一种具有最优化功率传输效率的有耗三元匹配网络设计方法技术

本发明专利技术公开了一种具有最优化功率传输效率的有耗三元匹配网络设计方法。包括下列步骤。步骤一、在相应三元网络中确定节点，所述节点包括位于网络输入端口的输入节点和位于相邻元件之间的节点1和节点2，根据广义的基于品质的方程，得到相应三元网络的功率传输效率的计算式；步骤二、经过阻抗分析将功率传输效率的计算式转化为一个关于节点2的阻抗实部和品质因数的非线性方程；步骤三、经过阻抗分析得到约束条件；步骤四、基于约束条件求解非线性方程，计算出最优的节点2的阻抗实部和品质因数，进而根据阻抗分析计算出相应三元∏型和T型匹配网络的元件值。本发明专利技术能在两个复阻抗之间实现阻抗匹配，并在元件非理想的情况下实现最大功率传输效率。最大功率传输效率。最大功率传输效率。

【技术实现步骤摘要】
一种具有最优化功率传输效率的有耗三元匹配网络设计方法


[0001]本专利技术属于射频和微波
，具体涉及一种具有最优化功率传输效率的有耗三元匹配网络设计方法。

技术介绍

[0002]在射频和微波系统中，阻抗匹配是避免功率损耗的一种重要的方法。阻抗匹配网络通常由集总无源元件(电容和电感元件)组成，以便在源与负载之间实现最大功率传输。通常情况下，匹配网络可以由任意数目的无源元件组成，但多个元件会增加匹配网络的复杂度。此外，匹配网络中元件数目的增加会增加系统的成本和尺寸。因此，具有较少元件的匹配网络是首选。
[0003]现有技术在设计三元匹配网络时，通常假定无源元件是理想的。然而，实际的无源元件都是有耗元件(存在寄生电阻)。匹配网络中有耗元件的固有插入损耗会降低匹配网络的功率增益。
[0004]功率传输效率是衡量有耗匹配网络的一个重要的性能指标，在进行匹配网络设计时需要使得功率传输效率达到最优。如论文：Optimize the Efficiency of Lossy Matching Network：A Top
‑
Down Splitting Algorithm Based on GeneralizedQuality
‑
Based Equation中，作者推导了一种广义的基于品质的方程(Generalized Quality
‑
Based Equation)来准确地计算有耗匹配网络的功率传输效率，并提出一种自项向下的分裂算法来计算组成匹配网络的L型网络的最佳级数(stage)，以实现最大功率传输效率。
[0005]三元网络通常包括两种典型的网络结构，例如∏型网络和T型网络。与L网络相比，∏和T网络由三个可变元件组成，在史密斯图中可以在更大的范围内实现阻抗匹配。但是在元件非理想(存在寄生电阻)的情况下，如何实现有耗三元网络功率传输效率的最优化设计仍是现有技术未解决的问题。此外，待匹配的阻抗通常是一个复阻抗。一些先前的文献研究了有耗三元网络的设计方法，但由于功率传输效率方程中没有考虑阻抗的虚部，因此这些现有技术不得不采用基于谐振和吸收的方法将复的源阻抗和负载阻抗转换为实阻抗(纯电阻)。因此，在元件非理想的情况下，有必要提出一种具有最优化功率传输效率且能够实现复阻抗匹配的三元网络设计方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种具有最优化功率传输效率的有耗三元匹配网络设计方法，用于解决现有技术中在元件非理想的情况下无法实现复阻抗匹配，从而在进行匹配网络设计时难以达到功率传输效率最优的技术问题。
[0007]所述的一种具有最优化功率传输效率的有耗三元匹配网络设计方法，包括下列步骤。
[0008]步骤一、在相应三元网络中确定节点，所述节点包括位于网络输入端口的输入节点和位于相邻元件之间的节点1和节点2，根据广义的基于品质的方程，得到相应三元网络
的功率传输效率的计算式；
[0009]步骤二、经过阻抗分析得到节点1和节点2这两个节点品质因数之间的关系，将功率传输效率的计算式转化为一个关于节点2的阻抗实部R2和品质因数Q2的非线性方程；
[0010]步骤三、经过阻抗分析得到与节点2的阻抗实部R2和品质因数Q2相关的非线性等式约束条件，以及功率传输效率在0到1之间的非线性不等式约束条件；
[0011]步骤四、基于约束条件求解非线性方程，计算出最优的节点2的阻抗实部R2和品质因数Q2，进而根据阻抗分析计算出相应三元∏型和T型匹配网络的元件值，元件值的计算式为：其中，C1、C2表示两个电容，L0表示电感，ω表示角频率，分别表示电容C1、C2的电抗，分别表示电容C1、C2的寄生电阻，表示电感L0的寄生电阻，Q
cap
表示电容元件的品质因数，Q
ind
表示电感元件的品质因数。
[0012]优选的，所述步骤一中，输入节点、节点1和节点2这三个节点的输入阻抗分别表示为Z
in
＝R
in
(1+jQ
in
)，Z1＝R1(1+jQ1)以及Z2＝R2(1+jQ2)，其中Q
in
、Q1以及Q2为对应节点的品质因数；
[0013]根据广义的基于品质的方程，电容
‑
电感
‑
电容结构的有耗三元匹配网络的功率传输效率表示为：
[0014][0015]其中，η
network
表示从有耗匹配网络到负载的功率传输效率，R1、R2和R
in
对应表示节点1、节点2和输入节点三者的输入阻抗的实部，Q
