新微波傳輸線

新微波傳輸線第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日傳輸線方圖與圓圖

歸一化阻抗的實(shí)部（電阻）和虛部（電抗）的等值線畫在反射系數(shù)的極坐標(biāo)圖上，極坐標(biāo)的等半徑線代表反射系數(shù)的模，等輻角線代表反射系數(shù)的相角。因反射系數(shù)的模不大于1，所以反射系數(shù)的值都位于極坐標(biāo)的單位圓內(nèi)，叫做傳輸線圓圖或史密斯圓圖（SmithChart）。它與方圖之間的關(guān)系實(shí)際上就是z和兩個(gè)復(fù)平面的變換關(guān)系。第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日傳輸線圓圖

第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日傳輸線圓圖

第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日圓圖舉例第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日阻抗圓圖上各點(diǎn)、線、面的意義

匹配點(diǎn)－－（0，0）對應(yīng)

短路點(diǎn)－－（-1，0）對應(yīng)開路點(diǎn)－－（1，0）對應(yīng)

純電抗圓－－單位圓純電抗線－－實(shí)軸

x>0－－感性平面；x<0－－容性平面

第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日上半圓內(nèi)的歸一化阻抗為r＋jx，其電抗為感抗；下半圓內(nèi)的歸一化阻抗為r-jx，其電抗為容抗。實(shí)軸上的點(diǎn)代表純電阻點(diǎn)；實(shí)軸左半徑上的點(diǎn)表示電壓駐波最小點(diǎn)、電流駐波最大點(diǎn)，其上數(shù)據(jù)代表rmin＝1/SWR；實(shí)軸右半徑上的點(diǎn)表示電壓駐波最大點(diǎn)、電流駐波最小點(diǎn)，其上數(shù)據(jù)代表rmax＝SWR；實(shí)軸左端點(diǎn)z＝0，表阻抗短路點(diǎn)，即電壓駐波節(jié)點(diǎn)；實(shí)軸右端點(diǎn)z＝∞，代表阻抗開路點(diǎn)，即電壓駐波腹點(diǎn)；中心z＝1，代表阻抗匹配點(diǎn)。最外的︱︱＝1圓周上的點(diǎn)表純電抗，其歸一化電阻為零，短路線和開路線的歸一化阻抗應(yīng)落在此圓周上。從負(fù)載移向信號源，在圓圖上沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；從信號源移向負(fù)載，在圓圖上沿反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；圓圖上旋轉(zhuǎn)一周為g／2（而不是g）。

阻抗圓圖特點(diǎn)第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日導(dǎo)納圓圖的概念

微波工程中，有時(shí)已知的不是阻抗而是導(dǎo)納，并需要計(jì)算導(dǎo)納；微波電路常用并聯(lián)元件構(gòu)成，此時(shí)用導(dǎo)納計(jì)算比較方便。用來計(jì)算導(dǎo)納的圓圖稱為導(dǎo)納圓圖。分析表明，導(dǎo)納圓圖即阻抗圓圖。事實(shí)上，歸一化導(dǎo)納是歸一化阻抗的倒數(shù)，二者與的關(guān)系完全一樣：

因此，由阻抗圓圖上某歸一化阻抗點(diǎn)沿等︱︱圓旋轉(zhuǎn)1800即得到該點(diǎn)相應(yīng)的歸一化導(dǎo)納值；整個(gè)阻抗圓圖旋轉(zhuǎn)1800便得到導(dǎo)納圓圖，所得結(jié)果仍為阻抗圓圖本身，只是其上數(shù)據(jù)應(yīng)為歸一化導(dǎo)納值。計(jì)算時(shí)要注意分清兩種情況：一是由導(dǎo)納求導(dǎo)納，此時(shí)將圓圖作為導(dǎo)納圓圖用；另一種情況是需要由阻抗求導(dǎo)納，或由導(dǎo)納求阻抗，相應(yīng)的兩值在同一圓圖上為旋轉(zhuǎn)1800的關(guān)系。第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日一、已知阻抗或?qū)Ъ{求反射系數(shù)及駐波系數(shù)1、歸一化

