第1章均匀传输线理论(5)

1、1.5 阻抗匹配阻抗匹配1.5 阻抗匹配阻抗匹配 负载阻抗匹配负载阻抗匹配是负载阻抗等于传输线的是负载阻抗等于传输线的特性阻抗特性阻抗的情形的情形, 此此时传输线上只有从信源到负载的入射波时传输线上只有从信源到负载的入射波, 而无反射波。匹配负载而无反射波。匹配负载完全吸收了由信源入射来的微波功率完全吸收了由信源入射来的微波功率; 而不匹配负载则将一部而不匹配负载则将一部分功率反射回去分功率反射回去, 在传输线上出现驻波。在传输线上出现驻波。当反射波较大时当反射波较大时, 波腹波腹电场要比行波电场大得多电场要比行波电场大得多, 容易发生击穿容易发生击穿, 这就限制了传输线能这就限制了传输线能最

2、大传输的功率最大传输的功率, 因此要采取措施进行负载阻抗匹配。负载阻抗因此要采取措施进行负载阻抗匹配。负载阻抗匹配一般采用匹配一般采用阻抗匹配器阻抗匹配器。 1. 传输线的三种匹配状态传输线的三种匹配状态1) 负载阻抗匹配负载阻抗匹配1.5 阻抗匹配阻抗匹配 电源内阻电源内阻等于传输线的等于传输线的特性阻抗特性阻抗时时, 电源和传输线是匹配的电源和传输线是匹配的, 这种电源称之为这种电源称之为匹配源。匹配源。对匹配源来说对匹配源来说, 它给传输线的入射功率它给传输线的入射功率是不随负载变化的是不随负载变化的, 负载有反射时负载有反射时, 反射回来的反射波被电源吸反射回来的反射波被电源吸收。可以

3、用阻抗变换器把不匹配源变成匹配源收。可以用阻抗变换器把不匹配源变成匹配源, 但常用的方法是但常用的方法是加一个加一个去耦衰减器或隔离器去耦衰减器或隔离器, 它们的作用是吸收反射波。它们的作用是吸收反射波。 2) 源阻抗匹配源阻抗匹配 设信源电压为设信源电压为Eg, 信源内阻抗信源内阻抗Zg=Rg+jXg, 传输线的特性阻抗传输线的特性阻抗为为Z0, 总长为总长为l, 终端负载为终端负载为Zl, 如图如图 1-11（a）所示所示, 则始端输入则始端输入阻抗阻抗Zin为为 (1- 5- 1)0in0inin0jtanjjtanllZZlZZRXZZl3) 共轭阻抗匹配共轭阻抗匹配1.5 阻抗匹配阻

4、抗匹配由图由图 1- 11(b)可知可知, 负载得到的功率为负载得到的功率为2in2inin2ininging)()(21)(21XXRRRERZZZZEEPggggg(1- 5- 2)图图1-11 无耗传输线信源的共扼匹配无耗传输线信源的共扼匹配1.5 阻抗匹配阻抗匹配2in2)21RRREPging（(1- 5- 4)要使负载得到的功率最大要使负载得到的功率最大, , 首先要求首先要求(1- 5- 3)ingXX 此时负载得到的功率为此时负载得到的功率为0ddinRP可见可见当当时，时，P取最大值取最大值, , 此时应满足此时应满足Rg=Rin(1- 5- 5)综合式综合式(1- 5- 3

5、)和和(1- 5- 5)得得(1- 5- 6)*ginZZ1.5 阻抗匹配阻抗匹配g2gmax41|21REP(1- 5- 7) 因此因此, 对于不匹配电源对于不匹配电源, 当负载阻抗折合到电源参考面上的输入当负载阻抗折合到电源参考面上的输入阻抗为电源内阻抗的共轭值时阻抗为电源内阻抗的共轭值时, 即当即当 时时, 负载能得到最大功负载能得到最大功率值。通常将这种匹配称为率值。通常将这种匹配称为共轭匹配共轭匹配。 此时，此时， 负载得到的最大功负载得到的最大功率为率为*ginZZ2. 阻抗匹配的方法阻抗匹配的方法 对一个由信源、传输线和负载阻抗组成的传输系统对一个由信源、传输线和负载阻抗组成的传

