微波技术传输线的阻抗匹配

1、 一、阻抗匹配的概念一、阻抗匹配的概念 阻抗匹配是使微波系统无反射、载行波尽量接近行阻抗匹配是使微波系统无反射、载行波尽量接近行波状态的技术措施。波状态的技术措施。 1. 阻抗匹配的重要性阻抗匹配的重要性 (1) 匹配时传输功率最大，功率损耗最小；匹配时传输功率最大，功率损耗最小； (2) 阻抗匹配可改善系统的信噪比；阻抗匹配可改善系统的信噪比； (3) 功率分配网络功率分配网络(如天线阵的馈源网络如天线阵的馈源网络)中的阻抗匹中的阻抗匹配将降低幅度和相位的误差；配将降低幅度和相位的误差； (4) 阻抗匹配可保持信号源工作的稳定性；阻抗匹配可保持信号源工作的稳定性； (5)阻抗匹配可提高传输线

2、的功率容量阻抗匹配可提高传输线的功率容量( )。 KZUPbrbr02212. 阻抗匹配问题阻抗匹配问题 1). 共轭匹配共轭匹配 目的：使信号源的功率输出最大。目的：使信号源的功率输出最大。 条件：条件：*ginZZ22maxingingZZREP满足满足共轭匹配条件的信号源输出的最大功率为共轭匹配条件的信号源输出的最大功率为: :),(ginginXXRRggRE422) 无反射匹配无反射匹配 目的：使传输线上无反射波，即工作于行波状态。目的：使传输线上无反射波，即工作于行波状态。 条件：条件：Zg= ZL= Z0 。 实际中传输线的始端和终端很难做到无反射匹配，实际中传输线的始端和终端很

3、难做到无反射匹配，通常在信号源输出端接入隔离器以吸收反射波，而在传通常在信号源输出端接入隔离器以吸收反射波，而在传输线与负载之间使用匹配装置用来抵消反射波。输线与负载之间使用匹配装置用来抵消反射波。信号源信号源隔离器隔离器匹配器匹配器负载负载 隔离器又称单向器，是非互易器件，只允许入射隔离器又称单向器，是非互易器件，只允许入射波通过而吸收掉反射波，使信号源端无反射波通过而吸收掉反射波，使信号源端无反射, 以稳定以稳定信号源的工作状态。信号源的工作状态。二、阻抗匹配的方法二、阻抗匹配的方法抗作为等效负载与传输线的特性阻抗相等。抗作为等效负载与传输线的特性阻抗相等。 匹配器是一个两端口的微波元件，

4、要求可调以适应匹配器是一个两端口的微波元件，要求可调以适应不同负载，其本身不能有功率损耗，应不同负载，其本身不能有功率损耗，应由电抗元件构成由电抗元件构成。 匹配阻抗的原理是产生一种新的反射波来抵消实际匹配阻抗的原理是产生一种新的反射波来抵消实际负载的反射波负载的反射波(二者等幅反相二者等幅反相)，即，即“补偿原理补偿原理”。 常用的匹配器有常用的匹配器有l l/4 阻抗变换器和支节匹配器。阻抗变换器和支节匹配器。LZ0Z0Z匹匹配配器器 阻抗匹配的方法是阻抗匹配的方法是在负载与传输线之间接在负载与传输线之间接入匹配器，使其输入阻入匹配器，使其输入阻1. l l/4 阻抗变换器阻抗变换器 由一

5、段特性阻抗为由一段特性阻抗为Z01的的 l l/4 传输线构成。如图示，有：传输线构成。如图示，有：0ZLLRZ01Z4linZ 由于无耗线的特性阻抗为实数，故由于无耗线的特性阻抗为实数，故 l l/4 阻抗变换器阻抗变换器只能匹配纯电阻负载。当只能匹配纯电阻负载。当ZL=RL+jXL为复数时为复数时, 根据行根据行驻波的电压波腹和波节点处的输入阻抗为纯组：驻波的电压波腹和波节点处的输入阻抗为纯组：)4tg()4tg(010101llLLinjRZjZRZZLRZ201匹配时，匹配时，必须使必须使,0ZZinLRZZ001)522( ,0maxZR0minZKR00001ZZZZ可将可将 l