2、定阻抗點(diǎn)：找r圓和x圓的交點(diǎn);3、定的大小;4、定SWR:5、定的：阻抗點(diǎn)與原點(diǎn)連線和坐標(biāo)正實(shí)軸的交角;

6、寫出

的表達(dá)式:或圓圖的基本用法第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日二、傳輸線上兩點(diǎn)間的阻抗變換

圓轉(zhuǎn)動角度2βl，得z2點(diǎn)找出點(diǎn)，沿等再求出真實(shí)值Z2=Zcz2，其中

【例】設(shè)頻率為3GHz，特性阻抗Zc=50，線長為3cm，終端接負(fù)載阻抗ZL=（50+j50），求輸入阻抗?！冀狻截?fù)載阻抗ZL在A點(diǎn)（r=1，x=1），且將A點(diǎn)由原來的63.4度沿等反射圓朝電源方向移動216度（或0.3λ）后到達(dá)B點(diǎn)，B點(diǎn)就是輸入阻抗點(diǎn),如圖所示:

Zin=（20-j100）.第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日三、阻抗與導(dǎo)納的相互換算傳輸線上相隔λ/4的兩點(diǎn)阻抗互成倒數(shù)關(guān)系，因此在圓圖上找到阻抗點(diǎn)后，只要沿著圓移動λ/4就可以得到導(dǎo)納點(diǎn)及其導(dǎo)納值:

第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日四、由駐波系數(shù)求阻抗或?qū)Ъ{測出駐波系數(shù)SWR,即可知道負(fù)載阻抗在該等SWR圓上。測出駐波電壓最小點(diǎn)的位置Lmin,即可定出傳輸線上該點(diǎn)的阻抗為純電阻r=1/SWR。量測負(fù)載點(diǎn)到駐波電壓最小點(diǎn)的距離，將此距離用電長度表示，則沿等SWR圓從駐波電壓最小點(diǎn)移動上述電長度數(shù)值就得到負(fù)載阻抗點(diǎn)。傳輸線圓圖

六、不同特性阻抗的傳輸線相接五、串聯(lián)與并聯(lián)串聯(lián)時(shí)阻抗相加，用阻抗圓圖；并聯(lián)時(shí)導(dǎo)納相加，用導(dǎo)納圖。這時(shí)必須對每段傳輸線分別進(jìn)行歸一化。第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日〖例1〗同軸線特性阻抗Z0為50，負(fù)載阻抗ZL為100十j50，如圖2.5－4(b)所示，求距離負(fù)載0.24處的輸入阻抗。〖解〗計(jì)算歸一化負(fù)載阻抗：圓圖的應(yīng)用

在阻抗圓圖上標(biāo)出負(fù)載點(diǎn)，如圖2.5－4(a)所示。以ZL點(diǎn)沿等圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電長度0.24到Zin點(diǎn)，讀得Zin＝0.42－j0.25。因此距負(fù)載0.24處的輸入阻抗為：Zin＝(0.42－j0.25)×50＝21－j12.5()第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日在阻抗圓圖上標(biāo)出負(fù)載點(diǎn)，如圖2.5－4(a)所示。以ZL點(diǎn)沿等圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電長度0.24到Zin點(diǎn)，讀得Zin＝0.42－j0.25。因此距負(fù)載0.24處的輸入阻抗為：Zin＝(0.42－j0.25)×50＝21－j12.5()第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日

