專利名稱：應(yīng)用于頻率依賴性復(fù)數(shù)阻抗的嚴(yán)格雙頻帶阻抗匹配器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及設(shè)計一種應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)終端以及基站射頻鏈路中的雙頻帶阻抗匹配器，同時該阻抗匹配器也適用于其他射頻微波以及毫米波等高頻段系統(tǒng)，例如雙頻RFID發(fā)射接收射頻前端系統(tǒng)，多級功率放大器(或者低噪聲放大器)內(nèi)部和外部匹配部分，IMT-Advanced系統(tǒng)射頻前端器件互連系統(tǒng)等。

背景技術(shù)：
阻抗匹配器作為射頻器件設(shè)計的核心，已經(jīng)在功率分配器、無源和有源濾波器、耦合器、低噪聲放大器、功率放大器、混頻器中得到了廣泛應(yīng)用。一直以來，傳統(tǒng)的四分之一波長單節(jié)阻抗匹配器David M.Pozar著，張肇議等譯，微波工程，第三版，206-209由于其結(jié)構(gòu)簡單且設(shè)計方法便捷成為任何射頻微波電路中阻抗匹配首選的初步嘗試，但是其最大缺點在于其專注于獨立的單頻帶應(yīng)用，且匹配的阻抗必須為實數(shù)，最終帶寬受到了大的限制。隨著射頻集成電路和多功能射頻器件的發(fā)展，雙頻帶阻抗匹配的設(shè)計方法探討得到了廣大射頻工程師和科學(xué)家的注意，其中美國C.Monzon博士在2003首次找到了一種滿足兩個不同實數(shù)阻抗之間的雙頻帶匹配方法，他提出的結(jié)構(gòu)包含兩節(jié)不同特性阻抗的傳輸線C.Monzon，“A small dual-Frequency transformer in twosections，”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.51，no.4，pp.1157-1161，Apr.2003.。緊接著，國外科學(xué)家在三頻帶M.Chongcheawchamnan，S.Patisang，S.Srisathit，R.Phromloungsri，and S.Bunnjaweht，“Analysis and design of a three-section transmission-linetransformer，”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.53，no.7，pp.2458-2462，Jul.2005.和多頻帶M.Khodier，N.Dib，and J.Ababneh，“Design of multi-band multi-section transmission line transformer，”Electrical Engineering，vol.90，no.4，pp.293-300，Apr.2008.阻抗匹配方法上進行了深入研究，但是不足的地方在于他們只考慮了實數(shù)源阻抗和實數(shù)負(fù)載阻抗的特殊情況。正因為此，我們組率先在國際上提出結(jié)構(gòu)緊湊的雙頻帶阻抗匹配器Y.Wu，Y.Liu，and S.Li，“A Compact Pi-Structure Dual BandTransformer，”Progress in Electromagnetics Research，vol.88，pp.121-134，2008.和恒定(非頻率依賴性)復(fù)數(shù)阻抗雙頻帶匹配器Y.Wu，Y.Liu，andS.Li，“A Dual-Frequency Transformer for Complex Impedances with TwoUnequal Sections，”IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.，vol.19，no.2，pp.77-79，F(xiàn)eb.2009.的設(shè)計方法。然后在實際射頻電路和器件中，等效源阻抗和負(fù)載阻抗在絕大部分情況下是頻率依賴性而且復(fù)數(shù)的，上述雙頻帶阻抗匹配方法無法滿足此類廣義情況的嚴(yán)格匹配需求，故在很大程度上失去了其實用價值。因此，如何構(gòu)建能滿足頻率依賴性復(fù)數(shù)阻抗雙頻帶嚴(yán)格匹配的新結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的嚴(yán)格設(shè)計方法是本發(fā)明的關(guān)鍵。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能在任意雙頻帶上滿足頻率依賴性復(fù)數(shù)阻抗嚴(yán)格匹配的新結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的設(shè)計方法，從而解決GSM/DCS蜂窩電話或者GSM/TD-SCDMA等一系列雙頻帶通信系統(tǒng)終端及基站中的雙頻帶阻抗匹配設(shè)計難題。
本發(fā)明提供的雙頻帶阻抗匹配器的技術(shù)方案為一種應(yīng)用于兩個任意頻率依賴性復(fù)數(shù)阻抗的雙頻帶嚴(yán)格阻抗匹配器，其能同時在兩個不同的自定義頻帶達到在理論上理想且在實際電路中失配值小于-20dB的阻抗匹配效果。如圖1所示，該阻抗匹配器包含有四節(jié)不同參數(shù)的傳輸線，其特性阻抗和在第一個頻率點f1處的電長度從源阻抗到負(fù)載阻抗順序依次定義為ZA，ZB，ZC，ZD和θA，θB，θC，θD，其兩端接頻率依賴性復(fù)數(shù)阻抗值定義如下在兩個不同頻率的源阻抗為

