阻抗匹配和調(diào)諧課件

第5章阻抗匹配和調(diào)諧教學(xué)重點(diǎn)本章重點(diǎn)介紹了二元件L形、三元件T形集中元件式、傳輸線(xiàn)式、組合集中元件-傳輸線(xiàn)式等基本阻抗匹配電路的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)步驟及技巧。介紹了短截線(xiàn)調(diào)諧電路的分析與設(shè)計(jì)方法和四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器、漸變傳輸線(xiàn)阻抗變換器、寬帶阻抗電路的阻抗變換作用、分析與設(shè)計(jì)方法。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)掌握：L形、T形集中元件式、傳輸線(xiàn)式、組合集中元件-傳輸線(xiàn)式等基本阻抗匹配電路的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)步驟及技巧；四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器的設(shè)計(jì)方法。了解：寬帶阻抗電路的阻抗變換作用、分析與設(shè)計(jì)方法。熟悉：漸變傳輸線(xiàn)阻抗變換器的分析與設(shè)計(jì)方法。要求本章目錄第一節(jié)分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)第二節(jié)微帶線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)第三節(jié)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器第四節(jié)漸變傳輸線(xiàn)阻抗變換器第五節(jié)寬帶阻抗電路的阻抗變換

知識(shí)結(jié)構(gòu)阻抗匹配和調(diào)諧分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)L形匹配網(wǎng)絡(luò)微帶線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器漸變傳輸線(xiàn)阻抗變換器寬帶阻抗電路的阻抗變換匹配禁區(qū)、頻率響應(yīng)及品質(zhì)因數(shù)T形匹配網(wǎng)絡(luò)和形匹配網(wǎng)絡(luò)從分立元件到微帶線(xiàn)單節(jié)短截線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)雙短截線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)指數(shù)漸變?nèi)切螡u變Klopfenstein漸變普通變壓器傳輸線(xiàn)變壓器§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)5.1.1L形匹配網(wǎng)絡(luò)

用兩個(gè)電抗性元件組成的L形匹配網(wǎng)絡(luò)是最簡(jiǎn)單的匹配網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，可以匹配任意負(fù)載阻抗到傳輸線(xiàn)。兩種可能的結(jié)構(gòu)：歸一化負(fù)載阻抗在Smith圓圖圓內(nèi)和歸一化負(fù)載阻抗在Smith圓圖的圓外。兩種方法：Smith圓圖法和解析法。1、Smith圓圖法當(dāng)串聯(lián)一個(gè)電感元件時(shí)，在Smith阻抗圓圖上的阻抗點(diǎn)應(yīng)沿等電阻圓順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)；當(dāng)串聯(lián)一個(gè)電容元件時(shí)，沿等電阻圓的逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)；當(dāng)并聯(lián)一個(gè)電感元件時(shí)，在Smith導(dǎo)納圓圖上阻抗點(diǎn)沿等電導(dǎo)圓逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)；當(dāng)并聯(lián)一個(gè)電容元件時(shí)，沿等電導(dǎo)圓順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)。

§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)最佳功率傳輸?shù)某Ｒ?guī)設(shè)計(jì)程序一般包括以下幾個(gè)步驟：1、求出歸一化源阻抗和負(fù)載阻抗。在Smith圓圖中過(guò)負(fù)載阻抗的相應(yīng)點(diǎn)畫(huà)出等電阻圓或等電導(dǎo)圓。2、在Smith圓圖中過(guò)負(fù)載阻抗的共軛復(fù)數(shù)點(diǎn)畫(huà)出等電阻圓或等電導(dǎo)圓。3、找出第1步和第2步所畫(huà)出圓的交點(diǎn)。交點(diǎn)的個(gè)數(shù)就是可能存在的L形匹配網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目。4、先沿著相應(yīng)的圓將源阻抗點(diǎn)移動(dòng)到上述交點(diǎn)，然后再沿相應(yīng)的圓移動(dòng)到負(fù)載的共軛點(diǎn)，根據(jù)這兩次移動(dòng)過(guò)程就可以求出電感和電容的歸一化值。5、根據(jù)給定的工作頻率確定電感和電容的實(shí)際值。在上述步驟中，并不是一定要必需從源阻抗點(diǎn)向負(fù)載的共軛復(fù)數(shù)點(diǎn)移動(dòng)。事實(shí)上，也可以將負(fù)載阻抗點(diǎn)變換到源阻抗的共軛復(fù)數(shù)點(diǎn)。