〖例2〗測得傳輸線終端短路時(shí)輸入阻抗為＋j106，開路時(shí)輸入阻抗為－j23.6，終端接實(shí)際負(fù)載時(shí)的輸入阻抗Zin＝25－j70。求：負(fù)載阻抗值。有〖解〗由：傳輸線的特性阻抗為：歸一化短路輸入阻抗為第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日如圖2.5-5所示，終端短路點(diǎn)zL＝0，位于圓圖實(shí)軸左端點(diǎn)?？芍獪y量點(diǎn)距負(fù)載的長度為0.180；當(dāng)終端接實(shí)際負(fù)載時(shí)，測量點(diǎn)歸一化輸入阻抗為：0.1570.337第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日距短路負(fù)載電長度為0.18，故負(fù)載應(yīng)位于該點(diǎn)向負(fù)載轉(zhuǎn)0.18，對應(yīng)0.157處，由其與對應(yīng)ρ圓交點(diǎn)查得:或0.1570.337第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日〖例3〗在Zo為50的無耗線上測得SWR為5，電壓駐波最小點(diǎn)出現(xiàn)在距負(fù)載／3處，如圖所示，求負(fù)載阻抗值?！冀狻诫妷厚v波最小點(diǎn)rmin＝l／5＝0.2，在阻抗圓圖實(shí)軸左半徑上，如圖所示。以rmin點(diǎn)沿等SWR＝5的圓反時(shí)針旋轉(zhuǎn)／3得到ZL＝0.77十j1.48，故得負(fù)載阻抗為：第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日與低頻電路設(shè)計(jì)不同，微波電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(包括天線的設(shè)計(jì))，不管是無源電路還是有源電路，都必須考慮其阻抗匹配問題。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是設(shè)計(jì)微波電路和系統(tǒng)時(shí)采用最多的電路元件。其根本原因是低頻電路中所流動的是電壓和電流，而微波電路所傳輸?shù)氖菍?dǎo)行電磁波，不匹配就會引起嚴(yán)重的反射。阻抗匹配第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日阻抗匹配（impedancematching）：使微波電路或系統(tǒng)無反射、載波盡量接近行波狀態(tài)的技術(shù)措施。微波電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要問題之一。重要性主要表現(xiàn)在：●匹配時(shí)傳輸給負(fù)載的功率最大，傳輸線功率損耗最小?！褡杩故鋾r(shí)，傳輸大功率易導(dǎo)致?lián)舸??！褡杩故鋾r(shí)的反射波會對信號源產(chǎn)生頻率牽引作用，使信號源工作不穩(wěn)定，甚至不能正常工作。

阻抗匹配的概念第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日匹配方式負(fù)載阻抗匹配：目的是使負(fù)載無反射；信號源阻抗匹配：目的是使信號源無反射；（加隔離器）信號源共扼匹配：目的是使信號源的輸出功率最大。第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日失配的傳輸系統(tǒng)第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日1、負(fù)載與傳輸線匹配：2、信號源與傳輸線匹配：3、信號源的共軛匹配：

假定信號源內(nèi)阻抗固定，可改變輸入阻抗使信號源傳送給負(fù)載的功率最大。

共軛匹配條件：討論（負(fù)載可能不匹配，即可能有駐波）注意：只有Zg盡可能小，才能獲得最佳的系統(tǒng)效率！第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日負(fù)載阻抗匹配方法：在負(fù)載與傳輸線之間接入一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使其輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗。要求：簡單易行、附加損耗小、頻帶寬、可調(diào)節(jié)以匹配不同的負(fù)載阻抗。第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日(1)集總元件L節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)在1GHz以下，采用兩個(gè)電抗元件組成的L節(jié)網(wǎng)絡(luò)來使任意負(fù)載阻抗與傳輸線匹配。這種L節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)（Lsectionmatchingnetwork）的可能結(jié)構(gòu)如圖2.6－3所示。對不同的負(fù)載阻抗，其中的電抗元件可以是電感或電容，故有八種可能的匹配電路，可借助圓圖來快速精確地設(shè)計(jì)。四種典型實(shí)用匹配網(wǎng)絡(luò)的性能與設(shè)計(jì)第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日原理：所有部分反射疊加為零。應(yīng)用范圍：只適用于匹配電阻性負(fù)載。（特點(diǎn)：簡單實(shí)用）若ZL為復(fù)阻抗，欲采用1／4變換器，可在ZL與變換器之間加一段移相線段，或在ZL處并聯(lián)或串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍苟探鼐€來變成實(shí)阻抗。但這樣做的結(jié)果將改變等效負(fù)載的頻率特性，減小匹配的帶寬。若ZL與ZO的阻抗比過大（或過?。?，或要求寬帶工作時(shí)，則可采用雙節(jié)、三節(jié)或多節(jié)／4變換器，其特性阻抗Z01、Z02、Z03、按一定規(guī)律定值，可使匹配性能最佳。