和

在兩個不同頻率的負(fù)載阻抗為

和

)。其中心頻率定義為f1，f2，其中f2≥f1。
首先，根據(jù)具體的射頻、微波或者毫米波等系統(tǒng)的要求，指定具體工作頻帶的中心頻率f1，f2。然后根據(jù)系統(tǒng)中互聯(lián)器件在相應(yīng)頻率點的輸入等效阻抗和輸出等效阻抗(含實部和虛部)，確定端接阻抗值。此時明確了阻抗匹配的特定要求，初始設(shè)計條件設(shè)定完成。
然后，按照如下的公式和方法得出最終的設(shè)計參數(shù) 電路結(jié)構(gòu)中間兩節(jié)傳輸線的電長度θB和θC相等，可表示為θB＝θC＝π/(1+p)，靠近端接處兩節(jié)傳輸線的電長度θA和θD的設(shè)計公式為和 其中特性阻抗ZA和ZD設(shè)計公式為

和

另外p為兩中心頻率f2與f1的比值即p＝f2/f1，nA和nD為任何整數(shù)，通過人工選擇其值來確保電長度θA和θD為正數(shù)值。中間兩節(jié)傳輸線的特性阻抗ZB和ZC需要采用如下一組解析公式進行嚴(yán)格計算 C2＝2GROut(RInXIn-ROutXIn+G2RInXOut+G2ROutXIn)(4) a＝-G2RIn，b＝(RIn-ROut)ZB-G(RInXOut-ROutXIn)， (12) 公式(1)-(14)的解析計算需和權(quán)利要求4的計算公式協(xié)同完成?；谔匦宰杩筞B和ZC必須為正值的實用原則，ZB的最終設(shè)計值需從公式(11)中進行人工選擇，同樣，在確定ZB后，ZC的最終值需從公式(14)進行人工選擇。
在電路實現(xiàn)階段，阻抗匹配器中的傳輸線可以采用上述方法計算出的理想?yún)?shù)(特性阻抗和電長度)和實際射頻基板參數(shù)(板材厚度和相對介電常數(shù)等)直接轉(zhuǎn)化為微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)、槽線等實用結(jié)構(gòu)的物理尺寸，由此得出最終的射頻電路。
需要單獨說明的是以上所有的設(shè)計公式都是閉式解析的，無需任何額外優(yōu)化算法；其端接阻抗值和頻帶值可以根據(jù)具體系統(tǒng)抽取相應(yīng)的等效參數(shù)，故該阻抗匹配器對實際射頻系統(tǒng)來說具有一定的通用性；另外物理結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算是在相關(guān)傳輸線(如微帶線)尺寸參數(shù)轉(zhuǎn)化工具來完成，無需額外的優(yōu)化就可直接制作相關(guān)電路板。
實施本發(fā)明的有益效果在于與傳統(tǒng)四分之一波長單節(jié)傳輸線阻抗匹配器相比，本發(fā)明提供的阻抗匹配器不僅能同時工作在兩個不同頻段，而且能提供頻率依賴性復(fù)數(shù)阻抗的嚴(yán)格匹配。因此，該發(fā)明提供的阻抗匹配器打破了傳統(tǒng)四分之一單節(jié)傳輸線阻抗匹配器只能滿足在單頻帶上匹配頻率獨立性實數(shù)阻抗的局限性，有效滿足了各種不同雙頻帶系統(tǒng)中的射頻匹配電路需求。



圖1本發(fā)明提出的應(yīng)用于頻率依賴性復(fù)數(shù)阻抗的嚴(yán)格雙頻帶阻抗匹配器結(jié)構(gòu)圖。
圖2源阻抗和負(fù)載阻抗的頻率依賴性復(fù)數(shù)值(實部和虛部分別顯示)的一個驗證性實例。
圖3采用本發(fā)明提供的匹配結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法實現(xiàn)圖2中阻抗匹配后的頻率特性圖(第一個頻率點在1GHz，第二個頻率點隨著p值而改變)。
圖4采用本發(fā)明提供的匹配結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一種新型的在兩個不同頻帶滿足不同功率分配比的廣義功率分配器(圖中T1，T2，T3，和T4代表了圖1中的結(jié)構(gòu)，下標(biāo)代表了不同的設(shè)計參數(shù))。
圖5對應(yīng)圖4的工作在1GHz和2.4GHz(功率分配比分別為1.5dB和2dB)的廣義功率分配器微帶線實際電路圖。
圖6圖5中功率分配器從端口1輸入信號時S參數(shù)的理論計算值和實物測量值對比結(jié)果。

