微波技術(shù)基礎(chǔ)阻抗匹配第18次課

1、 微波技術(shù)基礎(chǔ)微波技術(shù)基礎(chǔ)徐銳敏 教授電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 地點：清水河校區(qū)科研樓地點：清水河校區(qū)科研樓C309 電話：電話：61830173 電郵：電郵：5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配5.11.1 5.11.1 阻抗匹配的思想阻抗匹配的思想阻抗匹配的重要性：阻抗匹配的重要性：使微波傳輸系統(tǒng)能將波源的功率使微波傳輸系統(tǒng)能將波源的功率有效地有效地傳給負載；傳給負載；關(guān)系到系統(tǒng)的傳輸效率、功率容量與工作穩(wěn)定性；關(guān)系到系統(tǒng)的傳輸效率、功率容量與工作穩(wěn)定性；關(guān)系到微波元器件的性能以及微波測量的系統(tǒng)誤差和關(guān)系到微波元器件的性能以及微波測量的系統(tǒng)誤差和 測量精度。測量精度。阻抗匹配的分類：阻抗匹

2、配的分類：無反射匹配；無反射匹配；共軛匹配。共軛匹配。 EgZgZllZ0 g5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l無反射匹配無反射匹配負載匹配負載匹配負載與傳輸線之間的匹配；負載與傳輸線之間的匹配； 匹配條件：匹配條件： 匹配后傳輸線狀態(tài)：負載經(jīng)匹配后不產(chǎn)生波的反射，匹配后傳輸線狀態(tài)：負載經(jīng)匹配后不產(chǎn)生波的反射， 傳輸線上呈行波狀態(tài)。傳輸線上呈行波狀態(tài)。波源匹配波源匹配波源與傳輸線之間的匹配；波源與傳輸線之間的匹配； 匹配條件：匹配條件： 匹配后傳輸線狀態(tài)：波源經(jīng)匹配后對傳輸線不產(chǎn)生波匹配后傳輸線狀態(tài)：波源經(jīng)匹配后對傳輸線不產(chǎn)生波 的反射。的反射。 實際情況：負載不匹配而產(chǎn)生反射波，但波源匹

3、配將實際情況：負載不匹配而產(chǎn)生反射波，但波源匹配將 不產(chǎn)生二次反射。不產(chǎn)生二次反射。 0L 0g 5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l共軛匹配共軛匹配定義：負載吸收最大功率的匹配。定義：負載吸收最大功率的匹配。匹配條件：傳輸線上任一參考面匹配條件：傳輸線上任一參考面T向負載看去的輸入向負載看去的輸入 阻抗與向波源看去的輸入阻抗互為共軛，即阻抗與向波源看去的輸入阻抗互為共軛，即 如圖：如圖： T處向負載看去：處向負載看去： 向波源看去：向波源看去：TT右左000LinininLLLLj tgRjXZRjXj tg ggRjX g5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配根據(jù)電路理論，圖中根據(jù)電路理論

4、，圖中 吸收最大功率的條件為吸收最大功率的條件為:即：即：兩者的電阻應(yīng)相等，電抗的數(shù)值相等，而性質(zhì)相反。兩者的電阻應(yīng)相等，電抗的數(shù)值相等，而性質(zhì)相反。 LLg LgLgRRXX 思考題：思考題：如果某一參考面滿足共軛匹配，則線上處處滿足如果某一參考面滿足共軛匹配，則線上處處滿足共軛匹配。共軛匹配。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l匹配下的負載吸收功率情況匹配下的負載吸收功率情況負載吸收功率可表示為：負載吸收功率可表示為：無反射匹配情況無反射匹配情況可見負載吸收的功率為源輸出功率的一半，而另一半消可見負載吸收的功率為源輸出功率的一半，而另一半消耗在內(nèi)阻耗在內(nèi)阻 上。上。 22211Re22(

