射頻電路理論與設(shè)計(jì)第5章-匹配網(wǎng)絡(luò)課件

第5章匹配網(wǎng)絡(luò)第5章

在射頻電路的設(shè)計(jì)中，阻抗匹配是最重要的概念之一，是電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要問(wèn)題。 在射頻電路的設(shè)計(jì)中，阻抗匹配是最重要的概念之一，是電路和

在匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，解析方法很繁雜，本章只討論用史密斯圓圖的設(shè)計(jì)方法。史密斯圓圖在射頻電路的分析中是一個(gè)必須的工具，尤其在匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中顯得更為重要。 在匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，解析方法很繁雜，本章只討論用史密斯圓

本章首先討論匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇準(zhǔn)則，然后討論集總參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、分布參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。 本章首先討論匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇準(zhǔn)則，然后討論集總參數(shù)元

匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇方法5.1

集總參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)5.2

分布參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)5.3

混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)5.4匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇方法5.1集總參數(shù)元件電路的匹5.1匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇方法 1.匹配網(wǎng)絡(luò)的目的 匹配包括兩個(gè)方面，一個(gè)是傳輸線與負(fù)載之間的匹配；一個(gè)是信源與負(fù)載之間的共軛匹配。傳輸線與負(fù)載之間的匹配，是使傳輸線無(wú)反射、線上載行波或盡量接近行波的一種技術(shù)措施。5.1匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇方法 1.匹配網(wǎng)絡(luò)的目的

信源與負(fù)載之間的共軛匹配，是使傳輸線的輸入阻抗與信源的內(nèi)阻互為共軛復(fù)數(shù)，此時(shí)信源的功率輸出為最大。 電路匹配是通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。 信源與負(fù)載之間的共軛匹配，是使傳輸線的輸入阻抗與信源的內(nèi)

匹配關(guān)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3個(gè)方面。 匹配關(guān)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

（1）從信源到負(fù)載實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。（2）減小線路反射，目的是減小噪聲干擾，提高信噪比。（3）傳輸相同功率時(shí)線上電壓駐波系數(shù)最小，功率承受能力最大。（1）從信源到負(fù)載實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

2.匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇準(zhǔn)則 只要負(fù)載阻抗不是一個(gè)純虛數(shù)，都可以選擇一個(gè)無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配。在選擇匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，考慮的主要因有下面4個(gè)。 2.匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇準(zhǔn)則

（1）簡(jiǎn)單性。希望選擇滿足性能指標(biāo)的最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。較簡(jiǎn)單的匹配結(jié)構(gòu)價(jià)格便宜、可靠、損耗小。（1）簡(jiǎn)單性。希望選擇滿足性能指標(biāo)的最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。較簡(jiǎn)單的匹

（2）帶寬。任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都只能在單一頻率上實(shí)現(xiàn)匹配，欲展寬帶寬，其電路設(shè)計(jì)要復(fù)雜一些，因此電路設(shè)計(jì)要在簡(jiǎn)單性、帶寬以及造價(jià)之間有所權(quán)衡。（2）帶寬。任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都只能在單一頻率上實(shí)現(xiàn)匹配，欲展寬

（3）可實(shí)現(xiàn)性。射頻電路大都采用微帶傳輸線，可以采用四分之一阻抗變化器、支節(jié)或集總參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)?？蓪?shí)現(xiàn)性既要考慮生產(chǎn)工藝的可實(shí)現(xiàn)性，又要考慮尺寸要求的可實(shí)現(xiàn)性。（3）可實(shí)現(xiàn)性。射頻電路大都采用微帶傳輸線，可以采用四分之

（4）可調(diào)整性。變化的負(fù)載需要可調(diào)整的匹配網(wǎng)絡(luò)。

（4）可調(diào)整性。變化的負(fù)載需要可調(diào)整的匹配網(wǎng)絡(luò)。5.2集總參數(shù)元件電路的匹配

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 5.2.1傳輸線與負(fù)載間L形匹配網(wǎng)絡(luò) 載與傳輸線阻抗匹配就是使傳輸線工作在行波狀態(tài)。5.2集總參數(shù)元件電路的匹配

在負(fù)載與傳輸線中間加一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使其輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，稱為負(fù)載與傳輸線阻抗匹配。 在負(fù)載與傳輸線中間加一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使其輸入阻抗等于傳輸線