(2)／4阻抗變換器第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日／4變換器特性阻抗計(jì)算公式當(dāng)即時(shí)得第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日支節(jié)調(diào)配器(stubtuner)：在距負(fù)載某固定位置上并聯(lián)或串聯(lián)的終端短路或開路的傳輸線段(稱為短截線或支節(jié)或分支線)。支節(jié)數(shù)可以是一條或多條。該調(diào)配電路在微波頻率便于分布元件制作。常用的是單支節(jié)并聯(lián)調(diào)配支節(jié)。它特別容易用標(biāo)準(zhǔn)微帶線或帶狀線來制作。單支節(jié)并聯(lián)調(diào)配器(single-stubtuner)：距負(fù)載d處并聯(lián)長度L的終端短路或開路的短截線，如圖所示。它是利用調(diào)節(jié)支節(jié)的位置d和支節(jié)長度L來實(shí)現(xiàn)匹配的。選擇d使從支節(jié)接入處向負(fù)載看去的導(dǎo)納Y＝Y(jié)o十jB，然后選取支節(jié)的輸入電納為－jB就可達(dá)到匹配。(3)分支線調(diào)配器第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日單支節(jié)并聯(lián)調(diào)配器(single-stubtuner)第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日用／4變換器匹配時(shí)，若阻抗變換比很大或要求寬頻帶工作時(shí)，可采用多節(jié)／4變換器。當(dāng)節(jié)數(shù)增加時(shí)，兩節(jié)之間的特性阻抗階梯變化就變得很小。在節(jié)數(shù)無限大的極限下就變成了連續(xù)的漸變線(taperedline)。這種漸變線匹配節(jié)的長度L只要遠(yuǎn)大于工作波長，其輸入駐波比就可以做到很小，而且頻率越高，這個(gè)條件滿足得越好。(4)漸變線第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日指數(shù)漸變線(exponentialtaperedline)

第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日〖例〗特性阻抗Z0為50的無耗線終端接ZL為25十j75的負(fù)載，采用單支節(jié)匹配，如圖2.6—7(a)所示，求支節(jié)的位置和長度。在阻抗圓圖上標(biāo)出此點(diǎn)，如圖所示，并查得＝0.74∠640，SWR＝6.7，相應(yīng)的歸一化負(fù)載導(dǎo)納為yL＝0.2－j0.6，其對應(yīng)的電長度為0.412。〖解〗①求歸一化負(fù)載阻抗例題：并聯(lián)單分支調(diào)配器第三十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日單支節(jié)調(diào)配器

②由yL沿等圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（向電源）與g1＝1的圓交于兩點(diǎn)：y1＝l+j2.2移動到電長度為0.192處y’1＝l-j2.2移動到電長度為0.308處-j2.2+j2.2第三十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日③支節(jié)的位置為:d＝0.088十0.192＝0.28

d’＝0.088十0.308＝0.396

⑤求短路支節(jié)長度：由于短路支節(jié)負(fù)載的電納為yL＝∞，位于導(dǎo)納園圖實(shí)軸右端點(diǎn)（此時(shí)將阻抗園圖看