第2讲-匹配理论及匹配网络.ppt

1、第3章 匹配理论,3.1 基本阻抗匹配理论 3.2 射频/微波匹配原理 3.3 集总参数匹配电路 3.4 微带线型匹配电路,1,3.1 基本阻抗匹配理论,从直流电压源驱动负载入手: 基本电路如图3-1（a）所示,s为信号源电压,Rs为信号源内阻,RL为负载电阻。任何形式的电路都可以等效为这个简单形式。我们的目标是使信号源的功率尽可能多的送入负载RL,也就是说,使信号源的输出功率尽可能的大,图 3-1 (a)基本电路,2,这个简单电路中的关系为,可见,信号源的输出功率取决于Us、Rs和RL。在信号源给定的情况下,输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比k。输出功率表达式可以直观地用图3-1(b)表

2、示。由图可知,当RL=Rs 时可获得最大输出功率,此时为阻抗匹配状态。无论负载电阻大于还是小于信号源内阻,都不可能使负载获得最大功率,且两个电阻值偏差越大,输出功率越小。对于纯电阻电路,此结论同样适用于低频和高频电路,图 3-1 (b)输出功率与阻抗比例k的关系,3,当交流电路中含有容性或感性阻抗时，需对阻抗匹配概念进行推广。负载阻抗与信号源阻抗共轭时,实现功率的最大传输,称作共轭匹配或广义阻抗匹配。 任何一种交流电路都可以等效为图3-2所示电路结构。如果负载阻抗不满足共轭匹配条件,就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络,将负载阻抗变换为信号源阻抗的共轭,实现阻抗匹配,图3-2 广义阻抗匹配

3、,4,在低频电路中，一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，反射可以不考虑。 在高频电路中，必须考虑反射的问题，当信号的频率很高时，则信号的波长很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配时，在负载端就会产生反射,5,3.2 射频/微波匹配原理,射频/微波电路的阻抗匹配也是交流电路阻抗匹配问题 在频率更高的情况下,分析问题的方法有其特殊性 射频/微波电路中通常使用反射系数描述阻抗,用波的概念来描述信号大小,为了获得最大功率传递,必须同时满足 ZL=Z*G （3-

4、2） G=0 （3-3,图3-3 射频/微波电路的匹配问题,式（3-2）是熟知的共轭阻抗匹配条件； 式（3-3）表示信号发生器将全部功率提供给传输线的条件,6,朝着信号发生器方向反射波总和为 b1=bG11+1G+(1G)2,3-4,寻求等效负载与信号源的匹配条件,图3-4 信号发生器端口的反射波,因为1=b1/a1,上式变为 a1=bG+b1G （3-5） 提供给负载的功率为 PL=|a1|2-|b1|2=|a1|2(1-|1|2) （3-6） 将式（3-5）代入式（3-6）,则提供给负载的功率可写成,为了得到最大功率传输,必须满足1=*G,7,3.3 集总参数匹配电路,3.3.1 L型匹配

5、电路,1. 输入阻抗和输出阻抗均为纯电阻 确定工作频率fc、输入阻抗Rs及输出阻抗RL。 将构成匹配电路的两个元件分别与输入阻抗Rs和输出阻抗RL结合,8,串、并联阻抗变换,令XS=XLP，电抗抵消（两电抗在工作频率处并联谐振） RLP=RS,L网络串联支路电抗与并联支路电抗必须异性质,实部相等,虚部相等,9,串、并联阻抗变换,令XS=XLP，电抗抵消（两电抗在工作频率处串联谐振） RLP=RS,综上可知,10,图 3-5 L型匹配电路的两种形式 L型匹配电路(RsRL) (b) L型匹配电路（RsRL,判别RsRL或RsRL (1) RsRL,如图（a） Xs=QsRs (2) RsRL,如

6、图（b） XL=QLRL,11,问题：QS ,QL怎样求,若RsRL, 选择 Ls-Cp低通式或Cs-Lp高通式电路。 (1)Ls-Cp低通式 (2) Cs-Lp高通式,3-13,3-14,图 3-6 RsRL的L型匹配电路(a)Ls-Cp；(b) Cs-Lp,12,若RsRL, 选择 Cp-Ls低通式或Lp-Cs高通式电路。 (1) Cp-Ls低通式 (2) Lp-Cs高通式,图3-7 RsRL的L型匹配电路 (a) Cp-Ls; (b) Lp-Cs,13,2. 输入阻抗和输出阻抗不为纯电阻,如果输入阻抗和输出阻抗不是纯电阻,而是复数阻抗,处理的方法是只考虑电阻部分,按照上述方法计算L型匹配

7、电路中的电容和电感值,再扣除两端的虚数部分,就可得到实际的匹配电路参数,14,已知信号源内阻RS=12，并串有寄生电感LS=1.2nH。负载电阻为RL=58 ，并带有并联的寄生电容CL=1.8pF，工作频率为f=1.5GHz。设计L匹配网络，使信号源与负载达共轭匹配,RLRS,并联支路电抗,串联支路电抗,L网络的结构,实际L网络的电感,实际L网络的电容,15,3. 设计L形匹配网络的解析方法,已知晶体管在2GHz频率点的输出阻抗是ZT=(150+j75) 。请设计一个如图所示的L形匹配网络，使输入阻抗为ZA=(75+j15) 的天线能够得到最大功率,ZM =ZA*=(75-j15,16,匹配网