L形匹配網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載與傳輸線間L形匹配網(wǎng)絡(luò)共有8種組合，如圖5.1所示。 L形匹配網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)。

雙元件負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)采用圖5.1中的哪種形式，取決于歸一化負(fù)載阻抗在史密斯圓圖上的位置。負(fù)載在史密斯圓圖上的位置有3種可能性，下面分別加以討論。 雙元件負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)采用圖5.1中的哪種形式，取決于歸一化

圖5.18種負(fù)載與傳輸線間L形匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.18種負(fù)載與傳輸線間L形匹配網(wǎng)絡(luò)

1.負(fù)載位于1+jb圓(歸一化單位電導(dǎo)圓)內(nèi) 1.負(fù)載位于1+jb圓(歸一化單位電導(dǎo)圓)內(nèi)

圖5.2負(fù)載位于歸一化單位電導(dǎo)圓內(nèi)時(shí)L形匹配的圓圖圖解圖5.2負(fù)載位于歸一化單位電導(dǎo)圓內(nèi)時(shí)

圖5.3例5.1用圖圖5.3例5.1用圖

2.負(fù)載位于1+jx圓(歸一化單位電阻圓)內(nèi) 2.負(fù)載位于1+jx圓(歸一化單位電阻圓)內(nèi)

圖5.4負(fù)載位于歸一化單位電阻圓圖5.4負(fù)載位于歸一化單位電阻圓

3.負(fù)載位于1+jx圓和1+jb圓外 3.負(fù)載位于1+jx圓和1+jb圓外

圖5.5負(fù)載位于歸一化單位電阻和電導(dǎo)圓外時(shí)L形匹配的圓圖圖解圖5.5負(fù)載位于歸一化單位電阻和電導(dǎo)圓外時(shí)

對(duì)上述討論的3種情形，可以總結(jié)出某些規(guī)律，這些規(guī)律可以簡(jiǎn)化和加速匹配電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。 對(duì)上述討論的3種情形，可以總結(jié)出某些規(guī)律，這些規(guī)律可以簡(jiǎn)

規(guī)律1始終同時(shí)利用史密斯阻抗和導(dǎo)納圓圖。 規(guī)律2在史密斯圓圖上始終從負(fù)載開始沿等電阻圓或等電導(dǎo)圓移動(dòng)，最終到達(dá)圓圖中心匹配點(diǎn)。

規(guī)律1始終同時(shí)利用史密斯阻抗和導(dǎo)納圓圖。

規(guī)律3沿等電阻圓或等電導(dǎo)圓每移動(dòng)一次，就確定一個(gè)相關(guān)的電抗元件。 規(guī)律4沿等電阻圓移動(dòng)相當(dāng)于串聯(lián)電抗元件，沿等電導(dǎo)圓移動(dòng)相當(dāng)于并聯(lián)電抗元件。 規(guī)律3沿等電阻圓或等電導(dǎo)圓每移動(dòng)一次，就確定一個(gè)相

規(guī)律5沿等電阻圓順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，決定了電抗元件是感性或是容性。沿等電導(dǎo)圓順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，決定了電抗元件是容性或是感性。 規(guī)律5沿等電阻圓順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，決定了電抗

規(guī)律6負(fù)載在史密斯圓圖上的位置決定有幾種L形匹配網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載位于1+jb圓(歸一化單位電導(dǎo)圓)內(nèi)，有2種L形匹配網(wǎng)絡(luò)；負(fù)載位于1+jx圓(歸一化單位電阻圓)內(nèi)，有2種L形匹配網(wǎng)絡(luò)；負(fù)載位于1+jx圓和1+jb圓外，有4種L形匹配網(wǎng)絡(luò)。

規(guī)律6負(fù)載在史密斯圓圖上的位置決定有幾種L形匹配網(wǎng)

規(guī)律7任何負(fù)載都不能同時(shí)有圖5.1中的8種L形匹配方式，因此所有L形網(wǎng)絡(luò)都有匹配禁區(qū)。也就是說(shuō)，只有負(fù)載在史密斯圓圖上處于某些位置時(shí)，才能采用某種L形匹配網(wǎng)絡(luò)。 規(guī)律7任何負(fù)載都不能同時(shí)有圖5.1中的8種L形匹配

