第3章 匹配理论--魏峰

1、 2 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 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 3.5 波导和同轴线型匹配电路 3.6 微波网络参数 3 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 匹配包括两个方面：匹配包括两个方面： 一个是传输线与负载之间的匹配；一个是传输线与负载之间的匹配； 一个是信源与负载之间的共轭匹配。一个是信源与负载之间的共轭匹配。 匹配目的：匹配目的： （1）从信源到负载实现最大功率传输。）从信源到负载实现最大功率传输。 （2）减小线路反射，目的是减小噪声干扰，

2、提高信噪比。）减小线路反射，目的是减小噪声干扰，提高信噪比。 （3）传输相同功率时线上电压驻波系数最小，功率承受能力最）传输相同功率时线上电压驻波系数最小，功率承受能力最 大。大。 需要注意：匹配的概念与匹配区域相关，以后将清楚看到，需要注意：匹配的概念与匹配区域相关，以后将清楚看到， 在匹配区域外，实际上是存在反射波的。在匹配区域外，实际上是存在反射波的。 4 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 基本电路如图基本电路如图3-13-1（a a）所示，）所示，s s为信号源电压，为信号源电压，R Rs s为信号源为信号源 内阻，内阻，R RL L为负载电阻。任何形式

3、的电路都可以等效为这个简为负载电阻。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 R RL，也就是说也就是说，使信号源的输出功率尽可能的大。使信号源的输出功率尽可能的大。 图 3-1 基本电路的输出功率 (a) 基本电路; （b） 输出功率与阻抗比例的关系 Rs RL Us (a)(b) 1 0.75 0.5 0.25 0 Po/Pi k Po 1 5 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 在这个简单的电路中，输出功率与电路元件之间存在以在这个简单的电路中，输出功率与电路元

4、件之间存在以 下关系下关系: : 令令 则则 L Ls s L R RR U RIP )( 2 2 0 s s isL R U PkRR 2 , i P k k P 2 0 )1 ( 可见，在信号源给定的情况下，输出功率取决于负载电阻与信可见，在信号源给定的情况下，输出功率取决于负载电阻与信 号源内阻之比号源内阻之比k。当。当RL=Rs时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹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。载获得最大功率，且两个电阻

5、值偏差越大，输出功率越小。 6 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图3-2 广义阻抗匹配 Zs ZL N Po ZL Us Zs 阻抗匹配概念可以推广到交流电路。如图阻抗匹配概念可以推广到交流电路。如图3-2所示，当负载所示，当负载 阻抗阻抗ZL与信号源阻抗与信号源阻抗Zs共轭时，即共轭时，即ZL=Zs*，能够实现功率，能够实现功率 的最大传输，称作共轭匹配或广义阻抗匹配。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

6、之间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加一个阻抗变换网络(N)，将负载阻抗变换为信号源阻抗的，将负载阻抗变换为信号源阻抗的 共轭，实现阻抗匹配。共轭，实现阻抗匹配。 7 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 射频射频/ /微波电路的阻抗匹配也是交流电路阻抗匹配问题。如微波电路的阻抗匹配也是交流电路阻抗匹配问题。如 上面所述，当上面所述，当Z ZL L=Z=Zs s* *时，电路处于阻抗匹配状态，得到最大输时，电路处于阻抗匹配状态，得到最大输 出功率。在频率更高的情况下，分析问题的方法有其特殊性。出功率。在频率更高的情况下，分析问题

7、的方法有其特殊性。 由由2.42.4节传输线知识可知，射频节传输线知识可知，射频/ /微波电路中通常使用反射系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。数描述阻抗，用波的概念来描述信号大小。 8 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图3-3 射频/微波电路的匹配问题 zG UG z0 zG G zL L zL a1 b1 如图如图3-3所示，为获得最大功率传递，必须同时满足所示，为获得最大功率传递，必须同时满足 ZL=Z*G （3-2） G=0 （3-3） 式（式（3-2）是熟知的共轭阻抗匹配条件，式（）是熟知的共轭阻抗匹配条件，式（3-3）

8、表示信号发生）表示信号发生 器将全部功率提供给传输线的条件。器将全部功率提供给传输线的条件。 9 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 一般情况下，负载与信号源是不匹配的，需增加一个双端一般情况下，负载与信号源是不匹配的，需增加一个双端 口网络，与负载组合起来形成一个等效负载，如图口网络，与负载组合起来形成一个等效负载，如图3-4 所示。所示。 我们的目标是寻求等效负载与信号源的匹配条件。在图我们的目标是寻求等效负载与信号源的匹配条件。在图3-4 中虚线所示参考面上，入射波为中虚线所示参考面上，入射波为a1，反射波为，反射波为b1，等效负载，等效负载 的反射系数为的

