新微波第章传输线PPT学习教案

1、会计学1 新微波第章传输线新微波第章传输线 传输线圆图传输线圆图 0 1 2 -2 -1 123r jx j ejvu zZ zZ z jxr z z zZ 1)( 1)( )( )(1 )(1 )( j ejvu zZ zZ z jxr z z zZ 1)( 1)( )( )(1 )(1 )( 第1页/共38页 j ejvu zZ zZ z 1)( 1)( )( 传输线圆图传输线圆图 第2页/共38页 r=0.5 r=1 r=2 x=2 x=1 x=0.5 u x=-2 x=-1 x=-0.5 j 222 222 ) 1 () 1 () 1( ) 1 1 () 1 ( xx vu r v r

2、 r u j ejvu zZ zZ z jxr z z zZ 1)( 1)( )( )(1 )(1 )( 第3页/共38页 圆图举圆图举 例例 第4页/共38页 阻抗圆图上各点、线、面的意义阻抗圆图上各点、线、面的意义 c zzSWR 10匹配点（匹配点（0，0） 对应对应 SWR1 短路点（短路点（-1，0）对应）对应 SWR1 开路点（开路点（1，0）对应）对应 0rjxz 纯电抗圆单位圆纯电抗圆单位圆 rz SWR r SWRr 1 min max 纯电抗线实轴纯电抗线实轴 x 0感性平面；感性平面； x 0容性平面容性平面 第5页/共38页 u上半圆内的归一化阻抗为上半圆内的归一化阻抗

3、为r rjxjx，其电抗为感抗；，其电抗为感抗； 下半圆内的归一化阻抗为下半圆内的归一化阻抗为r-jxr-jx，其电抗为容抗。，其电抗为容抗。 u实轴上的点代表纯电阻点；实轴左半径上的点表示电压驻波实轴上的点代表纯电阻点；实轴左半径上的点表示电压驻波 最小点、电流驻波最大点，其上数据代表最小点、电流驻波最大点，其上数据代表r rmin min 1/SWR1/SWR；实轴右；实轴右 半径上的点表示电压驻波最大点、电流驻波最小点，其上数据半径上的点表示电压驻波最大点、电流驻波最小点，其上数据 代表代表r rmax max SWRSWR；实轴左端点；实轴左端点z z0 0，表阻抗短路点，即电压驻波，

4、表阻抗短路点，即电压驻波 节点；实轴右端点节点；实轴右端点z z，代表阻抗开路点，即电压驻波腹点；，代表阻抗开路点，即电压驻波腹点； 中心中心z z1 1，代表阻抗匹配点。，代表阻抗匹配点。 u最外的最外的 1 1圆周上的点表纯电抗，其归一化电阻为零，圆周上的点表纯电抗，其归一化电阻为零， 短路线和开路线的归一化阻抗应落在此圆周上。短路线和开路线的归一化阻抗应落在此圆周上。 u从负载移向信号源，在圆图上沿顺时针方向旋转；从负载移向信号源，在圆图上沿顺时针方向旋转； 从信号源移向负载，在圆图上沿反时针方向旋转；从信号源移向负载，在圆图上沿反时针方向旋转； 圆图上旋转一周为圆图上旋转一周为 g g

5、2 2（而不是（而不是 g g）。）。 第6页/共38页 导纳圆图的概念导纳圆图的概念 jbg e e z y j j 1 1 1 1 1 11 )( )( 微波工程微波工程中，有时已知的不是阻抗而是导纳，并需要计算导中，有时已知的不是阻抗而是导纳，并需要计算导 纳；微波电路常用并联元件构成，此时用导纳计算比较方便。纳；微波电路常用并联元件构成，此时用导纳计算比较方便。 用来计算导纳的圆图称为导纳圆图用来计算导纳的圆图称为导纳圆图。分析表明，导纳圆图即阻。分析表明，导纳圆图即阻 抗圆图。事实上，归一化导纳是归一化阻抗的倒数，抗圆图。事实上，归一化导纳是归一化阻抗的倒数，二者与二者与 的关系完全

