微波技術(shù)阻抗匹配

1、1 1阻抗匹配概念阻抗匹配概念(impedance match)(impedance match)阻抗匹配：是使微波電路或系統(tǒng)無反射、使系統(tǒng)處于阻抗匹配：是使微波電路或系統(tǒng)無反射、使系統(tǒng)處于行波或盡量接近行波狀態(tài)的技術(shù)措施。行波或盡量接近行波狀態(tài)的技術(shù)措施。1 1）阻抗匹配的重要性）阻抗匹配的重要性l l 匹配時(shí)傳輸給傳輸線和負(fù)載的功率最大，饋線匹配時(shí)傳輸給傳輸線和負(fù)載的功率最大，饋線中的功率損耗最??；中的功率損耗最??；l l 阻抗失配時(shí)傳輸大功率信號(hào)易導(dǎo)致?lián)舸?；阻抗失配時(shí)傳輸大功率信號(hào)易導(dǎo)致?lián)舸籰 l 阻抗失配時(shí)反射波會(huì)對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生頻率牽引作用，阻抗失配時(shí)反射波會(huì)對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生頻率牽引作用，

2、使信號(hào)源工作不穩(wěn)定，甚至不能正常工作。使信號(hào)源工作不穩(wěn)定，甚至不能正常工作。其重要性：其重要性：在傳輸系統(tǒng)中一般情況下：在傳輸系統(tǒng)中一般情況下：00,LgZZ ZZ構(gòu)2 2）阻抗匹配問題）阻抗匹配問題 負(fù)載與傳輸線之間的負(fù)載與傳輸線之間的阻抗匹配，阻抗匹配，ZL=Z0方法：在負(fù)載與傳輸線之間接入匹配裝置，在匹配裝方法：在負(fù)載與傳輸線之間接入匹配裝置，在匹配裝置處的置處的Zin=Z0（傳輸線的特性阻抗）。（傳輸線的特性阻抗）。目的：目的：負(fù)載端無反射負(fù)載端無反射。實(shí)質(zhì)：人為產(chǎn)生一反射波，與實(shí)際負(fù)載的反射波相抵消。實(shí)質(zhì)：人為產(chǎn)生一反射波，與實(shí)際負(fù)載的反射波相抵消。ZLEgZgZ0,Zin在源端和負(fù)

3、載端均有反射。在源端和負(fù)載端均有反射。匹配裝置ZLZ0EgZgZin=Z0匹配裝置匹配裝置ZLEgZgZ0 信號(hào)源與傳輸線之信號(hào)源與傳輸線之間的阻抗匹配間的阻抗匹配a. .信號(hào)源與負(fù)載線的匹配信號(hào)源與負(fù)載線的匹配實(shí)際情況：負(fù)載端總有反射，用隔離器吸收反實(shí)際情況：負(fù)載端總有反射，用隔離器吸收反射信號(hào)，使信號(hào)源穩(wěn)定工作。射信號(hào)，使信號(hào)源穩(wěn)定工作。目的：目的：信號(hào)源端無反射信號(hào)源端無反射條件：使條件：使Zin=Zg方法：在信號(hào)源與傳輸線之間接入匹配裝置方法：在信號(hào)源與傳輸線之間接入匹配裝置Zinb b. . 信號(hào)源的共軛匹配信號(hào)源的共軛匹配條件：使條件：使 ，或，或*ingZZ=,ingingRRX

4、X= -目的：目的：信號(hào)源功率輸出最大信號(hào)源功率輸出最大方法：在信號(hào)源與傳輸線之間接入匹配裝置方法：在信號(hào)源與傳輸線之間接入匹配裝置應(yīng)用：微波有源電路。應(yīng)用：微波有源電路。匹配裝置匹配裝置ZLEgZgZ0Zg*例如，例如， 當(dāng)則整個(gè)系統(tǒng)上無反射，當(dāng)則整個(gè)系統(tǒng)上無反射，但此時(shí)傳送給負(fù)載的功率僅源輸出功率的為但此時(shí)傳送給負(fù)載的功率僅源輸出功率的為一半，傳輸效率僅為一半，傳輸效率僅為50%。而要提高效率則。而要提高效率則只能減少只能減少Zg，這樣就不再能維持，這樣就不再能維持0gLZZZ=0gZZ=注意：注意：最佳效率最佳效率與與無反射無反射有時(shí)有時(shí)有矛盾有矛盾。ZLEgZgZ0,ZinEgZ0Zi