5、)()LLLLgLgLgRPV IERRXX0gLZZZ22211Re28gLmLLgggRPV IERXgR5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配共軛匹配情況共軛匹配情況 可見可見 （等號僅在傳輸線無耗，（等號僅在傳輸線無耗， 和和 為實數(shù)為實數(shù)) )，即，即 成立成立 注意：注意：共軛匹配時，線上可能共軛匹配時，線上可能存在存在反射波，反射反射波，反射系數(shù)不為零，但經(jīng)多次反射后，負載所得到的功系數(shù)不為零，但經(jīng)多次反射后，負載所得到的功率比無反射匹配負載時還要大。率比無反射匹配負載時還要大。,LgXXLgRR 218LcmggPERLcmLmPPgZLZ0gLXX5.11 5.11 阻抗匹配阻

6、抗匹配l負載匹配的其他優(yōu)點負載匹配的其他優(yōu)點傳輸線的功率容量最大傳輸線的功率容量最大, ,失配時傳輸大功率易導(dǎo)致?lián)舸?；失配時傳輸大功率易導(dǎo)致?lián)舸?；傳輸線的效率最高，饋線中的功率損耗最?。粋鬏斁€的效率最高，饋線中的功率損耗最小；微波源工作較穩(wěn)定。微波源工作較穩(wěn)定。 輸入阻抗等于傳輸線特性阻抗，稍有改變時，輸入輸入阻抗等于傳輸線特性阻抗，稍有改變時，輸入 阻抗不變阻抗不變 ，微波源的頻率和輸出功率不會被牽引。，微波源的頻率和輸出功率不會被牽引。 實際工程上的匹配是指在某一給定頻率范圍內(nèi)，反實際工程上的匹配是指在某一給定頻率范圍內(nèi)，反 射系數(shù)或駐波系數(shù)小于規(guī)定值。射系數(shù)或駐波系數(shù)小于規(guī)定值。 5.1

7、1 5.11 阻抗匹配阻抗匹配5.11.2 5.11.2 阻抗匹配的方法阻抗匹配的方法當信號源和負載與傳輸線不匹配時，可以在它們之間插當信號源和負載與傳輸線不匹配時，可以在它們之間插入阻抗變換元件或二端口網(wǎng)絡(luò)，使包括此元件或網(wǎng)絡(luò)在入阻抗變換元件或二端口網(wǎng)絡(luò)，使包括此元件或網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的新負載與傳輸線匹配。如圖所示：內(nèi)的新負載與傳輸線匹配。如圖所示：匹配網(wǎng)絡(luò)的要求：匹配網(wǎng)絡(luò)的要求：簡單、易行、可靠；附加損耗小；頻帶寬；簡單、易行、可靠；附加損耗??；頻帶寬；可調(diào)節(jié)以匹配可變的負載阻抗（僅用于測量系統(tǒng)）?？烧{(diào)節(jié)以匹配可變的負載阻抗（僅用于測量系統(tǒng)）。 以毒攻毒以毒攻毒5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配

8、l常用的匹配方法常用的匹配方法 阻抗變換器阻抗變換器 置于特性阻抗不同的均勻傳輸線之間或傳輸系統(tǒng)與負載置于特性阻抗不同的均勻傳輸線之間或傳輸系統(tǒng)與負載之間起阻抗匹配作用。如圖所示：之間起阻抗匹配作用。如圖所示： 4g5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配對于該圖所示的結(jié)構(gòu)，容易推導(dǎo)要使對于該圖所示的結(jié)構(gòu)，容易推導(dǎo)要使T處處由于無耗傳輸線的特性阻抗是實數(shù)，因此，由于無耗傳輸線的特性阻抗是實數(shù)，因此， 阻抗變阻抗變換器原則上只用于匹配純電阻負載，即換器原則上只用于匹配純電阻負載，即 ，所以，所以 0in 00L 4/gLLR00LR5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配對于上圖所示的情況，要實現(xiàn)阻抗匹