6、一样：的关系完全一样： 因此，由阻抗圆图上某归一化阻抗点沿等因此，由阻抗圆图上某归一化阻抗点沿等 圆旋转圆旋转1801800 0 即得到该点相应的归一化导纳值；整个阻抗圆图旋转即得到该点相应的归一化导纳值；整个阻抗圆图旋转1801800 0便便 得到导纳圆图，所得结果仍为阻抗圆图本身，只是其上数据得到导纳圆图，所得结果仍为阻抗圆图本身，只是其上数据 应为归一化导纳值。应为归一化导纳值。 计算时要注意分清两种情况：一是由导纳求导纳，此时将计算时要注意分清两种情况：一是由导纳求导纳，此时将 圆图作为导纳圆图用；另一种情况是需要由阻抗求导纳，或圆图作为导纳圆图用；另一种情况是需要由阻抗求导纳，或 由

7、导纳求阻抗，相应的两值在同一圆图上为旋转由导纳求阻抗，相应的两值在同一圆图上为旋转1801800 0的关系的关系 。 第7页/共38页 一、已知阻抗或导纳求反射系数及驻波系数一、已知阻抗或导纳求反射系数及驻波系数 1、归一化、归一化 cc Z X x Z R r, 2、定阻抗点：找、定阻抗点：找 r 圆和圆和 x 圆的交点圆的交点; 3、定、定 的大小的大小; 4 、定、定SWR: 1 1 SWR 5 、定、定 的的 ：阻抗点与原点连线和坐标正实轴的交角：阻抗点与原点连线和坐标正实轴的交角; j e 6 、写出、写出 的表达式的表达式: 1 1 1 r r SWR rrSWR 或或 第8页/共

8、38页 11 11 11 11 1 1 rr rr ZZ ZZ SWR 1 1 1 r r SWR rrSWR -1 0 1 x=1 r=1 =2. 6 0.35 0.088 由z求,SWR rmax=2.6 第9页/共38页 二、传输线上两点间的阻抗变换二、传输线上两点间的阻抗变换 c Z Z z 1 1 c f 2 2 圆转动角度圆转动角度2l ，得，得z2点点找出找出点，点， 沿等沿等 再求出真实值再求出真实值Z2=Zcz2，其中，其中 cmcmradcmm f c /36/2 . 0 2 ,101 . 0 【例例】 设频率为设频率为3GHz，特性阻抗，特性阻抗Zc=50 ，线长为，线长

9、为3cm，终端，终端 接负载阻抗接负载阻抗ZL=（50+j50） ，求输入阻抗。，求输入阻抗。 解解负载阻抗负载阻抗ZL在在A点（点（r=1，x=1），且），且 将将A点由原来的点由原来的63.4度沿等反射圆朝电源方向移动度沿等反射圆朝电源方向移动216度（度（ 或或0.3）后到达）后到达B点，点，B点就是输入阻抗点点就是输入阻抗点, 如图所示如图所示: Zin=（20-j100） . 第10页/共38页 x=1 A r=1 r=0.4 x=-2 B 216 0.3 传输线上的阻抗变换 第11页/共38页 三、阻抗与导纳的相互换算三、阻抗与导纳的相互换算 传输线上相隔传输线上相隔/4的两点阻抗

10、互成倒数关系，的两点阻抗互成倒数关系， 因此在圆图上找到阻抗点后，只要沿着圆移动因此在圆图上找到阻抗点后，只要沿着圆移动/4 就可以得到导纳点及其导纳值就可以得到导纳点及其导纳值: c L c L LcLcL Z b j Z g bjYgYY 第12页/共38页 x=1 A C x=-0.5 r=1 r=0.5 阻抗与导纳的关系 第13页/共38页 四、由驻波系数求阻抗或导纳四、由驻波系数求阻抗或导纳 测出驻波系数测出驻波系数SWR, 即可知道负载阻抗在该等即可知道负载阻抗在该等SWR圆上。圆上。 测出驻波电压最小点的位置测出驻波电压最小点的位置Lmin, 即可定出传输线上该点的阻抗即可定出传

11、输线上该点的阻抗 为纯电阻为纯电阻 r = 1 /SWR。量测负载点到驻波电压最小点的距离，。量测负载点到驻波电压最小点的距离， 将此距离用电长度表示，则沿等将此距离用电长度表示，则沿等SWR圆从驻波电压最小点移动圆从驻波电压最小点移动 上述电长度数值就得到负载阻抗点。上述电长度数值就得到负载阻抗点。 传输线圆图传输线圆图 六、不同特性阻抗的传输线相接六、不同特性阻抗的传输线相接 五、串联与并联五、串联与并联 串联时阻抗相加，用阻抗圆图；串联时阻抗相加，用阻抗圆图； 并联时导纳相加，用导纳图。并联时导纳相加，用导纳图。 这时必须对每段传输线分别进行归一化。这时必须对每段传输线分别进行归一化。