5、n=Z0Im1 1負(fù)載阻抗匹配方法負(fù)載阻抗匹配方法要求匹配網(wǎng)絡(luò)要求匹配網(wǎng)絡(luò)簡單易行簡單易行附加損耗小附加損耗小頻帶寬頻帶寬可調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)(1)(1)集總元件集總元件L節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)jBZLjXjXZLjBZ0Z0 圖圖a. . z zL L實(shí)部大于實(shí)部大于1 1 圖圖b b. .z zL L實(shí)部小于實(shí)部小于1 1適用范圍：適用范圍：f 1 1GHz用兩個(gè)電抗（電感或電容）元件組成的用兩個(gè)電抗（電感或電容）元件組成的L節(jié)網(wǎng)絡(luò)來節(jié)網(wǎng)絡(luò)來使任意負(fù)載阻抗（在某頻率上）與傳輸線匹配。使任意負(fù)載阻抗（在某頻率上）與傳輸線匹配?？衫檬访芩箞A圖進(jìn)行快速精確的設(shè)計(jì)?？衫檬访芩箞A圖進(jìn)行快速精確的設(shè)計(jì)。/4

6、ZinZ01RLZ0in201inLZZR=如圖：應(yīng)用如圖：應(yīng)用/4/4線段的阻抗變換性：線段的阻抗變換性：匹配時(shí)應(yīng)有：匹配時(shí)應(yīng)有：Zin= =Z0 0010LZZR=則則/4/4線的特性阻抗應(yīng)為：線的特性阻抗應(yīng)為：特點(diǎn)：簡單、實(shí)用特點(diǎn)：簡單、實(shí)用使用范圍：實(shí)負(fù)載阻抗與傳輸線匹配。使用范圍：實(shí)負(fù)載阻抗與傳輸線匹配。(2)/4(2)/4變換器變換器如果負(fù)載為如果負(fù)載為Z ZL L（復(fù)數(shù)），則可在（復(fù)數(shù)），則可在/4/4變換器與負(fù)載之間變換器與負(fù)載之間加上一段移相線段，或在負(fù)載處并聯(lián)或串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍辜由弦欢我葡嗑€段，或在負(fù)載處并聯(lián)或串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍苟探鼐€短截線-先變成實(shí)阻抗，再進(jìn)行阻抗變換。先變成實(shí)

7、阻抗，再進(jìn)行阻抗變換。由于由于l/4l/4變換器，與波長變換器，與波長有關(guān)，頻帶變窄。有關(guān)，頻帶變窄。如要求在寬帶工作時(shí)（或如要求在寬帶工作時(shí)（或兩阻抗比過大時(shí)），可采兩阻抗比過大時(shí)），可采用雙節(jié)、三節(jié)等多節(jié)用雙節(jié)、三節(jié)等多節(jié)/4/4變換器結(jié)構(gòu)。變換器結(jié)構(gòu)。ZLZ0/4ZinZ01ZLZ0inZ0d已知：已知： ；求：用求：用/4/4變換器進(jìn)行匹配的位置變換器進(jìn)行匹配的位置d d 及及 。01Z解：已知在電壓最小點(diǎn)和電壓最大點(diǎn)輸入阻抗為解：已知在電壓最小點(diǎn)和電壓最大點(diǎn)輸入阻抗為純電阻，故此阻抗匹配器應(yīng)在此點(diǎn)接入。純電阻，故此阻抗匹配器應(yīng)在此點(diǎn)接入。 例例:向電源方向最近的為向電源方向最近的為

8、點(diǎn)，點(diǎn)， ；maxVmax0.25l=% %24. 26 . 1jzL 203. 0 Ll；相對(duì)應(yīng)；相對(duì)應(yīng)/4ZinZ01RLZ0indZ0ZL 50);(112800ZjZL該點(diǎn)的阻抗為：該點(diǎn)的阻抗為： max5.15z=即即max257.5()ZW W=則則01max0257.550113.5()ZZZW W=max()(0.250.203)0.042Ldlll ll l=-=-=% % %則阻抗轉(zhuǎn)換器的接入位置：則阻抗轉(zhuǎn)換器的接入位置： /4ZinZ01RLZ0indZ0ZL用公式計(jì)算：用公式計(jì)算：/4ZinZ01RLZ0indZ0ZL先求第一個(gè)電壓最大點(diǎn)先求第一個(gè)電壓最大點(diǎn)或電壓最小點(diǎn)