9、反射系数为L=b1/a ，信号发生器发出的波幅为 ，信号发生器发出的波幅为bG，即，即 第一个入射波为第一个入射波为bG，bG的反射波为的反射波为bGL，朝着信号发生器，朝着信号发生器 方向的反射波总和为方向的反射波总和为 b1=bGL1+LG+(LG)2+ LL LG b 1 （3-4） 10 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 bG 信号发生器双口网络 a1 b1 1 bG bG1G bG1 G 22 bG1 G 2 bG1 图3-4 信号发生器端口的反射波 11 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 因为因为L=b1/a1，从而上

10、式变为，从而上式变为 a1=bG+b1G （3-5） 则提供给负载的功率为则提供给负载的功率为 PL=|a1|2-|b1|2=|a1|2(1-|L|2) （3-6） 将式（将式（3-5）代入式（）代入式（3-6），则提供给负载的功率可写成则提供给负载的功率可写成 2 22 1 )1 ( GL LG L b P 12 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 可见，可见，P PL L是是b bG G、L L和和G G的函数，与前面的的函数，与前面的U Us s、R RL L和和R Rs s相对应。相对应。 为了得到最大功率传输，必须满足为了得到最大功率传输，必须满足 L=

11、*G （3-8） 将式（将式（3-8）代入式（）代入式（3-7），可得可得 所以，所以，L L=* *G G是阻抗共轭匹配的一种等效方式是阻抗共轭匹配的一种等效方式。在射频。在射频/ /微微 波电路中经常会用到这个条件。波电路中经常会用到这个条件。 2 2 1 G G b P （3-9） 13 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 匹配网络选择准则匹配网络选择准则 只要负载阻抗不是一个纯虚数，都可以选择一个无耗网络进行匹只要负载阻抗不是一个纯虚数，都可以选择一个无耗网络进行匹 配。在选择匹配网络时，考虑的主要因有下面配。在选择匹配网络时，考虑的主要因有下面4个。个。

12、 （1）简单性。希望选择满足性能指标的最简单设计。较简单的）简单性。希望选择满足性能指标的最简单设计。较简单的 匹配结构价格便宜、可靠、损耗小。匹配结构价格便宜、可靠、损耗小。 （2）带宽。任何一个网络都只能在单一频率上实现匹配，欲展）带宽。任何一个网络都只能在单一频率上实现匹配，欲展 宽带宽，其电路设计要复杂一些，因此电路设计要在简单性、带宽带宽，其电路设计要复杂一些，因此电路设计要在简单性、带 宽以及造价之间有所权衡。宽以及造价之间有所权衡。 （3）可实现性。射频电路大都采用微带传输线，可以采用四分）可实现性。射频电路大都采用微带传输线，可以采用四分 之一阻抗变化器、支节或集总参数元件实现

13、匹配网络。可实现性之一阻抗变化器、支节或集总参数元件实现匹配网络。可实现性 既要考虑生产工艺的可实现性，又要考虑尺寸要求的可实现性。既要考虑生产工艺的可实现性，又要考虑尺寸要求的可实现性。 （4）可调整性。变化的负载需要可调整的匹配网络。）可调整性。变化的负载需要可调整的匹配网络。 14 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 3.3.1 L3.3.1 L型匹配电路型匹配电路 L L型匹配电路是最简单的集总元件匹配电路，只有两个元件，型匹配电路是最简单的集总元件匹配电路，只有两个元件， 成本最低，性能可靠。具体的电路结构选择有一定的规律可成本最低，性能可靠。具体的电路

14、结构选择有一定的规律可 循。循。 双元件负载匹配网络采用哪种形式，取决于归一化负载阻抗双元件负载匹配网络采用哪种形式，取决于归一化负载阻抗 在史密斯圆图上的位置。在史密斯圆图上的位置。 以下按照输入阻抗和输出阻抗均为纯电阻或任意阻抗两种情以下按照输入阻抗和输出阻抗均为纯电阻或任意阻抗两种情 况介绍设计方法。况介绍设计方法。 15 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 1. 输入阻抗和输出阻抗均为纯电阻输入阻抗和输出阻抗均为纯电阻 L型匹配电路的设计步骤如下：型匹配电路的设计步骤如下： 步骤一步骤一: 确定工作频率确定工作频率fc、输入阻抗、输入阻抗Rs及输出阻抗及输

15、出阻抗RL。 这三个基本参数由设计任务给出。这三个基本参数由设计任务给出。 步骤二步骤二: 在如图在如图3-5（a）所示的）所示的L型匹配电路中，将构型匹配电路中，将构 成匹配电路的两个元件分别与输入阻抗成匹配电路的两个元件分别与输入阻抗Rs和输出阻抗和输出阻抗RL 结合。当电路匹配时，由共轭匹配条件可以推得结合。当电路匹配时，由共轭匹配条件可以推得 （3-10） 1 s L Ls R R QQ 16 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图 3-5 L型匹配电路的两种形式 L型匹配电路(RsRL); (a) (b)L型匹配电路（RsRL） Xs XLRL Rs Q