6、l/4 阻抗变换器接在靠近终端的电压波腹或波节点阻抗变换器接在靠近终端的电压波腹或波节点处来实现阻抗匹配。处来实现阻抗匹配。 在在 lmax 处接入，则处接入，则在在lmin 处接入，则处接入，则0001ZKZZ00ZKZ单节单节l l/4阻抗匹配器的主要缺点是频带窄。阻抗匹配器的主要缺点是频带窄。当工作波长为当工作波长为 l l0 时，时，l =l l0 0/4 , 对单一工作频率对单一工作频率f0 ，当当RZZ001可实现匹配，即可实现匹配，即Zin=Z0 。当工作频率当工作频率f 偏离偏离f0 时，时， l =l l0 0/4 l l/4 ， l p p/2， Zin Z0 。G G 0

7、，而为：而为：LZ0Z01ZGRinZ40llminlG00ZZZZinin00101010010101tgtgtgtgZljRZljZRZZljRZljZRZ:0201代入得代入得把把RZZ) 1 (tg2)(000lRZjZRZRG)2(sec211200GZRRZ42,0llpl在中心频率附近在中心频率附近2)2()(0ppllseccos200RZZR G)3()4(00maxZRZRG 由由(3)、(4)可画出可画出 G G 随随 (或或 f )变化的曲线变化的曲线 , 曲线作曲线作周期为周期为 p p 的变化。设允许的变化。设允许 G G G G m，则其工作带宽对则其工作带宽对应

8、于应于 D D 限定的频率范围。限定的频率范围。由于由于 偏离偏离 p p/2 时时 G G 曲线曲线急剧下降急剧下降, 故工作带宽很窄。故工作带宽很窄。 当当 G G = G Gm时时, 则通带边缘上的则通带边缘上的 值为值为 1 1m、 2 2ppm，且由式且由式(2)，有，有。最大最大此时阻抗变换器不存在此时阻抗变换器不存在相当于相当于当当G,0,0l通常用分数带宽通常用分数带宽Wq表示频带宽度，表示频带宽度， Wq与与 m有如下关系有如下关系 对于单一频率或窄频带的阻抗匹配而言，一般单节对于单一频率或窄频带的阻抗匹配而言，一般单节l l/4 阻抗变换器提供的带宽能够满足要求。但若要求在

9、宽阻抗变换器提供的带宽能够满足要求。但若要求在宽带内实现阻抗匹配，就必须采用双节、三节或多节带内实现阻抗匹配，就必须采用双节、三节或多节 l l/4 阻抗变换器阻抗变换器 (可参阅有关资料可参阅有关资料) 。)5()(12arccos020ZRRZmmmGG012012fffWq)6(422/)(mmmppp2. 支节调配器支节调配器 支节调配器是在距终端负载的某一处并联或串联短支节调配器是在距终端负载的某一处并联或串联短 路或开路支节。路或开路支节。有单支节、双支节或多支节匹配器，常有单支节、双支节或多支节匹配器，常 用并联调配支节。用并联调配支节。 1). 单支节匹配器单支节匹配器inYL

10、Yd1Y2Y0Y0Y0Yl 并联单支节匹配器是在距并联单支节匹配器是在距 负载负载 d 处并联长度为处并联长度为 l 的的短路短路 支节，利用调节支节，利用调节 d 和和 l 来实现来实现 匹配的。匹配的。121YYYin, ,匹配时匹配时)(2BY纯电纳纯电纳为。)上)上园园应在导纳园图的可匹配应在导纳园图的可匹配1(1GY,11BY1G00.25导纳园图导纳园图)(AYL 点点C点点DACAClldADlldinYLYd1Y2Y0Y0Y0Yl单支节匹配器单支节匹配器AClldBj11 1Y YBBY2DBADlldBj11 1Y YBY2DC1G00.25导纳园图导纳园图BFBElFlEl

