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使用史密斯圆图学习Stub Tuning

Benjamin Crabtree 2019-04-04

学习成为一个调谐短线的秘诀。UjW电子头条

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在射频工程中,波导线与其负载相匹配至关重要; 这样可以最大限度地减少信号损耗,最大限度地提高功率处理能力,并最终在任何给定的RF电路中提供最佳性能。这可以使用各种不同的方法和组件来实现,每种方法和组件都适合于特定的应用。这当然导致了工程师不可避免的和古老的两难困境,我们必须在最好的解决方案和最便宜的实施方案之间取得平衡。调谐短线是满足这两个标准的一种方法; 短截线调谐只是在串联、分流、开路或短路配置中将一段传输线添加到现有长度以使线路与负载匹配的过程。这是通过将特定长度的短柱放置在距离负载特定距离的位置来实现的。下图描述了Pozar微波设计的基本调谐器布局:UjW电子头条

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调谐器易于实现且制造成本低:它们仅需要更多与用于制造传输线的相同材料。因此,工程师将遇到短截线调谐器的主要位置之一是使用微带线波导的印刷电路板。短截线可以简单地与电路的其余部分一起制造在PCB上。优化向导设计要实现的目标是抵消要匹配的负载的无功分量,因此它们仅在特定频率下工作。特殊的短截线电路可以帮助增加这个窄带宽,我们将在后面讨论。UjW电子头条

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设计UjW电子头条

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短截线调谐器的设计规范可以通过分析找到,但工程师可以使用一种工具来更快地解决这些问题:史密斯圆图。出于本文的目的,我们假设读者已经熟悉使用史密斯圆图,本文的重点是将史密斯圆图应用于调谐短线。话虽这么说,我们将使用示例问题来查看每个短线调整配置; 使用史密斯圆图解决。UjW电子头条

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分流短线调整UjW电子头条

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假设我们有75Ω线路,但我们的负载是100 +j80Ω; 我们需要添加一个存根来匹配这些线,添加一段传输线来抵消来自不匹配负载的无功j80。UjW电子头条

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系列短线UjW电子头条

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分流短截线是迄今为止最常见的排列方式,因此我们先来看看这些。如名称所暗示的那样,一些未知长度的分流短线将在负载附近的某个点与传输线平行放置,我们将使用史密斯圆图生成其参数。UjW电子头条

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开路:UjW电子头条

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首先规范阻抗参数:UjW电子头条

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在史密斯圆图上绘制此zL并使用指南针创建SWR圆。该圆将与1 + j b相交在两点圈。对于分流短截线,我们将使用史密斯圆图作为导纳图,因此将感应电抗分量(上侧)y1和容性电抗分量(下侧)标记为y2。使用标尺从zL通过圆心到图表的远边绘制一条线; 对于导纳元件,SWR圆的交点应标记为yL,我们需要抵消感应电抗。从中心通过y1和y2向外绘制线到图表的边缘。yL和y1之间的电弧(波长朝向发电机-WTG)是d1,这是我们从负载到短截线的距离的第一个解决方案。在下面的图表中我测量了0.229λ。UjW电子头条

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从yL到y2 WTG测量第二解决方案d2。我测量了0.408λ,如图表所示。为了获得我们的短线的可能长度,我们将查看y1和y2的反应轴。在反应轴上跟随此点,因为它向图表边缘向外弯曲并绘制一条法线(垂直)到图表边缘的线。y1的这一点是L1,同样对于y2和L2 ; 测量这些长度很容易,从短路边缘开始,只需读取L1和L2处的WTG刻度。我测量L1为0.122λ,L2为0.377λUjW电子头条

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您可能会问,为什么有两种解决方案?实际上,它不仅仅是两个解决方案,而是无限的解决方案,每次绕过图表并达到这些长度标记时都会找到更多解决方案。作为一般规则,最短的d和L对将具有最佳带宽,因为它对频率变化最不敏感,但情况并非总是如此。唯一可以确定的方法是模拟它或通过实验验证。现在我们有了史密斯圆图解决方案,让我们来看看我们有多接近:UjW电子头条