§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)例題

已知晶體管在1.5GHz頻率點(diǎn)的輸出阻抗是。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)如圖所示的L形匹配網(wǎng)絡(luò)，使輸入阻抗為的特天線(xiàn)能夠得到最大功率。解：首先計(jì)算歸一化阻抗。假設(shè)，則：。由于與發(fā)射機(jī)連接的第一個(gè)元件是并聯(lián)電容，則并聯(lián)后的總阻抗應(yīng)與落在阻抗-導(dǎo)納復(fù)合Smith圓圖中的同一等電導(dǎo)圓上。然后，將一個(gè)電感串聯(lián)在電容與發(fā)射機(jī)并聯(lián)后的總電阻上，則最終的串聯(lián)阻抗將沿著電阻圓移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗必須等于輸入阻抗的共軛復(fù)數(shù)。上述等電阻圓必須經(jīng)過(guò)。Smith圓圖中兩個(gè)圓的交點(diǎn)就是發(fā)射機(jī)與電容并聯(lián)后的總歸一化阻抗。L形匹配網(wǎng)絡(luò)§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗-導(dǎo)納復(fù)合Smith圓圖上的雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)從Smith圓圖中可以看到，這個(gè)點(diǎn)的歸一化阻抗為，相應(yīng)歸一化導(dǎo)納為。所以，并聯(lián)電容的歸一化電納為，電感的歸一化電抗為。最后，我們求出電感和電容的實(shí)際量值為：§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)整理得：（3）（4）求解可得：（5）（6）將已知數(shù)據(jù)代入式（5）和式（6），則可得：§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)L形匹配網(wǎng)絡(luò)也可以視為諧振頻率為的諧振電路。因此，此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的性能可以用有載品質(zhì)因數(shù)來(lái)描述。節(jié)點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)與的關(guān)系：正號(hào)對(duì)應(yīng)于正電抗X,負(fù)號(hào)表示負(fù)電抗X。Smith圓圖中的等線(xiàn)§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)然后，我們找到過(guò)B點(diǎn)的等電導(dǎo)與等電阻圓的交點(diǎn)A，B點(diǎn)是前一步驟求出來(lái)的。根據(jù)等電阻圓，以及使變換到點(diǎn)的設(shè)計(jì)，我們就可以確定匹配網(wǎng)絡(luò)中其它元件的值。T形匹配網(wǎng)絡(luò)電路原理圖以增加一個(gè)電路元件為代價(jià)，擴(kuò)大了調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因數(shù)的自由度?！?.1分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)例題已知帶寬放大器需要一個(gè)形網(wǎng)絡(luò)，要求該網(wǎng)絡(luò)將的負(fù)載阻抗變換成的輸入阻抗，匹配網(wǎng)絡(luò)具有最小的節(jié)點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)，且匹配頻率點(diǎn)為，計(jì)算匹配網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)元件值。具有最小值的形匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)解：由于負(fù)載阻抗和輸入阻抗都是固定的，因此待求匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)不可能低于和點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最小值。又因?yàn)榈淖钚≈悼筛鶕?jù)輸入阻抗點(diǎn)確定：。右圖給出了在條件下采用Smith圓圖設(shè)計(jì)形匹配網(wǎng)絡(luò)的情況?！?.1分立元件匹配網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們采用了與上一個(gè)例題相似的方法。首先，在Smith圓圖中畫(huà)出等電導(dǎo)圓并找到該圓與等值線(xiàn)的交點(diǎn)，將該點(diǎn)記為B點(diǎn)。然后找到等電導(dǎo)圓與過(guò)B點(diǎn)的等電阻圓的交點(diǎn)，并記為A點(diǎn)。將Smith圓圖中的相應(yīng)點(diǎn)變換成實(shí)際的電容和電感就可以解出所求網(wǎng)絡(luò)元件。電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：形匹配網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)§5.2微帶線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)工作頻率的提高導(dǎo)致工作波長(zhǎng)的減小，分立元件的寄生參數(shù)效應(yīng)變得明顯，分布參數(shù)元件就代替了分立元件得到廣泛應(yīng)用。5.2.1從分立元件到微帶線(xiàn)在中間過(guò)渡頻段（例如幾吉赫茲到幾十吉赫茲），可以采用分立元件和分布參數(shù)元件混合使用的方法?；旌掀ヅ渚W(wǎng)絡(luò)例題設(shè)計(jì)一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)將的負(fù)載阻抗變換成的輸入阻抗。要求該匹配網(wǎng)絡(luò)必須采用兩段串聯(lián)傳輸線(xiàn)和一個(gè)并聯(lián)電容。已知兩段傳輸線(xiàn)的特性阻抗均為，匹配網(wǎng)絡(luò)的工作頻率為f=1.5GHz?！?.2微帶線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)解：首先確定歸一化負(fù)載阻抗在Smith圓圖中的位置。這樣就可以畫(huà)出一個(gè)駐波比圓，該圓上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于負(fù)載與傳輸線(xiàn)相連后的總阻抗。總阻抗在此駐波比圓上的具體位置取決于傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度。過(guò)歸一化輸入阻抗作一個(gè)駐波比圓，選定過(guò)渡點(diǎn)A，該點(diǎn)的歸一化導(dǎo)納此時(shí)添加的并聯(lián)電容將使相應(yīng)阻抗點(diǎn)沿的等電導(dǎo)圓移動(dòng)。從而將Smith圓圖上的阻抗點(diǎn)A移動(dòng)到位于輸入駐波比圓上的點(diǎn)B。利用一段串聯(lián)的傳輸線(xiàn)就可以使B點(diǎn)的阻抗沿等駐波比圓移動(dòng)。分布參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)由傳輸線(xiàn)和電容構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)§5.2微帶線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)1、并聯(lián)短截線(xiàn)并聯(lián)短截線(xiàn)調(diào)諧電路結(jié)構(gòu)如下圖所示，存在兩個(gè)變量和。并聯(lián)短截線(xiàn)

