Проект трансформатора волны четвертью для приложений соответствия импеданса

В этом примере показано, как спроектировать трансформатор волны Четвертью для приложений соответствия импеданса при помощи pcbComponent, microstripLine, and traceRectangular объект в RF PCB Toolbox.

Трансформатор волны четвертью является простой и полезной схемой для соответствия с действительным импедансом завершающей работу загрузки (ZL) к характеристическому импедансу питающейся линии электропередачи (Z0) как изображено на данном рисунке. Характеристический импеданс трансформатора волны четвертью вычисляется как Z1=(Z0 ZL) [1]. Этот пример должен спроектировать один трансформатор четверти волны раздела, чтобы соответствовать100 Ω загрузите к a 50 Ω линия электропередачи на рабочей частоте 2 GHz. Расчетный характеристический импеданс трансформатора волны четвертью Z1 70.71 Ω.

Проект одного трансформатора четверти волны раздела

Используйте design функция на microstripLine объект создать 50 Ω введите линию электропередачи и70.71 Ω Length трансформатора волны четвертью и Width размерность для рабочей частоты 2 GHz. Подложка по умолчанию для microstripLine Тефлон с толщиной 1.6 mm.

freq = 2e9;
m50 = design(microstripLine,freq,Z0=50,LineLength=0.05); % input transmission line
m70 = design(microstripLine,freq,Z0=70.71,LineLength=0.25); % section 1

Используйте traceRectangular объект создать groundplane, введите линию электропередачи и формы линии электропередачи волны четвертью.

% ground plane dimension
gndL = 2*m50.Length+m70.Length;
gndW = 5*m50.Width;

ground = traceRectangular("Length",gndL,"Width",gndW);
% input transmission line
Z0 = traceRectangular("Length",m50.Length,"Width",m50.Width,...
    "Center",[-gndL/2+m50.Length/2 0]);
% First section Quarter-wave transformer
Z1 = traceRectangular("Length",m70.Length,"Width",m70.Width,"Center",...
    [-gndL/2+m50.Length+m70.Length/2 0]);

qline = Z0 + Z1;

Используйте pcbComponent создать трансформатор волны четвертью и использовать lumpedElement для завершающей работу загрузки 100 Ω и поместите его в конце трансформатора волны четвертью и используйте через соединить загрузку в землю.

pcb =pcbComponent;
pcb.BoardShape = ground;
pcb.BoardThickness = m50.Height;
pcb.Layers = {qline,m50.Substrate,ground};
pcb.FeedDiameter = m50.Width/2;
pcb.FeedLocations = [-gndL/2 0 1 3];
pcb.ViaLocations = [-gndL/2+m50.Length+m70.Length,0,1,3];
pcb.ViaDiameter = m70.Width/2;
% Load
ZL = lumpedElement;
ZL.Impedance = 100;
ZL.Location = [-gndL/2+m50.Length+m70.Length,0,pcb.BoardThickness];
pcb.Load = ZL;
% show the single section quarter-wave transformer
figure;show(pcb)

Используйте sparameters функция, чтобы вычислить параметры S и построить его с помощью rfplot функция.

sparams = sparameters(pcb,linspace(100e6,8e9,51));
figure; rfplot(sparams)

Это наблюдается от S11 значения, из которых импеданс является отлично соответствующим на желаемой частоте 2 GHz где значение величины меньше -22 dB с bandwith 2800 MHz. Соответствие alsol происходит на частотах где Z1имеет длину (2n+1)λ04,n=0,1,2,3...

Проект трансформатора четверти волны мультираздела

В общем случае один трансформатор раздела может быть достаточным для узкополосной подобранности импедансов. Этот трансформатор может быть расширен, чтобы мультиразделить методическим способом, чтобы дать к оптимальным характеристикам соответствия по более широкой полосе пропускания [1]. Следующий пример для проекта три, разделяют Чебышева, совпадающего с трансформатором, чтобы совпадать с a 100 Ω загрузите к a 50 Ω  с уровнем пульсации = 0.05. Характеристические импедансы каждого раздела вычисляются с помощью формул, данных в [1], и значения Z1=57.5Ω, Z2=70.7Ω и Z3= 87Ω. Раздел трех Чебышев, совпадающий с трансформатором, спроектирован при помощи тех же шагов, описанных в проекте одного трансформатора четверти волны раздела.

m50 = design(microstripLine,freq,"Z0",50,"LineLength",0.05); % input transmission line
m57 = design(microstripLine,freq,"Z0",57.5,"LineLength",0.25); % section 1
m70 = design(microstripLine,freq,"Z0",70.7,"LineLength",0.25); % section 2
m87 = design(microstripLine,freq,"Z0",87,"LineLength",0.25); % section 3
% ground plane dimension
gndL = 2*m50.Length+m57.Length+m70.Length+m87.Length;
gndW = 5*m50.Width;

ground = traceRectangular("Length",gndL,"Width",gndW);
% inpt transmission line
Z0 = traceRectangular("Length",m50.Length,"Width",m50.Width,...
    "Center",[-gndL/2+m50.Length/2 0]);
% First section Quarter-wave transformer
Z1 = traceRectangular("Length",m57.Length,"Width",m57.Width,"Center",...
    [-gndL/2+m50.Length+m57.Length/2 0]);
% Second section Quarter-wave transformer
Z2 = traceRectangular("Length",m70.Length,"Width",m70.Width,"Center",...
    [-gndL/2+m50.Length+m57.Length+m70.Length/2 0]);
% Third section Quarter-wave transformer
Z3 = traceRectangular("Length",m87.Length,"Width",m87.Width,"Center",...
    [-gndL/2+m50.Length+m57.Length+m70.Length+m87.Length/2 0]);

qline = Z0+Z1+Z2+Z3;
% create pcbComponent
pcb =pcbComponent;
pcb.BoardShape = ground;
pcb.BoardThickness = m50.Height;
pcb.Layers ={qline,m50.Substrate,ground};
pcb.FeedDiameter = m50.Width/2;
pcb.FeedLocations = [-gndL/2 0 1 3];
pcb.ViaLocations = [-gndL/2+m50.Length+m57.Length+m70.Length+m87.Length,0,1,3];
pcb.ViaDiameter = m87.Width/2;
% Load
ZL = lumpedElement;
ZL.Impedance = 100;
ZL.Location = [-gndL/2+m50.Length+m57.Length+m70.Length+m87.Length,0,pcb.BoardThickness];
pcb.Load = ZL;
% show the three section quarter-wave transformer
figure;show(pcb)

% Analysis
sparams3 = sparameters(pcb,linspace(100e6,8e9,51));
figure; rfplot(sparams3)

Сравнение параметров S

figure; rfplot(sparams,'-.')
hold on
rfplot(sparams3)
legend('dB(S_{11}) for N=1','dB(S_{11}) for N=3','Location','northeast')

От сравнения s-параметры строят для одного раздела и трех трансформаторов четверти волны раздела, спроектированных в 2 GHz, замечено, что полоса пропускания, достигнутая для трех трансформаторов четверти волны раздела, 7750 MHz с улучшенным импедансом, соответствующим characteristics.Therefore, очевидно, что более широкая полоса пропускания достигается для трансформаторов волны четвертью с несколькими разделами.

Ссылки

[1] Дэвид М. Позэр, Микроволновая Разработка, стр 246-261, 4th Выпуск, John Wiley & Sons, 2012.