微波技術(shù)基礎(chǔ)7-阻抗匹配

1、阻抗匹配的重要性：阻抗匹配的重要性：u使微波傳輸系統(tǒng)能將波源的功率有效地傳給負(fù)載；使微波傳輸系統(tǒng)能將波源的功率有效地傳給負(fù)載；u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；u關(guān)系到微波元器件的性能以及微波測(cè)量的系統(tǒng)誤差關(guān)系到微波元器件的性能以及微波測(cè)量的系統(tǒng)誤差和測(cè)量精度。和測(cè)量精度。 阻抗匹配的分類：阻抗匹配的分類： 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論 負(fù)載與傳輸線之間的匹配；負(fù)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(fù)載經(jīng)匹配后不產(chǎn)生波的反射，匹配后傳輸線狀態(tài)：負(fù)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

2、狀態(tài)。 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(duì)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(duì)傳輸線不產(chǎn)生波 的反射。的反射。 實(shí)際情況：負(fù)載不匹配而產(chǎn)生反射波，但波源匹配將實(shí)際情況：負(fù)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 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配l共軛匹配共軛匹配 特點(diǎn)：負(fù)載吸收最大功率的匹配。特點(diǎn)：負(fù)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(fù)載看去的輸入向負(fù)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

3、波源看去的輸入阻抗互為共軛，即 如圖：如圖： T處向負(fù)載看去：處向負(fù)載看去： 向波源看去：向波源看去：TT右左000LinininLLLLjtgRjXZRjXjtg ggRjX g 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配根據(jù)電路理論，圖中根據(jù)電路理論，圖中 吸收最大功率的條件為吸收最大功率的條件為:即：即： LLg LgLgRRXX 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配負(fù)載吸收功率可表示為：負(fù)載吸收功率可表示為：無反射匹配情況無反射匹配情況這時(shí)負(fù)載吸收的功率為源輸出功率的一半，而另一半消這時(shí)負(fù)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。 22211

4、Re22()()LLLLgLgLgRPV IERRXX0gLZZZ22211Re28gLmLLgggRPV IERXgR 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配 可見可見 （等號(hào)僅在傳輸線無耗，（等號(hào)僅在傳輸線無耗， 和和 為實(shí)數(shù)，即為實(shí)數(shù)，即 成立成立) ) 注意：共軛匹配時(shí)，線上可能存在反射波，反射系數(shù)注意：共軛匹配時(shí)，線上可能存在反射波，反射系數(shù) 不為零，但經(jīng)多次反射后，負(fù)載所得到的功率比無反不為零，但經(jīng)多次反射后，負(fù)載所得到的功率比無反 射匹配負(fù)載時(shí)還要大。射匹配負(fù)載時(shí)還要大。 ,LgXXLgRR 218LcmggPERLcmLmPPgZLZ0gLXX 傳輸線的電路理論傳輸線

5、的電路理論阻抗匹配阻抗匹配負(fù)載匹配的優(yōu)點(diǎn)負(fù)載匹配的優(yōu)點(diǎn)傳輸線的功率容量最大傳輸線的功率容量最大傳輸線的效率最高傳輸線的效率最高微波源工作較穩(wěn)定微波源工作較穩(wěn)定 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配匹配網(wǎng)絡(luò)的要求：匹配網(wǎng)絡(luò)的要求：簡(jiǎn)單、易行、可靠；簡(jiǎn)單、易行、可靠；附加損耗??；附加損耗??；頻帶寬；頻帶寬；可調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié), ,用以匹配可變的負(fù)載阻抗（僅用于測(cè)量系用以匹配可變的負(fù)載阻抗（僅用于測(cè)量系統(tǒng)）。統(tǒng)）。 阻抗匹配的方法阻抗匹配的方法 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配 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置于特性阻抗不同的均勻傳輸線之間或傳輸系統(tǒng)與

6、負(fù)載之間起阻抗匹配作用。傳輸系統(tǒng)與負(fù)載之間起阻抗匹配作用。 4g常用的匹配方法常用的匹配方法 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配情形情形 I情形情形 II對(duì)于該圖所示的結(jié)構(gòu)，容易推導(dǎo)要使對(duì)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(shí)數(shù)，因此，由于無耗傳輸線的特性阻抗是實(shí)數(shù)，因此， 阻抗變阻抗變換器原則上只用于匹配純電阻負(fù)載，即換器原則上只用于匹配純電阻負(fù)載，即 ，所以，所以 0in 00L 4/gLLR00LR 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配阻抗匹配時(shí)，則阻抗匹配時(shí)，則若負(fù)載值為復(fù)數(shù)，仍可使用若負(fù)載值為復(fù)數(shù)，仍可使用 阻抗變換器，只需將接阻抗