8、络的输出阻抗ZM必须等于天线阻抗ZA的共轭复数,在复数负载上连接一个电抗元器件(电感或电容)，串联将会使Smith圆图上的相应阻抗点沿等电阻圆移动，并联将会使Smith圆图上的相应导纳点沿等电导圆移动 。 一般的经验是，如果连接的是电感，则参量点将向圆图的上半圆移动，如果连接的是电容，则参量点将向圆图的下半圆移动,分立器件在圆图上的移动,4. 设计L形匹配网络的图解方法,17,18,匹配的另一种解释（均为纯电阻,已知晶体管在2GHz频率点的输出阻抗是ZT=(150+j75) 。请设计一个如图所示的L形匹配网络，使输入阻抗为ZA=(75+j15) 的天线能够得到最大功率,任选特性阻抗75,则发射

9、机和天线的归一化阻抗为,zT,zT,由图可得,19,发射机输出匹配网络的输出阻抗ZM必须等于天线阻抗ZA的共轭复数,常规双元件匹配网络的设计,已知源阻抗ZS=(50+j25),负载阻抗ZL=(25-j50),传输线的特性阻抗为Z0 =50,工作频率f=2GHz.请利用Smith圆图设计分立参数双元件匹配网络,并给出所有可能的电路结构,20,L网路的局限性,RS和RL确定,Q值确定,可能会不满足滤波性能的指标,可采用三个电抗元件组成的和T型网络,21,3.3.2 型匹配电路,RS经L1C1向右变换为 中间的假想电阻Rinter,RinterRS,RL经L2C2向左变换为 中间的假想电阻Rinte

10、r,RinterRL,22,型匹配电路的设计步骤如下（以RsRL 为例）： 步骤一: 确定工作频率fc、负载Q值、 输入阻抗Rs及输出阻抗RL,并求出RH=max (Rs, RL)。 步骤二： 根据图3-10(a)中所示及下列公式计算出Xp2、 Xs2、 Xp1及Xs1,3-20,3-21,23,步骤三: 依据电路选用元件的不同,可有四种形式,如图3-10(b)、(c)、(d)、(e)所示,24,3.3.3 T型匹配电路 T型匹配电路与L型匹配电路的分析设计方法类似。下面仅以纯电阻性信号源和负载(且RsRL)为例介绍基本方法,25,步骤一: 确定工作频率fc、负载Q值、输入阻抗Rs及输出阻抗R

11、L,并求出Rsmall=min (Rs,RL)。 步骤二：依据图3-8(a)所示的T型匹配电路,按下列公式计算出Xs1、Xp1、 Xp2及Xs2,3-18,3-17,26,步骤三: 根据电路选用元件的不同,可有四种形式,如图 3-8(b)、 (c)、 (d)、 (e)所示。其中电感及电容值的求法如下,3-19,图3-8 T型匹配电路及其具体形式,27,28,设计一个型匹配网络,完成源电阻RS=10和负载电阻RL=100间的阻抗变换。工作频率f=3.75MHz，假设一个较大的有载Qe=4,课堂练习,3.4 微带线型匹配电路,微带单枝节匹配电路 单枝节匹配有两种拓扑结构：第一种为负载与短截线并联后

12、再与一段传输线串联,第二种为负载与传输线串联后再与短截线并联 。 上述两种匹配网络中都有四个可调整参数：短截线的长度ls和特性阻抗Z0s,传输线的长度lL和特性阻抗Z0L。可以想象：四个参数的合理组合,可以实现任意阻抗之间的匹配,29,从分立元件到微带线,包括传输线段和分立电容元件的混合匹配网络,30,设计一个匹配网络将ZL=(30+j10)的负载阻抗变换成Zin=(60+j80)的输入阻抗。要求该匹配网络必须采用两段串联传输线和一个并联电容。已知两段传输线的特性阻抗均为50，匹配网络的工作频率为f=1.5GHz,归一化负载阻抗,归一化输入阻抗,A点的归一化导纳值为,31,为了简单,将短截线特

13、性阻抗Z0s和传输线特性阻抗Z0L均取为0,通过调整它们的长度实现预定的输入阻抗,图 3-11 单枝节匹配电路的基本结构 (a) 第一种结构； (b) 第二种结构,单节短截线匹配网络,32,33,特性阻抗恒定的单节短截线匹配网络的设计,已知负载阻抗ZL=(60-j45)，假设短截线和传输线的特性阻抗均为Z0=75。设计两个单节短截线匹配网络将该负载变换为Zin=(75+j90)的输入阻抗,选择短截线长度ls的基本原则：短截线产生的电纳Bs能够使负载导纳yL=0.8+j0.6变换到经过归一化输入阻抗点zin=1+j1.2的驻波比圆上； 对应于zin的输入驻波比圆与等电导圆g=0.8有两个交点（yA=0.8+j1.05和yB=0.8-j1.05）； 对第一个解，开路短截线的长度可以通过在圆图上测量lSA求出，只需将短截线的长度增加1/4工作波长，则开路短截线就可以换成短路短截线； 类似可求出第二个解,基本结构是四分之一波长阻抗变换器。在负载阻抗与输入阻抗之间串联一段传输线就可实现负载阻抗向输入阻抗的变换,如图3-15所示。 这段传输线的特性阻抗与负载阻抗和输入阻抗有关,这段传输线的长度为相应微带线波导波长的1/4：由于特性阻抗不同的微带线对应着不同的有效介电常数,因此也就对应着不同的波导波长,也就是说,长度也与两端阻抗有关,图 3-15四分之一波