11、l BY2 点点C点点D点点E 有两组解，通有两组解，通常选常选d、l 较短的一较短的一组解。组解。 负载改变，则实负载改变，则实现匹配的现匹配的 d、l 将随将随之而变，这对同轴之而变，这对同轴线、带状线等传输线、带状线等传输线十分不便，解决线十分不便，解决的办法是采用双支的办法是采用双支节匹配器。节匹配器。25. 0Ell25. 0FllBY2点点F2). 双支节匹配器双支节匹配器 在单支节匹配器中改变在单支节匹配器中改变d 是为了找到归一化电导分量是为了找到归一化电导分量 为为1 1的参考面。由：的参考面。由：ininZY1djZdZjLLtgtg1 可知，线上某参考面的输入导纳不仅决定

12、于该面与终可知，线上某参考面的输入导纳不仅决定于该面与终 端的距离端的距离 d ，还决定于负载的情况。亦即改变负载情，还决定于负载的情况。亦即改变负载情 况也可找到归一化电导分量为况也可找到归一化电导分量为 1 1 的参考面。改变负载的参考面。改变负载 的办法是在给定的负载上、或在离负载一定距离的办法是在给定的负载上、或在离负载一定距离 d1 的的 参考面上附加纯电纳。参考面上附加纯电纳。 双支节匹配器是在双支节匹配器是在d1 处并联一长度为处并联一长度为 l1 的短路支的短路支 节节, , 第二个第二个短路支节的长度为短路支节的长度为l2 ，两支节的距离，两支节的距离d2 固定；固定； 为便

13、于计算，常取为便于计算，常取 d2 l/8、l/4 或或 3l/8，但是但是d2 l/2。 d1 、 d2 一确定，即可调节一确定，即可调节 l1 和和 l2 而达到匹配。而达到匹配。双支节匹配器的工作原理：双支节匹配器的工作原理：LY1d1lB2dAA2Y0Y0Y2lB1Y4YaYbY0Y3Y双支节匹配器双支节匹配器1). 分析：分析：假定已匹配好。假定已匹配好。(1) B-B面：面：,1bY(3) A-A面：面：,应落在辅助园上应落在辅助园上aY，的电导相等的电导相等与与1YYa。，园园上上落落在在则则设设为为111GYG沿沿着着使使的的长长度度调调节节支支节节111Yl ，电长度电长度园

14、顺时针方向转过园顺时针方向转过点沿其所在等点沿其所在等Y Yl2)4(daG。点点上上得得1 1园园G G落落在在3Y上。园园1 1G G应落在应落在3Y的的可通过调节支节可通过调节支节的电纳的电纳233BY。来来抵抵消消所所产产生生的的电电纳纳长长度度342BYl园逆时针方向园逆时针方向1 1G G )2(。电电长长度度得得辅辅助助园园转转过过l2daYG,1交交点点即即为为交交园园移移动动直直至至与与辅辅助助园园相相。2) 调配过程调配过程0.250(1) 作辅助园作辅助园:1G812dLLZY1)2(, ,) )点点C(C1d1G。211dG园逆时针转园逆时针转2B1l3B3B2lDE)

15、(1111点DBjGYdYLG得得园顺时针转园顺时针转沿等沿等。aaBjGYEGY) 3(111点得点得园于园于园转动交辅助园转动交辅助沿沿。12YYYa12lBj3321(1G)4(BjYFdYaG点点) )得得园园上上落落在在针针转转园园顺顺时时沿沿等等。F34YYYb3Bj2l重述调配过程重述调配过程(1) 作辅助园作辅助园:。211dG园逆时针转园逆时针转025. 01G导纳园图导纳园图812dLZLLZY1)2(LY。1111BjGYdYLG得得园园顺顺时时针针转转沿沿等等1d111BjGYaY。aaBjGYGY)3(111辅助园得辅助园得园转动交园转动交沿沿1212lBjYYYa2

16、B1l3B2334lBjYYYb2l33211)4(BjYGdYa 园上得园上得落在落在针转针转沿等沿等园顺时园顺时。3Y 显然，双支节匹配器也有两组解，应选取较合理的显然，双支节匹配器也有两组解，应选取较合理的一组一组( l1 、l2 较短的较短的)。 （自习（自习p40-p41例题）例题）问题：问题：1） l1 、l2 的作用是什么？的作用是什么？ 2）双支节匹配器的优、缺点及克服缺点的办法。）双支节匹配器的优、缺点及克服缺点的办法。 2）双支节匹配器的优点：两支节的位置固定，无需）双支节匹配器的优点：两支节的位置固定，无需沿线移动。沿线移动。 缺点：存在得不到匹配的盲区。克服缺点的办法是