7、變換器，只需將接入點(diǎn)選在電壓波節(jié)或電壓波腹處。入點(diǎn)選在電壓波節(jié)或電壓波腹處。 00102 4/g 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配阻抗變換器帶寬阻抗變換器帶寬4g 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配相對(duì)帶寬相對(duì)帶寬 5.5%相對(duì)帶寬相對(duì)帶寬 15.6%特性阻抗特性阻抗 Z0=50歐姆歐姆阻抗變換器帶寬阻抗變換器帶寬4g 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配特性阻抗特性阻抗 Z0=50歐姆歐姆負(fù)載阻抗越接近特性阻抗負(fù)載阻抗越接近特性阻抗,匹配效果越好匹配效果越好 阻抗匹配器屬于點(diǎn)頻匹配，即使考慮一定的反射容阻抗匹配器屬于點(diǎn)頻匹配，即使考慮一定的反射容限，

8、相對(duì)帶寬也較窄限，相對(duì)帶寬也較窄, ,特別是在阻抗變換比較大的情況下。特別是在阻抗變換比較大的情況下。多節(jié)多節(jié) 阻抗變換器，可獲得更寬的工作頻帶阻抗變換器，可獲得更寬的工作頻帶兩節(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(jí)阻抗變換器由兩節(jié)不同特性阻抗的傳輸線段級(jí)聯(lián)而成。聯(lián)而成。 4/g4/g4/g 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配3440100LRR3440201/LLRRR 0LRRZ 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配課后設(shè)計(jì)作業(yè)課后設(shè)計(jì)作業(yè): 請(qǐng)用請(qǐng)用matlab計(jì)算并討論帶寬問題計(jì)算并討論帶寬問題, 特性阻抗特性阻抗50歐姆歐姆,負(fù)載阻抗負(fù)載阻抗800

9、歐姆歐姆,分別分別用單支節(jié)和雙支節(jié)四分之一波長(zhǎng)阻抗變用單支節(jié)和雙支節(jié)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器給出計(jì)算結(jié)果并比較帶寬換器給出計(jì)算結(jié)果并比較帶寬(駐波駐波1.2),中心頻率可以任意選定。中心頻率可以任意選定。(可以可以3個(gè)同學(xué)為個(gè)同學(xué)為1組組(自愿組合自愿組合),參加討論參加討論,用用圖形曲線表示并打印圖形曲線表示并打印,給出結(jié)論給出結(jié)論. 下次課交下次課交) 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配 單支節(jié)匹配器是在距離負(fù)載單支節(jié)匹配器是在距離負(fù)載d d處并聯(lián)或串聯(lián)處并聯(lián)或串聯(lián)長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為L(zhǎng) L的終端短路或開路的短截線構(gòu)成。調(diào)節(jié)的終端短路或開路的短截線構(gòu)成。調(diào)節(jié)d d和和L L就可以實(shí)現(xiàn)阻

10、抗調(diào)配，從而達(dá)到阻抗匹配目的。就可以實(shí)現(xiàn)阻抗調(diào)配，從而達(dá)到阻抗匹配目的。 單支節(jié)匹配器單支節(jié)匹配器串聯(lián)支節(jié)串聯(lián)支節(jié)并聯(lián)支節(jié)并聯(lián)支節(jié) 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配 設(shè)計(jì)并聯(lián)單支節(jié)匹配器的任務(wù)在于確定負(fù)載設(shè)計(jì)并聯(lián)單支節(jié)匹配器的任務(wù)在于確定負(fù)載到參考面的距離到參考面的距離d d和支節(jié)長(zhǎng)度和支節(jié)長(zhǎng)度L L?？刹捎谩？刹捎媒馕龇ń馕龇ɑ蚧驁D解法圖解法來計(jì)算。來計(jì)算。并聯(lián)單支節(jié)匹配器并聯(lián)單支節(jié)匹配器 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配該方法計(jì)算較為復(fù)雜，可根據(jù)負(fù)載的具體情況，分兩類討論：該方法計(jì)算較為復(fù)雜，可根據(jù)負(fù)載的具體情況，分兩類討論：第一種情況：第一種情況： 為純阻

11、負(fù)載，即為純阻負(fù)載，即支節(jié)接入位置：支節(jié)接入位置：支節(jié)長(zhǎng)度：支節(jié)長(zhǎng)度： LYLLYG11cos41gLLGdG121gLLGltgG解析法解析法 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論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)思路：先計(jì)算出波節(jié)的位置思路：先計(jì)算出波節(jié)的位置 ，接入點(diǎn)處的輸入導(dǎo)納，接入點(diǎn)處的輸入導(dǎo)納值便為實(shí)數(shù)。最后可算出：值便為實(shí)數(shù)。最后可算出：LLLYGj minl1min0min1cos41gSddS121gSltgS 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配求解較為簡(jiǎn)單，可分為兩個(gè)步驟。求解較為簡(jiǎn)單，可分為兩個(gè)步驟。1. 找出負(fù)載歸一化導(dǎo)納值在導(dǎo)納圓圖中的對(duì)