6、输系统(如图如图 1-11(a)所示所示), 希望信号源在输出最大功率的同时，负载全部希望信号源在输出最大功率的同时，负载全部吸收吸收, 以实现高效稳定的传输。以实现高效稳定的传输。 因此一方面应用因此一方面应用阻抗匹配器阻抗匹配器使信源输出端达到使信源输出端达到共轭匹配共轭匹配, 另一方面应用另一方面应用阻抗匹配器阻抗匹配器使负载使负载与传输线特性阻抗相匹配与传输线特性阻抗相匹配, 如图如图 1-12 所示。由于信源端一般所示。由于信源端一般用用1.5 阻抗匹配阻抗匹配隔离器隔离器或或去耦衰减器去耦衰减器以实现信源端匹配以实现信源端匹配, 因此我们着重讨论因此我们着重讨论负载负载匹配匹配的方

7、法。的方法。 阻抗匹配方法从频率上划分为阻抗匹配方法从频率上划分为窄带匹配窄带匹配和和宽带匹宽带匹配配，从实现手段上划分为，从实现手段上划分为串联串联/4阻抗变换器法阻抗变换器法、 支节调配器法支节调配器法。下面就来分别讨论两种阻抗匹配方法。下面就来分别讨论两种阻抗匹配方法。图图 1-12 传输线阻抗匹配方法示意图传输线阻抗匹配方法示意图 1.5 阻抗匹配阻抗匹配 当负载阻抗为纯电阻当负载阻抗为纯电阻Rl且其值与传输线特性阻抗且其值与传输线特性阻抗Z0不相等时不相等时, 可在两者之间加接一节长度为可在两者之间加接一节长度为 /4、特性阻抗为、特性阻抗为Z01的传输线来的传输线来实现负载和传输线

8、间的匹配实现负载和传输线间的匹配, 如图如图 1- 13(a)所示。所示。 1) /4阻抗变换器法阻抗变换器法图图 1-13 /4阻抗变换器阻抗变换器 1.5 阻抗匹配阻抗匹配 由无耗传输线输入阻抗公式得由无耗传输线输入阻抗公式得201010101tan(/4)tan(/4)linllRjZZZZZjRR(1- 5- 8)010lZZ R因此当传输线的特性阻抗因此当传输线的特性阻抗时时, 输入端的输入阻抗输入端的输入阻抗Zin=Z0, 从而实现了负载和传输线间的阻抗匹配。从而实现了负载和传输线间的阻抗匹配。 由于传输线的特性阻抗为实数，所以由于传输线的特性阻抗为实数，所以 /4阻抗变换器只适阻

9、抗变换器只适合于匹配合于匹配电阻性负载电阻性负载；若负载是复阻抗，则需先在负载与变换；若负载是复阻抗，则需先在负载与变换器之间加一段传输线，使变换器的终端为纯电阻，器之间加一段传输线，使变换器的终端为纯电阻， 然后用然后用 /4阻抗变换器实现负载匹配，阻抗变换器实现负载匹配， 如图如图 1- 13(b)所示。所示。1.5 阻抗匹配阻抗匹配 由于由于 /4阻抗变换器的长度取决于波长阻抗变换器的长度取决于波长, 因此严格说它只能因此严格说它只能在在中心频率点中心频率点才能匹配才能匹配, 当频偏时匹配特性变差当频偏时匹配特性变差, 所以说该匹配所以说该匹配法是法是窄带窄带的。的。2) 支节调配器法支

10、节调配器法 支节调配器支节调配器是由距离负载的某固定位置上的是由距离负载的某固定位置上的串联串联或或并联并联终终端端短路短路或或开路开路的传输线（又称的传输线（又称支节支节）构成。可分为）构成。可分为单支节、双单支节、双支节支节和和多支节调配器多支节调配器1.5 阻抗匹配阻抗匹配max104lllZZ(1-5-9) （1） 串联单支节调配器串联单支节调配器 设传输线和调配支节的特性阻抗均为设传输线和调配支节的特性阻抗均为Z0, 负载阻抗为负载阻抗为Zl, 长度为长度为l2的串联单支节调配器串联于离主传输线负载距离的串联单支节调配器串联于离主传输线负载距离l1处处, 如图如图1- 12 所示。设