5.2.2信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò) 信源的匹配就是使信源的內(nèi)阻ZS通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)變換后與負(fù)載互為共軛復(fù)數(shù)，此時(shí)信源的功率輸出最大。射頻電路中的這種情形比負(fù)載與傳輸線阻抗匹配的情形更為普遍。 5.2.2信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)

信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)。與傳輸線與負(fù)載間L形匹配網(wǎng)絡(luò)一樣，信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)同樣共有8種組合，如圖5.6所示。 信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)電抗性元件組成，也稱為

圖5.68種信源與負(fù)載間的L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.68種信源與負(fù)載間的L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5.7例52用圖圖5.7例52用圖

圖5.8例5.3用圖圖5.8例5.3用圖

5.2.3L形匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù) 傳輸線與負(fù)載之間的L形匹配網(wǎng)絡(luò)，只能在中心頻率f0保證傳輸線與負(fù)載之間匹配，使包含L形網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載在內(nèi)的總輸入阻抗位于史密斯圓圖的中心，傳輸線上反射系數(shù)為0。 5.2.3L形匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)

當(dāng)頻率偏離中心頻率時(shí)，傳輸線上的反射系數(shù)將大于0。所以，上述匹配網(wǎng)絡(luò)可以視為諧振頻率為f0的諧振電路。 當(dāng)頻率偏離中心頻率時(shí)，傳輸線上的反射系數(shù)將大于0。所以，

由于L形匹配網(wǎng)絡(luò)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(luò)有濾波性。為考察匹配網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)，下面討論L形匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)，以得到匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬。 由于L形匹配網(wǎng)絡(luò)是由串聯(lián)或并聯(lián)的電感或電容組成的，所以這

圖5.9史密斯圓圖中的等Qn線圖5.9史密斯圓圖中的等Qn線

圖5.10例5.4用圖圖5.10例5.4用圖

5.2.4T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò) 在5.1節(jié)討論過(guò)，匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的4個(gè)準(zhǔn)則是簡(jiǎn)單性、帶寬、可實(shí)現(xiàn)性和可調(diào)整性。 5.2.4T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)

L形匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)在圓圖上的位置是固定的，匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬無(wú)法調(diào)整，設(shè)計(jì)沒(méi)有靈活性。 L形匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)在圓圖

為此，本節(jié)討論T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)。T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)可以在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。 為此，本節(jié)討論T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)。T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)可以

T形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5.11(a)所示，π形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5.11(b)所示，這里用例題介紹按預(yù)定Qn值設(shè)計(jì)T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)的方法。 T形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5.11(a)所示，π形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5.

圖5.11T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.11T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5.12例5.5用圖圖5.12例5.5用圖

圖5.13例5.6用圖圖5.13例5.6用圖5.3分布參數(shù)元件電路的匹配

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

隨著工作頻率的提高，波長(zhǎng)不斷減小，當(dāng)波長(zhǎng)與元器件尺寸或電路尺寸相當(dāng)時(shí)，可以采用分布參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)。5.3分布參數(shù)元件電路的匹配

分布參數(shù)元件是在主傳輸線上串聯(lián)一段傳輸線或并聯(lián)支節(jié)構(gòu)成。在距負(fù)載某處可以并聯(lián)一段終端短路或終端開路的傳輸線，此并聯(lián)傳輸線稱為支節(jié)（或短截線）。 分布參數(shù)元件是在主傳輸線上串聯(lián)一段傳輸線或并聯(lián)支節(jié)構(gòu)成。

本節(jié)討論用單支節(jié)、雙支節(jié)及四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的方法，這種方法可以適用于微帶線、帶狀線、同軸線及平行雙導(dǎo)線，本節(jié)畫圖時(shí)用平行雙導(dǎo)線說(shuō)明匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。 本節(jié)討論用單支節(jié)、雙支節(jié)及四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器實(shí)現(xiàn)匹配

5.3.1負(fù)載與傳輸線的阻抗匹配

1.單支節(jié)匹配 單支節(jié)匹配就是在主傳輸線上并聯(lián)一個(gè)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(dá)到匹配。 5.3.1負(fù)載與傳輸線的阻抗匹配

單支節(jié)可以采用終端短路的傳輸線或終端開路的傳輸線，單支節(jié)為終端短路傳輸線的匹配原理如圖5.14所示。 單支節(jié)可以采用終端短路的傳輸線或終端開路的傳輸線，單支節(jié)

