[go: up one dir, main page]

RU2652455C2 - Device for impedances matching - Google Patents

Device for impedances matching Download PDF

Info

Publication number
RU2652455C2
RU2652455C2 RU2014154419A RU2014154419A RU2652455C2 RU 2652455 C2 RU2652455 C2 RU 2652455C2 RU 2014154419 A RU2014154419 A RU 2014154419A RU 2014154419 A RU2014154419 A RU 2014154419A RU 2652455 C2 RU2652455 C2 RU 2652455C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tees
matching
arms
tee
load
Prior art date
Application number
RU2014154419A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014154419A (en
Inventor
Олег Иванович Столяров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)
Priority to RU2014154419A priority Critical patent/RU2652455C2/en
Publication of RU2014154419A publication Critical patent/RU2014154419A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2652455C2 publication Critical patent/RU2652455C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03JTUNING RESONANT CIRCUITS; SELECTING RESONANT CIRCUITS
    • H03J3/00Continuous tuning
    • H03J3/02Details
    • H03J3/10Circuit arrangements for fine tuning, e.g. bandspreading
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
    • H01P5/20Magic-T junctions
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00Networks using active elements
    • H03H11/02Multiple-port networks
    • H03H11/28Impedance matching networks
    • H03H11/30Automatic matching of source impedance to load impedance

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to radio communication means for power line matching. Device provides the possibility of an accurate electrodynamic calculation of the elements of the scattering matrix of the named compounds without using the equivalent circuit method by using tees, matched by the input arm when being connected to the other two arms of the matched loads of tees with two symmetrical arms. Symmetrical arms of one tee across two transmission lines are connected to the symmetrical arms of the second tee, to the output arm of which the matched load is connected. Example of matching with a power feeder of an antenna, having a vibrator size of 1/10 wavelength in free space, is given.
EFFECT: technical result is to reduce the reflections from the input impedance of the load.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для согласования линии передачи с импедансом (комплексным сопротивлением нагрузки) на одной частоте, а при заданном допуске на отклонение коэффициента отражения от нуля - в полосе частот. Наиболее перспективно применение предложенного технического решения для радиосвязи с мобильными устройствами или связи на радиочастотах, когда размеры антенны гораздо меньше длины волны в свободном пространстве.The invention relates to the field of radio communications and can be used to match the transmission line with the impedance (complex load resistance) at one frequency, and with a given tolerance for the deviation of the reflection coefficient from zero in the frequency band. The most promising application of the proposed technical solution for radio communication with mobile devices or communication on radio frequencies, when the antenna dimensions are much less than the wavelength in free space.

Известны стандартные устройства для согласования антенны, обладающей в общем случае комплексным входным сопротивлением, с подводящим фидерным трактом. Применяются четвертьволновые трансформаторы, одношлейфные, двух- и трехшлейфные трансформаторы импедансов, двухшайбовые диэлектрические трансформаторы [1, с. 216]. В отдельных разработках используются устройства типа «стакан», U-колено, возбуждающая щель, компенсатор тока наружной оболочки коаксиальной линии [2, с. 259]. Предложена конструкция трансформатора импедансов, обладающего плавной перестройкой для удобства использования. [3].Known standard devices for matching an antenna, which has in general a complex input impedance, with a feed path. Quarter-wave transformers, single-loop, two- and three-loop impedance transformers, double-plate dielectric transformers are used [1, p. 216]. In some developments, devices such as a “glass”, a U-elbow, an exciting gap, a current compensator of the outer shell of a coaxial line are used [2, p. 259]. A design of an impedance transformer with smooth tuning for ease of use is proposed. [3].

Известные трансформаторы импедансов содержат Т-образные соединения линий передачи. Исследования показали, что такие соединения полностью согласовать невозможно [4, с. 149]. Сравнение с экспериментом также дает приближенные значения согласующего эффекта, рассчитанного по матрице рассеяния, элементы которой получены не чисто электродинамическим путем, а с привлечением метода эквивалентных схем [1, с. 168; 5, с. 89].Known impedance transformers contain T-shaped connections of transmission lines. Studies have shown that such compounds cannot be fully coordinated [4, p. 149]. Comparison with experiment also gives approximate values of the matching effect calculated from the scattering matrix, the elements of which were obtained not by a purely electrodynamic method, but using the equivalent circuit method [1, p. 168; 5, p. 89].

Основной недостаток перечисленных выше аналогов состоит в невозможности при их использовании согласовать с подводящей линией передачи нагрузку, имеющую произвольное комплексное входное сопротивление.The main disadvantage of the above analogues is the impossibility of using them to coordinate with the supply line a load having an arbitrary complex input impedance.

В последние годы получили распространение согласующие схемы на дискретных элементах, позволяющие использовать возможности вычислительной техники при оптимизации их номиналов. В основном такие схемы используются для мобильных устройств. Последние имеют малогабаритные короткие по сравнению с длиной волны антенны, индикатор принимаемого сигнала и нелинейные элементы для подстройки схемы управляющим сигналом. Такие технические решения последних лет приведены ниже.In recent years, matching circuits on discrete elements have become widespread, allowing you to use the capabilities of computer technology to optimize their ratings. Mostly such schemes are used for mobile devices. The latter have small-sized antennas, short in comparison with the wavelength, an indicator of the received signal and non-linear elements for fine tuning the circuit with a control signal. Such technical solutions of recent years are given below.

