微波阻抗匹配课件.ppt

1、1.6 阻抗匹配阻抗匹配n阻抗匹配具有二种，分别是负载阻抗匹配、源阻抗匹配具有二种，分别是负载阻抗匹配、源阻抗匹配阻抗匹配(共轭阻抗匹配共轭阻抗匹配)。n本节内容本节内容n二种匹配二种匹配n阻抗匹配的方法与实现阻抗匹配的方法与实现阻抗匹配意义：阻抗匹配意义：在由信号源、传输线和负载构成的微波传输系统中，一般有两个方面问题。n第一，如果负载与传输线不匹配，反射波，驻波，一方面将降低传输线的功率容量，当传输功率较大，而负载与传输线之间又严重不匹配时，会使驻波比很大，从而有可能造成传输线中填充介质被击穿而形成短路，致使信号源有可能遭到破坏。另一方面，负载与传输线不匹配将增加传输线的衰减。n第二，如果

2、传输线与信号源不匹配，将会影响信号源最大功率输出，而且还会影响信号源输出功率、频率的稳定性。n可见，尽量使传输系统处于或接近于行波状态是很必要的。匹配一般有两种：共轭匹配和阻抗匹配(或行波匹配)。为了使信号源输出最大功率，则要求信号源的内阻抗与传输线始端的输入阻抗互为共扼复数；这就是所谓的共轭匹配共轭匹配。为了使终端负载吸收全部入射功率，而不产生反射波，则要求终端负载与传输线的持性阻抗相等，即所谓的阻抗匹配阻抗匹配。1.阻抗匹配阻抗匹配(impedance matching)(1)负载阻抗匹配：负载阻抗匹配：负载阻抗等于传输线的特性阻抗。负载阻抗等于传输线的特性阻抗。此时传输线上只有从信源到负

3、载的入射波，而无反射波。此时传输线上只有从信源到负载的入射波，而无反射波。(2)源阻抗匹配：源阻抗匹配：电源的内阻等于传输线的特性阻抗。电源的内阻等于传输线的特性阻抗。对匹配源来说，它给传输线的入射功率是不随负载变化的，对匹配源来说，它给传输线的入射功率是不随负载变化的，负载有反射时，反射回来的反射波被电源吸收。负载有反射时，反射回来的反射波被电源吸收。入射波入射波反射波反射波Z0ZlZg(3)共轭匹配共轭匹配lZ0 ZlZgVgZgVgZin=Zg*即即 Zin=Zg*要使信号源输出最大功率，信号源内阻抗和传输要使信号源输出最大功率，信号源内阻抗和传输线始端输入阻抗应互为共轭复数，即共轭匹配

4、。线始端输入阻抗应互为共轭复数，即共轭匹配。gggZRjXinininZRjX*11Re()Re22gginininingingVVPV IZZZZZ2211ReRe22ggininingingVVZZZZZZ22212()()ingingingRVRRXX设信号源内阻抗为 ,传输线始端输入阻抗输入端电压为Vin，输入端电流为I in，则信号输出功率为lZ0 ZlZgVgZgVgZin=Zg*2222222()1102()()()()iningginingingingingRRRPVRRRXXRRXX22222()102()()inggininingingXXPVRXRRXX 为了为了使使信号

5、源输出最大功率，运用数学知识有信号源输出最大功率，运用数学知识有ginRRginXX*ginZZ信号源和始端输入阻抗两者的电阻相等，电抗的数值相等而性质相反信号源和始端输入阻抗两者的电阻相等，电抗的数值相等而性质相反时，信号源输出功率最大，此时这称之为共轭匹配。时，信号源输出功率最大，此时这称之为共轭匹配。求解得：和即21124ggPVR此时最大输出功率为ingingZZZZ 222124()ggggRPVRXginRR0ginXX共轭匹配虽能让信号源输出最大功率，但并不能保证没有反射波反射回信号源。因为在传输线始端反射系数为显然，为了消除反射，这就需进行信号源与负载传输线之间的阻抗匹配，即需

6、Zg=Zin。在满足阻抗匹配条件下，信号源输出功率为为了让信号源既能最大输出功率(共轭匹配)，又无反射波(阻抗匹配或行波匹配)，则必须使和匹配器匹配器1匹配器匹配器2*ginZZn负载阻抗匹配负载阻抗匹配Zl=Z0n信号源阻抗匹配信号源阻抗匹配Zg=Z0 n共轭阻抗匹配共轭阻抗匹配Zin=Zg*Zin=Z0因此：2.阻抗匹配的实现方法阻抗匹配的实现方法 n负载匹配的方法：从频率上划分有窄带匹配和宽带匹配；负载匹配的方法：从频率上划分有窄带匹配和宽带匹配；从实现手段上划分有从实现手段上划分有/4阻抗变换器法、支节调配法。阻抗变换器法、支节调配法。隔离器隔离器或或衰减器衰减器阻抗阻抗匹配匹配(1)

7、/4阻抗变换器阻抗变换器匹配方法匹配方法 此处接/4阻抗变换器0ZZinlRZZ0011)负载阻抗是实数n 阻抗变换器长度取决于波长，因此严格说它只能在阻抗变换器长度取决于波长，因此严格说它只能在中心频率点才能匹配。要展宽频带，一般用多阶梯结构实现中心频率点才能匹配。要展宽频带，一般用多阶梯结构实现 4/电容性负载电容性负载Z0第一个电压波节点第一个电压波节点所处的位置所处的位置Z0Z0Z01l1/4441llRx=Z0/Zi n=Z0001ZZ若是若是电感性负载电感性负载又如何？又如何？LLLZRjX2)负载阻抗具有实部和虚部的复数2)负载阻抗具有实部和虚部的复数n负载上并联一长度合适负载上