在圖5.14的主傳輸線上可以找到點(diǎn)aa′，使點(diǎn)aa′的歸一化輸入導(dǎo)納為y1=1+jb，點(diǎn)aa′距終端長(zhǎng)度為d1；然后在點(diǎn)aa′處并聯(lián)歸一化電納為y2=－jb的短路支節(jié)，即有ya=y1+y2=1，達(dá)到匹配。d1和l1的長(zhǎng)度可以用圓圖計(jì)算。 在圖5.14的主傳輸線上可以找到點(diǎn)aa′，使點(diǎn)aa′的歸

圖5.14單支節(jié)匹配圖5.14單支節(jié)匹配

圖5.15例5.7用圖圖5.15例5.7用圖

2.雙支節(jié)匹配 單支節(jié)匹配的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是需要調(diào)節(jié)支節(jié)的位置d1，這對(duì)于有些電路來(lái)說(shuō)是困難的。 2.雙支節(jié)匹配

解決的辦法是采用雙支節(jié)匹配，使2個(gè)支節(jié)的位置d1和d2固定不變，只調(diào)節(jié)支節(jié)的長(zhǎng)度l1和l2，通過(guò)調(diào)節(jié)支節(jié)的長(zhǎng)度l1和l2達(dá)到匹配。d2的長(zhǎng)度通常選為λ/8、3λ/8或5λ/8。 解決的辦法是采用雙支節(jié)匹配，使2個(gè)支節(jié)的位置d1和d2固

雙支節(jié)匹配的原理可以用圖5.16說(shuō)明。為使主傳輸線上點(diǎn)bb′匹配，也即yb=1，就必須使y3=1+jb3；然后利用調(diào)整l2的長(zhǎng)度調(diào)整y4抵消bb′處的電納分量jb3而達(dá)到匹配。 雙支節(jié)匹配的原理可以用圖5.16說(shuō)明。為使主傳輸線上點(diǎn)b

為使y3=1+jb3，就要求ya落在輔助圓上，這可以利用調(diào)整l1的長(zhǎng)度調(diào)整y2來(lái)達(dá)到。l1和l2的值由y2和y4的值確定。下面舉例說(shuō)明輔助圓和雙支節(jié)匹配的方法。 為使y3=1+jb3，就要求ya落在輔助圓上，這可以利用

圖5.16雙支節(jié)匹配圖5.16雙支節(jié)匹配

圖5.17例5.8用圖圖5.17例5.8用圖

雙支節(jié)匹配需要指出如下4點(diǎn)。（1）雙支節(jié)匹配中，支節(jié)長(zhǎng)度的解有2組，一般選取支節(jié)長(zhǎng)度較短的一組。 雙支節(jié)匹配需要指出如下4點(diǎn)。

（2）d2不能取λ/2，這是因?yàn)閘1的作用是調(diào)節(jié)l2的輸入阻抗，如果d2取λ/2，則失去阻抗變換作用，達(dá)不到匹配。（2）d2不能取λ/2，這是因?yàn)閘1的作用是調(diào)節(jié)l2的輸入

（3）當(dāng)d2=λ/8或d2=3λ/8時(shí)，若g1>2，也不能匹配。由此可見(jiàn)，雙支節(jié)匹配不是對(duì)任意負(fù)載都能匹配，存在著不能匹配的死區(qū)。（3）當(dāng)d2=λ/8或d2=3λ/8時(shí)，若g1>2，也不能

（4）雙支節(jié)匹配只能對(duì)一個(gè)頻率達(dá)到理想匹配，當(dāng)頻率變化時(shí)，匹配條件被破壞。（4）雙支節(jié)匹配只能對(duì)一個(gè)頻率達(dá)到理想匹配，當(dāng)頻率變化時(shí)，

3.λ/4阻抗變換器 3.λ/4阻抗變換器

5.3.2信源與負(fù)載的共軛匹配

1.支節(jié)與主傳輸線特性阻抗相同時(shí)單支節(jié)匹配 5.3.2信源與負(fù)載的共軛匹配

圖5.19信源與負(fù)載間的共軛匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.19信源與負(fù)載間的共軛匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5.20例5.10用圖圖5.20例5.10用圖