12、第14页/共38页 例例1 1 同轴线特性阻抗同轴线特性阻抗Z Z0 0为为5050 ，负载阻抗，负载阻抗Z ZL L为为100100十十j j5050 ，如图如图 2.52.54(b)4(b)所示，求距离负载所示，求距离负载0.240.24 处的输入阻抗。处的输入阻抗。 解解 计算归一化负载阻抗：计算归一化负载阻抗： 圆图的应用圆图的应用 在阻抗圆图上标出负载点，如图在阻抗圆图上标出负载点，如图2.52.54(a)4(a)所示。所示。 以以Z ZL L点沿等点沿等 圆顺时针旋转电长度圆顺时针旋转电长度0.240.24到到Z Zin in点，读得点，读得Z Zin in0.420.42j j

13、0.250.25。 因此距负载因此距负载 0.24 0.24 处的输入阻抗为：处的输入阻抗为： Z Zin in(0.42(0.42j j 0.25)0.25)50502121j j 12.5(12.5( ) ) 第15页/共38页 在阻抗圆图上标出负载点，如图在阻抗圆图上标出负载点，如图2.52.54(a)4(a)所示。所示。 以以Z ZL L点沿等点沿等 圆顺时针旋转电长度圆顺时针旋转电长度0.240.24到到Z Zin in点，读得点，读得Z Zin in0.420.42j j 0.250.25。 因此距负载因此距负载 0.24 0.24 处的输入阻抗为处的输入阻抗为 ： Z Zin i

14、n(0.42(0.42j j 0.25)0.25)50502121j j 12.5(12.5( ) ) 第16页/共38页 例例2 2 测得传输线终端短路时输入阻抗为测得传输线终端短路时输入阻抗为j106 j106 ，开，开 路时输入阻抗为路时输入阻抗为j j 23.623.6 ，终端接实际，终端接实际负载时的输入阻抗负载时的输入阻抗 Z Zin in 2525j j70 70 。求：负载阻抗值。求：负载阻抗值。 有有 ztgjZZ ztgjZZ Z zI zU zZ Lc cL ci )( )( )( ltgjZ ltgjZ ltgjZ ZZ c c c c sc in 0 0 解解由：由：

15、 传输线的特性阻抗为传输线的特性阻抗为 ： ljtg Z ltgjZ ltgjZ ZZ c c c c oc in 50 oc in sc inc ZZZ 归一化短路输入阻抗为归一化短路输入阻抗为 122.j Z Z z c sc in sc in 第17页/共38页 u如图如图2.5-52.5-5所示，终端短路点所示，终端短路点z zL L0 0，位于圆图实轴左端点，位于圆图实轴左端点 。可知。可知测量点距负载的长度为测量点距负载的长度为0.180 ； u当终端接实际负载时，当终端接实际负载时，测量点归一化输入阻抗测量点归一化输入阻抗为：为： 41500 50 7025 .j j Z Z c

16、 in in z 0.157 0.337 第18页/共38页 u距短路负载电长度为距短路负载电长度为0.18，故负载应位于该点向负载转，故负载应位于该点向负载转0.18， 对应对应0.157处，由其与对应处，由其与对应圆圆交点交点查得查得: : )(5 . 157. 0j zL )(755 .28j ZL 或或 0.157 0.337 第19页/共38页 例例3 3 在在ZoZo为为50 50 的无耗线上测得的无耗线上测得SWRSWR为为5 5，电压驻波最小点出现在距负，电压驻波最小点出现在距负 载载 3 3处，如图所示，求负载阻抗值。处，如图所示，求负载阻抗值。 解解 电压驻波最小点电压驻波