16、sXs / Rs Rs RL Po QLRL / XL XL XsRL Rs Rs RL Po (a) (b) Us Us 17 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 步骤三步骤三: : 判别判别R Rs sR RL L或或R Rs sR RL L。 (1) R(1) Rs sR RL L，如图，如图3-53-5（a a）所示：）所示： Xs=QsRs (2) R(2) Rs sR RL L，如图，如图3-53-5（b b）所示：）所示： XL=QLRL L L L Q R X s s s Q R X 18 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验

17、 室室 步骤四：若步骤四：若R Rs sR RL L，如图，如图3-63-6所示，选择所示，选择 L Ls s-C-Cp p低通式低通式 或或C Cs s-L-Lp p高通式电路。根据下列公式计算出电路所需电感高通式电路。根据下列公式计算出电路所需电感 及电容值：及电容值： (1) L(1) Ls s-C-Cp p低通式低通式: : Lc p c s s Xf C f X L 2 1 2 (3-13) 19 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 (2) Cs-Lp高通式高通式: c L p sc s f X L Xf C 2 2 1 (3-14) 20 西安电子科技

18、大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图 3-6 RsRL的L型匹配电路 Ls-Cp低通式L型； (a)(b) Cs-Lp高通式L型 Ls CpLp Cs (a)(b) 21 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 步骤五：步骤五： 若若R Rs sR RL L，如图，如图3-73-7所示，选择所示，选择 C Cp p-L-Ls s低通低通 式或式或L Lp p-C-Cs s高通式电路。按下列公式计算出电路所需电感高通式电路。按下列公式计算出电路所需电感 及电容值：及电容值： (1) C(1) Cp p-L-Ls s低通式低通式: : c L s sc

19、 p f X L Xf C 2 2 1 22 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 (2) Lp-Cs高通式高通式: Lc s c s p Xf C f X L 2 1 2 23 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图3-7 RsRL的L型匹配电路 (a) Cp-Ls低通式L型; (b) Lp-Cs高通式L型 Ls CpLp Cs (a)(b) 24 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 2. 2. 输入阻抗和输出阻抗不为纯电阻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，如果

20、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，按照上述方法计算处理的方法是只考虑电阻部分，按照上述方法计算L L型匹型匹 配电路中的电容和电感值，再扣除两端的虚数部分，就配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。可得到实际的匹配电路参数。 3. 3. 关于关于L L型匹配电路的其他说明型匹配电路的其他说明 L型匹配电路的用途广泛型匹配电路的用途广泛，技术成熟。为了工程使用的技术成熟。为了工程使用的 方便方便，说明如下：说明如下： 25 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 1) 1) 设计方法设计方法 L

21、 L型匹配电路的设计计算还可以使用下面两种方法型匹配电路的设计计算还可以使用下面两种方法: : （1 1）解析法求元件值。按照电路级联的方法求出负载）解析法求元件值。按照电路级联的方法求出负载 和匹配元件组合等效负载阻抗的表达式，与信号源阻抗和匹配元件组合等效负载阻抗的表达式，与信号源阻抗 共轭相等，即实部和虚部分别相等，这样可以列出两个共轭相等，即实部和虚部分别相等，这样可以列出两个 方程，求出两个未知数，也就得到了两个元件值。缺点方程，求出两个未知数，也就得到了两个元件值。缺点 是比较复杂，易出差错，要事先给出合适的拓扑结构，是比较复杂，易出差错，要事先给出合适的拓扑结构， 实施起来比较困

22、难。实施起来比较困难。 26 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 （2 2） SmithSmith圆图法求元件值。圆图法求元件值。 步骤一：步骤一： 计算源阻抗和负载阻抗的归一化值。计算源阻抗和负载阻抗的归一化值。 步骤二：步骤二： 在圆图上找出源阻抗点，画出过该点的等电在圆图上找出源阻抗点，画出过该点的等电 阻圆和等电导圆。阻圆和等电导圆。 步骤三：步骤三： 在圆图上找出负载阻抗的共轭点，画出过该在圆图上找出负载阻抗的共轭点，画出过该 点的等电阻圆和等电导圆。点的等电阻圆和等电导圆。 步骤四：步骤四： 找出步骤二、三所画圆的交点，交点的个数找出步骤二、三所画圆的