2.支節(jié)與主傳輸線特性阻抗不同時(shí)單支節(jié)匹配 2.支節(jié)與主傳輸線特性阻抗不同時(shí)單支節(jié)匹配5.4混合參數(shù)元件電路的匹配

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

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。5.4混合參數(shù)元件電路的匹配

混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)通常是由幾段傳輸線以及間隔配置的并聯(lián)電容構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)由于有集總參數(shù)的電容，結(jié)構(gòu)比全部采用分布參數(shù)的匹配網(wǎng)絡(luò)更緊湊。由于電感比電容有更高的電阻性損耗，所以混合參數(shù)元件的電路通常避免使用電感。 混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)通常是由幾段傳輸線以及間隔配置

只要網(wǎng)絡(luò)由2段傳輸線及之間1個(gè)并聯(lián)電容構(gòu)成，該網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)將任意負(fù)載轉(zhuǎn)換成任意阻抗。但若對(duì)網(wǎng)絡(luò)有帶寬要求時(shí)，需要增加網(wǎng)絡(luò)中傳輸線及電容的數(shù)目。 只要網(wǎng)絡(luò)由2段傳輸線及之間1個(gè)并聯(lián)電容構(gòu)成，該網(wǎng)絡(luò)就可以

本節(jié)以微帶線為例，討論混合參數(shù)元件的匹配網(wǎng)絡(luò)。圖5.21為常見(jiàn)的微帶線匹配網(wǎng)絡(luò)，圖中TL1,TL2和TL3表示13段傳輸線,C1和C2為傳輸線上并聯(lián)的電容。 本節(jié)以微帶線為例，討論混合參數(shù)元件的匹配網(wǎng)絡(luò)。圖5.21

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，在加工完電路之后，通過(guò)調(diào)整電容值及電容在微帶線上的位置，可以調(diào)整電路的參數(shù)。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，在加工完電路之后，通過(guò)調(diào)整電容值及電容

圖5.21混合參數(shù)構(gòu)成的微帶線匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.21混合參數(shù)構(gòu)成的微帶線匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5.22例5.12用圖圖5.22例5.12用圖

第5章匹配網(wǎng)絡(luò)第5章

在射頻電路的設(shè)計(jì)中，阻抗匹配是最重要的概念之一，是電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要問(wèn)題。 在射頻電路的設(shè)計(jì)中，阻抗匹配是最重要的概念之一，是電路和

在匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，解析方法很繁雜，本章只討論用史密斯圓圖的設(shè)計(jì)方法。史密斯圓圖在射頻電路的分析中是一個(gè)必須的工具，尤其在匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中顯得更為重要。 在匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，解析方法很繁雜，本章只討論用史密斯圓

本章首先討論匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇準(zhǔn)則，然后討論集總參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、分布參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。 本章首先討論匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇準(zhǔn)則，然后討論集總參數(shù)元

匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇方法5.1

集總參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)5.2

分布參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)5.3

混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)5.4匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇方法5.1集總參數(shù)元件電路的匹5.1匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇方法 1.匹配網(wǎng)絡(luò)的目的 匹配包括兩個(gè)方面，一個(gè)是傳輸線與負(fù)載之間的匹配；一個(gè)是信源與負(fù)載之間的共軛匹配。傳輸線與負(fù)載之間的匹配，是使傳輸線無(wú)反射、線上載行波或盡量接近行波的一種技術(shù)措施。5.1匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇方法 1.匹配網(wǎng)絡(luò)的目的

信源與負(fù)載之間的共軛匹配，是使傳輸線的輸入阻抗與信源的內(nèi)阻互為共軛復(fù)數(shù)，此時(shí)信源的功率輸出為最大。 電路匹配是通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。 信源與負(fù)載之間的共軛匹配，是使傳輸線的輸入阻抗與信源的內(nèi)

匹配關(guān)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3個(gè)方面。 匹配關(guān)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

（1）從信源到負(fù)載實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。（2）減小線路反射，目的是減小噪聲干擾，提高信噪比。（3）傳輸相同功率時(shí)線上電壓駐波系數(shù)最小，功率承受能力最大。（1）從信源到負(fù)載實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

2.匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇準(zhǔn)則 只要負(fù)載阻抗不是一個(gè)純虛數(shù)，都可以選擇一個(gè)無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配。在選擇匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，考慮的主要因有下面4個(gè)。 2.匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇準(zhǔn)則