Согласующая схема для адаптивного согласования импеданса в радиоустройствах [6] включает набор согласующих элементов, автоматически включаемых в схему для получения максимальной мощности принятого сигнала по индикатору. Необходимость такой подстройки диктуется изменением входного сопротивления антенны в зависимости от положения мобильного устройства. Это устройство может быть в руке пользователя, в кармане и т.п. При работе радиоустройства на двух несущих частотах имеется два набора согласующих элементов.The matching circuit for adaptive impedance matching in radio devices [6] includes a set of matching elements that are automatically included in the circuit to obtain the maximum received signal power by the indicator. The need for such a adjustment is dictated by a change in the input impedance of the antenna depending on the position of the mobile device. This device can be in the user's hand, in a pocket, etc. When a radio device operates on two carrier frequencies, there are two sets of matching elements.

Известны способы согласования комплексных сопротивлений и устройства для его реализации [7, 8]. Согласующие устройства выполняются из реактивных и резистивных сосредоточенных элементов, и введен нелинейный элемент для обеспечения перестраиваемого по частоте согласования. Номиналы элементов определяются расчетным путем из системы уравнений, отражающей условия полного согласования на нескольких частотах рабочей полосы частот.Known methods for matching complex resistances and devices for its implementation [7, 8]. Matching devices are made of reactive and resistive lumped elements, and a nonlinear element is introduced to provide frequency-tunable matching. The values of the elements are determined by calculation from a system of equations that reflects the conditions of full coordination at several frequencies of the working frequency band.

В устройстве оперативной калибровки для согласования антенны в системе радиоприема [9] предусмотрены элементы согласующей цепи, которые отрегулированы, чтобы соответствовать входному импедансу антенны.In the operational calibration device for matching the antenna in the radio reception system [9], matching circuit elements are provided that are adjusted to match the input impedance of the antenna.

Недостаток согласующих устройств в виде набора дискретных элементов идентичен отмеченному выше - невозможно при их использовании согласовать с подводящей линией передачи нагрузку, имеющую произвольное комплексное входное сопротивление. Можно отметить еще один недостаток, заключающийся в использовании в наборе дискретных элементов резисторов. Последние могут способствовать уменьшению отражений от согласующего устройства, но не могут обеспечить полной передачи мощности сигнала в нагрузку. Это следует из закона сохранения энергии. В [7, 8] коэффициент отражения от входа согласующего устройства определяется по элементу S11 матрицы рассеяния, который таковым не является. По этой причине возникают сомнения в корректности оптимизации номиналов набора дискретных элементов.The lack of matching devices in the form of a set of discrete elements is identical to that noted above - it is impossible to coordinate a load having an arbitrary complex input impedance with the supply line of the transmission. We can note one more drawback, which consists in the use of resistors in a set of discrete elements. The latter can contribute to the reduction of reflections from the matching device, but cannot ensure the complete transmission of signal power to the load. This follows from the law of conservation of energy. In [7, 8], the reflection coefficient from the input of the matching device is determined by the element S 11 of the scattering matrix, which is not such. For this reason, doubts arise about the correctness of optimizing the values of a set of discrete elements.

В качестве прототипа выбрано устройство согласования, описанное в [1, с. 223], в котором используются Т-образные соединения двух линий передачи, образующих тройник. К входному плечу тройника 1 подключается источник сигнала 5, другое плечо подключено к входному плечу тройника 2. К выходному плечу этого тройника подключается согласуемая нагрузка ΖH. Остальные плечи тройников нагружены отрезками линий с подвижными короткозамыкателями 3 и 4. Для согласования достаточно определить размеры L1 и L2. Раньше это делалось по круговой диаграмме, сейчас проще воспользоваться несложной программой.As a prototype, the matching device described in [1, p. 223], which uses T-shaped connections of two transmission lines forming a tee. A signal source 5 is connected to the input arm of tee 1, the other arm is connected to the input arm of tee 2. A matched load Ζ H is connected to the output arm of this tee. The remaining shoulders of the tees are loaded with line segments with movable short circuits 3 and 4. For matching, it is sufficient to determine the sizes L 1 and L 2 . Previously, this was done in a pie chart, now it is easier to use a simple program.

В [1] отмечены и недостатки прототипа - невозможность согласования при любых значениях входного импеданса нагрузки. На круговой диаграмме имеется «недосягаемая зона» для некоторых значений этого импеданса. Остаются значимыми и недостатки, отмеченные выше для Т-образных соединений.In [1], the disadvantages of the prototype were also noted — the impossibility of matching at any values of the input load impedance. The pie chart has an “unreachable zone” for some values of this impedance. The disadvantages noted above for T-shaped compounds remain significant.