23、交点，交点的个数 就是可能的匹配电路拓扑个数。就是可能的匹配电路拓扑个数。 步骤五：步骤五： 分别把源阻抗、负载阻抗沿相应的等反射系分别把源阻抗、负载阻抗沿相应的等反射系 数圆移到步骤四的同一交点。两次移动的电抗（纳）或电数圆移到步骤四的同一交点。两次移动的电抗（纳）或电 纳（抗）变化就是所求电感或电容的电抗或电纳。纳（抗）变化就是所求电感或电容的电抗或电纳。 步骤六：步骤六： 由工作频率计算出电感电容的实际值。由工作频率计算出电感电容的实际值。 27 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 2) 2) 电路拓扑电路拓扑 L L型匹配电路的两个元件的连接方式共有八种可

24、能。由前面型匹配电路的两个元件的连接方式共有八种可能。由前面 可以看出，拓扑结构的选择有其规律性。选择不当，无法可以看出，拓扑结构的选择有其规律性。选择不当，无法 实现匹配功能，也就是说，圆图中找不到交点。而对于任实现匹配功能，也就是说，圆图中找不到交点。而对于任 意一对要实现匹配的信号源和负载，至少有两个以上的拓意一对要实现匹配的信号源和负载，至少有两个以上的拓 扑可选，即八个拓扑结构中总是可以找到合适的匹配电路扑可选，即八个拓扑结构中总是可以找到合适的匹配电路 形式。形式。 元件的标称值，元件方便得到；电感、电容组合就会有频元件的标称值，元件方便得到；电感、电容组合就会有频 率特性，即带通

25、或高通特性，要考虑匹配电路所处系统的率特性，即带通或高通特性，要考虑匹配电路所处系统的 工作频率和其他指标，如有源电路中的谐波或交调等；与工作频率和其他指标，如有源电路中的谐波或交调等；与 周边电路的结构有关周边电路的结构有关，如直流偏置的方便、电路尺寸布局如直流偏置的方便、电路尺寸布局 的许可等。的许可等。 28 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 3.3.2 T型匹配电路型匹配电路 T型匹配电路与型匹配电路与L型匹配电路的分析设计方法类似。下面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仅以纯电阻性信号源和负载(且且RsRL)为例介绍基本方法，

26、为例介绍基本方法， 其他情况的其他情况的T型匹配电路可在此基础上进行设计，过程类型匹配电路可在此基础上进行设计，过程类 似。似。 T型匹配电路的设计步骤如下：型匹配电路的设计步骤如下： 步骤一步骤一: 确定工作频率确定工作频率fc、负载、负载Q值、输入阻抗值、输入阻抗Rs及输及输 出阻抗出阻抗RL，并求出，并求出Rsmall=min (Rs，RL)。 29 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 步骤二：依据图步骤二：依据图3-8(a)3-8(a)所示的所示的T T型匹配电路，按下列型匹配电路，按下列 公式计算出公式计算出X Xs1、Xp1、 Xp2及及Xs2。 Q

27、R X RQX QRR p ss small 1 1 2 ) 1( （3-17） Lp p L RQX Q R X R R Q 22 2 2 2 1 （3-18） 30 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 步骤三步骤三: : 根据电路选用元件的不同，可有四种形式，根据电路选用元件的不同，可有四种形式， 如图如图 3-8(b)3-8(b)、 (c)(c)、 (d)(d)、 (e)(e)所示。其中电感及电所示。其中电感及电 容值的求法如下：容值的求法如下： Xf C f X L c c 2 1 2 （3-19） 31 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能

28、天线实验 室室 图3-8 T型匹配电路及其具体形式 RsXs1 XpRXp2 Xs2 RL RsRL Po Cs1 Lp1 Cp2 Ls2 (b) (a) Ls1 Lp2Cp1 Cs2 (c) Ls1 Cp1Cp2 Ls2 (d) Cs1 Lp2 Lp1 Cs2 (e) Us 32 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 设计实例：设计实例： 设计一个工作频率为设计一个工作频率为400MHz，带宽为，带宽为40MHz的的50 75的的T型阻抗变换器。型阻抗变换器。 步骤一步骤一: 决定工作频率决定工作频率fc=400MHz，负载，负载Q值值=400/40=10， 输入

29、阻抗输入阻抗Rs=50，输出阻抗，输出阻抗RL=75，Rsmall=min (Rs， RL)=50 。 33 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 步骤二步骤二: 参考图参考图3-8(a)，按公式计算出，按公式计算出Xs1、Xp1、 Xp2 及及Xs2： R=Rsmall (Q2+1)=5050 Xs1=QRs=500 Xs2=Q2RL=610.8 8 .610 620 145. 81 505 22 2 2 2 1 Ls p L p RQX Q R X R R Q Q R X 34 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 步骤三步骤三: :