ind
和Q
cap
分别表示电感元件的品质因数和电容元件的品质因数，Q
L
表示负载阻抗的品质因数。
[0016]优选的，所述有耗三元匹配网络为有耗T型网络，所述有耗T型网络为串联电容
‑
并联电感
‑
串联电容结构，从有耗T型网络到负载的功率传输效率表示为根据节点1的输入阻抗Z1、电容C1的阻抗和负载阻抗Z
L
之间的阻抗分析可知，因此可以得到：
[0017][0018]其中，R
L
为负载阻抗的实部，将上式两端的实部和虚部相分离得到：
[0019][0020]由于电感L0与Z1是并联连接的，根据节点2的输入阻抗Z2、电感L0的阻抗和节点1的输入阻抗Z1之间的阻抗分析可知，因此可以得到：
[0021][0022]结合Z2的计算式和R1的计算式得到节点1的品质因数Q1的计算式：
[0023][0024]将Q1的计算式带入
‑
η
T_network
的计算式中，得到
‑
η
T_network
的表达式，其是一个关于R2和Q2的非线性方程。
[0025]优选的，所述步骤三中，根据输入节点的输入阻抗Z
in
、电容C2的阻抗和节点2的输入阻抗Z2之间的阻抗分析，得到一个非线性等式约束条件：
[0026][0027]此外，0＜η
T_network
＜1是一个非线性不等式约束条件。
[0028]优选的，所述步骤四中，基于约束条件求解非线性方程，计算出最优的节点2的阻抗实部R2和品质因数Q2之后，由于电容C1与Z
L
是串联连接的，根据Z1、和Z
L
之间的阻抗分析，得到：
[0029][0030]通过Z2、和Z1之间的阻抗分析，得到：
[0031][0032]由于电容C2与Z2是串联连接的，根据Z
in
、和Z2之间的阻抗分析，得到：
[0033][0034]其中，表示电容C2的阻抗，根据上述阻抗分析，具有最大功率传输效率的有耗T型匹配网络各元件的值由所述元件值的计算式得到。
[0035]优选的，所述有耗三元匹配网络为有耗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有最优化功率传输效率的有耗三元匹配网络设计方法，其特征在于：包括下列步骤。步骤一、在相应三元网络中确定节点，所述节点包括位于网络输入端口的输入节点和位于相邻元件之间的节点1和节点2，根据广义的基于品质的方程，得到相应三元网络的功率传输效率的计算式；步骤二、经过阻抗分析得到节点1和节点2这两个节点品质因数之间的关系，将功率传输效率的计算式转化为一个关于节点2的阻抗实部R2和品质因数Q2的非线性方程；步骤三、经过阻抗分析得到与节点2的阻抗实部R2和品质因数Q2相关的非线性等式约束条件，以及功率传输效率在0到1之间的非线性不等式约束条件；步骤四、基于约束条件求解非线性方程，计算出最优的节点2的阻抗实部R2和品质因数Q2，进而根据阻抗分析计算出相应三元∏型和T型匹配网络的元件值，元件值的计算式为：其中，C1、C2表示两个电容，L0表示电感，ω表示角频率，分别表示电容C1、C2的电抗，分别表示电容C1、C2的寄生电阻，表示电感L0的寄生电阻，Q
cap
表示电容元件的品质因数，Q
ind
表示电感元件的品质因数。2.根据权利要求1所述的一种具有最优化功率传输效率的有耗三元匹配网络设计方法，其特征在于：所述步骤一中，输入节点、节点1和节点2这三个节点的输入阻抗分别表示为Z
in
＝R
in
(1+jQ
in
)，Z1＝R1(1+jQ1)以及Z2＝R2(1+jQ2)，其中Q
in
、Q1以及Q2为对应节点的品质因数；根据广义的基于品质的方程，电容
‑
电感
‑
电容结构的有耗三元匹配网络的功率传输效率表示为：其中，η
network
表示从有耗匹配网络到负载的功率传输效率，R1、R2和R
in
对应表示节点1、节点2和输入节点三者的输入阻抗的实部，Q
ind
和Q
cap
分别表示电感元件的品质因数和电容元件的品质因数，Q
L
表示负载阻抗的品质因数。3.根据权利要求2所述的一种具有最优化功率传输效率的有耗三元匹配网络设计方法，其特征在于：所述有耗三元匹配网络为有耗T型网络，所述有耗T型网络为串联电容
‑
并联电感
‑
串联电容结构，从有耗T型网络到负载的功率传输效率表示为根据节点1的输入阻抗Z1、电容C1的阻抗和负载阻抗ZL之间的阻抗分析可知因此可以得到：其中，R
L
为负载阻抗的实部，将上式两端的实部和虚部相分离得到：
由于电感L0与Z1是并联连接的，根据节点2的输入阻抗Z2、电感L0的阻抗和节点1的输入阻抗Z1之间的阻抗分析可知因此可以得到：结合Z2的计算式和R1的计算式得到节点1的品质因数Q1的计算式：将Q1的计算式带入
‑
η
T_network
的计算式中，得到
‑
η
T_network
的表达式，其是一个关于R2和Q2的非线性方程。4.根据权利要求3所述的一种具有最优化功率传输效率的有耗三元匹配网络设计方法，其特征在于：所述步骤三中，根据输入节点的输入阻抗Z
in
、电容C2的阻抗和节点2的输入阻抗Z2之间的阻抗分析，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炳庭，周海军，周昌海，
申请(专利权)人：滁州学院，
类型：发明
国别省市：