9、的位置，或電壓最小點(diǎn)的位置，即接入位置即接入位置dmax1或或dmin1, 由輸入阻抗由輸入阻抗公式求該點(diǎn)公式求該點(diǎn)的的Zin=Rin再由再由 /4阻抗變阻抗變換器公式求其換器公式求其特性阻抗特性阻抗Z01010inZZ R=(3) (3) 支節(jié)調(diào)配器支節(jié)調(diào)配器支節(jié)調(diào)配器是在距離負(fù)載某固定位置上并聯(lián)支節(jié)調(diào)配器是在距離負(fù)載某固定位置上并聯(lián)或串聯(lián)終端短路或開路的傳輸線段構(gòu)成。或串聯(lián)終端短路或開路的傳輸線段構(gòu)成。常用并聯(lián)調(diào)配支節(jié)。常用并聯(lián)調(diào)配支節(jié)。支節(jié)數(shù)可以是一條、兩條、三條或更多。支節(jié)數(shù)可以是一條、兩條、三條或更多。ABa. .單支節(jié)調(diào)配器單支節(jié)調(diào)配器支節(jié)調(diào)配器是在距離負(fù)載支節(jié)調(diào)配器是在距離負(fù)載

10、d 處并聯(lián)或串聯(lián)長度為處并聯(lián)或串聯(lián)長度為 l 的終端的終端短路或開路的短截線構(gòu)成。短路或開路的短截線構(gòu)成。調(diào)節(jié)變量：調(diào)節(jié)變量：d, ,l并聯(lián)支節(jié)：由負(fù)載阻抗經(jīng)并聯(lián)支節(jié)：由負(fù)載阻抗經(jīng) d 距離變換后，距離變換后，在在B點(diǎn)的導(dǎo)納點(diǎn)的導(dǎo)納Y=Y0+jB，如支節(jié)，如支節(jié)的電納為的電納為-jB，達(dá)到匹配；達(dá)到匹配；串聯(lián)支節(jié)：由負(fù)載阻抗經(jīng)串聯(lián)支節(jié)：由負(fù)載阻抗經(jīng)d 距離變換后，在距離變換后，在B點(diǎn)的阻抗點(diǎn)的阻抗Z=Z0+jX，如支節(jié)的電，如支節(jié)的電抗為抗為-jX，達(dá)到匹配。達(dá)到匹配。AB1)1)并聯(lián)單支節(jié)公式分析并聯(lián)單支節(jié)公式分析令：令：ZL=1/YL=RL+jXLdtgjXRjZdtgjZjXRZdZLL

11、LL )()()(000 則由支節(jié)處向負(fù)載看去的輸入阻抗：則由支節(jié)處向負(fù)載看去的輸入阻抗：2022)()1(tZXRtRGLLL )()(2020002tZXRZtZXtXZtRBLLLLL 令令 t = =tg(d) 則其輸入導(dǎo)納為：則其輸入導(dǎo)納為：Y=1/Z=G+jBAB選擇選擇 d 使使G= =Y0=1/=1/Z0，代入可得，代入可得 t 的二次方程：的二次方程：0)(2)(2200200 LLLLLXRZRtZXtZRZ則則 0),(210,21tarctgttarctgtd 00000220,2,/ )(ZRZXZRZRZXRZRXtLLLLLLLL解得解得如若求得長度為負(fù)值，應(yīng)加上

12、如若求得長度為負(fù)值，應(yīng)加上/2/2取其正值。取其正值。支節(jié)的輸入電納：支節(jié)的輸入電納：BBs 則支節(jié)的長度為：則支節(jié)的長度為： BYarctgBYarctglssc002121 短路支節(jié)：短路支節(jié)： 02121YBarctgYBarctglosoc 開路支節(jié)：開路支節(jié)：例：例：Z0=50，ZL=25+j75，無，無耗線，求單支節(jié)耗線，求單支節(jié)短路短路并聯(lián)匹并聯(lián)匹配器的位置配器的位置 d 和長度和長度 l。分析：應(yīng)使在分析：應(yīng)使在C點(diǎn)之后反射波為零點(diǎn)之后反射波為零C點(diǎn)：并聯(lián)之后的歸一化導(dǎo)納點(diǎn)：并聯(lián)之后的歸一化導(dǎo)納yC=y1+y2=1。 由于由于y2=jb2 (短路支節(jié)短路支節(jié))B點(diǎn)：在并聯(lián)前應(yīng)為

