1、微波技術(shù)基礎(chǔ),徐銳敏 教授 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 地點(diǎn)：清水河校區(qū)科研樓C309 電話：61830173 電郵：,5.11 阻抗匹配 5.11.1 阻抗匹配的思想 阻抗匹配的重要性： 使微波傳輸系統(tǒng)能將波源的功率有效地傳給負(fù)載； 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)系到微波元器件的性能以及微波測量的系統(tǒng)誤差和 測量精度。 阻抗匹配的分類： 無反射匹配； 共軛匹配。,5.11 阻抗匹配,無反射匹配 負(fù)載匹配負(fù)載與傳輸線之間的匹配； 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， 傳輸線上呈行波狀態(tài)。 波源匹配波源與傳輸線之間的匹配； 匹配條件： 匹配后傳輸線狀態(tài)：波源

2、經(jīng)匹配后對傳輸線不產(chǎn)生波 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 不產(chǎn)生二次反射。,5.11 阻抗匹配,共軛匹配 定義：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T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 如圖： T處向負(fù)載看去： 向波源看去：,5.11 阻抗匹配,根據(jù)電路理論，圖中 吸收最大功率的條件為: 即： 兩者的電阻應(yīng)相等，電抗的數(shù)值相等，而性質(zhì)相反。,思考題： 如果某一參考面滿足共軛匹配，則線上處處滿足共軛匹配。,5.11 阻抗匹配,匹配下的負(fù)載吸收功率情況 負(fù)載吸收功率可表示為： 無反射匹配情況 可見負(fù)載吸收的功率為源輸出功率的一半，而

3、另一半消 耗在內(nèi)阻 上。,5.11 阻抗匹配,共軛匹配情況 可見 （等號僅在傳輸線無耗， 和 為實(shí)數(shù))，即 成立 注意：共軛匹配時，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射匹配負(fù)載時還要大。,5.11 阻抗匹配,負(fù)載匹配的其他優(yōu)點(diǎn) 傳輸線的功率容量最大,失配時傳輸大功率易導(dǎo)致?lián)舸?傳輸線的效率最高，饋線中的功率損耗最?。?微波源工作較穩(wěn)定。 輸入阻抗等于傳輸線特性阻抗，稍有改變時，輸入 阻抗不變 ，微波源的頻率和輸出功率不會被牽引。 實(shí)際工程上的匹配是指在某一給定頻率范圍內(nèi)，反 射系數(shù)或駐波系數(shù)小于規(guī)定值。,5.11 阻抗匹配,5.11.2 阻抗匹配的方法

4、 當(dāng)信號源和負(fù)載與傳輸線不匹配時，可以在它們之間插 入阻抗變換元件或二端口網(wǎng)絡(luò)，使包括此元件或網(wǎng)絡(luò)在 內(nèi)的新負(fù)載與傳輸線匹配。如圖所示： 匹配網(wǎng)絡(luò)的要求： 簡單、易行、可靠；附加損耗??；頻帶寬； 可調(diào)節(jié)以匹配可變的負(fù)載阻抗（僅用于測量系統(tǒng)）。,以毒攻毒,5.11 阻抗匹配,常用的匹配方法 阻抗變換器 置于特性阻抗不同的均勻傳輸線之間或傳輸系統(tǒng)與負(fù)載 之間起阻抗匹配作用。如圖所示：,5.11 阻抗匹配,對于該圖所示的結(jié)構(gòu)，容易推導(dǎo)要使T處 由于無耗傳輸線的特性阻抗是實(shí)數(shù)，因此， 阻抗變 換器原則上只用于匹配純電阻負(fù)載，即 ，所以,5.11 阻抗匹配,對于上圖所示的情況，要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，則 若負(fù)載

5、值為復(fù)數(shù)，仍可使用 阻抗變換器，只需將接 入點(diǎn)選在電壓波節(jié)或電壓波腹處。 通常選在電壓波節(jié)處接入為宜，可使變換器的特性阻抗 小于主傳輸線的特性阻抗。,5.11 阻抗匹配,阻抗匹配器屬于點(diǎn)頻匹配，即使考慮一定的反射容 限，相對帶寬也較窄。 多節(jié) 阻抗變換器，可獲得更寬的工作頻帶，下圖的 兩節(jié) 阻抗變換器由兩節(jié)不同特性阻抗的傳輸線段級 聯(lián)而成。,5.11 阻抗匹配,在最佳頻響特性下，兩節(jié)變換器的特性阻抗分別為: 其中： 稱為變換比。,5.11 阻抗匹配,單支節(jié)匹配器 單支節(jié)匹配器是在距離負(fù)載d處并聯(lián)或串聯(lián)長度為L的終端 短路或開路的短截線構(gòu)成。調(diào)節(jié)d和L就可以實(shí)現(xiàn)阻抗調(diào)配， 從而達(dá)到阻抗匹配目的。