17、最小点r rmin min l l5 5 0.20.2，在阻抗圆图实轴左半径上，如，在阻抗圆图实轴左半径上，如 图所示。图所示。 以以r rmin min点沿等 点沿等SWRSWR5 5的圆反时针旋转的圆反时针旋转 3 3得到得到Z ZL L0.770.77十十j j1.481.48， 故得负载阻抗为：故得负载阻抗为： )(745 .3850)48. 177. 0(jj ZL 第20页/共38页 与低频电路设计不同，微波电路和系统的与低频电路设计不同，微波电路和系统的 设计设计( (包括天线的设计包括天线的设计) )，不管是无源电路还是，不管是无源电路还是 有源电路，都必须考虑其阻抗匹配问题。

18、阻抗有源电路，都必须考虑其阻抗匹配问题。阻抗 匹配网络是设计微波电路和系统时采用最多的匹配网络是设计微波电路和系统时采用最多的 电路元件。其根本原因是低频电路中所流动的电路元件。其根本原因是低频电路中所流动的 是电压和电流，而微波电路所传输的是导行电是电压和电流，而微波电路所传输的是导行电 磁波，不匹配就会引起严重的反射。磁波，不匹配就会引起严重的反射。 阻抗匹配阻抗匹配 第21页/共38页 阻抗匹配（阻抗匹配（impedance matching）：使微波电路或系统无反射、）：使微波电路或系统无反射、 载波尽量接近行波状态的技术措施。载波尽量接近行波状态的技术措施。 微波电路和系统设计时必须

19、考虑的重要问题之一。微波电路和系统设计时必须考虑的重要问题之一。 重要性主要表现在：重要性主要表现在： 匹配时传输给负载的功率最大，传输线功率损耗最小。匹配时传输给负载的功率最大，传输线功率损耗最小。 阻抗失配时，传输大功率易导致击穿。阻抗失配时，传输大功率易导致击穿。 阻抗失配时的反射波会对信号源产生阻抗失配时的反射波会对信号源产生频率牵引频率牵引作用，使信号源作用，使信号源 工作不稳定，甚至工作不稳定，甚至 不能正常工作。不能正常工作。 阻抗匹配的概念阻抗匹配的概念 第22页/共38页 负载阻抗匹配：负载阻抗匹配：目的是使负载无反射目的是使负载无反射； 信号源阻抗匹配：信号源阻抗匹配：目的

20、是使信号源无反射目的是使信号源无反射；（加隔离器）（加隔离器） 信号源共扼匹配信号源共扼匹配 ：目的是使信号源的输出功率最大目的是使信号源的输出功率最大。 第23页/共38页 失配的传输系统失配的传输系统 第24页/共38页 1 1、负载与传输线匹配：、负载与传输线匹配： 2 2、信号源与传输线匹配：、信号源与传输线匹配： 3 3、信号源的共轭匹配：、信号源的共轭匹配： 假定信号源内阻抗固定，可改变输入阻抗使信号源传送给假定信号源内阻抗固定，可改变输入阻抗使信号源传送给 负载的功率最大。负载的功率最大。 共轭匹配条件：共轭匹配条件： ZZ Gin ZZL0 ZZgin （负载可能不匹配，即可能

21、有驻波）（负载可能不匹配，即可能有驻波） 注意：注意：只有只有Zg尽可能小，才能获得最佳的系统效率！尽可能小，才能获得最佳的系统效率！ 第25页/共38页 负载阻抗匹配负载阻抗匹配 方法：在负载与传输线之间接入一个匹配网络，方法：在负载与传输线之间接入一个匹配网络， 使其输入阻抗等于传输线的特性阻抗。使其输入阻抗等于传输线的特性阻抗。 要求：简单易行、附加损耗小、频带宽、可调节要求：简单易行、附加损耗小、频带宽、可调节 以匹配不同的负载阻抗。以匹配不同的负载阻抗。 第26页/共38页 (1)(1)集总元件集总元件L L节匹配网络节匹配网络 在在1GHz1GHz以下，采用两个电抗元件组成的以下，

22、采用两个电抗元件组成的L L节网络来使任意负节网络来使任意负 载阻抗与传输线匹配。这种载阻抗与传输线匹配。这种L L节匹配网络（节匹配网络（L section matching L section matching networknetwork）的可能结构如图）的可能结构如图2.62.63 3所示。对不同的负载阻抗，所示。对不同的负载阻抗， 其中的电抗元件可以是电感或电容，故有八种可能的匹配电路其中的电抗元件可以是电感或电容，故有八种可能的匹配电路 ，可借助圆图来快速精确地设计。，可借助圆图来快速精确地设计。 第27页/共38页 原理：所有部分反射叠加为零。原理：所有部分反射叠加为零。 应用范