具體實施例方式 下面通過附圖和實例對本發(fā)明進行詳細闡述。
本發(fā)明提供的阻抗匹配器能夠根據(jù)所需的任意兩個頻段，在自定義的頻率依賴性復(fù)數(shù)阻抗之間實現(xiàn)嚴(yán)格匹配。下面以一個理論算例和一個微帶線功率分配器實例進行描述。
圖2描述了一種頻率依賴性復(fù)數(shù)源阻抗和負(fù)載阻抗在直流和4GHz之間的實部和虛部值，其值可為人工自定義，也可采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀從具體的射頻器件端口中進行抽取。從圖2中可以看到，其值隨著工作頻率的不同而變化。本次匹配設(shè)計目的是需要采用圖1中的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)圖2中源阻抗和負(fù)載阻抗之間在指定雙頻帶上的嚴(yán)格匹配。首先設(shè)定第一個頻率為1GHz，第二個頻率設(shè)定為四種情況，分別為1.5GHz，2GHz，2.4GHz和2.9GHz。在這些頻率點上的源阻抗和負(fù)載阻抗值詳情見表格1。根據(jù)表格1中參數(shù)，采用本專利中的計算公式，可得出四種阻抗匹配器的特性阻抗和電長度值。具體的參數(shù)請見表格2和表格3。
表格1圖2中源阻抗和負(fù)載阻抗在所指定頻率點上的精確值
表格2針對圖2實例的阻抗匹配器特性阻抗的設(shè)計值
表格3針對圖2實例的阻抗匹配器在第一個頻率點電長度的設(shè)計值
表格4圖4中內(nèi)部輸入等效阻抗值
表格5廣義功率分配器微帶線實例的具體電氣參數(shù)
采用圖1的結(jié)構(gòu)、圖2的端接連續(xù)頻率依賴性阻抗值以及表格2和表格3中的電氣參數(shù)，通過經(jīng)典傳輸線輸入阻抗方程可得出在整個頻段上的最終反射系數(shù)，其幅度曲線見圖3。從圖3可以看出，最終設(shè)計完成的雙頻帶阻抗匹配器達到了在所需雙頻點上理論上的理想匹配。因此，該理論算例驗證了本發(fā)明的正確性和便捷性。
為了進一步驗證本發(fā)明的實用性，基于圖4廣義功率分配器結(jié)構(gòu)圖來完成四個獨立的雙頻帶阻抗匹配器設(shè)計。圖4中的廣義功率分配器的工作頻率設(shè)定為1GHz和2.4GHz，并分別需滿足1.5dB和2dB的功率分配比。因此圖4中的輸入等效頻率依賴性阻抗值可根據(jù)不等功率分配比進行計算，具體值見表格4。同樣根據(jù)本發(fā)明提出的新結(jié)構(gòu)和相應(yīng)計算公式，能直接得出最終的設(shè)計值，見表格5。
在電路實現(xiàn)過程中，此實例采用微帶線結(jié)構(gòu)，其射頻基板采用相對介電常數(shù)為2.65，厚度為0.8毫米的F4B板材。整個微帶線實物如圖5所示。圖6則顯示了圖5微帶線廣義功率分配器的S參數(shù)理論計算值和實際測量值對比結(jié)果。理論結(jié)果顯示，在指定兩個頻段上(1GHz和2.4GHz)的計算匹配值是理想的。測試結(jié)果顯示，實際匹配值在兩個頻點上都低于-20dB(能滿足絕大部分射頻系統(tǒng)要求)。另外，在1GHz上的功率分配比為1.54dB，在2.4GHz上的功率分配比為2.41dB?？偟膩碚f，該實例的整個測試結(jié)果和理論計算值十分吻合，從而驗證了該發(fā)明的實用性。
綜上所述，本發(fā)明提供的頻率依賴性復(fù)制阻抗雙頻帶匹配器的新結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法能夠在給定設(shè)計指標(biāo)的情況下快速計算出最終的設(shè)計參數(shù)，并可采用各種射頻板材進行靈活實現(xiàn)，從以上兩個例子的設(shè)計結(jié)果可得出本發(fā)明提出的新結(jié)構(gòu)和其設(shè)計方法不但便捷，而且實用。
權(quán)利要求
1、一種應(yīng)用于兩個任意頻率依賴性復(fù)數(shù)阻抗(其兩端接阻抗值定義如下在兩個不同頻率的源阻抗為
和
在兩個不同頻率的負(fù)載阻抗為
和
