支路時，對于感興趣的變量使其匹配，并將其敏感度降至最低。
24.如權(quán)利要求1所述的分支路，可以同時滿足系統(tǒng)對該分支路的其它電路參數(shù)的要求。
全文摘要
本發(fā)明涉及的合成阻抗匹配法是設(shè)計微波匹配網(wǎng)絡(luò)的一種方法，合成阻抗匹配法由兩個方面構(gòu)成，其一是構(gòu)造匹配網(wǎng)絡(luò)的多個分支路；其二是優(yōu)化組合上述各個分支路，形成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，合成阻抗匹配法能對多變量動態(tài)微波網(wǎng)絡(luò)實施阻抗匹配，這種匹配網(wǎng)絡(luò)可以取代為了改善電路失配而接入的隔離器或環(huán)形器，這種匹配網(wǎng)絡(luò)能夠與其它電路一起實現(xiàn)全固態(tài)集成。
文檔編號H03H7/38GK1085361SQ9211096
公開日1994年4月13日 申請日期1992年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月28日
發(fā)明者呂昕, 李世智 申請人:北京理工大學