23、围：应用范围： 只适用于匹配电阻性负载。（只适用于匹配电阻性负载。（特点：简单实用特点：简单实用） 若若Z ZL L为复阻抗，欲采用为复阻抗，欲采用1 14 4变换器，可在变换器，可在Z ZL L与变换器之间加一段移与变换器之间加一段移 相线段，或在相线段，或在Z ZL L处并联或串联适当的电抗短截线来变成实阻抗。但这处并联或串联适当的电抗短截线来变成实阻抗。但这 样做的结果将改变等效负载的频率特性，减小匹配的带宽。样做的结果将改变等效负载的频率特性，减小匹配的带宽。 若若Z ZL L与与Z ZO O的阻抗比过大（或过小），或要求宽带工作时，则可采用的阻抗比过大（或过小），或要求宽带工作时，则

24、可采用 双节、三节或多节双节、三节或多节 4 4变换器，其特性阻抗变换器，其特性阻抗Z Z01 01、 、Z Z02 02、 、Z Z03 03、按一定 、按一定 规律定值，可使匹配性能最佳。规律定值，可使匹配性能最佳。 (2)(2) 4 4阻抗变换器阻抗变换器 第28页/共38页 ztgjZZ ztgjZZ Z zI zU zZ Lc cL ci )( )( )( 22 2 1 Z Z Z ltgjZZ ltgjZZ ZZ c c c c c )( 2 1 nl 4 12 )( nl )( )( 1 2 1 zZ zZltg 当当 即即时时 得得 21Z ZZc 第29页/共38页 支节调配

25、器支节调配器(stub tuner)：在距负载某固定位置上并联或串联：在距负载某固定位置上并联或串联 的终端短路或开路的传输线段的终端短路或开路的传输线段( (称为短截线或支节或分支线称为短截线或支节或分支线) )。 支节数可以是一条或多条支节数可以是一条或多条。该调配电路在微波频率便于分布。该调配电路在微波频率便于分布 元件制作。常用的是单支节并联调配支节。它特别容易用标元件制作。常用的是单支节并联调配支节。它特别容易用标 准微带线或带状线来制作。准微带线或带状线来制作。 单支节并联调配器单支节并联调配器(single-stub tuner)：距负载：距负载d d处并联长度处并联长度L L

26、的终端短路或开路的短截线，如图所示。它是利用调节支节的终端短路或开路的短截线，如图所示。它是利用调节支节 的位置的位置d d和支节长度和支节长度L L来实现匹配的。来实现匹配的。 选择选择d d使从支节接入处向负载看去的导纳使从支节接入处向负载看去的导纳Y YYoYo十十jBjB，然后选，然后选 取支节的输入电纳为取支节的输入电纳为jBjB就可达到匹配。就可达到匹配。 (3)(3)分支线调配器分支线调配器 第30页/共38页 单支节并联调配器单支节并联调配器(single-stub tuner)(single-stub tuner) 第31页/共38页 用用 4 4变换器匹配时，若阻抗变换比很

27、大或要求宽频带变换器匹配时，若阻抗变换比很大或要求宽频带 工作时，可采用多节工作时，可采用多节 4 4变换器。当节数增加时，两节之变换器。当节数增加时，两节之 间的特性阻抗阶梯变化就变得很小。在节数无限大的极限间的特性阻抗阶梯变化就变得很小。在节数无限大的极限 下就变成了连续的渐变线下就变成了连续的渐变线(tapered line)。 这种渐变线匹配节的长度这种渐变线匹配节的长度L L只要远大于工作波长，其输入只要远大于工作波长，其输入 驻波比就可以做到很小，而且频率越高，这个条件满足得驻波比就可以做到很小，而且频率越高，这个条件满足得 越好。越好。 (4)(4)渐变渐变 线线 第32页/共38页 指数渐变线指数渐变线(exponential tapered line) 第33页/共38页 例例特性阻抗特性阻抗Z Z0 0为为5050 的无耗线终端接的无耗线终端接Z ZL L为为2525十十j75j75 的负载的负载 ，采用单支节匹配，如图，采用单支节匹配，如