微波技术阻抗匹配

1、1 1阻抗匹配概念阻抗匹配概念(impedance match)(impedance match)阻抗匹配：是使微波电路或系统无反射、使系统处于阻抗匹配：是使微波电路或系统无反射、使系统处于行波或尽量接近行波状态的技术措施。行波或尽量接近行波状态的技术措施。1 1）阻抗匹配的重要性）阻抗匹配的重要性l l 匹配时传输给传输线和负载的功率最大，馈线匹配时传输给传输线和负载的功率最大，馈线中的功率损耗最小；中的功率损耗最小；l l 阻抗失配时传输大功率信号易导致击穿；阻抗失配时传输大功率信号易导致击穿；l l 阻抗失配时反射波会对信号源产生频率牵引作用，阻抗失配时反射波会对信号源产生频率牵引作用，

2、使信号源工作不稳定，甚至不能正常工作。使信号源工作不稳定，甚至不能正常工作。其重要性：其重要性：在传输系统中一般情况下：在传输系统中一般情况下：00,LgZZ ZZ构2 2）阻抗匹配问题）阻抗匹配问题 负载与传输线之间的负载与传输线之间的阻抗匹配，阻抗匹配，ZL=Z0方法：在负载与传输线之间接入匹配装置，在匹配装方法：在负载与传输线之间接入匹配装置，在匹配装置处的置处的Zin=Z0（传输线的特性阻抗）。（传输线的特性阻抗）。目的：目的：负载端无反射负载端无反射。实质：人为产生一反射波，与实际负载的反射波相抵消。实质：人为产生一反射波，与实际负载的反射波相抵消。ZLEgZgZ0,Zin在源端和负

3、载端均有反射。在源端和负载端均有反射。匹配装置ZLZ0EgZgZin=Z0匹配装置匹配装置ZLEgZgZ0 信号源与传输线之信号源与传输线之间的阻抗匹配间的阻抗匹配a. .信号源与负载线的匹配信号源与负载线的匹配实际情况：负载端总有反射，用隔离器吸收反实际情况：负载端总有反射，用隔离器吸收反射信号，使信号源稳定工作。射信号，使信号源稳定工作。目的：目的：信号源端无反射信号源端无反射条件：使条件：使Zin=Zg方法：在信号源与传输线之间接入匹配装置方法：在信号源与传输线之间接入匹配装置Zinb b. . 信号源的共轭匹配信号源的共轭匹配条件：使条件：使 ，或，或*ingZZ=,ingingRRX

4、X= -目的：目的：信号源功率输出最大信号源功率输出最大方法：在信号源与传输线之间接入匹配装置方法：在信号源与传输线之间接入匹配装置应用：微波有源电路。应用：微波有源电路。匹配装置匹配装置ZLEgZgZ0Zg*例如，例如， 当则整个系统上无反射，当则整个系统上无反射，但此时传送给负载的功率仅源输出功率的为但此时传送给负载的功率仅源输出功率的为一半，传输效率仅为一半，传输效率仅为50%。而要提高效率则。而要提高效率则只能减少只能减少Zg，这样就不再能维持，这样就不再能维持0gLZZZ=0gZZ=注意：注意：最佳效率最佳效率与与无反射无反射有时有时有矛盾有矛盾。ZLEgZgZ0,ZinEgZ0Zi

5、n=Z0Im1 1负载阻抗匹配方法负载阻抗匹配方法要求匹配网络要求匹配网络简单易行简单易行附加损耗小附加损耗小频带宽频带宽可调节可调节(1)(1)集总元件集总元件L节匹配网络节匹配网络jBZLjXjXZLjBZ0Z0 图图a. . z zL L实部大于实部大于1 1 图图b b. .z zL L实部小于实部小于1 1适用范围：适用范围：f 1 1GHz用两个电抗（电感或电容）元件组成的用两个电抗（电感或电容）元件组成的L节网络来节网络来使任意负载阻抗（在某频率上）与传输线匹配。使任意负载阻抗（在某频率上）与传输线匹配。可利用史密斯圆图进行快速精确的设计。可利用史密斯圆图进行快速精确的设计。/4

