一种变化的非频变网络端口阻抗在频域内的等效匹配方法

1.本发明涉及射频和微波毫米波技术领域，具体涉及一种变化的非频变网络端口阻抗在频域内的等效匹配方法。


背景技术：

2.阻抗匹配方法是射频和微波毫米波电路与系统中极其重要的技术问题之一，这种方法可以减小系统的输入、输出以及各元部件连接处的反射，进而起到提高系统的传输效率、工作稳定性的作用。在早期的电路设计中，大多数情况我们仅考虑电路网络的端口阻抗受频率变化的影响，因此到目前为止，对于匹配随频率变化的阻抗问题的方法是非常成熟的。而随着现代射频和微波毫米波电路系统的迅猛发展，系统对各个部件提出了更复杂的功能和更高的电性能指标，其中有许多电路网络的端口阻抗不仅需要考虑频率变化的影响，而且需要考虑其他一种或多种不同物理量的影响。为了适应现代射频和微波毫米波电路系统的发展，研究如何高效率、高精度地匹配电路网络中随多个物理量变化的端口阻抗的方法受到越来越多人的重视。
3.现有的变化的非频变端口阻抗匹配方法，主要解决的问题是具有非线性负载的网络工作在单频点下，输入功率变化引起端口阻抗变化的匹配，其主要方法为以下几种：
4.第一种是采用t型结并联两个具有变化端口阻抗的整流支路，并且通过调节两个并联支路上的阻抗压缩网络来让端口阻抗随功率变化较为平稳，这种方法降低了待匹配的阻抗变化范围，有利于匹配；但并没有根本性地解决阻抗变化的问题，还限制了匹配网络结构，影响匹配效果(j.xu and d.s.ricketts,“an efficient,watt-level microwave rectifier using an impedance compression network(icn)with applications in outphasing energy recovery systems,”ieee microwave and wireless components letters,vol.23,no.10,pp.542-544,oct.2013)。
5.第二种采用了两个并联支路进行分流，通过两个支路上的电容电感对阻抗进行处理，通过使阻抗虚部相互抵消，阻抗实部变化平稳来实现阻抗压缩。但该方法仍然仅仅是等效减小了端口阻抗的变化范围，没有根本性地解决阻抗变化的问题，还限制了匹配网络结构，影响匹配效果(k.niotaki,a.georgiadis,a.collado and j.s.vardakas,“dual-band resistance compression networks for improved rectifier performance,”ieee transactions on microwave theory and techniques,vol.62,no.12,pp.3512-3521,dec.2014)
6.第三种是工程实际中经常采用的迭代优化法。该方法是选取输入功率变化范围中某一个功率点来激励电路网络，并在该输入功率点对网络端口阻抗进行匹配；同时观察该匹配网络在其它功率点上的匹配效果。选取匹配效果较差的功率点，重新对电路进行匹配。通过重复上述的步骤，不断优化匹配网络，进而在整个输入功率范围内达到匹配。该方法的缺点主要有以下两点：一个是该方法由于需要多次迭代优化，导致整个电路的设计周期变长；另一个是如果在输入功率变化范围内网络端口阻抗变化范围太大，难以确定一个最佳
的匹配网络，使之在整个输入功率变化范围内实现对网络端口阻抗的匹配。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决各类物理量影响下的射频及微波毫米波电路系统网络端口阻抗的匹配问题，提出一种变化的非频变网络端口阻抗在频域内的等效匹配方法。
8.为实现上述目的，本发明所采用的方法包含以下步骤：
9.s1、确定整个网络在哪个单频点下工作；
10.s2、确定影响网络端口阻抗的物理量以及该物理量的变化范围；
11.s3、确定网络端口阻抗与该物理量的对应关系以及对应网络端口阻抗的变化范围；
12.s4、选取一个合适的以网络工作频点为中心的窄带频率变化范围；
13.s5、根据步骤s2的物理量变化范围和步骤s4的频率变化范围，设定该物理量与频率的一一对应关系，将步骤s3中随该物理量变化的网络端口阻抗，等效为随频率变化的端口阻抗，并在频域内进行匹配；
14.所述步骤s2中网络端口阻抗包括网络输入端口阻抗和网络输出端口阻抗。
15.所述步骤s2中影响网络端口阻抗的物理量不包括频率。
16.进一步的是，所述的变化的非频变网络端口阻抗在频域内的等效匹配方法，其中所述的步骤s4中要求所选取的频率变化范围足够小，以至于在该窄带频率范围内的网络s参数与单频点时基本保持不变。