30、 根据电路选用元件的不同，可有四种形式，根据电路选用元件的不同，可有四种形式， 选用图选用图3-8(b)3-8(b)所示电路。所示电路。 其中电感及电容值的求法如下：其中电感及电容值的求法如下： nH f X L pF Xf C nH f X L pF Xf C c s s pc p c s s pc p 243 2 64. 0 2 1 199 2 79. 0 2 1 2 2 2 2 1 1 1 1 35 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 T型匹配电路的最后结果如图型匹配电路的最后结果如图3-9所示。所示。 图3-9 T型匹配电路设计实例 Rs 50 199 n

31、H UsCp1 0.79 pF Cp2 0.64 pF 243 nH Ls1Ls2 RL 75 36 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 3.3.3 型匹配电路型匹配电路 同样，同样，型匹配电路与型匹配电路与L型匹配电路的分析设计方法类似。型匹配电路的分析设计方法类似。 下面也以纯电阻性信号源和负载且下面也以纯电阻性信号源和负载且RsRL为例介绍基本为例介绍基本 方法，其他情况的方法，其他情况的型匹配电路可在此基础上进行设计。型匹配电路可在此基础上进行设计。 型匹配电路的设计步骤如下：型匹配电路的设计步骤如下： 步骤一步骤一: 确定工作频率确定工作频率fc、负载、

32、负载Q值、输入阻抗值、输入阻抗Rs及输及输 出阻抗出阻抗RL，并求出，并求出RH=max (Rs，RL)。 步骤二：根据图步骤二：根据图3-10(a)中所示及下列公式计算出中所示及下列公式计算出Xp2、 Xs2、Xp1及及Xs1： 37 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 RQX Q R X R R R QRX Q R X Q R R s s p s s L p H 12 1 2 2 2 2 1 1 （3-20） （3-21） 38 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 步骤三步骤三: : 依据电路选用元件的不同，可有四种形式，依据电路

33、选用元件的不同，可有四种形式， 如图如图3-10(b)3-10(b)、 (c)(c)、(d)、 (e)所示。其中电感及电容值所示。其中电感及电容值 的求法如下：的求法如下： c c fX C f X L 2 1 2 （3-22） 39 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图3-10 型匹配电路及其具体形式 RsXs1 Xp1RXp2 Xs2 RL RsRL Po Ls1 Cp1Cp2 Ls2 (b) (a) Lp2 Lp1 (c) (e) Cs1Cs2 Ls1 Cp1Lp2 Cs2 (d) Cp2 Lp1 Cs1 Ls2 Us 40 西安电子科技大西安电子科技大

34、学智能天线实验学智能天线实验 室室 3.4.1 并联型微带匹配电路并联型微带匹配电路 1. 微带单枝节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 后再与一段传输线串联，第二种为负载与传输线串联后再与后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，如图短截线并联，如图3-11所示。所示。 上述两种匹配网络中都有四个可调整参数：短截线的长度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 和特性阻抗和特性阻抗Z0s，传输线的长度，传输线的长度lL和特性阻抗和特性阻抗Z0L。可以想象：。可以

35、想象： 四个参数的合理组合，可以实现任意阻抗之间的匹配。四个参数的合理组合，可以实现任意阻抗之间的匹配。 41 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 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 Z0L， lL Z0s ls ZL Zin 开路 或短路 Z0L， lL Z0s ls ZL Zin 开路 或短路 (a)(b) 42 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 Constant ReZL circlesConstant ImZL circles complex plane 1-1 j -j |=1

36、 等电阻圆 等电抗圆 43 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 r =0 g= r = g=0 44 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 ZsZL 45 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 Zo=50 Zo=75 ZLZs 与并联传输线长度有关与并联传输线长度有关 圆心圆心 46 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 射射 频频 操操 47 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 利用利用AnsoftAnsoft公司的公司的DesignerDesign

37、er电路设计软件的软件圆图能电路设计软件的软件圆图能 够很方便地进行设计。够很方便地进行设计。 设计实例一：设计实例一： 设计单枝节匹配网络，将负载阻抗设计单枝节匹配网络，将负载阻抗Z ZL L=(60-j45)=(60-j45) 变换为输入阻抗变换为输入阻抗Z Zin in=(75+j90) =(75+j90)。假设图。假设图3-113-11（a a）中的）中的 短截线和传输线的特性阻抗均为短截线和传输线的特性阻抗均为Z Z0 0=75=75。 步骤一步骤一: 求归一化阻抗。求归一化阻抗。 负载阻抗负载阻抗z zL L=0.8-j0.6=0.8-j0.6 输入阻抗输入阻抗z zin in=1