11、终端反射系数为所示。设终端反射系数为 , 传输线的工作波长为传输线的工作波长为, 驻波系数驻波系数为为, 由无耗传输线状态分析可知由无耗传输线状态分析可知, 离负载第一个电压波腹点位置离负载第一个电压波腹点位置及该点阻抗分别为及该点阻抗分别为ljle1.5 阻抗匹配阻抗匹配图图 1-14 串联单支节调配器串联单支节调配器 令令l1=l1-lmax1, 并设参考面并设参考面AA处输入阻抗为处输入阻抗为Zin1, 则有则有01in1001jtan()jjtan()llllZZlZZRXZZl(1- 5- 10)1.5 阻抗匹配阻抗匹配 终端短路的串联支节输入阻抗为终端短路的串联支节输入阻抗为则总的

12、输入阻抗为则总的输入阻抗为inin1in202jjZ tan()llZZZRXl(1- 5- 12)Zin2=jZ0 tan(l2) (1- 5- 11) Rl=Z0 Xl+Z0 tan(l2) = 0 (1- 5- 13)经推导可得经推导可得(取其中一组解取其中一组解)要使其与传输线特性阻抗匹配要使其与传输线特性阻抗匹配, 应有应有1.5 阻抗匹配阻抗匹配(1- 5- 14a)010201tan1tanlllZlZZZlZ Z 其中其中, Zl由式由式(1- 5- 9)决定。式决定。式(1- 5- 14a)还可写成还可写成(1- 5- 14b)121arctan21arctan2ll 而另一

13、组解为而另一组解为11121tan2tan421ll (1- 5- 14c)1.5 阻抗匹配阻抗匹配其中其中, 为工作波长。为工作波长。 而而AA距实际负载的位置距实际负载的位置l1为为由式由式(1- 5- 14)及及(1- 5- 15)就可求得串联支节的位置及长度。就可求得串联支节的位置及长度。l1=l1+ lmax1(1- 5- 15)例例 1-5设无耗传输线的特性阻抗为设无耗传输线的特性阻抗为50 , 工作频率为工作频率为300MHz, 终端接有负载终端接有负载Zl=25+j75(), 试求串联短路匹配支节离负载的距试求串联短路匹配支节离负载的距离离l1及短路支节的长度及短路支节的长度l

14、2。解解: 由工作频率由工作频率f=300MHz, 得工作波长得工作波长 =1m。终端反射系数。终端反射系数jj1.1071000.333j0.667e0.7454elllllZZZZ16.85411ll 驻波系数驻波系数 1.5 阻抗匹配阻抗匹配第一波腹点位置第一波腹点位置 max10.0881m4llm1462. 01arctan21max1ll调配支节位置调配支节位置调配支节的长度调配支节的长度m1831. 01arctan22l或或03. 01arctan21max1ll317. 01arctan242l1.5 阻抗匹配阻抗匹配4411minl0lYY(1- 5- 16)（2） 并联调

15、配器并联调配器 设传输线和调配支节的特性导纳均为设传输线和调配支节的特性导纳均为Y0, 负载导纳为负载导纳为Yl, 长度长度为为l2的单支节调配器并联于离主传输线负载的单支节调配器并联于离主传输线负载l1处处, 如图如图1-15所示。所示。 设终端反射系数为设终端反射系数为 , 传输线的工作波长为传输线的工作波长为, 驻波系数为驻波系数为, 由无耗传输线状态分析可知，离负载第一个电压波节点位置及由无耗传输线状态分析可知，离负载第一个电压波节点位置及该点导纳分别为该点导纳分别为ljle1.5 阻抗匹配阻抗匹配图图 1- 15 并联单支节调配器并联单支节调配器01in1001jtan()jjtan()llllYYlYYGBYYl(1- 5- 17) 令令 , 并设参考面并设参考面AA处的输入导纳为处的输入导纳为Yin1, 则有则有1min11lll1.5 阻抗匹配阻抗匹配终端短路的并联支节输入导纳为终端短路的并联支节输入导纳为 )tan(j202inlYY(1-5-18) 则总的输入导纳为则总的输入导纳为0inin1in22jjtan()llYYYYGBl(1-5-19) 要使其与传输线特性导纳匹配要使其与传输线特性导纳匹配, 应有应有由此可得其中一组解为由此可得其中一组解为010201