微波技术基础阻抗匹配第18次.ppt

1、微波技术基础,徐锐敏 教授 电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼C309 电话：61830173 电邮：,5.11 阻抗匹配 5.11.1 阻抗匹配的思想 阻抗匹配的重要性： 使微波传输系统能将波源的功率有效地传给负载； 关系到系统的传输效率、功率容量与工作稳定性； 关系到微波元器件的性能以及微波测量的系统误差和 测量精度。 阻抗匹配的分类： 无反射匹配； 共轭匹配。,5.11 阻抗匹配,无反射匹配 负载匹配负载与传输线之间的匹配； 匹配条件： 匹配后传输线状态：负载经匹配后不产生波的反射， 传输线上呈行波状态。 波源匹配波源与传输线之间的匹配； 匹配条件： 匹配后传输线状态：波源

2、经匹配后对传输线不产生波 的反射。 实际情况：负载不匹配而产生反射波，但波源匹配将 不产生二次反射。,5.11 阻抗匹配,共轭匹配 定义：负载吸收最大功率的匹配。 匹配条件：传输线上任一参考面T向负载看去的输入 阻抗与向波源看去的输入阻抗互为共轭，即 如图： T处向负载看去： 向波源看去：,5.11 阻抗匹配,根据电路理论，图中 吸收最大功率的条件为: 即： 两者的电阻应相等，电抗的数值相等，而性质相反。,思考题： 如果某一参考面满足共轭匹配，则线上处处满足共轭匹配。,5.11 阻抗匹配,匹配下的负载吸收功率情况 负载吸收功率可表示为： 无反射匹配情况 可见负载吸收的功率为源输出功率的一半，而

3、另一半消 耗在内阻 上。,5.11 阻抗匹配,共轭匹配情况 可见 （等号仅在传输线无耗， 和 为实数)，即 成立 注意：共轭匹配时，线上可能存在反射波，反射系数不为零，但经多次反射后，负载所得到的功率比无反射匹配负载时还要大。,5.11 阻抗匹配,负载匹配的其他优点 传输线的功率容量最大,失配时传输大功率易导致击穿； 传输线的效率最高，馈线中的功率损耗最小； 微波源工作较稳定。 输入阻抗等于传输线特性阻抗，稍有改变时，输入 阻抗不变 ，微波源的频率和输出功率不会被牵引。 实际工程上的匹配是指在某一给定频率范围内，反 射系数或驻波系数小于规定值。,5.11 阻抗匹配,5.11.2 阻抗匹配的方法

4、 当信号源和负载与传输线不匹配时，可以在它们之间插 入阻抗变换元件或二端口网络，使包括此元件或网络在 内的新负载与传输线匹配。如图所示： 匹配网络的要求： 简单、易行、可靠；附加损耗小；频带宽； 可调节以匹配可变的负载阻抗（仅用于测量系统）。,以毒攻毒,5.11 阻抗匹配,常用的匹配方法 阻抗变换器 置于特性阻抗不同的均匀传输线之间或传输系统与负载 之间起阻抗匹配作用。如图所示：,5.11 阻抗匹配,对于该图所示的结构，容易推导要使T处 由于无耗传输线的特性阻抗是实数，因此， 阻抗变 换器原则上只用于匹配纯电阻负载，即 ，所以,5.11 阻抗匹配,对于上图所示的情况，要实现阻抗匹配，则 若负载

5、值为复数，仍可使用 阻抗变换器，只需将接 入点选在电压波节或电压波腹处。 通常选在电压波节处接入为宜，可使变换器的特性阻抗 小于主传输线的特性阻抗。,5.11 阻抗匹配,阻抗匹配器属于点频匹配，即使考虑一定的反射容 限，相对带宽也较窄。 多节 阻抗变换器，可获得更宽的工作频带，下图的 两节 阻抗变换器由两节不同特性阻抗的传输线段级 联而成。,5.11 阻抗匹配,在最佳频响特性下，两节变换器的特性阻抗分别为: 其中： 称为变换比。,5.11 阻抗匹配,单支节匹配器 单支节匹配器是在距离负载d处并联或串联长度为L的终端 短路或开路的短截线构成。调节d和L就可以实现阻抗调配， 从而达到阻抗匹配目的。