38、.0+j1.2 =1.0+j1.2 48 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 步骤二：选择短截线长度步骤二：选择短截线长度l ls s的基本原则是，短截线产生的的基本原则是，短截线产生的 电纳电纳B Bs s能够使负载阻抗能够使负载阻抗z zL L=0.8-j0.6=0.8-j0.6变换到归一化输入阻抗点变换到归一化输入阻抗点 z zin in=(1.0+j1.2) =(1.0+j1.2)的反射系数圆上，如图的反射系数圆上，如图3-12 3-12 所示。可以看出，所示。可以看出， 对应于对应于Z Zin in=(1.0+j1.2) =(1.0+j1.2)的输入反射

39、系数圆与等电导圆的输入反射系数圆与等电导圆g=0.8g=0.8有有 两个交点（即两个交点（即y yA A=0.8+j1.05=0.8+j1.05和和y yB B=0.8-j1.05=0.8-j1.05），是两个可能），是两个可能 的解。短截线的两个相应的电纳值分别为的解。短截线的两个相应的电纳值分别为jbsA=yjbsA=yA A-y-yL L=j0.45 =j0.45 和和jbjbs sB=yB-yB=yB-yL L=-j1.65=-j1.65。 49 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图 3-12 利用圆图设计单枝节匹配网络 90 80 70 60 50 1

40、00 110 120 130 140 150 160 170 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 1.20 B Zin ZL A 0.60 0.80 0.80 1.00 50 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 对于第一个解而言，开路短截线的长度可以通过在对于第一个解而言，开路短截线的长度可以通过在 SmithSmith圆图上测量圆图上测量lsAlsA求出，求出，lsAlsA是从是从y=0y=0点（开路点）开点（开路点）开 始沿始沿SmithSmi

41、th圆图的最外圈向源的方向移动（顺时针）到圆图的最外圈向源的方向移动（顺时针）到 达达y=j0.45y=j0.45点所经过的电长度，在本例题中点所经过的电长度，在本例题中lsA=0.067lsA=0.067。 只需将短截线的长度增加只需将短截线的长度增加1/41/4工作波长，开路短截线就工作波长，开路短截线就 可以换成短路短截线。在同轴系统中，用短路线段可以换成短路短截线。在同轴系统中，用短路线段; ; 在在 微带电路中微带电路中，用开路短截线。用开路短截线。 51 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 类似于第一个解，由类似于第一个解，由bsBbsB可求出开路短截

42、线的长度可求出开路短截线的长度 l lsB sB=0.337 =0.337和短路短截线的长度和短路短截线的长度l lsB sB=0.087 =0.087。在这种情。在这种情 况下，我们发现短路短截线需要比开路短截线的长度更况下，我们发现短路短截线需要比开路短截线的长度更 短。其原因是由于开路短截线的等效电纳为负值。短。其原因是由于开路短截线的等效电纳为负值。 同理，我们可以求出串联传输线长度，其中第一个解同理，我们可以求出串联传输线长度，其中第一个解 为为lsA=0.266lsA=0.266，第二个解为，第二个解为lsB=0.07。 52 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线

43、实验 室室 2. 微带双枝节匹配电路微带双枝节匹配电路 单枝节匹配网络具有良好的通用性，它可在任意输入单枝节匹配网络具有良好的通用性，它可在任意输入 阻抗和实部不为零的负载阻抗之间形成阻抗匹配或阻抗阻抗和实部不为零的负载阻抗之间形成阻抗匹配或阻抗 变换。这种匹配网络的主要缺点之一是需要在短截线与变换。这种匹配网络的主要缺点之一是需要在短截线与 输入端口或短截线与负载之间插入一段长度可变的传输输入端口或短截线与负载之间插入一段长度可变的传输 线。虽然这对于固定型匹配网络不会成为问题，但会给线。虽然这对于固定型匹配网络不会成为问题，但会给 可调型匹配器带来困难。可调型匹配器带来困难。 我们可以通过

44、这种网络中再增加一个并联短截线来解决我们可以通过这种网络中再增加一个并联短截线来解决 上述问题，这就是双枝节匹配网络，如图上述问题，这就是双枝节匹配网络，如图3-14 所示。所示。 53 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图3-14 双枝节匹配网络 Zin Z0 l3 ZAZB l2 ZCZD l1 ls2ls1ZL 开路 或短路 54 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 在双枝节匹配网络中，两段开路或短路短截线并联在在双枝节匹配网络中，两段开路或短路短截线并联在 一段固定长度的传输线两端。传输线一段固定长度的传输线两端。传输线l

45、l2 2的长度通常的长度通常 选为选为1/81/8、 3/83/8或或5/85/8个波长。在射频个波长。在射频/ /微波应用中通常微波应用中通常 采用采用3/83/8和和5/85/8个波长的间隔，以便简化可调匹配器的结个波长的间隔，以便简化可调匹配器的结 构。构。 为了确保匹配，导纳为了确保匹配，导纳y yc c（等于（等于z zL L与传输线与传输线l l1 1串联后再串联后再 与并联短截线与并联短截线l ls1 s1并联）必须落在这个移动后的 并联）必须落在这个移动后的g=1g=1圆圆 （称之为（称之为y yc c圆）上。通过改变短截线圆）上。通过改变短截线l ls1 s1的长度，我们可