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使用该电路的分析方程,我们得到:UjW电子头条

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所以可能的短线位置是:UjW电子头条

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我们需要的短线是:UjW电子头条

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最后给我们的长度:UjW电子头条

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这告诉我们从史密斯圆图中获得的解决方案非常接近,它使我们不必通过所有数学计算来得到我们可以用来设计电路的答案。UjW电子头条

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短路:UjW电子头条

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如果我们想获得短路短截线的值,我们已经完成了史密斯图上的所有工作; 我们只需要从开路侧读取它。这样做你应该简单地得到L1 =0.128λ和L2 =0.373λ。UjW电子头条

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系列短线UjW电子头条

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在本例中,我们将75Ω线路与阻抗为90 +j60Ω的负载相匹配。UjW电子头条

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开路:UjW电子头条

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从开路短截线开始,我们必须首先规范化阻抗参数:UjW电子头条

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有了这些,这个过程几乎与分流短线史密斯圆图相同,只是这次我们将图表视为阻抗图表。这使得生活变得更简单,因为我们不必使用导纳参数。如下所示标记图表上的点,并将z1从zL测量到z1,将d2从zL测量到z2,得到d1 =0.174λ,d2 =0.481λ。这里的情况与分流短截线略有不同:测量开路短截线长度,从图表的开路侧开始测量WTG标度上的波长。这样做可以得到L1 =0.353λ和L2 =0.147λUjW电子头条

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短路UjW电子头条

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这次得到我们从史密斯圆图的短路侧读取的短路长度,给出L1 =0.103λ和L2 =0.397λ。这告诉我们所需的短路短截线长度比开路短截线长四分之一波长或更短。在设计存根时考虑这些差异非常重要,这样您就可以根据设计要求实现大带宽或窄带低损耗带宽。UjW电子头条

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双重调整UjW电子头条

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单根调谐器能够匹配具有正实部分的任何负载阻抗,但是它们需要放置在距负载特定距离处以保持匹配。当使用固定频率时,这不是问题,但是如果必须支持多个频率,则可能需要设计双根调谐器。双根调谐器在固定位置使用两个短截线,并且具有能够将第一短截线放置在距负载任意距离处的优点。UjW电子头条

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让我们看一个例子,我们希望将50Ω线路与60-j80Ω的负载相匹配,并将短截线放置在λ/ 8处; 像往常一样,我们将通过标准化阻抗开始:UjW电子头条

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绘制此点,绘制SWR圆和zL中的一条线穿过中心点到SWR圆的另一侧,就像我们在第一个问题中所做的那样,得到我们的归一化导纳参数。现在我们将用λ/ 8波长旋转整个1 + jb圆WTL。这是我们新的1 + jb圆圈,我们将绘制y交叉点,就像在旧的1 + jb圆圈上一样。这导致我们的第一个电纳,它可以是两个值b1 = 1.314或b'1 = -0.114中的任何一个。从y1交点开始,我们将旋转λ/ 8波长WTG,直到我们与旧的1 + jb圆相交,给出我们的y2,同样从y'1λ/ 8波长WTG旋转到与旧的1 + jb圆相交我们y'2; 所以y2 = 1-j3.38,y'2 = 1 + j1.38。最后通过原始1 + jb圆旋转回原点给出b2 = 3.38和b'2 = -1.38。L1 =0.146λ,L2 =0.204λ或L'1 =0.482λ,L'2=0.35λ。UjW电子头条

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请注意,因为解决方案必须位于1 + jb圆上,所以R / Z 0 > 2 有一个圆形区域,其中旋转的圆不会交叉。这被称为禁区(暗雷和闪电)。禁区表示图表中不匹配的部分。这意味着与单个短线调谐器不同,双存根调整无法匹配每个负载。UjW电子头条

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如果您发现自己在RF领域工作,因为它可以比计算更快,并且是一个可视化正在发生的事情的好工具,那么能够动态设计这些匹配电路非常方便。通常,学习复杂主题的最大障碍不是太难,而是思维需要一种描绘解决方案的方法。UjW电子头条

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