d的兩個(gè)主要解：開(kāi)路短截線(xiàn)：短路短截線(xiàn)：§5.2微帶線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)2、串聯(lián)短截線(xiàn)串聯(lián)短截線(xiàn)調(diào)諧電路結(jié)構(gòu)如下圖所示，存在兩個(gè)變量和。串聯(lián)短截線(xiàn)

d的兩個(gè)主要解：開(kāi)路短截線(xiàn)：短路短截線(xiàn)：§5.2微帶線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)1、雙短截線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的Smith圓圖解法雙短截線(xiàn)調(diào)諧器的基本運(yùn)作過(guò)程如圖所示，和單短截線(xiàn)調(diào)諧器的情況一樣，可能有兩個(gè)解。第一個(gè)短截線(xiàn)的電納，把負(fù)載導(dǎo)納移動(dòng)到或，該點(diǎn)位于旋轉(zhuǎn)后的圓上，旋轉(zhuǎn)量是向著負(fù)載方向轉(zhuǎn)的d波長(zhǎng)，此處d是兩個(gè)短截線(xiàn)之間的距離。然后通過(guò)傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度d向著信號(hào)源方向轉(zhuǎn)換或，使得落在點(diǎn)，或，該點(diǎn)必定在圓上。然后，第二個(gè)短截線(xiàn)產(chǎn)生附加電納或，它將轉(zhuǎn)到圓圖的中心處來(lái)完成匹配。用于雙短截線(xiàn)調(diào)諧器運(yùn)作的Smith圓圖§5.2微帶線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)2、雙短截線(xiàn)的解析法求解第一個(gè)短截線(xiàn)電納：第二個(gè)短截線(xiàn)電納：開(kāi)路短截線(xiàn)的長(zhǎng)度：短路短截線(xiàn)的長(zhǎng)度：其中，或?！?.3四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器例題設(shè)計(jì)一個(gè)單節(jié)四分之一波長(zhǎng)匹配變換器，用于在處匹配的負(fù)載到的傳輸線(xiàn)。確定相對(duì)帶寬。解：匹配段的特征阻抗：而且匹配段長(zhǎng)度在3GHz時(shí)是，SWR為1.5所對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)的幅值為：算得相對(duì)帶寬為：§5.4漸變傳輸線(xiàn)阻抗變換器從z階躍處產(chǎn)生的反射增系數(shù)量為：在的極限情況下：利用小反射理論，在z=0處的總反射系數(shù)為§5.4漸變傳輸線(xiàn)阻抗變換器5.4.1指數(shù)漸變

指數(shù)漸變的形式：

的表達(dá)式：指數(shù)阻抗?jié)u變的匹配節(jié)§5.4漸變傳輸線(xiàn)阻抗變換器5.4.3Klopfenstein漸變Klopfenstein漸變特征阻抗變化的自然對(duì)數(shù)為其中：最后得出反射系數(shù)為若，則項(xiàng)漸變?yōu)??！?.5寬帶阻抗電路的阻抗變換寬帶阻抗變換網(wǎng)絡(luò)包括：普通變壓器和傳輸線(xiàn)變壓器。5.5.1普通變壓器普通變壓器的等效電路從圖可以看出當(dāng)頻率f增加時(shí)，分布電容、分布電感的作用使得的壓降下降，且C與組成一串聯(lián)諧振回路。在諧振頻率上的輸出最大，諧振頻率為：普通變壓器的頻率特性§5.5寬帶阻抗電路的阻抗變換5.5.2傳輸線(xiàn)變壓器傳輸線(xiàn)及其高頻等效電路1:1傳輸線(xiàn)變壓器特點(diǎn)：雙線(xiàn)并繞，所以任意長(zhǎng)度的線(xiàn)間電容很大