（1）簡(jiǎn)單性。希望選擇滿足性能指標(biāo)的最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。較簡(jiǎn)單的匹配結(jié)構(gòu)價(jià)格便宜、可靠、損耗小。（1）簡(jiǎn)單性。希望選擇滿足性能指標(biāo)的最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。較簡(jiǎn)單的匹

（2）帶寬。任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都只能在單一頻率上實(shí)現(xiàn)匹配，欲展寬帶寬，其電路設(shè)計(jì)要復(fù)雜一些，因此電路設(shè)計(jì)要在簡(jiǎn)單性、帶寬以及造價(jià)之間有所權(quán)衡。（2）帶寬。任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都只能在單一頻率上實(shí)現(xiàn)匹配，欲展寬

（3）可實(shí)現(xiàn)性。射頻電路大都采用微帶傳輸線，可以采用四分之一阻抗變化器、支節(jié)或集總參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)。可實(shí)現(xiàn)性既要考慮生產(chǎn)工藝的可實(shí)現(xiàn)性，又要考慮尺寸要求的可實(shí)現(xiàn)性。（3）可實(shí)現(xiàn)性。射頻電路大都采用微帶傳輸線，可以采用四分之

（4）可調(diào)整性。變化的負(fù)載需要可調(diào)整的匹配網(wǎng)絡(luò)。

（4）可調(diào)整性。變化的負(fù)載需要可調(diào)整的匹配網(wǎng)絡(luò)。5.2集總參數(shù)元件電路的匹配

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 5.2.1傳輸線與負(fù)載間L形匹配網(wǎng)絡(luò) 載與傳輸線阻抗匹配就是使傳輸線工作在行波狀態(tài)。5.2集總參數(shù)元件電路的匹配

在負(fù)載與傳輸線中間加一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使其輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，稱為負(fù)載與傳輸線阻抗匹配。 在負(fù)載與傳輸線中間加一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使其輸入阻抗等于傳輸線

L形匹配網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載與傳輸線間L形匹配網(wǎng)絡(luò)共有8種組合，如圖5.1所示。 L形匹配網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)。

雙元件負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)采用圖5.1中的哪種形式，取決于歸一化負(fù)載阻抗在史密斯圓圖上的位置。負(fù)載在史密斯圓圖上的位置有3種可能性，下面分別加以討論。 雙元件負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)采用圖5.1中的哪種形式，取決于歸一化

圖5.18種負(fù)載與傳輸線間L形匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.18種負(fù)載與傳輸線間L形匹配網(wǎng)絡(luò)

1.負(fù)載位于1+jb圓(歸一化單位電導(dǎo)圓)內(nèi) 1.負(fù)載位于1+jb圓(歸一化單位電導(dǎo)圓)內(nèi)

圖5.2負(fù)載位于歸一化單位電導(dǎo)圓內(nèi)時(shí)L形匹配的圓圖圖解圖5.2負(fù)載位于歸一化單位電導(dǎo)圓內(nèi)時(shí)

圖5.3例5.1用圖圖5.3例5.1用圖

2.負(fù)載位于1+jx圓(歸一化單位電阻圓)內(nèi) 2.負(fù)載位于1+jx圓(歸一化單位電阻圓)內(nèi)

圖5.4負(fù)載位于歸一化單位電阻圓圖5.4負(fù)載位于歸一化單位電阻圓

3.負(fù)載位于1+jx圓和1+jb圓外 3.負(fù)載位于1+jx圓和1+jb圓外

圖5.5負(fù)載位于歸一化單位電阻和電導(dǎo)圓外時(shí)L形匹配的圓圖圖解圖5.5負(fù)載位于歸一化單位電阻和電導(dǎo)圓外時(shí)

對(duì)上述討論的3種情形，可以總結(jié)出某些規(guī)律，這些規(guī)律可以簡(jiǎn)化和加速匹配電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。 對(duì)上述討論的3種情形，可以總結(jié)出某些規(guī)律，這些規(guī)律可以簡(jiǎn)

規(guī)律1始終同時(shí)利用史密斯阻抗和導(dǎo)納圓圖。 規(guī)律2在史密斯圓圖上始終從負(fù)載開始沿等電阻圓或等電導(dǎo)圓移動(dòng)，最終到達(dá)圓圖中心匹配點(diǎn)。