Техническим результатом заявленного изобретения является возможность более полного использования передаваемого по линии сигнала без его отражений или при значительном уменьшении отражений от входного импеданса нагрузки. На фиксированной частоте обеспечивается практически полное согласование нагрузки, имеющей произвольный входной импеданс. Термин «практически» следует понимать в таком аспекте, что на данном этапе разработки подобных устройств не учитывается поглощение электромагнитной энергии в металле или диэлектрике. Имеются в виду стенки полого волновода, наружный экран, центральный проводник и диэлектрик коаксиального кабеля, полоска и диэлектрик микрополосковой или полосковой линии. В пределах некоторых допустимых значений коэффициента отражения вблизи частоты полного согласования образуется рабочая полоса частот.The technical result of the claimed invention is the possibility of more complete use of the signal transmitted along the line without its reflections or with a significant reduction in reflections from the input load impedance. At a fixed frequency, almost complete load balancing is achieved with an arbitrary input impedance. The term “practically” should be understood in such an aspect that at this stage in the development of such devices, the absorption of electromagnetic energy in a metal or dielectric is not taken into account. This refers to the walls of the hollow waveguide, the outer shield, the central conductor and the dielectric of the coaxial cable, the strip and the dielectric of the microstrip or strip line. Within certain acceptable values of the reflection coefficient, a working frequency band is formed near the frequency of full agreement.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для согласования импедансов, включающем первый и второй тройники, согласно изобретению тройники выполнены в виде самосогласованных тройников, к входу первого тройника подключен источник сигнала, симметричные плечи этого тройника через две линии передачи соединены с симметричными плечами второго тройника, к выходному плечу которого подключена нагрузка, входной импеданс которой надо согласовать с подводящей линией передачи, а в одной из линий передачи имеется фазовращатель.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for matching impedances, including the first and second tees, according to the invention, the tees are made in the form of self-consistent tees, a signal source is connected to the input of the first tee, the symmetrical shoulders of this tee are connected to the symmetrical shoulders of the second tee via two transmission lines , to the output arm of which a load is connected, the input impedance of which must be coordinated with the input transmission line, and in one of the transmission lines there is a phase rotation spruce.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что тройники могут быть выполнены в виде отрезка прямоугольного волновода, разделенного на части своей длины тонкой металлической перегородкой, параллельной широкой стенке.In addition, this technical result is achieved in that the tees can be made in the form of a segment of a rectangular waveguide, divided into parts of its length by a thin metal partition parallel to a wide wall.

Помимо этого указанный технический результат достигается тем, что тройники могут быть выполнены в виде Y соединения коаксиальных или полосковых линий при волновом сопротивлении одного из плеч, в два раза меньшем волнового сопротивления двух других плеч.In addition, the specified technical result is achieved in that the tees can be made in the form of a Y connection of coaxial or strip lines with a wave impedance of one of the arms, half the wave impedance of the other two arms.

Самосогласованными тройниками называются такие тройниковые соединения линий передачи, которые получаются согласованными по входному плечу при подсоединении к двум другим плечам согласованных нагрузок. Оказалось, что элементы матрицы рассеяния по крайней мере некоторых из таких тройников можно рассчитать строго электродинамически, без обращения к методу эквивалентных схем. Подобный расчет раньше не выполнялся. По этой причине элементы матрицы рассеяния определяются точно, без каких-либо упрощающих предположений. Применение таких тройников для согласования позволяет на практике получать результаты, соответствующие расчетным.Self-consistent tees are those tee connections of transmission lines that are obtained consistent along the input arm when connected to the other two arms of the agreed loads. It turned out that the elements of the scattering matrix of at least some of these tees can be calculated strictly electrodynamically, without resorting to the equivalent circuit method. A similar calculation has not been performed before. For this reason, the elements of the scattering matrix are determined exactly, without any simplifying assumptions. The use of such tees for coordination allows in practice to obtain results that correspond to the calculated ones.

Схема предлагаемого согласующего устройства для линий передачи в виде прямоугольного волновода показана на фиг. 1. Отрезок основного прямоугольного волновода 1 разделен тонкой металлической пластиной 2 на два парциальных волновода. В одном из парциальных волноводов помещен фазовращатель в виде двух пластинок 3, прижатых к узким стенкам. Конструкция фазовращателя может быть иная, например в виде диэлектрической пластины, параллельной узкой стенке волновода. Левый по рисунку конец волновода является входным, к правому подключается согласуемая нагрузка с известным комплексным коэффициентом отражения.A diagram of the proposed matching device for transmission lines in the form of a rectangular waveguide is shown in FIG. 1. A segment of the main rectangular waveguide 1 is divided by a thin metal plate 2 into two partial waveguides. In one of the partial waveguides placed phase shifter in the form of two plates 3, pressed against narrow walls. The design of the phase shifter may be different, for example, in the form of a dielectric plate parallel to the narrow wall of the waveguide. The left end of the waveguide in the figure is the input end, a matched load with a known complex reflection coefficient is connected to the right one.