12、應(yīng)點(diǎn)找出負(fù)載歸一化導(dǎo)納值在導(dǎo)納圓圖中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(diǎn)讀出點(diǎn)M順時(shí)轉(zhuǎn)至順時(shí)轉(zhuǎn)至A、B的長(zhǎng)度的長(zhǎng)度 、 讀出讀出A、B處得導(dǎo)納值處得導(dǎo)納值 、1G 1d2d1jb1jb圖解法圖解法2.2.在在 處并聯(lián)一個(gè)短路支節(jié)：處并聯(lián)一個(gè)短路支節(jié)：由導(dǎo)納圓圖中的短路點(diǎn)由導(dǎo)納圓圖中的短路點(diǎn)C C 順時(shí)轉(zhuǎn)至順時(shí)轉(zhuǎn)至 點(diǎn)點(diǎn)D CD C、D D間間的距離即為支節(jié)歸一化電長(zhǎng)度。的距離即為支節(jié)歸一化電長(zhǎng)度。在在 處并聯(lián)一個(gè)短路支節(jié)：處并聯(lián)一個(gè)短路支節(jié)：由導(dǎo)納圓圖中的短路點(diǎn)由導(dǎo)納圓圖中的短路點(diǎn)C C 順時(shí)轉(zhuǎn)至順時(shí)轉(zhuǎn)至 點(diǎn)點(diǎn) C C點(diǎn)與該點(diǎn)點(diǎn)與該點(diǎn)的距離即為支節(jié)歸

13、一化電長(zhǎng)度。的距離即為支節(jié)歸一化電長(zhǎng)度。jb1d2djb 用圖解法計(jì)算：串聯(lián)單支節(jié)與計(jì)算并聯(lián)單支用圖解法計(jì)算：串聯(lián)單支節(jié)與計(jì)算并聯(lián)單支節(jié)完全類似，但這時(shí)應(yīng)在阻抗圓圖上進(jìn)行。節(jié)完全類似，但這時(shí)應(yīng)在阻抗圓圖上進(jìn)行。 用解析法計(jì)算：采用并聯(lián)支節(jié)相似的分析用解析法計(jì)算：采用并聯(lián)支節(jié)相似的分析（此時(shí)用阻抗而不用導(dǎo)納），可得串聯(lián)支節(jié)接入（此時(shí)用阻抗而不用導(dǎo)納），可得串聯(lián)支節(jié)接入位置位置 串聯(lián)支節(jié)長(zhǎng)度為串聯(lián)支節(jié)長(zhǎng)度為1min1cos41gSdlS112gSltgS 串聯(lián)單支節(jié)匹配器串聯(lián)單支節(jié)匹配器 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：l匹配不同負(fù)載時(shí)，只需調(diào)節(jié)支節(jié)長(zhǎng)度匹配不同負(fù)載時(shí)，

14、只需調(diào)節(jié)支節(jié)長(zhǎng)度L L，無需調(diào)節(jié)，無需調(diào)節(jié)d;d;l三支節(jié)匹配器克服了雙支節(jié)匹配區(qū)存在三支節(jié)匹配器克服了雙支節(jié)匹配區(qū)存在“匹配禁區(qū)匹配禁區(qū)”的缺點(diǎn)。的缺點(diǎn)。 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 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配 線與線與 支節(jié)聯(lián)合匹配器支節(jié)聯(lián)合匹配器4/g4/g 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配 當(dāng)當(dāng) 阻抗匹配器阻抗匹配器節(jié)數(shù)增加時(shí)，兩節(jié)之間阻抗變節(jié)數(shù)增加時(shí)，兩節(jié)之間阻抗變換就較??；當(dāng)節(jié)數(shù)無限多的極限情況下，就變成換就較小；當(dāng)節(jié)數(shù)無限多的極限情況下，就變成了連續(xù)的漸變傳輸線?？蓪?shí)現(xiàn)較寬頻帶內(nèi)的匹配。了連續(xù)的漸變傳輸線?？蓪?shí)現(xiàn)較寬

15、頻帶內(nèi)的匹配。/4漸變傳輸線匹配器漸變傳輸線匹配器 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配 0000000000( )( )11ln( )ln( )( )( )2( )22zdzdddzdzzdzzdzzdz 2201ln( )2jzjzdddz eezdzdz 此反射系數(shù)對(duì)漸變線輸入端總反射系數(shù)的貢獻(xiàn)為此反射系數(shù)對(duì)漸變線輸入端總反射系數(shù)的貢獻(xiàn)為 2001ln( )2Ljzdezdzdz 于是于是 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配例如例如000( )(0)bzbzzee 00ln( )lnzbz 00ln( )lnlnLLRbL 當(dāng)當(dāng)z=L時(shí)時(shí)因此因此011lnlnLRbRLL（R為阻抗變換比）為阻抗變換比） 傳輸線的電路理論傳輸線的電路理論阻抗匹配阻抗匹配最后可得最后可得2001ln1sinlnln22Ljzj LdRLezdzeRdzLL LLRsinln