第6章 匹配網(wǎng)絡

1、射頻電路理論與設計射頻電路理論與設計（第（第2版）版）在射頻電路的設計中，阻抗匹配是最在射頻電路的設計中，阻抗匹配是最重要的概念之一，是電路和系統(tǒng)設計時必重要的概念之一，是電路和系統(tǒng)設計時必須考慮的重要問題。在匹配網(wǎng)絡的設計中，須考慮的重要問題。在匹配網(wǎng)絡的設計中，解析方法很繁雜，本章只討論用史密斯圓解析方法很繁雜，本章只討論用史密斯圓圖的設計方法。本章首先討論匹配網(wǎng)絡的圖的設計方法。本章首先討論匹配網(wǎng)絡的目的及選擇準則，然后討論匹配網(wǎng)絡的設目的及選擇準則，然后討論匹配網(wǎng)絡的設計。計。 匹配網(wǎng)絡的目的及選擇方法匹配網(wǎng)絡的目的及選擇方法6.1 集總參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡設計集總參數(shù)元件電路的匹配

2、網(wǎng)絡設計6.2 分布參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡設計分布參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡設計6.3 混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡設計混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡設計6.41. 匹配網(wǎng)絡的目的匹配網(wǎng)絡的目的 匹配包括兩個方面，一個是傳輸線與匹配包括兩個方面，一個是傳輸線與負載之間的匹配；一個是信源與負載之間負載之間的匹配；一個是信源與負載之間的共軛匹配。傳輸線與負載之間的匹配，的共軛匹配。傳輸線與負載之間的匹配，是使傳輸線無反射、線上載行波或盡量接是使傳輸線無反射、線上載行波或盡量接近行波的一種技術措施。近行波的一種技術措施。信源與負載之間的共軛匹配，是使傳信源與負載之間的共軛匹配，是使傳輸線的輸入阻抗與信源的內阻

3、互為共軛復輸線的輸入阻抗與信源的內阻互為共軛復數(shù)，此時信源的功率輸出為最大。數(shù)，此時信源的功率輸出為最大。 匹配關系到系統(tǒng)的傳輸效率、功率容匹配關系到系統(tǒng)的傳輸效率、功率容量和工作穩(wěn)定性，其重要性主要表現(xiàn)在量和工作穩(wěn)定性，其重要性主要表現(xiàn)在3個個方面。方面。 （1）從信源到負載實現(xiàn)最大功率傳）從信源到負載實現(xiàn)最大功率傳輸。輸。 （2）減小線路反射，目的是減小噪）減小線路反射，目的是減小噪聲干擾，提高信噪比。聲干擾，提高信噪比。 （3）傳輸相同功率時線上電壓駐波）傳輸相同功率時線上電壓駐波系數(shù)最小，功率承受能力最大。系數(shù)最小，功率承受能力最大。 2. 匹配網(wǎng)絡的選擇準則匹配網(wǎng)絡的選擇準則 只要負

4、載阻抗不是一個純虛數(shù)，都可只要負載阻抗不是一個純虛數(shù)，都可以選擇一個無耗網(wǎng)絡進行匹配。在選擇匹以選擇一個無耗網(wǎng)絡進行匹配。在選擇匹配網(wǎng)絡時，考慮的主要因有下面配網(wǎng)絡時，考慮的主要因有下面4個。個。 （1）簡單性。希望選擇滿足性能指）簡單性。希望選擇滿足性能指標的最簡單設計。較簡單的匹配結構標的最簡單設計。較簡單的匹配結構價格便宜、可靠、損耗小。價格便宜、可靠、損耗小。 （2）帶寬。任何一個網(wǎng)絡都只能在）帶寬。任何一個網(wǎng)絡都只能在單一頻率上實現(xiàn)匹配，欲展寬帶寬，單一頻率上實現(xiàn)匹配，欲展寬帶寬，電路設計要在簡單性、帶寬以及造價電路設計要在簡單性、帶寬以及造價之間有所權衡。之間有所權衡。 （3）可實

