一种采用多T形结构的新颖六频段阻抗变压器

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：A novel Hexa-band impedance transformer using a multi-T-shaped structure

六频段阻抗变换器基于多T形传输线结构设计，采用四段串联和三段并联传输线实现高效阻抗匹配，通过ABCD矩阵法推导设计方程，实验验证两原型机在0.6-6.2GHz六个频段均实现优于15dB的输入回波损耗，与仿真结果吻合。

　　

阮明江 | 吴文强

越南河内黎贵敦技术大学无线电电子工程学院

摘要

本文提出了一种基于多T形传输线结构的新型六频段阻抗变压器。该电路由四个串联传输线段和三个并联传输线段组成，形成了一个简单且完全平面的多T形结构，能够在六个不同的工作频段实现高效的阻抗变换。据作者所知，能够同时在六个频段工作的阻抗变压器很少有报道，这突显了该设计的创新性。设计方程是通过ABCD矩阵分析严格推导出来的。为了验证所提出设计方法的准确性，设计并制造了两个六频段变压器原型，并对其进行了实验测试。测量结果与全波仿真结果非常吻合，在所有六个工作频段上，输入回波损耗均优于15 dB，从而证实了所提出变压器的有效性和实际可行性。

引言

阻抗变压器是微波和射频系统中的关键组件，可确保电路元件之间的高效阻抗匹配。它最小化信号反射，最大化功率传输，并提升整体系统性能，在天线、放大器和功率分配器等设备中不可或缺[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。随着现代无线通信技术的发展，这些技术需要在多个频段上工作，基于四分之一波长传输线的传统单频段变压器已不再适用。因此，开发多频段阻抗变压器变得越来越重要，以满足多标准系统的需求，同时保持紧凑性和高效率。已经提出了许多实现多频段阻抗匹配的方法。在[11]中提出了一种适用于任意双频段的紧凑型Pi形结构变压器。在[12]中，介绍了一种基于广义耦合谐振器滤波器的双频段阻抗变压器。通过利用耦合谐振器网络的系统合成程序，该设计能够独立指定每个工作频段的端口阻抗水平。工作[13]报告了一种利用减速原理的带宽增强的双频段阻抗匹配网络。为了实现所提出的拓扑结构，采用了全通方式配置的耦合线段。除了纯实数阻抗匹配外，人们还非常关注具有频率依赖性负载的多频段射频系统中的复数匹配问题，从而开发了各种双频段变压器拓扑结构。工作[14]提出了一种双频段阻抗变压器，可以将两个不等频率依赖的复数负载转换为两个不同频段上的纯电阻负载。该电路由四个传输线段和一个并联短截线组成，其设计公式便于参数的直接合成。在[15]中，提出了一种用于复数阻抗匹配的紧凑型双频段变压器，其中推导了两组非线性方程及其求解程序。

最近，提出了几种在三个频率上实现阻抗匹配的技术。在[16]中，通过将双频段匹配网络与双频段到三频段变压器级联来实现三频段匹配。工作[17]提出了一种基于三段传输线的三频段阻抗变压器，其设计参数是通过优化算法确定的。在[18]中，提出了一种带有嵌入式谐振器的三频段Pi形传输线结构，能够在三个频段实现高效的阻抗变换。然而，使用集总电感和电容器会限制其在高频下的性能。在[19]中，介绍了一种使用带短截线的耦合线阻抗变压器来匹配三个独立频率下的实数负载阻抗的方法。[19]中提出的电路包括两个级联的部分，每个部分都由并联耦合的传输线实现。在[20]中，提出了一种采用耦合传输线和双频段到三频段转换方案的三频段阻抗变压器，能够将频率依赖的复数负载匹配到纯电阻终端。在[21]中，报道了一种用于频率依赖复数负载的紧凑型三频段阻抗变压器，该变压器采用了一种级联结构，包括一个双频段电导变压器、一个双频段电纳短截线网络和一个双频段到三频段转换阶段。

随着多频段设备的日益普及，对能够在更多频段工作的阻抗变压器的需求也在增加。已经提出了几种四频段设计[22]–[25]。在[22]中，一种采用两段耦合线的紧凑型四频段阻抗变压器实现了三个任意频率和一个相关频率之间的阻抗匹配。在[23]中的设计使用了改进的T形耦合线结构，允许选择两个任意频率，而其他两个频率则相应确定。工作[24]提出了一种能够实现超高阻抗变换比的四频段匹配网络。在[25]中，开发了一种用于复数负载的四频段阻抗变压器，其整体拓扑结构是通过级联一个双频段阻抗变压器、一个双频段到三频段变压器、一个传输线段和一个四频段电纳网络实现的。

尽管有许多研究调查了多频段阻抗变压器，包括双频段、三频段和四频段设计，但文献中很少有关于六频段阻抗变压器的设计。随着工作频段数量的增加，变量和方程的数量也随之增加，导致设计复杂性显著提高。据作者所知，只有出版物[26]报道了一种六频段阻抗变压器，该变压器在其端子上使用了两个耦合线和两个传输线的串联组合。然而，其设计包含了多个耦合线部分，这增加了布局复杂性，并要求严格的制造公差。

本文提出了一种新型的六频段阻抗变压器设计方法。所提出的变压器电路完全使用传输线和开放短截线以多T形结构实现，这大大简化了整个电路设计。此外，由于没有使用集总元件，该电路不限于高频应用。理论分析和设计过程是基于ABCD矩阵方法开发的。为了评估电路特性并验证所提出的六频段阻抗变压器的可行性，对三个代表性案例进行了数值检验。分别制造并实验评估了两个用于在50 Ω和100 Ω之间以及50 Ω和75 Ω之间进行阻抗变换的原型。测量结果与仿真结果非常吻合，证实了所提出设计方法的有效性和稳健性。

部分摘录

所提出的六频段阻抗变压器

所提出的六频段阻抗变压器如图1所示。

变压器电路由四个串联传输线段和三个开放短截线组成，所有这些部分的电气长度均为θ。具体来说，在输入端和输出端各放置了两根特性阻抗为Z₁的相同串联线，每根线都连接到一个阻抗为Z₂的并联短截线。在结构中心，插入了一根阻抗为Z₃的串联线，以及一个阻抗为Z₄的并联短截线。

分析与数值仿真

从上述设计方程可以推断出，对于给定的变换比K，Z₁的选择决定了相应的阻抗值Z₂、Z₃和Z₄（根据方程（15）、（16）、（17）。此外，一旦指定了第一个工作频率f₁，其余五个工作频率就作为Z₁的函数确定下来。分析了几个案例，以评估不同变换比K下阻抗变压器的性能，并确定

实验验证

为了证明所提出设计的有效性，设计、制造并测试了两个六频段阻抗变压器原型。原型A能够在50 Ω和100 Ω之间进行阻抗匹配（K = 2），工作频率为0.6、1.67、2.3、4.4、5.1和6.2 GHz。这些频率对应于几种现代无线通信系统，包括GSM（0.6 GHz）、DCS（1.67 GHz）、LTE（2.3 GHz）、WiMAX（4.4 GHz）、WLAN（5.1 GHz）和C波段卫星通信（6.2 GHz）。

结论

本文提出并演示了一种基于多T形传输线配置的简单六频段阻抗变压器。该电路利用了四个串联传输线和三个并联传输线的紧凑布局，具有易于设计和制造的简单拓扑结构，同时在六个不同的频段实现阻抗变换。使用ABCD矩阵方法推导出了分析设计方程，并通过仿真和实验进行了验证。

CRediT作者贡献声明

阮明江：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，软件，方法论，形式分析，概念化。吴文强：软件，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。