)的雙頻帶(其中心頻率定義為f1，f2，其中f2≥f1。)嚴(yán)格阻抗匹配器，其特征在于所述阻抗匹配器能同時在兩個不同的自定義頻帶上達到理論上理想和實際電路中失配值小于-20dB的阻抗匹配效果。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所能匹配的端接等效阻抗是復(fù)數(shù)且具有頻率依賴性，即其阻抗值同時含有實部和虛部且隨著工作頻率而變化，端接阻抗可代表無源(如濾波器)或者有源(如低噪聲放大器)射頻器件的輸入等效阻抗或者輸出等效阻抗；其兩個工作頻帶的中心頻率f1，f2可根據(jù)具體射頻系統(tǒng)要求人工設(shè)定和調(diào)整。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，該阻抗匹配器是由四節(jié)電氣參數(shù)獨立的傳輸線(其特性阻抗和在第一個頻率點f1處的電長度從源阻抗到負(fù)載阻抗順序依次定義為ZA，ZB，ZC，ZD和θA，θB，θC，θD。)串聯(lián)組成，通過解析計算式來完成相應(yīng)的電氣參數(shù)設(shè)計。
4、根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的功率分配器，其特征在于，電路結(jié)構(gòu)中間兩節(jié)傳輸線的電長度θB和θC相等，可表示為θB＝θC＝π/(1+p)，靠近端接處兩節(jié)傳輸線的電長度θA和θD的設(shè)計公式為
和
其中特性阻抗ZA和ZD的設(shè)計公式為
和
另外p為兩中心頻率f2與f1的比值即p＝f2/f1，nA和nD為任何整數(shù)，通過人工選擇其值來確保電長度θA和θD為正數(shù)值。
5、根據(jù)權(quán)利要求1、3和4所述的功率分配器，其特征在于，中間兩節(jié)傳輸線的特性阻抗ZB和ZC需要采用如下一組解析公式進行計算
C2＝2GROut(RInXIn-ROutXIn+G2RInXOut+G2ROutXIn)(4)
a＝-G2RIn，b＝(RIn-ROut)ZB-G(RInXOut-ROutXIn)，(12)
公式(1)-(14)的解析計算需和權(quán)利要求4的計算公式協(xié)同完成?；谔匦宰杩筞B和ZC必須為正值的實用原則，ZB的最終設(shè)計值需從公式(11)中進行人工選擇，同樣，在確定ZB后，ZC的最終值需從公式(14)進行人工選擇。
6、根據(jù)權(quán)利要求3、4和5所述的阻抗匹配器，其特征在于，該阻抗匹配器中的傳輸線可以采用基于本專利設(shè)計方法計算出的理想?yún)?shù)(特性阻抗和電長度)和實際射頻基板參數(shù)(板材厚度和相對介電常數(shù)等)直接轉(zhuǎn)化為微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)、槽線等實用結(jié)構(gòu)的物理尺寸。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種適用于工作在任意雙頻帶的頻率依賴性復(fù)數(shù)阻抗匹配器，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)由四節(jié)不同電氣參數(shù)的傳輸線串聯(lián)組成(見附圖)，其主要特點為該阻抗匹配器能工作在自定義的兩個不同的頻帶上，其所匹配的阻抗同時能滿足頻率依賴性和復(fù)數(shù)兩個廣義特點，其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計方法由解析公式組成，計算便捷。與傳統(tǒng)四分之一波長阻抗匹配器相比，本發(fā)明提供的阻抗匹配器將工作頻帶從一個增加到兩個，且兩個工作頻帶可以自由調(diào)整，所提供的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計公式在理論上最大范圍地包含了傳統(tǒng)的單頻帶單節(jié)阻抗匹配器、雙頻帶單端接復(fù)數(shù)阻抗的三節(jié)阻抗匹配、雙頻帶實數(shù)阻抗兩節(jié)匹配器等特殊情況，屬于一種原創(chuàng)的廣義阻抗匹配器。
文檔編號H03H7/38GK101674059SQ20091009335
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者劉元安, 吳永樂, 黎淑蘭, 于翠屏, 帆 吳, 鑫 劉 申請人:北京郵電大學(xué)