規(guī)律1始終同時(shí)利用史密斯阻抗和導(dǎo)納圓圖。

規(guī)律3沿等電阻圓或等電導(dǎo)圓每移動(dòng)一次，就確定一個(gè)相關(guān)的電抗元件。 規(guī)律4沿等電阻圓移動(dòng)相當(dāng)于串聯(lián)電抗元件，沿等電導(dǎo)圓移動(dòng)相當(dāng)于并聯(lián)電抗元件。 規(guī)律3沿等電阻圓或等電導(dǎo)圓每移動(dòng)一次，就確定一個(gè)相

規(guī)律5沿等電阻圓順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，決定了電抗元件是感性或是容性。沿等電導(dǎo)圓順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，決定了電抗元件是容性或是感性。 規(guī)律5沿等電阻圓順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，決定了電抗

規(guī)律6負(fù)載在史密斯圓圖上的位置決定有幾種L形匹配網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載位于1+jb圓(歸一化單位電導(dǎo)圓)內(nèi)，有2種L形匹配網(wǎng)絡(luò)；負(fù)載位于1+jx圓(歸一化單位電阻圓)內(nèi)，有2種L形匹配網(wǎng)絡(luò)；負(fù)載位于1+jx圓和1+jb圓外，有4種L形匹配網(wǎng)絡(luò)。

規(guī)律6負(fù)載在史密斯圓圖上的位置決定有幾種L形匹配網(wǎng)

規(guī)律7任何負(fù)載都不能同時(shí)有圖5.1中的8種L形匹配方式，因此所有L形網(wǎng)絡(luò)都有匹配禁區(qū)。也就是說(shuō)，只有負(fù)載在史密斯圓圖上處于某些位置時(shí)，才能采用某種L形匹配網(wǎng)絡(luò)。 規(guī)律7任何負(fù)載都不能同時(shí)有圖5.1中的8種L形匹配

5.2.2信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò) 信源的匹配就是使信源的內(nèi)阻ZS通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)變換后與負(fù)載互為共軛復(fù)數(shù)，此時(shí)信源的功率輸出最大。射頻電路中的這種情形比負(fù)載與傳輸線阻抗匹配的情形更為普遍。 5.2.2信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)

信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)。與傳輸線與負(fù)載間L形匹配網(wǎng)絡(luò)一樣，信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)同樣共有8種組合，如圖5.6所示。 信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)電抗性元件組成，也稱為

圖5.68種信源與負(fù)載間的L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.68種信源與負(fù)載間的L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5.7例52用圖圖5.7例52用圖

圖5.8例5.3用圖圖5.8例5.3用圖

5.2.3L形匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù) 傳輸線與負(fù)載之間的L形匹配網(wǎng)絡(luò)，只能在中心頻率f0保證傳輸線與負(fù)載之間匹配，使包含L形網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載在內(nèi)的總輸入阻抗位于史密斯圓圖的中心，傳輸線上反射系數(shù)為0。 5.2.3L形匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)

當(dāng)頻率偏離中心頻率時(shí)，傳輸線上的反射系數(shù)將大于0。所以，上述匹配網(wǎng)絡(luò)可以視為諧振頻率為f0的諧振電路。 當(dāng)頻率偏離中心頻率時(shí)，傳輸線上的反射系數(shù)將大于0。所以，

由于L形匹配網(wǎng)絡(luò)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(luò)有濾波性。為考察匹配網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)，下面討論L形匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)，以得到匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬。 由于L形匹配網(wǎng)絡(luò)是由串聯(lián)或并聯(lián)的電感或電容組成的，所以這

圖5.9史密斯圓圖中的等Qn線圖5.9史密斯圓圖中的等Qn線

圖5.10例5.4用圖圖5.10例5.4用圖

5.2.4T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò) 在5.1節(jié)討論過(guò)，匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的4個(gè)準(zhǔn)則是簡(jiǎn)單性、帶寬、可實(shí)現(xiàn)性和可調(diào)整性。 5.2.4T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)

L形匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)在圓圖上的位置是固定的，匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬無(wú)法調(diào)整，設(shè)計(jì)沒(méi)有靈活性。 L形匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)在圓圖

為此，本節(jié)討論T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)。T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)可以在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。 為此，本節(jié)討論T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)。T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)可以

T形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5.11(a)所示，π形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5.11(b)所示，這里用例題介紹按預(yù)定Qn值設(shè)計(jì)T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)的方法。 T形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5.11(a)所示，π形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5.