6、结构如图所示： 并联支节 串联支节,5.11 阻抗匹配,基本思路： 通过长度为d的传输线，将负载为Zl变化为输入阻抗ZinZ0jX； 选取长度为l，终端开路或短路的并联或串联分支传输线，是其输入电钠为 jX； 分支节处的输入为Z0，即匹配。 方便起见传输线的特性阻抗均为Z0，负载阻抗Zl事先给定，调配参数为d和l,5.11 阻抗匹配,并联单支节匹配器 设计并联单支节匹配器的任务在于确定负载到参考面的 距离d和支节长度L。可采用解析法或图解法来计算。,5.11 阻抗匹配,解析法的思路： 负载阻抗为 经长度为d传输线变换后的输入阻抗为,令等式两端的实部和虚部分别相等，可求出d和B，可得串联支节的输

7、入电钠BsB，由此可求出对应的短路或开路支节的长度l。 思考题：串联支节又如何计算？,5.11 阻抗匹配,解析法(并联支节) 该方法较为复杂，可根据负载的具体情况，分两类讨论： 第一种情况： 为纯阻负载，即 支节接入位置： 支节长度：,5.11 阻抗匹配,第二种情况： 为复数 思路：先计算出波节的位置 ，接入点处的输入导纳 值便为实数。最后可算出：,5.11 阻抗匹配,图解法 求解较为简单，可分为两个步骤。 1. 找出负载归一化导纳值在导纳圆图中的对应点M 作等反射系数圆交 的匹配圆与A、B 读出点M顺时转至A、B的长度 、 读出A、B处得导纳值 、,5.11 阻抗匹配,2. 在 处并联一个短

8、路支节： 由导纳圆图中的短路点C顺时转至 点D C、D间 的距离即为支节归一化电长度。 在 处并联一个短路支节： 由导纳圆图中的短路点C顺时转至 点 C点与该点 的距离即为支节归一化电长度。,5.11 阻抗匹配,注意：可能出现两组解d1和l1，d2和l2，取短者。,串联单支节匹配器 用图解法计算：串联单支节与计算并联单支节完全类似， 但这时应在阻抗圆图上进行。 用解析法计算：采用并联支节相似的分析（此时用阻抗 而不用导纳），可得串联支节接入位置 串联支节长度为,5.11 阻抗匹配,双支节匹配器与三支节匹配器 优点： 匹配不同负载时，只需调节支节长度L，无需调节d; 三支节匹配器客服了双支节匹配

9、区存在“匹配禁区”的 缺点。,5.11 阻抗匹配,Yl,特点： 固定d，调节l1和l2，常用于测量和调配系统。 通常,解析法： T1处看向负载的输入导纳 T1处的总导纳 Y1=Gl+j(Bl+B1) 经长度d变换后,第一支节的输入导纳,为了匹配 ，Re Y2 Y0，得,解得,实数Gl0，有,意味着,注意：给定d匹配得Gl值范围双支节调配器不能对所有得负载阻抗都能匹配。,第一支节输入电钠 第二支节输入电钠,对应长度： 短路支节 开路支节,园图解： 1）由Yl得B点； 2）将1jB园反时针方向旋转d，作出辅助园； 3）找出Gl园与辅助园的交点C（和C），C代表,4）过C点作等园，沿顺时针方向与1j

10、B园交于D（和D),D点代表 5）由B1，B1求得 并由B1确定 l1 6）由 确定 l2,注意：双支节匹配存在匹配禁区。（匹配禁区内的Yl点由G园与辅助园难有交点）,线与 支节联合匹配器 工作原理：当工作频率为中心频率时，支节不起作用， 匹配器等效为阻抗变换器。当频率偏离中心频率时，阻 抗变换器引起的反射由支节产生的反射来抵消，从而使 频带增宽。,5.11 阻抗匹配,渐变传输线匹配器 当 阻抗匹配器节数增加时，两节之间阻抗变换就较 小；当节数无限多的极限情况下，就变成了连续的渐变 传输线。可实现较宽频带内的匹配。,5.11 阻抗匹配,渐变线： 传输线横截面尺寸逐渐连续变化 非均匀传输线 宽频带匹配,5.11 阻抗匹配,理论上讲，渐变线的长度L