Для расчета согласующего эффекта применен аппарат матрицы рассеяния [10]. На фиг. 1 обозначены комплексные амплитуды волн, распространяющихся вправо P1, Р, P2H, P3B, P3H, Р4 и влево L1, L2B, L2H, L3B, P3H, L4. Отсчет амплитуд производится в плоскостях поперечного сечения N1, N2, N3. Расстояния d12, d23, d34 между сечениями кратны длине волны типа H01 в волноводах. Последнее связано с упрощением расчета, но может быть без труда выполнено, если нет жестких ограничений на габариты. Концы пластины 2 должны находиться примерно посередине или чуть ближе к фазовращателю для формирования в плоскостях отсчета основного волновода поля H01 без сильного влияния полей высших типов, возникающих вблизи краев пластины.To calculate the matching effect, the scattering matrix apparatus was used [10]. In FIG. 1 shows the complex amplitudes of the waves propagating to the right P 1 , P 2B , P 2H , P 3B , P 3H , P 4 and to the left L 1 , L 2B , L 2H , L 3B , P 3H , L 4 . The amplitudes are counted in the planes of the cross section N 1 , N 2 , N 3 . The distances d 12 , d 23 , d 34 between the sections are multiples of the wavelength of type H 01 in the waveguides. The latter is due to the simplification of the calculation, but can be easily performed if there are no strict restrictions on the dimensions. The ends of the plate 2 should be located approximately in the middle or slightly closer to the phase shifter in order to form the field H 01 in the reference planes of the main waveguide without strong influence of higher types of fields arising near the edges of the plate.

При выполнении изложенных выше условий во всех плоскостях отсчета формируется поле только основной волны прямоугольного волновода. Конструкция частей устройства между плоскостями N1-N2 и N3-N4 представляет собой самосогласованные тройники. Соотношения между амплитудами волн для тройника N1-N2 имеют вид:When the above conditions are met in all reference planes, only the main wave field of the rectangular waveguide is formed. The design of the parts of the device between the planes N 1 -N 2 and N 3 -N 4 is a self-consistent tees. The relations between the wave amplitudes for the tee N 1 -N 2 have the form:

Figure 00000001
Figure 00000001

Аналогичные соотношения можно написать и для тройника N3-N4. Строгий электродинамический расчет элементов матрицы рассеяния Aik пока не нашел отражения в литературе.Similar relations can be written for the tee N 3 -N 4 . A rigorous electrodynamic calculation of the elements of the scattering matrix A ik has not yet been reflected in the literature.

Конструкция части устройства между плоскостями N2-N3 представляет собой четырехполюсник. В итоге имеем 11 уравнений относительно 12 комплексных амплитуд.The design of the part of the device between the planes N 2 -N 3 is a four-terminal network. As a result, we have 11 equations for 12 complex amplitudes.

Figure 00000002
;
Figure 00000003
; L2B=eL3B P3H=P2H;
Figure 00000002
;
Figure 00000003
; L 2B = e L 3B P 3H = P 2H ;

Figure 00000004
;
Figure 00000005
; L3B=eL2B P4=L4/K;
Figure 00000004
;
Figure 00000005
; L 3B = e L 2B P 4 = L 4 / K;

Figure 00000006
;
Figure 00000007
; L2H=L3H.
Figure 00000006
;
Figure 00000007
; L 2H = L 3H .

В этой системе уравнений K имеет смысл комплексного коэффициента отражения от согласуемой нагрузки в плоскости N4, который считаем известным. Не проведены некоторые сокращения, чтобы выделить численные значения элементов матриц рассеяния. Есть возможность произвольного выбора модуля и фазы подаваемой на вход устройства волны. Поэтому полагаем Р1=1. Тогда получаем вполне корректную задачу определения 11 неизвестных амплитуд, связанных 11 алгебраическими уравнениями. Опуская математические преобразования, выпишем получающееся решение.In this system of equations, K has the meaning of a complex reflection coefficient from a matched load in the N 4 plane, which we consider known. Some abbreviations were not carried out to highlight the numerical values of the elements of the scattering matrices. It is possible to arbitrarily select the module and phase of the wave fed to the input of the device. Therefore, we put P 1 = 1. Then we get the completely correct problem of determining 11 unknown amplitudes connected by 11 algebraic equations. Omitting the mathematical transformations, we write out the resulting solution.

Figure 00000008
;
Figure 00000009
;
Figure 00000008
;
Figure 00000009
;

Figure 00000010
;
Figure 00000011
; P3H=P2H;
Figure 00000010
;
Figure 00000011
; P 3H = P 2H ;

Figure 00000012
;
Figure 00000013
; L3B-jϕL2B;
Figure 00000012
;
Figure 00000013
; L 3B = e -jϕ L 2B ;

P3B=eP2B; P4=L4/K; L3H=L2H.P 3B = e P 2B ; P 4 = L 4 / K; L 3H = L 2H .

Амплитуды волн в отдельных отрезках линий передачи устройства определяются модулем

Figure 00000014
и фазой γ коэффициента отражения в плоскости N4
Figure 00000015
и фазой ϕ, вносимой фазовращателем. При полном согласовании
Figure 00000016
, что приводит к уравнениюThe wave amplitudes in individual segments of the device transmission lines are determined by the module
Figure 00000014
and phase γ of the reflection coefficient in the plane N 4
Figure 00000015
and phase ϕ introduced by the phase shifter. With full agreement
Figure 00000016
, which leads to the equation

Figure 00000017
Figure 00000017

которое определяет значения фаз ϕ и γ. При фазе коэффициента отражения согласуемой нагрузки ψ, не совпадающей с γ, подключать нагрузку непосредственно к выходу устройства в сечении N4 нельзя, но ее можно подключить через отрезок линии длиной l, определяемой из условияwhich determines the values of the phases ϕ and γ. When the phase of the reflection coefficient of the coordinated load ψ does not coincide with γ, it is impossible to connect the load directly to the output of the device in section N 4 , but it can be connected through a line segment of length l, determined from the condition

Figure 00000018
,
Figure 00000018
,

в котором β - волновое число волны в линии.in which β is the wave number of the wave in the line.