17.本发明的原理是：对于射频及微波毫米波网络而言，网络端口阻抗不仅会随着频率的变化而变化，也会随着其他物理量的改变而改变。网络工作在单频点或不考虑频响的情况下，为了在不同物理量变化条件下都可以非常方便且简单地实现网络端口阻抗匹配，本发明提出一种全新的解决方法；首先得到在某个物理量变化范围内相应网络端口阻抗的变化范围，随后选取一个以网络的工作频点为中心的窄带频率区间，根据之前所确定的该物理量变化范围和所选取的窄带频率区间，设定该物理量与频率的一一对应关系，将随该物理量变化的网络端口阻抗，等效为随频率变化的端口阻抗，并在频域内进行匹配。由于选取的频率区间带宽极窄，频率变化导致的物理量变化忽略不计；同时所选取的窄带频率区间足够小，保证在该频率区间内的网络s参数与单频点时基本保持不变。
18.本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
19.本发明解决了网络工作在单频点或不考虑频响的条件下，如何匹配在多种外界物理量影响下变化的网络端口阻抗。本发明的优势在于将其他外界物理量影响下变化的网络端口阻抗，等效在一个以网络的工作频点为中心的窄带频率区间内进行匹配；将影响阻抗变化的物理量的变化范围和选取的频率区间一一对应，同时把随该物理量变化的网络端口阻抗等效为随频率变化的端口阻抗，实现阻抗从非频域到频域的转换，在频域内对端口阻抗进行匹配，避免了诸如用阻抗压缩方法匹配的局限性；同时由于选取的频率区间足够小，频率变化导致的阻抗变化以及其他频变物理量的变化忽略不计，保证了该方法的准确性；该发明将网络端口的非频域阻抗匹配转化为我们传统的频域阻抗匹配，使多物理量影响下的网络端口阻抗匹配设计变得十分简单，进而提高了微波毫米波电路的设计效率。
附图说明
20.图1是本发明所述的一种变化的非频变网络端口阻抗在频域内的等效匹配方法；
21.图2是本发明实施例一所述的变化的非频变网络端口阻抗在频域内的等效匹配方法步骤图；
22.图中标记说明：步骤一s1、步骤二s2、步骤三s3、步骤四s4、步骤五s5。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、解决的问题以及方法更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
24.实施例一：
25.图2为本发明的一个具体实施例的方法步骤图，所述的步骤s1确定整个网络的工作频率为5ghz；所述的步骤s2确定了影响网络端口阻抗的物理量是输入功率及其变化范围是-20dbm～0dbm；所述的步骤s3确定网络端口阻抗与输入功率的对应关系以及对应的网络端口阻抗变化范围；所述的步骤s4选取一个合适的以5ghz为中心频率的频率变化范围，该范围是4.999ghz～5.001ghz；所述的步骤s5根据步骤s2的物理量变化范围和步骤s4的频率变化范围，设定输入功率与频率的一一对应关系为线性关系，将步骤s3中随输入功率变化的网络端口阻抗，等效为随频率变化的端口阻抗，并在频域内进行匹配。
26.实施例二：
27.本实施例中将步骤s2中影响网络端口阻抗的输入功率物理量变为外界环境温度，其他部分与实施例一完全相同，仍可实现本发明的功能。
28.实施例三：
29.本实施例中将步骤s2中影响网络端口阻抗的输入功率物理量变为外界环境湿度，其他部分与实施例一完全相同，仍可实现本发明的功能。
30.实施例四：
31.本实施例中将步骤s2中影响网络端口阻抗的输入功率物理量变为输入电压幅度，其他部分与实施例一完全相同，仍可实现本发明的功能。
32.实施例五：
33.本实施例中将步骤s2中影响网络端口阻抗的输入功率物理量变为外界环境气压，其他部分与实施例一完全相同，仍可实现本发明的功能。
34.实施例六：
35.本实施例中将步骤s2中影响网络端口阻抗的物理量由一种物理量变化变为同时有多种物理量变化，其他部分与实施例一完全相同，仍可实现本发明的功能。
36.实施例七：
37.本实施例中将步骤s5中的输入功率和频率的线性对应关系变为非线性对应关系，其他部分与实施例一完全相同，仍可实现本发明的功能。
38.实施例八：
39.本实施例中将步骤s1中的工作在单频点变为某一极窄带宽，保证带宽中心频率仍为原单频点频率，且在改变频率范围的过程中，在选取的窄带频率范围内的网络s参数与单频点时基本保持不变，其他部分与实施例一完全相同，仍可实现本发明的功能。
40.从上述八个实施例可以看出，本发明具有以下优点：
41.应用场景广泛，普适性强。本发明所提出的网络端口阻抗的频域等效匹配方法，在多种不同的物理量，如输入功率、温度的变化影响下，只要该网络的频响变化可以忽略，结合传统的频域阻抗匹配方法均可以完成网络端口阻抗匹配。因此该方法在射频及微波毫米波网络的分析和设计中应用场景十分广泛，也大大提高了射频及微波毫米波系统的设计效率。
42.方法简单。本发明所提出的网络端口阻抗的频域等效匹配方法中所包含的步骤较少，同时将一种或者多种物理量影响下的网络端口阻抗匹配难题转化为传统的频域阻抗匹配问题，使射频及微波毫米波网络的匹配设计简化很多，进而为射频及微波毫米波系统的设计节约了成本和时间。
43.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。