圖5.11T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)圖5.11T形和π形匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5.12例5.5用圖圖5.12例5.5用圖

圖5.13例5.6用圖圖5.13例5.6用圖5.3分布參數(shù)元件電路的匹配

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

隨著工作頻率的提高，波長(zhǎng)不斷減小，當(dāng)波長(zhǎng)與元器件尺寸或電路尺寸相當(dāng)時(shí)，可以采用分布參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)。5.3分布參數(shù)元件電路的匹配

分布參數(shù)元件是在主傳輸線上串聯(lián)一段傳輸線或并聯(lián)支節(jié)構(gòu)成。在距負(fù)載某處可以并聯(lián)一段終端短路或終端開路的傳輸線，此并聯(lián)傳輸線稱為支節(jié)（或短截線）。 分布參數(shù)元件是在主傳輸線上串聯(lián)一段傳輸線或并聯(lián)支節(jié)構(gòu)成。

本節(jié)討論用單支節(jié)、雙支節(jié)及四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的方法，這種方法可以適用于微帶線、帶狀線、同軸線及平行雙導(dǎo)線，本節(jié)畫圖時(shí)用平行雙導(dǎo)線說(shuō)明匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。 本節(jié)討論用單支節(jié)、雙支節(jié)及四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器實(shí)現(xiàn)匹配

5.3.1負(fù)載與傳輸線的阻抗匹配

1.單支節(jié)匹配 單支節(jié)匹配就是在主傳輸線上并聯(lián)一個(gè)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(dá)到匹配。 5.3.1負(fù)載與傳輸線的阻抗匹配

單支節(jié)可以采用終端短路的傳輸線或終端開路的傳輸線，單支節(jié)為終端短路傳輸線的匹配原理如圖5.14所示。 單支節(jié)可以采用終端短路的傳輸線或終端開路的傳輸線，單支節(jié)

在圖5.14的主傳輸線上可以找到點(diǎn)aa′，使點(diǎn)aa′的歸一化輸入導(dǎo)納為y1=1+jb，點(diǎn)aa′距終端長(zhǎng)度為d1；然后在點(diǎn)aa′處并聯(lián)歸一化電納為y2=－jb的短路支節(jié)，即有ya=y1+y2=1，達(dá)到匹配。d1和l1的長(zhǎng)度可以用圓圖計(jì)算。 在圖5.14的主傳輸線上可以找到點(diǎn)aa′，使點(diǎn)aa′的歸

圖5.14單支節(jié)匹配圖5.14單支節(jié)匹配

圖5.15例5.7用圖圖5.15例5.7用圖

2.雙支節(jié)匹配 單支節(jié)匹配的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是需要調(diào)節(jié)支節(jié)的位置d1，這對(duì)于有些電路來(lái)說(shuō)是困難的。 2.雙支節(jié)匹配

解決的辦法是采用雙支節(jié)匹配，使2個(gè)支節(jié)的位置d1和d2固定不變，只調(diào)節(jié)支節(jié)的長(zhǎng)度l1和l2，通過(guò)調(diào)節(jié)支節(jié)的長(zhǎng)度l1和l2達(dá)到匹配。d2的長(zhǎng)度通常選為λ/8、3λ/8或5λ/8。 解決的辦法是采用雙支節(jié)匹配，使2個(gè)支節(jié)的位置d1和d2固

雙支節(jié)匹配的原理可以用圖5.16說(shuō)明。為使主傳輸線上點(diǎn)bb′匹配，也即yb=1，就必須使y3=1+jb3；然后利用調(diào)整l2的長(zhǎng)度調(diào)整y4抵消bb′處的電納分量jb3而達(dá)到匹配。 雙支節(jié)匹配的原理可以用圖5.16說(shuō)明。為使主傳輸線上點(diǎn)b

為使y3=1+jb3，就要求ya落在輔助圓上，這可以利用調(diào)整l1的長(zhǎng)度調(diào)整y2來(lái)達(dá)到。l1和l2的值由y2和y4的值確定。下面舉例說(shuō)明輔助圓和雙支節(jié)匹配的方法。 為使y3=1+jb3，就