9、配，則對于上圖所示的情況，要實現(xiàn)阻抗匹配，則若負載值為復(fù)數(shù)，仍可使用若負載值為復(fù)數(shù)，仍可使用 阻抗變換器，只需將接阻抗變換器，只需將接入點選在電壓波節(jié)或電壓波腹處。入點選在電壓波節(jié)或電壓波腹處。通常選在電壓波節(jié)處接入為宜，可使變換器的特性阻抗通常選在電壓波節(jié)處接入為宜，可使變換器的特性阻抗小于主傳輸線的特性阻抗。小于主傳輸線的特性阻抗。 00102 4/g5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配 阻抗匹配器屬于點頻匹配，即使考慮一定的反射容阻抗匹配器屬于點頻匹配，即使考慮一定的反射容限，相對帶寬也較窄。限，相對帶寬也較窄。多節(jié)多節(jié) 阻抗變換器，可獲得更寬的工作頻帶，下圖的阻抗變換器，可獲得更寬的工

10、作頻帶，下圖的兩節(jié)兩節(jié) 阻抗變換器由兩節(jié)不同特性阻抗的傳輸線段級阻抗變換器由兩節(jié)不同特性阻抗的傳輸線段級聯(lián)而成。聯(lián)而成。 4/g4/g4/g5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配在最佳頻響特性下，兩節(jié)變換器的特性阻抗分別為在最佳頻響特性下，兩節(jié)變換器的特性阻抗分別為:其中：其中：稱為變換比。稱為變換比。3440100LRR340201/LLRRR 0LRRZ5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配 單支節(jié)匹配器單支節(jié)匹配器單支節(jié)匹配器是在距離負載單支節(jié)匹配器是在距離負載d d處并聯(lián)或串聯(lián)長度為處并聯(lián)或串聯(lián)長度為L L的終端的終端短路或開路的短截線構(gòu)成。調(diào)節(jié)短路或開路的短截線構(gòu)成。調(diào)節(jié)d d和和L L

11、就可以實現(xiàn)阻抗調(diào)配，就可以實現(xiàn)阻抗調(diào)配，從而達到阻抗匹配目的。結(jié)構(gòu)如圖所示：從而達到阻抗匹配目的。結(jié)構(gòu)如圖所示： 并聯(lián)支節(jié)并聯(lián)支節(jié) 串聯(lián)支節(jié)串聯(lián)支節(jié)5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配基本思路：基本思路：通過長度為通過長度為d的傳輸線，將負載為的傳輸線，將負載為Zl變化為變化為輸入阻抗輸入阻抗ZinZ0jX；選取長度為選取長度為l，終端開路或短路的并聯(lián)或串聯(lián)，終端開路或短路的并聯(lián)或串聯(lián)分支傳輸線，是其輸入電鈉為分支傳輸線，是其輸入電鈉為 jX；分支節(jié)處的輸入為分支節(jié)處的輸入為Z0，即匹配。，即匹配。方便起見傳輸線的特性阻抗均為方便起見傳輸線的特性阻抗均為Z0，負載阻抗，負載阻抗Zl事先給定，調(diào)

12、配參數(shù)為事先給定，調(diào)配參數(shù)為d和和l5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配并聯(lián)單支節(jié)匹配器并聯(lián)單支節(jié)匹配器設(shè)計并聯(lián)單支節(jié)匹配器的任務(wù)在于確定負載到參考面的設(shè)計并聯(lián)單支節(jié)匹配器的任務(wù)在于確定負載到參考面的距離距離d d和支節(jié)長度和支節(jié)長度L L?？刹捎媒馕龇ɑ驁D解法來計算?？刹捎媒馕龇ɑ驁D解法來計算。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配解析法的思路：解析法的思路：負載阻抗為負載阻抗為 經(jīng)長度為經(jīng)長度為d傳輸線變換傳輸線變換后的輸入阻抗為后的輸入阻抗為lllYGjB0000linlYjY tg dYYYjBYjYtg d令等式兩端的實部和虛部分別相等，可求出令等式兩端的實部和虛部分別相等，可求出d和