6、結(jié)構(gòu)如圖所示： 并聯(lián)支節(jié) 串聯(lián)支節(jié),5.11 阻抗匹配,基本思路： 通過長度為d的傳輸線，將負(fù)載為Zl變化為輸入阻抗ZinZ0jX； 選取長度為l，終端開路或短路的并聯(lián)或串聯(lián)分支傳輸線，是其輸入電鈉為 jX； 分支節(jié)處的輸入為Z0，即匹配。 方便起見傳輸線的特性阻抗均為Z0，負(fù)載阻抗Zl事先給定，調(diào)配參數(shù)為d和l,5.11 阻抗匹配,并聯(lián)單支節(jié)匹配器 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d和支節(jié)長度L。可采用解析法或圖解法來計(jì)算。,5.11 阻抗匹配,解析法的思路： 負(fù)載阻抗為 經(jīng)長度為d傳輸線變換后的輸入阻抗為,令等式兩端的實(shí)部和虛部分別相等，可求出d和B，可得串聯(lián)支節(jié)的輸

7、入電鈉BsB，由此可求出對應(yīng)的短路或開路支節(jié)的長度l。 思考題：串聯(lián)支節(jié)又如何計(jì)算？,5.11 阻抗匹配,解析法(并聯(lián)支節(jié)) 該方法較為復(fù)雜，可根據(jù)負(fù)載的具體情況，分兩類討論： 第一種情況： 為純阻負(fù)載，即 支節(jié)接入位置： 支節(jié)長度：,5.11 阻抗匹配,第二種情況： 為復(fù)數(shù) 思路：先計(jì)算出波節(jié)的位置 ，接入點(diǎn)處的輸入導(dǎo)納 值便為實(shí)數(shù)。最后可算出：,5.11 阻抗匹配,圖解法 求解較為簡單，可分為兩個步驟。 1. 找出負(fù)載歸一化導(dǎo)納值在導(dǎo)納圓圖中的對應(yīng)點(diǎn)M 作等反射系數(shù)圓交 的匹配圓與A、B 讀出點(diǎn)M順時轉(zhuǎn)至A、B的長度 、 讀出A、B處得導(dǎo)納值 、,5.11 阻抗匹配,2. 在 處并聯(lián)一個短

8、路支節(jié)： 由導(dǎo)納圓圖中的短路點(diǎn)C順時轉(zhuǎn)至 點(diǎn)D C、D間 的距離即為支節(jié)歸一化電長度。 在 處并聯(lián)一個短路支節(jié)： 由導(dǎo)納圓圖中的短路點(diǎn)C順時轉(zhuǎn)至 點(diǎn) C點(diǎn)與該點(diǎn) 的距離即為支節(jié)歸一化電長度。,5.11 阻抗匹配,注意：可能出現(xiàn)兩組解d1和l1，d2和l2，取短者。,串聯(lián)單支節(jié)匹配器 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（此時用阻抗 而不用導(dǎo)納），可得串聯(lián)支節(jié)接入位置 串聯(lián)支節(jié)長度為,5.11 阻抗匹配,雙支節(jié)匹配器與三支節(jié)匹配器 優(yōu)點(diǎn)： 匹配不同負(fù)載時，只需調(diào)節(jié)支節(jié)長度L，無需調(diào)節(jié)d; 三支節(jié)匹配器客服了雙支節(jié)匹配

9、區(qū)存在“匹配禁區(qū)”的 缺點(diǎn)。,5.11 阻抗匹配,Yl,特點(diǎn)： 固定d，調(diào)節(jié)l1和l2，常用于測量和調(diào)配系統(tǒng)。 通常,解析法： T1處看向負(fù)載的輸入導(dǎo)納 T1處的總導(dǎo)納 Y1=Gl+j(Bl+B1) 經(jīng)長度d變換后,第一支節(jié)的輸入導(dǎo)納,為了匹配 ，Re Y2 Y0，得,解得,實(shí)數(shù)Gl0，有,意味著,注意：給定d匹配得Gl值范圍雙支節(jié)調(diào)配器不能對所有得負(fù)載阻抗都能匹配。,第一支節(jié)輸入電鈉 第二支節(jié)輸入電鈉,對應(yīng)長度： 短路支節(jié) 開路支節(jié),園圖解： 1）由Yl得B點(diǎn)； 2）將1jB園反時針方向旋轉(zhuǎn)d，作出輔助園； 3）找出Gl園與輔助園的交點(diǎn)C（和C），C代表,4）過C點(diǎn)作等園，沿順時針方向與1j

10、B園交于D（和D),D點(diǎn)代表 5）由B1，B1求得 并由B1確定 l1 6）由 確定 l2,注意：雙支節(jié)匹配存在匹配禁區(qū)。（匹配禁區(qū)內(nèi)的Yl點(diǎn)由G園與輔助園難有交點(diǎn)）,線與 支節(jié)聯(lián)合匹配器 工作原理：當(dāng)工作頻率為中心頻率時，支節(jié)不起作用， 匹配器等效為阻抗變換器。當(dāng)頻率偏離中心頻率時，阻 抗變換器引起的反射由支節(jié)產(chǎn)生的反射來抵消，從而使 頻帶增寬。,5.11 阻抗匹配,漸變傳輸線匹配器 當(dāng) 阻抗匹配器節(jié)數(shù)增加時，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，就變成了連續(xù)的漸變 傳輸線。可實(shí)現(xiàn)較寬頻帶內(nèi)的匹配。,5.11 阻抗匹配,漸變線： 傳輸線橫截面尺寸逐漸連續(xù)變化 非均勻傳輸線 寬頻帶匹配,5.11 阻抗匹配,理論上講，漸變線的長度L