На основании полученных результатов расчета алгоритм применения предложенного устройства можно изложить в следующей последовательности.Based on the obtained calculation results, the application algorithm of the proposed device can be described in the following sequence.

1. Измеряются (или рассчитываются) модуль

Figure 00000019
и фаза ψ коэффициента отражения согласуемой нагрузки.1. Measured (or calculated) module
Figure 00000019
and phase ψ of the reflection coefficient of the matched load.

2. При известном значении

Figure 00000020
решается комплексное уравнение (1) относительно ϕ и γ.2. With a known value
Figure 00000020
the complex equation (1) is solved with respect to ϕ and γ.

3. Находится длина l отрезка линии передачи, через который следует подключить согласуемую нагрузку к выходу устройства для согласования импедансов.3. The length l of the segment of the transmission line is found, through which a coordinated load should be connected to the output of the device for matching impedances.

Figure 00000021
либо
Figure 00000022
Figure 00000021
or
Figure 00000022

По второй формуле длина l определяется при отрицательном значении, полученном по первой формуле.According to the second formula, the length l is determined with a negative value obtained by the first formula.

4. Устанавливается рассчитанное значение сдвига фазы ϕ фазовращателя для волноводного устройства. Для коаксиальных, микрополосковых или полосковых линий рассчитывается длина l1 дополнительного отрезка линии по формуле4. The calculated value of the phase shift ϕ of the phase shifter for the waveguide device is set. For coaxial, microstrip or strip lines, the length l 1 of the additional line segment is calculated by the formula

Figure 00000023
Figure 00000023

5. Согласуемая нагрузка подключается к устройству через отрезок линии передачи рассчитанной длины l.5. The agreed load is connected to the device through a segment of the transmission line of the calculated length l.

После выполнения указанных действий нагрузка согласована на выбранной частоте, а при некотором допуске на отклонение коэффициента отражения от нуля согласование имеет место и в полосе частот. Эта полоса зависит не только от упомянутого допуска, но и от частотной дисперсии входного импеданса нагрузки и волнового сопротивления линии. По этой причине определение полосы согласования представляется более сложным и не является целью изобретения.After performing these steps, the load is matched at the selected frequency, and with some tolerance for the deviation of the reflection coefficient from zero, matching also occurs in the frequency band. This band depends not only on the tolerance mentioned, but also on the frequency dispersion of the input load impedance and the wave impedance of the line. For this reason, the determination of the matching band is more complex and is not the purpose of the invention.

Конструкция согласующего устройства и алгоритм его применения не имеют привязки к типу линии передачи и конкретной частоте полного согласования. Все расчеты удается провести в терминах модуля коэффициента отражения, фазовых сдвигов и волновых сопротивлений используемых линий передачи. Поэтому можно привести конструкции предложенного устройства для других линий передачи, которые отличаются от прямоугольного волновода. Важно только, чтобы для используемой линии передачи существовали самосогласованные тройники. Двухпроводная линия не подходит из-за заметного излучения в свободное пространство. Коаксиальное и полосковое устройства показаны на фиг. 2.The design of the matching device and the algorithm for its application are not tied to the type of transmission line and the specific frequency of full coordination. All calculations can be carried out in terms of the modulus of the reflection coefficient, phase shifts and wave impedances of the used transmission lines. Therefore, it is possible to cite the design of the proposed device for other transmission lines that differ from a rectangular waveguide. It is only important that self-consistent tees exist for the transmission line used. A two-wire line is not suitable due to noticeable radiation in the free space. The coaxial and strip devices are shown in FIG. 2.

Условие самосогласованности коаксиального и полоскового тройников легко получается из непрерывности разности потенциалов между сигнальным проводников и экраном и непрерывности токов в сигнальных проводниках для ТЕМ волны [10, с. 53]. Это условие заключается в том, что волновое сопротивление одного плеча должно быть в 2 раза меньше волнового сопротивления двух других плеч. На фиг. 2 это соотношение качественно отражено толщиной сигнального проводника или полоски. Матрицы рассеяния совпадают с изложенными выше для волноводного согласующего устройства. Отличие от последнего состоит только в конструкции фазовращателя. Для коаксиальных линий (фиг. 2а) удобным представляется дополнительный отрезок коаксиальной линии длиной l1, который может быть уложен в виде кольца. Для полосковых линий (фиг. 2b) возможно включение дополнительного отрезка полосковой линии. Согласованные повороты полосковой линии имеют срезы, геометрия которых для поворота 90° отработана [11, с. 178].The self-consistency condition for coaxial and strip tees is easily obtained from the continuity of the potential difference between the signal conductors and the screen and the continuity of currents in the signal conductors for the TEM wave [10, p. 53]. This condition is that the wave impedance of one arm should be 2 times less than the wave impedance of the other two arms. In FIG. 2, this ratio is qualitatively reflected by the thickness of the signal conductor or strip. The scattering matrices coincide with those described above for the waveguide matching device. The difference from the latter is only in the design of the phase shifter. For coaxial lines (Fig. 2a), an additional segment of a coaxial line of length l 1 that can be laid in the form of a ring is convenient. For strip lines (FIG. 2b), an additional piece of strip line may be included. Coordinated rotations of the strip line have sections, the geometry of which has been worked out for a 90 ° rotation [11, p. 178].