5、現(xiàn)性?？蓪崿F(xiàn)性既要考慮）可實現(xiàn)性?？蓪崿F(xiàn)性既要考慮生產(chǎn)工藝的可實現(xiàn)性，又要考慮尺寸生產(chǎn)工藝的可實現(xiàn)性，又要考慮尺寸要求的可實現(xiàn)性。要求的可實現(xiàn)性。 （4）可調整性。變化的負載需要可）可調整性。變化的負載需要可調整的匹配網(wǎng)絡。調整的匹配網(wǎng)絡。 6.2.1 傳輸線與負載間傳輸線與負載間L形匹配形匹配網(wǎng)絡網(wǎng)絡負載與傳輸線阻抗匹配，就是使傳輸負載與傳輸線阻抗匹配，就是使傳輸線工作在行波狀態(tài)。線工作在行波狀態(tài)。在負載與傳輸線中間加一個匹配網(wǎng)絡，在負載與傳輸線中間加一個匹配網(wǎng)絡，使其輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，稱使其輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，稱為負載與傳輸線阻抗匹配。為負載與傳輸線阻抗匹配。 L形匹

6、配網(wǎng)絡由形匹配網(wǎng)絡由2個電抗性元件組成，個電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡。負載與傳輸線間也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡。負載與傳輸線間L形匹配網(wǎng)絡共有形匹配網(wǎng)絡共有8種組合，如圖種組合，如圖6.1所示。所示。 圖圖6.1 8種負載與傳輸線間種負載與傳輸線間L形匹配網(wǎng)絡形匹配網(wǎng)絡雙元件負載匹配網(wǎng)絡采用圖雙元件負載匹配網(wǎng)絡采用圖6.1中的哪中的哪種形式，取決于歸一化負載阻抗在史密斯種形式，取決于歸一化負載阻抗在史密斯圓圖上的位置。有圓圖上的位置。有3種可能性，下面分別加種可能性，下面分別加以討論。以討論。 1. 負載位于負載位于1+jb圓圓(歸一化單位電歸一化單位電導圓導圓)內內 圖圖6.2 負載位于

7、歸一化單位電導圓內時負載位于歸一化單位電導圓內時L形匹配的圓圖圖解形匹配的圓圖圖解 圖圖6.3 例例6.1用圖用圖2. 負載位于負載位于1+jx圓圓(歸一化單位電歸一化單位電阻圓阻圓)內內 圖圖6.4 負載位于歸一化單位電阻圓負載位于歸一化單位電阻圓3. 負載位于負載位于1+jx圓和圓和1+jb圓外圓外 圖圖6.5 負載位于歸一化單位電阻和電導圓外時負載位于歸一化單位電阻和電導圓外時L形匹配的圓圖圖解形匹配的圓圖圖解對上述討論的對上述討論的3種情形，可以總結出種情形，可以總結出某些規(guī)律，這些規(guī)律可以簡化和加速匹配某些規(guī)律，這些規(guī)律可以簡化和加速匹配電路的設計過程。電路的設計過程。 規(guī)律規(guī)律1

8、始終同時利用史密斯阻抗和導始終同時利用史密斯阻抗和導納圓圖。納圓圖。 規(guī)律規(guī)律2 在史密斯圓圖上始終從負載開在史密斯圓圖上始終從負載開始沿等電阻圓或等電導圓移動，最終到達始沿等電阻圓或等電導圓移動，最終到達圓圖中心匹配點。圓圖中心匹配點。 規(guī)律規(guī)律3 沿等電阻圓或等電導圓每移動沿等電阻圓或等電導圓每移動一次，就確定一個相關的電抗元件。一次，就確定一個相關的電抗元件。 規(guī)律規(guī)律4 沿等電阻圓移動相當于串聯(lián)電沿等電阻圓移動相當于串聯(lián)電抗元件，沿等電導圓移動相當于并聯(lián)電抗抗元件，沿等電導圓移動相當于并聯(lián)電抗元件。元件。規(guī)律規(guī)律5 沿等電阻圓、等電導圓順時針沿等電阻圓、等電導圓順時針或逆時針方向移動，

9、決定了電抗元件是感或逆時針方向移動，決定了電抗元件是感性或是容性。性或是容性。規(guī)律規(guī)律6 負載在史密斯圓圖上的位置決負載在史密斯圓圖上的位置決定有幾種定有幾種L形匹配網(wǎng)絡。形匹配網(wǎng)絡。 規(guī)律規(guī)律7 任何負載都不能同時有圖任何負載都不能同時有圖6.1中的中的8種種L形匹配方式，因此所有形匹配方式，因此所有L形網(wǎng)絡形網(wǎng)絡都有匹配禁區(qū)。都有匹配禁區(qū)。6.2.2 信源與負載間信源與負載間L形共軛形共軛匹配網(wǎng)絡匹配網(wǎng)絡信源的匹配就是使信源的內阻信源的匹配就是使信源的內阻ZS通過通過匹配網(wǎng)絡變換后與負載互為共軛復數(shù)，此匹配網(wǎng)絡變換后與負載互為共軛復數(shù)，此時信源的功率輸出最大。射頻電路中的這時信源的功率輸出