8、并联一长度合适(可以计算出来可以计算出来)的短路支线的短路支线(一般不用开路支线一般不用开路支线)，用以抵消负载中的电抗成分，用以抵消负载中的电抗成分，从而使等效负载从而使等效负载(并联短路支线和负载并联短路支线和负载)变为纯电阻变为纯电阻负载。负载。(2)支节调配支节调配法法(stub tuning)n支节调配器是由距离负载的某固定位置上的支节调配器是由距离负载的某固定位置上的并联或串联终端短路或开路的传输线（称之并联或串联终端短路或开路的传输线（称之为支节）构成的。可分为单支节为支节）构成的。可分为单支节(single-stub)调配器、双支节调配器、双支节(double-stub)调配器

9、及多支节调配器及多支节(multiple-stub)调配器。调配器。并联单支节匹配器并联单支节匹配器 串联单支节匹配器串联单支节匹配器 (a)串联单支节调配器串联单支节调配器 Z0ZlZ0Z01 l1maxl2lAABB1arctan21arctan221llll41max已知负载可求得反射已知负载可求得反射系数系数 l和驻波比和驻波比 此处为第一此处为第一波腹点波腹点此处输入阻抗应此处输入阻抗应等于特性阻抗等于特性阻抗(b)并联单支节调配器并联单支节调配器 000arctg2arctg()2lllZdZZ ZlZZlZlY111（1）由负载阻抗求出归一化导纳并在导纳圆图上找到与它对应的点P，

10、该点对应的反射系数的模为(相应的驻波比为)。1jB1jB1G 12,d d（2）由P点开始沿等反射系数圆顺时针方向旋转(对应于传输线上的点向波源方向移动)，与 的圆相交于M和N两点，它们距终端负载的距离分别为 ，M和N两点对应的归一化输入导纳分别为 和 。1d1ljB1d11jBjB（3）在 处并联一个短路支线，并调节其长度 ，使其归一化的输入电纳为 ，则在 处总的等效的归一化输入导纳为 ，于是传输线得到了匹配。注：由于单支节匹配器在传输线上的位置d不能预先确定，需根据负载情况而定，这对于某些传输线的结构或传输系统来说，会带来不方便，这可通过双支节匹配器来解决。(b)并联并联单支节调配器单支节

11、调配器 2lAABB1 l1minlY0Y0Y0441minll1arctan241arctan221ll此处输入导纳应此处输入导纳应等于特性导纳等于特性导纳此处为第一此处为第一波节点波节点000arctg2arctg()2lllZdZZ ZlZZ(c)多支节调配多支节调配(multiple-stub tuning)n单支节匹配的主要缺点是它仅能实现在点频上匹配，单支节匹配的主要缺点是它仅能实现在点频上匹配，要展宽频带，可采用多支节结构来实现。要展宽频带，可采用多支节结构来实现。双支节调配器2/8d1G 2(4/2)drad（1）在导纳圆图，根据双支节匹配器两支节之间距离确定辅助圆。设本匹配的

12、双支节匹配器两支节之间距离为，那么辅助圆就和 圆上所对应的点反射系数相角都分别相差 如图1-6-9所示。需要说明的是，对于某些情况不能得到匹配，即双支节匹配器存在不能匹配的区域称盲区。三支节匹配器例例1-6设一负载阻抗为设一负载阻抗为Zl=100+j50 接入特性阻抗为接入特性阻抗为Z0=50 的的传输传输线上。要用支节调配法实现负载与传输线匹配，试用线上。要用支节调配法实现负载与传输线匹配，试用Smith圆图求支圆图求支节的长度及离负载的距离。节的长度及离负载的距离。解：解：首先在圆图上找到与归一化阻抗首先在圆图上找到与归一化阻抗2+j相对应的点相对应的点P1其归一化导纳即为其归一化导纳即为

13、0.4-j0.2，在圆图上体现为由在圆图上体现为由P1点变到中心对称点变到中心对称的的P2点，点，P2点对应的向电源方向的电长度为点对应的向电源方向的电长度为0.463。0.463将将P2点沿等点沿等l圆顺时针旋转与的电导圆交于圆顺时针旋转与的电导圆交于A点点B 点点AB A点的导纳为点的导纳为1+j1，对应的电长度为对应的电长度为0.159，B点的导点的导纳为纳为1-j1，对应的电长度为对应的电长度为0.338。（1）支节离负载的距离为）支节离负载的距离为 d=0.037+0.159 =0.196 d=0.037+0.338 =0.375 （2）短路支节的长度：短路支节对应的归一化导纳为）短

14、路支节的长度：短路支节对应的归一化导纳为0 j1和和0+j1，分别与分别与1+j1和和1-j1中的虚部相抵消。由于短中的虚部相抵消。由于短路支节负载为短路，对应导纳圆图的右端点。路支节负载为短路，对应导纳圆图的右端点。将短路点顺时针旋转至纯电纳圆（单位圆）与将短路点顺时针旋转至纯电纳圆（单位圆）与b=1和和b=1的交点的交点A,B，旋转的长度分别为：旋转的长度分别为：l=0.375 0.25 =0.125 l=0.125+0.25 =0.375 因此，从以上分析可以得到两组答案，它们分别是因此，从以上分析可以得到两组答案，它们分别是 d=0.196 ,，l=0.125 和和d=0.375 ，l=0.375 与用公式与用公式（1-5-21）和）和(1-5-22)算出的结果相同。算出的结果相同。某某天天线线阻阻抗抗圆圆图图某某天天线线阻阻抗抗圆圆图图