Расчет предложенного устройства проиллюстрирован ниже на примере согласования несимметричного вибратора длиной 1/10 длины волны в свободном пространстве, параметры которого взяты из [2, с. 267]. Входной импеданс, рассчитанный по методу Стреттона и Чу, равен 5-i150 Ом, коэффициент отражения для тракта 75 Ом равен 0.585-i0.778. Без согласования отражается доля мощности 0,948. Надо подставить модуль коэффициента отражения 0.974 в уравнение 1 и найти вещественные значения ϕ и γ. Получим ϕ=2.91 и γ=3.37. По мнению автора, наиболее просто это можно сделать численно. Попытки аналитического решения этого комплексного уравнения приводят к необходимости отделять комплексные корни, которые соответствуют либо трактам с активными потерями, либо трактам с активной средой. Длины линий l и l1 определяются по формулам (2) и (3). Для коаксиальной линииThe calculation of the proposed device is illustrated below by the example of matching an asymmetric vibrator with a length of 1/10 wavelength in free space, the parameters of which are taken from [2, p. 267]. The input impedance calculated by the Stretton and Chu method is 5-i150 Ohms, the reflection coefficient for the 75 Ohm path is 0.585-i0.778. Without coordination, the power fraction of 0.948 is reflected. It is necessary to substitute the modulus of the reflection coefficient 0.974 in equation 1 and find the real values of ϕ and γ. We obtain ϕ = 2.91 and γ = 3.37. According to the author, the easiest way to do this is numerically. Attempts to analytically solve this complex equation lead to the need to separate complex roots that correspond to either paths with active losses or paths with an active medium. The lengths of lines l and l 1 are determined by formulas (2) and (3). For coaxial line

Figure 00000024
Figure 00000024

где с - скорость света в свободном пространстве, f - частота сигнала, а ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика на этой частоте. Для частоты 1 Ггц и ε=3 будем иметь l=59 мм и l1=80 мм. Размеры согласующего устройства определяются длиной волны в коаксиальной линии 2π/β=173 мм, которая дает расстояние между плоскостями отсчета амплитуд полей. Для микрополосковой или полосковой линий ε в формуле (4) имеет смысл эффективного значения диэлектрической проницаемости диэлектрика.where c is the speed of light in free space, f is the signal frequency, and ε is the relative permittivity of the dielectric at this frequency. For a frequency of 1 GHz and ε = 3, we have l = 59 mm and l 1 = 80 mm. The dimensions of the matching device are determined by the wavelength in the coaxial line 2π / β = 173 mm, which gives the distance between the reference planes of the field amplitudes. For a microstrip or strip line ε in the formula (4), it makes sense the effective value of the dielectric constant of the dielectric.

Физический механизм эффекта согласования поясняется фиг. 3, на которой показано изменение интенсивности волн в зависимости от вариации фазы ϕ для приведенного примера. При оптимальной фазе в результате интерференции волн падает до нуля интенсивность

Figure 00000025
отраженной волны от входа, выравниваются интенсивности волн P2H, L2H и L2B, а разность квадратов модулей P2B и L2B в точках 1 и 2, определяющая поток энергии через согласующее устройство, обращается в 1. Последнее соответствует полному согласованию. Проходящая в нагрузку мощность определяется проникшим через сечение N4 полем
Figure 00000026
.The physical mechanism of the matching effect is illustrated in FIG. 3, which shows the change in the wave intensity depending on the variation of the phase ϕ for the given example. At the optimum phase, as a result of wave interference, the intensity decreases to zero
Figure 00000025
of the reflected wave from the entrance, the intensities of the waves P 2H , L 2H and L 2B are aligned, and the difference between the squares of the modules P 2B and L 2B at points 1 and 2, which determines the energy flow through the matching device, turns to 1. The latter corresponds to full agreement. The power passing into the load is determined by the field penetrated through section N 4
Figure 00000026
.

Преимущества предложенного устройства для согласования импедансов по сравнению с известными аналогами состоят в следующем.The advantages of the proposed device for matching impedances in comparison with known analogues are as follows.

1) Возможен точный и несложный расчет конструктивных параметров при известном значении (рассчитанном или измеренном) импеданса согласуемой нагрузки.1) An accurate and simple calculation of design parameters is possible with a known value (calculated or measured) of the impedance of the coordinated load.

2) Проектирование и использование устройства возможны в широком диапазоне частот примерно от 300 Мгц до 30 Ггц при использовании линий передачи соответствующего типа.2) The design and use of the device is possible in a wide frequency range from about 300 MHz to 30 GHz when using transmission lines of the appropriate type.