10、最大。射頻電路中的這種情形比負載與傳輸線阻抗匹配的情形更種情形比負載與傳輸線阻抗匹配的情形更為普遍。為普遍。信源與負載間信源與負載間L形共軛匹配網(wǎng)絡由形共軛匹配網(wǎng)絡由2個個電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡。電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡。與傳輸線與負載間與傳輸線與負載間L形匹配網(wǎng)絡一樣，信形匹配網(wǎng)絡一樣，信源與負載間源與負載間L形共軛匹配網(wǎng)絡同樣共有形共軛匹配網(wǎng)絡同樣共有8種種組合，如圖組合，如圖6.6所示。所示。 圖圖6.6 8種信源與負載間的種信源與負載間的L形共軛匹配網(wǎng)絡形共軛匹配網(wǎng)絡 圖圖6.8 例例6.3用圖用圖6.2.3 L形匹配網(wǎng)絡的品質因形匹配網(wǎng)絡的品質因數(shù)數(shù)傳輸線與

11、負載之間的傳輸線與負載之間的L形匹配網(wǎng)絡，形匹配網(wǎng)絡，只能在中心頻率只能在中心頻率f0保證傳輸線與負載之間保證傳輸線與負載之間匹配，使包含匹配，使包含L形網(wǎng)絡與負載在內的總輸形網(wǎng)絡與負載在內的總輸入阻抗位于史密斯圓圖的中心，傳輸線上入阻抗位于史密斯圓圖的中心，傳輸線上反射系數(shù)為反射系數(shù)為0。當頻率偏離中心頻率時，傳輸線上的當頻率偏離中心頻率時，傳輸線上的反射系數(shù)將大于反射系數(shù)將大于0。所以，上述匹配網(wǎng)絡可。所以，上述匹配網(wǎng)絡可以視為諧振頻率為以視為諧振頻率為f0的諧振電路。的諧振電路。由于由于L形匹配網(wǎng)絡是由串聯(lián)或并聯(lián)的形匹配網(wǎng)絡是由串聯(lián)或并聯(lián)的電感或電容組成的，所以這種網(wǎng)絡有濾波電感或電容組

12、成的，所以這種網(wǎng)絡有濾波性。下面討論性。下面討論L形匹配網(wǎng)絡的品質因數(shù)，形匹配網(wǎng)絡的品質因數(shù)，以得到匹配網(wǎng)絡的帶寬。以得到匹配網(wǎng)絡的帶寬。 圖圖6.9 史密斯圓圖中的等史密斯圓圖中的等Qn線線 圖圖6.10 例例6.4用圖用圖6.2.4 T形和形和形匹配網(wǎng)絡形匹配網(wǎng)絡在在6.1節(jié)討論過，匹配網(wǎng)絡設計的節(jié)討論過，匹配網(wǎng)絡設計的4個個準則是簡單性、帶寬、可實現(xiàn)性和可調整準則是簡單性、帶寬、可實現(xiàn)性和可調整性。性。L形匹配網(wǎng)絡的優(yōu)點是結構簡單，但形匹配網(wǎng)絡的優(yōu)點是結構簡單，但其節(jié)點數(shù)目和節(jié)點在圓圖上的位置是固定其節(jié)點數(shù)目和節(jié)點在圓圖上的位置是固定的，匹配網(wǎng)絡的帶寬無法調整，設計沒有的，匹配網(wǎng)絡的帶寬

13、無法調整，設計沒有靈活性。靈活性。為此，本節(jié)討論為此，本節(jié)討論T形和形和形匹配網(wǎng)絡。形匹配網(wǎng)絡。T形和形和形匹配網(wǎng)絡可以在設計時調整匹配形匹配網(wǎng)絡可以在設計時調整匹配網(wǎng)絡的帶寬，增加了設計的靈活性。網(wǎng)絡的帶寬，增加了設計的靈活性。 圖圖6.11 T形和形和形匹配網(wǎng)絡形匹配網(wǎng)絡 圖圖6.12 例例6.5用圖用圖隨著工作頻率的提高，波長不斷減小，隨著工作頻率的提高，波長不斷減小，當波長與元器件尺寸或電路尺寸相當時，當波長與元器件尺寸或電路尺寸相當時，可以采用分布參數(shù)元件實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡。可以采用分布參數(shù)元件實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡。本節(jié)討論用單支節(jié)、雙支節(jié)及四分之本節(jié)討論用單支節(jié)、雙支節(jié)及四分之一波長阻抗變換器實