6、ZinZ01RLZ0in201inLZZR=如图：应用如图：应用/4/4线段的阻抗变换性：线段的阻抗变换性：匹配时应有：匹配时应有：Zin= =Z0 0010LZZR=则则/4/4线的特性阻抗应为：线的特性阻抗应为：特点：简单、实用特点：简单、实用使用范围：实负载阻抗与传输线匹配。使用范围：实负载阻抗与传输线匹配。(2)/4(2)/4变换器变换器如果负载为如果负载为Z ZL L（复数），则可在（复数），则可在/4/4变换器与负载之间变换器与负载之间加上一段移相线段，或在负载处并联或串联适当的电抗加上一段移相线段，或在负载处并联或串联适当的电抗短截线短截线-先变成实阻抗，再进行阻抗变换。先变成实

7、阻抗，再进行阻抗变换。由于由于l/4l/4变换器，与波长变换器，与波长有关，频带变窄。有关，频带变窄。如要求在宽带工作时（或如要求在宽带工作时（或两阻抗比过大时），可采两阻抗比过大时），可采用双节、三节等多节用双节、三节等多节/4/4变换器结构。变换器结构。ZLZ0/4ZinZ01ZLZ0inZ0d已知：已知： ；求：用求：用/4/4变换器进行匹配的位置变换器进行匹配的位置d d 及及 。01Z解：已知在电压最小点和电压最大点输入阻抗为解：已知在电压最小点和电压最大点输入阻抗为纯电阻，故此阻抗匹配器应在此点接入。纯电阻，故此阻抗匹配器应在此点接入。 例例:向电源方向最近的为向电源方向最近的为

8、点，点， ；maxVmax0.25l=% %24. 26 . 1jzL 203. 0 Ll；相对应；相对应/4ZinZ01RLZ0indZ0ZL 50);(112800ZjZL该点的阻抗为：该点的阻抗为： max5.15z=即即max257.5()ZW W=则则01max0257.550113.5()ZZZW W=max()(0.250.203)0.042Ldlll ll l=-=-=% % %则阻抗转换器的接入位置：则阻抗转换器的接入位置： /4ZinZ01RLZ0indZ0ZL用公式计算：用公式计算：/4ZinZ01RLZ0indZ0ZL先求第一个电压最大点先求第一个电压最大点或电压最小点

9、的位置，或电压最小点的位置，即接入位置即接入位置dmax1或或dmin1, 由输入阻抗由输入阻抗公式求该点公式求该点的的Zin=Rin再由再由 /4阻抗变阻抗变换器公式求其换器公式求其特性阻抗特性阻抗Z01010inZZ R=(3) (3) 支节调配器支节调配器支节调配器是在距离负载某固定位置上并联支节调配器是在距离负载某固定位置上并联或串联终端短路或开路的传输线段构成。或串联终端短路或开路的传输线段构成。常用并联调配支节。常用并联调配支节。支节数可以是一条、两条、三条或更多。支节数可以是一条、两条、三条或更多。ABa. .单支节调配器单支节调配器支节调配器是在距离负载支节调配器是在距离负载

10、d 处并联或串联长度为处并联或串联长度为 l 的终端的终端短路或开路的短截线构成。短路或开路的短截线构成。调节变量：调节变量：d, ,l并联支节：由负载阻抗经并联支节：由负载阻抗经 d 距离变换后，距离变换后，在在B点的导纳点的导纳Y=Y0+jB，如支节，如支节的电纳为的电纳为-jB，达到匹配；达到匹配；串联支节：由负载阻抗经串联支节：由负载阻抗经d 距离变换后，在距离变换后，在B点的阻抗点的阻抗Z=Z0+jX，如支节的电，如支节的电抗为抗为-jX，达到匹配。达到匹配。AB1)1)并联单支节公式分析并联单支节公式分析令：令：ZL=1/YL=RL+jXLdtgjXRjZdtgjZjXRZdZLL