3) Использование технологий микроэлектроники позволяет применять устройство на более высоких частотах по сравнению с указанными в п. 2).3) The use of microelectronics technology allows the device to be used at higher frequencies than those specified in paragraph 2).

4) При отсутствии ограничений на габариты возможно применение устройства на более низких частотах по сравнению с указанными в п. 2).4) In the absence of restrictions on the dimensions, it is possible to use the device at lower frequencies compared to those specified in paragraph 2).

5) Возможен расчет эффекта повышения интенсивности поля в отдельных линиях устройства по сравнению с полем на входе. Это позволяет проводить оценку предельной подаваемой на вход мощности.5) It is possible to calculate the effect of increasing the field intensity in individual lines of the device compared to the input field. This allows an assessment of the maximum input power.

6) Наибольшая интенсивность поля возникает в линии с подключенной нагрузкой (|P4| на фиг. 3). Это позволяет считать предложенное устройство оптимальным для согласования импеданса нагрузки с подводящей линией при предельных мощностях.6) The highest field intensity occurs in the line with the connected load (| P 4 | in Fig. 3). This allows us to consider the proposed device as optimal for matching the impedance of the load with the supply line at maximum power.

Литература.Literature.

1. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1, М.: Высшая школа, 1970.1. Lebedev I.V. Microwave equipment and devices. T. 1, M .: Higher school, 1970.

2. Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн. М.: Гос. Изд-во по вопросам связи и радио, 1967.2. Eisenberg G.Z. Antennas of ultrashort waves. M .: State. Publishing House for Communications and Radio, 1967.

3. Долженков А.А., Полянский М.Ю. Согласующее устройство. АС №579670, Н01Р 3|08, 1977.3. Dolzhenkov A.A., Polyanskiy M.Yu. Matching device. AC No. 579670, Н01Р 3 | 08, 1977.

4. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. Перевод с английского под ред. B.И. Сушкевича. Т. 1. М.: Сов. радио, 1965.4. Harvey A.F. The technique of superhigh frequencies. Translation from English, ed. B.I. Sushkevich. T. 1. M.: Sov. radio, 1965.

5. Мегла Г. Техника дециметровых волн. Перевод с нем. Сов. радио, М., 1958.5. Megla G. Technique of decimeter waves. Translation from it. Owls Radio, M., 1958.

6. НГУЕН Хеин, ЧЖОУ Йи, ПАРПИА Виджай. Согласующая схема для адаптивного согласования импеданса в радиоустройствах. Патент РФ №2497306, H04W 4/00, 2010.6. NGUEN Hein, ZHOU Yi, PARPIA Vijay. Matching circuit for adaptive impedance matching in radio devices. RF patent No. 2497306, H04W 4/00, 2010.

7. Головков Α.Α., Малютина И.А. Способ согласования комплексных сопротивлений и устройство его реализации. Патент РФ №2486667, H03J 3/00, 2013.7. Golovkov Α.Α., Malyutina I.A. The method of coordination of complex resistances and the device for its implementation. RF patent No. 2486667, H03J 3/00, 2013.

8. Головков Α.Α., Малютина И.А. Способ согласования комплексных сопротивлений и устройство его реализации. Патент РФ №2486667, H03J 3/00, 2013.8. Golovkov Α.Α., Malyutina I.A. The method of coordination of complex resistances and the device for its implementation. RF patent No. 2486667, H03J 3/00, 2013.

9. Ali Shirook M., Warden James. Dynamic real-time calibration for antenna matching in a radio frequency receiver system. Publication info: US 2014210686 (A1), H01Q 1/50, 2014.9. Ali Shirook M., Warden James. Dynamic real-time calibration for antenna matching in a radio frequency receiver system. Publication info: US 2014210686 (A1), H01Q 1/50, 2014.

10. Альтман Дж. Л. Устройства сверхвысоких частот. Перевод с англ. М.: Мир, 1968.10. Altman, J. L. Devices of superhigh frequencies. Translation from English M.: Mir, 1968.

11. Нефедов Е.И., Фиалковский А.Т. Полосковые линии передачи. М.: Наука, 1980.11. Nefedov E.I., Fialkovsky A.T. Strip transmission lines. M .: Nauka, 1980.

Claims (3)

1. Устройство для согласования импедансов, включающее первый и второй тройники линий передачи, отличающееся тем, что тройники выполнены в виде самосогласованных, согласованных по входному плечу при подсоединении к двум другим плечам согласованных нагрузок, тройников с двумя симметричными плечами, ко входу первого тройника подключен источник сигнала, симметричные плечи этого тройника через две линии передачи соединены с симметричными плечами второго тройника, к выходному плечу которого подключена согласуемая нагрузка, а в одной из линий передачи имеется фазовращатель.1. Device for matching impedances, including the first and second tees of transmission lines, characterized in that the tees are made in the form of self-consistent, matched along the input arm when connected to the other two arms of the coordinated loads, tees with two symmetrical arms, the source is connected to the input of the first tee signal, the symmetrical shoulders of this tee are connected through two transmission lines to the symmetrical shoulders of the second tee, to the output arm of which a matched load is connected, and in one of the lines The first gear has a phase shifter. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тройники выполнены в виде отрезка прямоугольного волновода, разделенного на части своей длины тонкой металлической перегородкой, параллельной широкой стенке.2. The device according to claim 1, characterized in that the tees are made in the form of a segment of a rectangular waveguide divided into parts of its length by a thin metal partition parallel to a wide wall. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тройники выполнены в виде Y соединения коаксиальных или полосковых линий при волновом сопротивлении одного из плеч, в два раза меньшем волнового сопротивления других плеч.3. The device according to claim 1, characterized in that the tees are made in the form of a Y connection of coaxial or strip lines with a wave impedance of one of the arms, half the wave impedance of the other arms.
RU2014154419A 2014-12-30 2014-12-30 Device for impedances matching RU2652455C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014154419A RU2652455C2 (en) 2014-12-30 2014-12-30 Device for impedances matching