14、現(xiàn)匹配網(wǎng)絡的方法，一波長阻抗變換器實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡的方法，這種方法可以適用于微帶線、帶狀線、同這種方法可以適用于微帶線、帶狀線、同軸線及平行雙導線，本節(jié)畫圖時用平行雙軸線及平行雙導線，本節(jié)畫圖時用平行雙導線說明匹配網(wǎng)絡的結構。導線說明匹配網(wǎng)絡的結構。 6.3.1 負載與傳輸線的阻抗匹負載與傳輸線的阻抗匹配配1. 單支節(jié)匹配單支節(jié)匹配 單支節(jié)匹配就是在主傳輸線上并聯(lián)一單支節(jié)匹配就是在主傳輸線上并聯(lián)一個支節(jié)，用支節(jié)的電納抵消其接入處主傳個支節(jié)，用支節(jié)的電納抵消其接入處主傳輸線上的電納，達到匹配。輸線上的電納，達到匹配。 圖圖6.14 單支節(jié)匹配單支節(jié)匹配 圖圖6.15 例例6.7用圖用圖2. 雙支節(jié)匹

15、配雙支節(jié)匹配 單支節(jié)匹配的優(yōu)點是簡單，缺點是需單支節(jié)匹配的優(yōu)點是簡單，缺點是需要調節(jié)支節(jié)的位置要調節(jié)支節(jié)的位置d1，這對于有些電路來，這對于有些電路來說是困難的，解決的辦法是采用雙支節(jié)匹說是困難的，解決的辦法是采用雙支節(jié)匹配。配。 6.16 雙支節(jié)匹配雙支節(jié)匹配雙支節(jié)匹配需要指出如下雙支節(jié)匹配需要指出如下4點。點。 （1）雙支節(jié)匹配中，支節(jié)長度的解）雙支節(jié)匹配中，支節(jié)長度的解有有2組，一般選取支節(jié)長度較短的一組，一般選取支節(jié)長度較短的一組。組。 （2）d2不能取不能取/2，這是因為，這是因為l1的作的作用是調節(jié)用是調節(jié)l2的輸入阻抗，如果的輸入阻抗，如果d2取取/2，則失去阻抗變換作用，達不到

16、，則失去阻抗變換作用，達不到匹配。匹配。（3）當）當d2=/8或或d2=3/8時，若時，若g12，也不能匹配。由此可見，雙支節(jié)匹也不能匹配。由此可見，雙支節(jié)匹配不是對任意負載都能匹配，存在配不是對任意負載都能匹配，存在著不能匹配的死區(qū)。著不能匹配的死區(qū)。（4）雙支節(jié)匹配只能對一個頻率達）雙支節(jié)匹配只能對一個頻率達到理想匹配，當頻率變化時，匹配到理想匹配，當頻率變化時，匹配條件被破壞。條件被破壞。3./4阻抗變換器阻抗變換器 6.3.2 信源與負載的共軛匹配信源與負載的共軛匹配1. 支節(jié)與主傳輸線特性阻抗相同支節(jié)與主傳輸線特性阻抗相同時單支節(jié)匹配時單支節(jié)匹配 2. 支節(jié)與主傳輸線特性阻抗不同支節(jié)與主傳輸線特性阻抗不同時單支節(jié)匹配時單支節(jié)匹配在射頻頻段也常采用集總參數(shù)元件與在射頻頻段也常采用集總參數(shù)元件與分布參數(shù)元件混合使用的方法。分布參數(shù)元件混合使用的方法。混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡通常是混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡通常是由幾段傳輸線以及間隔配置的并聯(lián)電容構由幾段傳輸線以及間隔配置的并聯(lián)電容構成，這種結構由于有集總參數(shù)的電容，結成，這種結構由于有集總參數(shù)的電容，結構比全部采用分布參數(shù)的匹配網(wǎng)絡更緊湊。構比全部采用分布參數(shù)的匹配網(wǎng)絡更緊湊。由于電感比電容有更高的電阻性損