17、缺点：存在得不到匹配的盲区。克服缺点的办法是采用三支节或多支节匹配器。采用三支节或多支节匹配器。;,:) 111园移动到辅助园上园移动到辅助园上沿沿使使的电纳的电纳调整调整GYYlaa。而达到匹配而达到匹配使使的电纳的电纳调整调整1,:2bbYYl d2 = l l/8 时，时，盲区为盲区为；2G d2 = l l/4 时，时，盲区为盲区为。1G0.2502Gd2= l l/8 双支节匹配器的盲区双支节匹配器的盲区 三支节匹配器为二支节匹配器的组合。三支节匹配器为二支节匹配器的组合。l1、l2 为一组，为一组，l2、l3 为一组。首先，为一组。首先， l3 = l l /4 (闲置闲置)，由，

18、由l1、l2 调配；若调配；若3). 三支节匹配器三支节匹配器LY1dB2dAC3d1lA0Y0Y2lB0YC3l0Y,落在盲区落在盲区aG则则 l1 = l l /4 (闲置闲置)，由，由l2、l3 进行调配。进行调配。 随着计算机技术的普及和发展，计算机辅助分析随着计算机技术的普及和发展，计算机辅助分析(CAA)和计算机辅助设计和计算机辅助设计(CAD)获得广泛应用。传输获得广泛应用。传输线问题也可借助计算机进行辅助计算。线问题也可借助计算机进行辅助计算。 我们已用我们已用VC+编制圆图及阻抗匹配的计算软件，编制圆图及阻抗匹配的计算软件，有机会可以做演示。希望同学们积极尝试各种软件有机会可

19、以做演示。希望同学们积极尝试各种软件的应用。的应用。本章小结本章小结1. 微波传输线是一维分布参数电路。传输线可用于微波传输线是一维分布参数电路。传输线可用于 传输微波信号能量及构成各种微波元器件。传输微波信号能量及构成各种微波元器件。2. 传输线方程可由传输线的等效电路导出，它是传传输线方程可由传输线的等效电路导出，它是传 输线理论中的基本方程。输线理论中的基本方程。 均匀无耗传输线方程：均匀无耗传输线方程：0)()(0)()(222222zIdzzIdzUdzzUd其通解为其通解为(以终端为坐标原点以终端为坐标原点)：GG)(1)()()()(1)()(1)()()()(21021zzIz

20、IzIeAeAZzIzzUzUzUeAeAzUirizjzjirizjzj3. 均匀无耗传输线有三种工作状态均匀无耗传输线有三种工作状态:(1) 当当ZL=Z0 (匹配匹配)时，线上只有入射波行波，电压、时，线上只有入射波行波，电压、 电流振幅不变，相位沿传播方向滞后；电流振幅不变，相位沿传播方向滞后； Zin(z)=Z0 ；电磁能量全部被负载吸收。电磁能量全部被负载吸收。(2) 当当ZL=0、 、 jXL 时，线上载驻波。入射波和反时，线上载驻波。入射波和反 射波的振幅相等，驻波的波腹为入射波的两倍，射波的振幅相等，驻波的波腹为入射波的两倍， 波节为零；电压波腹处的阻抗无限大，电压波节波节为零；电压波腹处的阻抗无限大，电压波节 处的阻抗为零，沿线其余各点的阻抗均为纯电抗；处的阻抗为零，沿线其余各点的阻抗均为纯电抗； 无电磁能量的传输，只有电磁能量的交换。无电磁能量的传输，只有电磁能量的交换。其参量为：其参量为：,)()(000CLzIzUZii,2plp,rpcv,rpll(3) 当当ZL= RL jXL 时，线上载行驻波。行驻波的波腹小时，线上载行驻波。行驻波的波腹小 于两倍入射波，波节不为零；电压波腹点的阻抗为于两倍入射波，波节不为零；电压波腹点的阻抗为 Rmax = Z0 ，电压波节