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014154419A RU2652455C2 (en) 2014-12-30 2014-12-30 Device for impedances matching

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014154419A RU2014154419A (en) 2016-07-20
RU2652455C2 true RU2652455C2 (en) 2018-04-26

Family

ID=56413372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014154419A RU2652455C2 (en) 2014-12-30 2014-12-30 Device for impedances matching

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2652455C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2819847C1 (en) * 2024-02-08 2024-05-27 Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" Sinusoidal dualpolarized four-arm antenna with power supply device for impedance matching

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2109374C1 (en) * 1995-12-28 1998-04-20 Акционерное общество открытого типа "Московский научно-исследовательский институт радиосвязи" Double waveguide tee
US5778308A (en) * 1994-05-25 1998-07-07 Nokia Mobile Phones Limited Adaptive antenna matching
US20100188169A1 (en) * 2007-08-07 2010-07-29 Fujitsu Limited Reactance Varying Device
RU2486667C1 (en) * 2011-11-21 2013-06-27 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of matching complex impedances and apparatus for realising said method
RU2497306C2 (en) * 2009-08-17 2013-10-27 Сони Корпорейшн Matching circuit for adaptive impedance matching in radio devices
US20140210686A1 (en) * 2009-10-14 2014-07-31 Blackberry Limited Dynamic real-time calibration for antenna matching in a radio frequency receiver system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5778308A (en) * 1994-05-25 1998-07-07 Nokia Mobile Phones Limited Adaptive antenna matching
RU2109374C1 (en) * 1995-12-28 1998-04-20 Акционерное общество открытого типа "Московский научно-исследовательский институт радиосвязи" Double waveguide tee
US20100188169A1 (en) * 2007-08-07 2010-07-29 Fujitsu Limited Reactance Varying Device
RU2497306C2 (en) * 2009-08-17 2013-10-27 Сони Корпорейшн Matching circuit for adaptive impedance matching in radio devices
US20140210686A1 (en) * 2009-10-14 2014-07-31 Blackberry Limited Dynamic real-time calibration for antenna matching in a radio frequency receiver system
RU2486667C1 (en) * 2011-11-21 2013-06-27 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of matching complex impedances and apparatus for realising said method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2819847C1 (en) * 2024-02-08 2024-05-27 Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" Sinusoidal dualpolarized four-arm antenna with power supply device for impedance matching

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014154419A (en) 2016-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Quintero et al. System fidelity factor: A new method for comparing UWB antennas
Monteath Coupled transmission lines as symmetrical directional couplers
CN104931799A (en) On-chip antenna electrical property test system and method
US20190296709A1 (en) Impedance matching circuitry
US11165148B2 (en) Matching network system and method combined with circulator
Smolders et al. Modern Antennas and Microwave Circuits--A complete master-level course
CN117590092B (en) Antenna radiation efficiency measuring method and system and electronic equipment
Jha et al. A high-gain and high-bandwidth waveguide fed longitudinal slot doublets array antenna for X-band
Rousstia et al. High performance 60-GHz dielectric rod antenna with dual circular polarization
Fricke et al. A model for the reflection of terahertz signals from printed circuit board surfaces
RU2652455C2 (en) Device for impedances matching
Morbidel et al. Design of high return loss logarithmic spiral antenna
CN117890683B (en) Active wireless communication device total radiated power measurement method, system and electronic device
Ball Investigation into series-fed microstrip patch arrays at 26 GHz, 28 GHz and 48 GHz–design, simulation and prototype tests
Berdnik et al. E-plane T-junction of rectangular waveguides with vibrator-slot coupling between arms
Miralles et al. Fast design method and validation of very wideband tapered Wilkinson divider
Spector An investigation of periodic rod structures for Yagi aerials
Strackx et al. Ultra-wideband antipodal Vivaldi antenna array with Wilkinson power divider feeding network
Popovic et al. Principles of RF and microwave measurements
Shamaileh et al. Fourier-based transmission line ultra-wideband Wilkinson power divider for EARS applications
Kim et al. Calculation of site attenuation for calculable dipole antennas
Dube Design and Fabrication of a Miniaturised Dual Band Planar Antenna for Wireless Communication
Mohammadian et al. A closed-form method for predicting mutual coupling between base-station dipole arrays
Niamien Unique-solution single-sample complex dielectric characterization through linear phase approximation
Al‐Bawri et al. Compact wideband five‐port reflectometer based on symmetrical waveguide ring junction for synthetic microwave imaging applications