11、LL )()()(000 则由支节处向负载看去的输入阻抗：则由支节处向负载看去的输入阻抗：2022)()1(tZXRtRGLLL )()(2020002tZXRZtZXtXZtRBLLLLL 令令 t = =tg(d) 则其输入导纳为：则其输入导纳为：Y=1/Z=G+jBAB选择选择 d 使使G= =Y0=1/=1/Z0，代入可得，代入可得 t 的二次方程：的二次方程：0)(2)(2200200 LLLLLXRZRtZXtZRZ则则 0),(210,21tarctgttarctgtd 00000220,2,/ )(ZRZXZRZRZXRZRXtLLLLLLLL解得解得如若求得长度为负值，应加上

12、如若求得长度为负值，应加上/2/2取其正值。取其正值。支节的输入电纳：支节的输入电纳：BBs 则支节的长度为：则支节的长度为： BYarctgBYarctglssc002121 短路支节：短路支节： 02121YBarctgYBarctglosoc 开路支节：开路支节：例：例：Z0=50，ZL=25+j75，无，无耗线，求单支节耗线，求单支节短路短路并联匹并联匹配器的位置配器的位置 d 和长度和长度 l。分析：应使在分析：应使在C点之后反射波为零点之后反射波为零C点：并联之后的归一化导纳点：并联之后的归一化导纳yC=y1+y2=1。 由于由于y2=jb2 (短路支节短路支节)B点：在并联前应为

13、点：在并联前应为yB=y1=yC-y2=1-jb2。即即r=1的圆。的圆。即：负载导纳即：负载导纳yL经经d 的距离后应为的距离后应为y1=1-jb2 ;由于传输线无耗，故在线上为沿等由于传输线无耗，故在线上为沿等 圆旋转，选择圆旋转，选择d，使，使y1=1-jb2。（y1 落在落在 r=1 的圆上的圆上)ABC2 2）利用圆图分析单支节阻抗匹配器）利用圆图分析单支节阻抗匹配器解：解：归一化负载阻抗：归一化负载阻抗：00.51.5LLZzjZ=+相应的归一化负载导纳为：相应的归一化负载导纳为： yL=0.2-j0.6=0.2-j0.6其对应的波长数为：其对应的波长数为： 0.4120.412由

14、由yL沿等沿等 圆顺时针旋转圆顺时针旋转与与g=1=1的圆交于两点的圆交于两点 L波长数为波长数为0.1920.192波长数为波长数为0.3080.308112.2yj=+112.2yj=-ABC 支节的位置为：支节的位置为： (0.50.4120.192)0.0880.1920.28(0.50.4120.308)0.0880.3080.396ddl ll ll ll ll ll ll ll l=-+=+=-+=+= 短路支节短路支节的归一化输的归一化输入电纳为：入电纳为：212112.212.2yyjyyj=-= -=-= +220.3180.182lll ll l=求求短路支节短路支节的长

15、度：短路时的长度：短路时y yL2L2=,=,位于实轴右端点，位于实轴右端点， lL2=0.25由此点至支节归一化电纳点（由此点至支节归一化电纳点（y y2 2或或y y2 2顺时针所旋转的波顺时针所旋转的波长数即为短路支节的长度）长数即为短路支节的长度）220.3180.250.068Lllll ll ll l=-=-=220.50.250.1820.432Llllllllll =-+=+=在上面两个解中一般选在上面两个解中一般选取较短的一对。取较短的一对。双支节匹配网络双支节匹配网络AB 单支节调配器中因要求单支节调配器中因要求 d 可调，对于同轴线、波导等结构可调，对于同轴线、波导等结构中较难调。故常采用双支节调配器。一般为并联支节。中较难调。故常采用双支节调配器。一般为并联支节。能两支节之间的距离能两支节之间的距离d = =/8, /8, /4, 3/4, 3/8 (/8 (注意不能注意不能选取选取/2)/2)，不可调；两支节长度为，不可调；两支节长度为l1 1和和l2 2，可调节。，可调节。渐变线渐变线 在用在用/4/4变换匹配器时，若阻抗变换比很大或变换匹配器时，若阻抗变换比很大或要求宽频带工作时，可采用多节变换器要求宽频带工