13、點(diǎn)：在并聯(lián)前應(yīng)為yB=y1=yC-y2=1-jb2。即即r=1的圓。的圓。即：負(fù)載導(dǎo)納即：負(fù)載導(dǎo)納yL經(jīng)經(jīng)d 的距離后應(yīng)為的距離后應(yīng)為y1=1-jb2 ;由于傳輸線無耗，故在線上為沿等由于傳輸線無耗，故在線上為沿等 圓旋轉(zhuǎn)，選擇圓旋轉(zhuǎn)，選擇d，使，使y1=1-jb2。（y1 落在落在 r=1 的圓上的圓上)ABC2 2）利用圓圖分析單支節(jié)阻抗匹配器）利用圓圖分析單支節(jié)阻抗匹配器解：解：歸一化負(fù)載阻抗：歸一化負(fù)載阻抗：00.51.5LLZzjZ=+相應(yīng)的歸一化負(fù)載導(dǎo)納為：相應(yīng)的歸一化負(fù)載導(dǎo)納為： yL=0.2-j0.6=0.2-j0.6其對(duì)應(yīng)的波長數(shù)為：其對(duì)應(yīng)的波長數(shù)為： 0.4120.412由

14、由yL沿等沿等 圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與與g=1=1的圓交于兩點(diǎn)的圓交于兩點(diǎn) L波長數(shù)為波長數(shù)為0.1920.192波長數(shù)為波長數(shù)為0.3080.308112.2yj=+112.2yj=-ABC 支節(jié)的位置為：支節(jié)的位置為： (0.50.4120.192)0.0880.1920.28(0.50.4120.308)0.0880.3080.396ddl ll ll ll ll ll ll ll l=-+=+=-+=+= 短路支節(jié)短路支節(jié)的歸一化輸?shù)臍w一化輸入電納為：入電納為：212112.212.2yyjyyj=-= -=-= +220.3180.182lll ll l=求求短路支節(jié)短路支節(jié)的長

15、度：短路時(shí)的長度：短路時(shí)y yL2L2=,=,位于實(shí)軸右端點(diǎn)，位于實(shí)軸右端點(diǎn)， lL2=0.25由此點(diǎn)至支節(jié)歸一化電納點(diǎn)（由此點(diǎn)至支節(jié)歸一化電納點(diǎn)（y y2 2或或y y2 2順時(shí)針?biāo)D(zhuǎn)的波順時(shí)針?biāo)D(zhuǎn)的波長數(shù)即為短路支節(jié)的長度）長數(shù)即為短路支節(jié)的長度）220.3180.250.068Lllll ll ll l=-=-=220.50.250.1820.432Llllllllll =-+=+=在上面兩個(gè)解中一般選在上面兩個(gè)解中一般選取較短的一對(duì)。取較短的一對(duì)。雙支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)雙支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)AB 單支節(jié)調(diào)配器中因要求單支節(jié)調(diào)配器中因要求 d 可調(diào)，對(duì)于同軸線、波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)可調(diào)，對(duì)于同軸線、波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)中較難調(diào)。故常采用雙支節(jié)調(diào)配器。一般為并聯(lián)支節(jié)。中較難調(diào)。故常采用雙支節(jié)調(diào)配器。一般為并聯(lián)支節(jié)。能兩支節(jié)之間的距離能兩支節(jié)之間的距離d = =/8, /8, /4, 3/4, 3/8 (/8 (注意不能注意不能選取選取/2)/2)，不可調(diào)；兩支節(jié)長度為，不可調(diào)；兩支節(jié)長度為l1 1和和l2 2，可調(diào)節(jié)。，可調(diào)節(jié)。漸變線漸變線 在用在用/4/4變換匹配器時(shí)，若阻抗變換比很大或變換匹配器時(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)變換器要求寬頻帶工