46、的长度，我们可 以使点以使点y yd d最终变换为位于旋转后的等电导圆最终变换为位于旋转后的等电导圆g=1g=1上。只要上。只要 点点y yd d（即（即z zL L与传输线与传输线l l1 1串联）落在等电导圆串联）落在等电导圆 g=2之外之外，上上 述变换过程就可以实现。述变换过程就可以实现。 55 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 也就是说，间距一定的双枝节匹配电路存在可能的匹也就是说，间距一定的双枝节匹配电路存在可能的匹 配禁区，配禁区， 实际工作中应避开这个禁区。解决这个问题实际工作中应避开这个禁区。解决这个问题 的方法是双短截线可调匹配器的输入、的方

47、法是双短截线可调匹配器的输入、 输出传输线符输出传输线符 合合l l1 1=l=l3 3/4/4的关系，如果可调匹配器不能对某一特定的关系，如果可调匹配器不能对某一特定 负载实现匹配，我们只需要对调可调匹配器的输入、输负载实现匹配，我们只需要对调可调匹配器的输入、输 出端口，则出端口，则y yd d必将移出匹配禁区。必将移出匹配禁区。 由于双枝节匹配网络存在匹配禁区，工程中常用的是由于双枝节匹配网络存在匹配禁区，工程中常用的是 三枝节或四枝节匹配电路。最典型的是波导多螺钉调配三枝节或四枝节匹配电路。最典型的是波导多螺钉调配 器，反复调整各个螺钉的深度，测量输入端驻波比，可器，反复调整各个螺钉的

48、深度，测量输入端驻波比，可 以使系统匹配，并且获得良好的频带特性。以使系统匹配，并且获得良好的频带特性。 56 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图 3-15四分之一波长阻抗变换器 Z0 ZL g / 4 ZinZL 57 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 串联型微带匹配电路的基本结构是四分之一波长阻抗串联型微带匹配电路的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，如图可实现负载阻抗向输入阻抗的变换，如图3-153-1

49、5所示。这所示。这 段传输线的特性阻抗与负载阻抗和输入阻抗有关，长度段传输线的特性阻抗与负载阻抗和输入阻抗有关，长度 为相应微带线波导波长的为相应微带线波导波长的1/41/4。 由于特性阻抗不同的微带线对应着不同的有效介电常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。也与两端阻抗有关。 58 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 由图由图3-153-15可以求得可以求得 （3-233-23） 如如 果输入阻抗和负载阻抗均为纯电阻，则果输入阻抗和负载

50、阻抗均为纯电阻，则 （3-243-24） 如果负载不是纯电阻如果负载不是纯电阻，可以在负载前加一段传输线将可以在负载前加一段传输线将 负载先变换成电阻再进行匹配。负载先变换成电阻再进行匹配。 这种匹配电路与波长有关，工作频带很窄。要想扩展这种匹配电路与波长有关，工作频带很窄。要想扩展 工作频带，可以采用多级工作频带，可以采用多级/4/4阻抗变换器串联的方式。阻抗变换器串联的方式。 以两节为例，以两节为例， 特性阻抗计算公式为特性阻抗计算公式为 LinZ ZZ 01 L RZZ 001 2 01 01 02 2 02 0 L R Z Z Z Z Z （3-25） 59 西安电子科技大西安电子科技

51、大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 多级串联型匹配电路的设计可以用切比雪夫多项式综多级串联型匹配电路的设计可以用切比雪夫多项式综 合，详细公式和计算过程可参见有关书籍或合，详细公式和计算过程可参见有关书籍或AnsoftAnsoft软件。软件。 指数线型阻抗变换器是多节指数线型阻抗变换器是多节/4/4阻抗变换器的极限形阻抗变换器的极限形 式，计算和加工都极为复杂，可利用算软件结合式，计算和加工都极为复杂，可利用算软件结合PCB软软 件和工艺实现微带复杂结构的阻抗变换器。件和工艺实现微带复杂结构的阻抗变换器。 60 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 1. 1.