13、和B，可得串聯(lián)支節(jié)的輸入電鈉，可得串聯(lián)支節(jié)的輸入電鈉BsB，由此可，由此可求出對應(yīng)的短路或開路支節(jié)的長度求出對應(yīng)的短路或開路支節(jié)的長度l。思考題：串聯(lián)支節(jié)又如何計算？思考題：串聯(lián)支節(jié)又如何計算？5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配解析法解析法(并聯(lián)支節(jié)并聯(lián)支節(jié))該方法較為復(fù)雜，可根據(jù)負載的具體情況，分兩類討論：該方法較為復(fù)雜，可根據(jù)負載的具體情況，分兩類討論：第一種情況：第一種情況： 為純阻負載，即為純阻負載，即支節(jié)接入位置：支節(jié)接入位置：支節(jié)長度：支節(jié)長度： LYLLYG11cos41gLLGdG121gLLGltgG5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配第二種情況：第二種情況： 為復(fù)數(shù)為復(fù)數(shù)

14、思路：先計算出波節(jié)的位置思路：先計算出波節(jié)的位置 ，接入點處的輸入導(dǎo)納，接入點處的輸入導(dǎo)納值便為實數(shù)。最后可算出：值便為實數(shù)。最后可算出：LLLYGj minl1min0min1cos41gSddS121gSltgS5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配圖解法圖解法求解較為簡單，可分為兩個步驟。求解較為簡單，可分為兩個步驟。1. 找出負載歸一化導(dǎo)納值在導(dǎo)納圓圖中的對應(yīng)點找出負載歸一化導(dǎo)納值在導(dǎo)納圓圖中的對應(yīng)點M 作等反射系數(shù)圓交作等反射系數(shù)圓交 的匹配圓與的匹配圓與A、B 讀出點讀出點M順時轉(zhuǎn)至順時轉(zhuǎn)至A、B的長度的長度 、 讀出讀出A、B處得導(dǎo)納值處得導(dǎo)納值 、1G 1d2d1jb1jb5.1

15、1 5.11 阻抗匹配阻抗匹配2.2.在在 處并聯(lián)一個短路支節(jié)：處并聯(lián)一個短路支節(jié)：由導(dǎo)納圓圖中的短路點由導(dǎo)納圓圖中的短路點C C順時轉(zhuǎn)至順時轉(zhuǎn)至 點點D CD C、D D間間的距離即為支節(jié)歸一化電長度。的距離即為支節(jié)歸一化電長度。在在 處并聯(lián)一個短路支節(jié)：處并聯(lián)一個短路支節(jié)：由導(dǎo)納圓圖中的短路點由導(dǎo)納圓圖中的短路點C C順時轉(zhuǎn)至順時轉(zhuǎn)至 點點 C C點與該點點與該點的距離即為支節(jié)歸一化電長度。的距離即為支節(jié)歸一化電長度。jb1d2djb5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配注意：可能出現(xiàn)兩組注意：可能出現(xiàn)兩組解解d1和和l1，d2和和l2，取短者。取短者。 串聯(lián)單支節(jié)匹配器串聯(lián)單支節(jié)匹配器用圖

16、解法計算：串聯(lián)單支節(jié)與計算并聯(lián)單支節(jié)完全類似，用圖解法計算：串聯(lián)單支節(jié)與計算并聯(lián)單支節(jié)完全類似，但這時應(yīng)在阻抗圓圖上進行。但這時應(yīng)在阻抗圓圖上進行。 用解析法計算：采用并聯(lián)支節(jié)相似的分析（此時用阻抗用解析法計算：采用并聯(lián)支節(jié)相似的分析（此時用阻抗而不用導(dǎo)納），可得串聯(lián)支節(jié)接入位置而不用導(dǎo)納），可得串聯(lián)支節(jié)接入位置串聯(lián)支節(jié)長度為串聯(lián)支節(jié)長度為1min1cos41gSdlS112gSltgS5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l雙支節(jié)匹配器與三支節(jié)匹配器雙支節(jié)匹配器與三支節(jié)匹配器優(yōu)點：優(yōu)點：匹配不同負載時，只需調(diào)節(jié)支節(jié)長度匹配不同負載時，只需調(diào)節(jié)支節(jié)長度L L，無需調(diào)節(jié)，無需調(diào)節(jié)d;d;三支節(jié)匹配

17、器客服了雙支節(jié)匹配區(qū)存在三支節(jié)匹配器客服了雙支節(jié)匹配區(qū)存在“匹配禁區(qū)匹配禁區(qū)”的的 缺點。缺點。 5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配Yl特點：特點：固定固定d，調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)l1和和l2，常用，常用于測量和調(diào)配系統(tǒng)。于測量和調(diào)配系統(tǒng)。通常通常3,8482dd,解析法：解析法：T1處看向負載的輸入導(dǎo)納處看向負載的輸入導(dǎo)納T1處的總導(dǎo)納處的總導(dǎo)納 Y1=Gl+j(Bl+B1)經(jīng)長度經(jīng)長度d變換后變換后1llllYGjBZ第一支節(jié)的輸入導(dǎo)納第一支節(jié)的輸入導(dǎo)納102001(),()llllGj BBY tYYttg dYj GjBjB t為了匹配為了匹配 ，Re Y2 Y0，得，得22010022222

18、010220101 41121lllllYbtBttGGYYtttYBtBttGYtYt解得解得實數(shù)實數(shù)Gl0，有，有2201220200224011102sinlltYBtBtYtYtGYtd意味著意味著注意：給定注意：給定d匹配得匹配得Gl值范圍值范圍雙支節(jié)調(diào)配器不能對雙支節(jié)調(diào)配器不能對所有得負載阻抗都能匹配。所有得負載阻抗都能匹配。22 200122 2000211lllllllYtGYG tBBtGYYY GtG tBGt 001212scoclYarctgBlBarctgY第一支節(jié)輸入電鈉第一支節(jié)輸入電鈉第二支節(jié)輸入電鈉第二支節(jié)輸入電鈉對應(yīng)長度：對應(yīng)長度：短路支節(jié)短路支節(jié)開路支節(jié)開路

19、支節(jié)園圖解：園圖解：1）由）由Yl得得B點；點；2）將）將1jB園反時園反時針方向旋轉(zhuǎn)針方向旋轉(zhuǎn)d，作，作出輔助園；出輔助園；3）找出）找出Gl園與輔園與輔助園的交點助園的交點C（和（和C），），C代表代表11lYGjB4）過）過C點作等點作等園，沿順時針園，沿順時針方向與方向與1 1jBjB園交于園交于D D（和（和D)D)D點代表5）由B1，B1求得并由B1確定 l16）由 確定 l2221YjB 11BBB22BB 注意：雙支節(jié)匹配存在匹配禁區(qū)。（匹配禁區(qū)內(nèi)注意：雙支節(jié)匹配存在匹配禁區(qū)。（匹配禁區(qū)內(nèi)的的Yl點由點由G園與輔助園難有交點）園與輔助園難有交點）l 線與線與 支節(jié)聯(lián)合匹配器支節(jié)聯(lián)合匹配器工作原理：當工作頻率為中心頻率時，支節(jié)不起作用，工作原理：當工作頻率為中心頻率時，支節(jié)不起作用，匹配器等效為阻抗變換器。當頻率偏離中心頻率時，阻匹配器等效為阻抗變換器。當頻率偏離中心頻率時，阻抗變換器引起的反射由支節(jié)產(chǎn)生的反射來抵消，從而使抗變換器引起的反射由支節(jié)產(chǎn)生的反射來抵消，從而使頻帶增寬。頻帶增寬。4/g4/g5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l漸變傳輸線匹配器漸變傳輸線匹配器當當 阻抗匹配器阻抗匹配器節(jié)數(shù)增加時，兩節(jié)之間阻抗變換就較節(jié)數(shù)增加時，兩節(jié)之間阻抗變換就較小；當節(jié)數(shù)無限多的極限情況下，就變成了連續(xù)的漸變?。划敼?jié)數(shù)無限