52、波导型匹配电路波导型匹配电路 波导形式的传输线在微波频率高端的发射和接收天线附近波导形式的传输线在微波频率高端的发射和接收天线附近 是必不可少的。由前面所学的知识可以看出，实现匹配就是是必不可少的。由前面所学的知识可以看出，实现匹配就是 在电路中引入合适的电抗元件。波导结构内电抗元件有两种在电路中引入合适的电抗元件。波导结构内电抗元件有两种 形式形式: : 销钉和膜片。调整方便、用途最广的是销钉，如图销钉和膜片。调整方便、用途最广的是销钉，如图3- 16 所示。所示。 61 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图 3-16波导销钉调配元件 半径 r G b Y0

53、T jB Y0 T (a) (b) b a 半径 r Y1Y0 TT jB 62 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 电感销钉的计算电感销钉的计算: : 电容销钉的计算电容销钉的计算: 2)cos 2 ln(sec 2 2 0 ar a a a Y B g b r Y B g 22 0 4 （3-27） 63 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 通常使用的调配电路是在销钉基础上形成的螺钉调配通常使用的调配电路是在销钉基础上形成的螺钉调配 器器( (单螺钉等效单枝节和三螺钉等效三枝节单螺钉等效单枝节和三螺钉等效三枝节) )， 基本结基本

54、结 构都是在宽边中央打孔插入销钉，外加传动或锁紧装置构都是在宽边中央打孔插入销钉，外加传动或锁紧装置 形成的。形成的。 2. 2. 同轴线匹配电路同轴线匹配电路 同轴线的销钉调配就是在外导体上插入螺钉。在小功同轴线的销钉调配就是在外导体上插入螺钉。在小功 率时使用尚可，大功率时不能使用。率时使用尚可，大功率时不能使用。 大功率下，销钉处会打火。大功率时匹配元件用串联大功率下，销钉处会打火。大功率时匹配元件用串联 或并联枝节实现，如图或并联枝节实现，如图3-17 3-17 所示。所示。 64 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 图 3-17 同轴线串联、 并联短截线

55、 ll (a)(b) l l (c)(d) 65 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 波导销钉和同轴枝节匹配器都可以看作枝节匹配的具波导销钉和同轴枝节匹配器都可以看作枝节匹配的具 体形式，都可用圆图或软件设计。工程实际中，直接用体形式，都可用圆图或软件设计。工程实际中，直接用 网络分析仪或测量线检视系统驻波，逐个调整螺钉也是网络分析仪或测量线检视系统驻波，逐个调整螺钉也是 一个比较直观的方法。一个比较直观的方法。 微带，波导或同轴匹配电路的实验调整是必要的。从微带，波导或同轴匹配电路的实验调整是必要的。从 样件设计、样件设计、 试制到技术稳定成熟有一定的过程。即使

56、试制到技术稳定成熟有一定的过程。即使 成熟产品成熟产品，每批材料不同每批材料不同，加工工艺差异加工工艺差异，也需要适当也需要适当 的调整。的调整。 66 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 3.6.1 3.6.1 四个参数的定义四个参数的定义 如图如图3-18 3-18 所示，按电流和电压、入射波和反射波两种信号关所示，按电流和电压、入射波和反射波两种信号关 系描述双口网络。系描述双口网络。 图 3-18 双口网络的参数定义 双 口 网 络 I1 a1 b1 1 U1 I2 a2 b2 2 U2 67 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室

57、室 1. Z 1. Z 、 Y Y 和和AA参数参数 由网络端口处的电压电流关系，可得由网络端口处的电压电流关系，可得ZZ、Y Y 和和AA参数。参数。 U U1 1=Z=Z11 11I I1 1+Z +Z12 12I I2 2 U U2 2=Z=Z21 21I I1 1+Z +Z22 22I I2 2 即即 I1=Y11U1+Y12U2 I2=Y21U1+Y22U2 2 1 2221 1211 1 1 I I ZZ ZZ I U 68 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 即即 阻抗参数阻抗参数Z Z的物理意义为的物理意义为 2 2 2221 1211 1 1 I

58、 U AA AA I U 2 2 22 1 2 21 2 1 12 1 1 11 I U Z I U Z I U Z I U Z I2=0， 2端口开路 I1=0， 1端口开路 I2=0， 2端口开路 I1=0， 1端口开路 （3-31） （3-30） 69 西安电子科技大西安电子科技大 学智能天线实验学智能天线实验 室室 导纳参数导纳参数YY和传输参数和传输参数AA的物理意义也可用同样的方的物理意义也可用同样的方 法求得。法求得。 ZZ、Y Y 和和AA参数对特性阻抗或特性导纳的归一值为参数对特性阻抗或特性导纳的归一值为 zz、y y 和和a(a(经常会用到经常会用到) )。 2. S2. S参数参数 端口的电压等于入射波加反射波，电流等于入射波减反端口的电压等于入射波加反射波，电流等于入射波减反 射波。二倍入射波等于电压加电流，二倍反射波等于电射波。二倍入射波等于电压加电流，二倍反射波等于电 压减电流，即压减电流，即 b1=S11a1+S12a2 b2=S21a1+S2