第6章 匹配网络

1、射频电路理论与设计射频电路理论与设计（第（第2版）版）在射频电路的设计中，阻抗匹配是最在射频电路的设计中，阻抗匹配是最重要的概念之一，是电路和系统设计时必重要的概念之一，是电路和系统设计时必须考虑的重要问题。在匹配网络的设计中，须考虑的重要问题。在匹配网络的设计中，解析方法很繁杂，本章只讨论用史密斯圆解析方法很繁杂，本章只讨论用史密斯圆图的设计方法。本章首先讨论匹配网络的图的设计方法。本章首先讨论匹配网络的目的及选择准则，然后讨论匹配网络的设目的及选择准则，然后讨论匹配网络的设计。计。 匹配网络的目的及选择方法匹配网络的目的及选择方法6.1 集总参数元件电路的匹配网络设计集总参数元件电路的匹配

2、网络设计6.2 分布参数元件电路的匹配网络设计分布参数元件电路的匹配网络设计6.3 混合参数元件电路的匹配网络设计混合参数元件电路的匹配网络设计6.41. 匹配网络的目的匹配网络的目的 匹配包括两个方面，一个是传输线与匹配包括两个方面，一个是传输线与负载之间的匹配；一个是信源与负载之间负载之间的匹配；一个是信源与负载之间的共轭匹配。传输线与负载之间的匹配，的共轭匹配。传输线与负载之间的匹配，是使传输线无反射、线上载行波或尽量接是使传输线无反射、线上载行波或尽量接近行波的一种技术措施。近行波的一种技术措施。信源与负载之间的共轭匹配，是使传信源与负载之间的共轭匹配，是使传输线的输入阻抗与信源的内阻

3、互为共轭复输线的输入阻抗与信源的内阻互为共轭复数，此时信源的功率输出为最大。数，此时信源的功率输出为最大。 匹配关系到系统的传输效率、功率容匹配关系到系统的传输效率、功率容量和工作稳定性，其重要性主要表现在量和工作稳定性，其重要性主要表现在3个个方面。方面。 （1）从信源到负载实现最大功率传）从信源到负载实现最大功率传输。输。 （2）减小线路反射，目的是减小噪）减小线路反射，目的是减小噪声干扰，提高信噪比。声干扰，提高信噪比。 （3）传输相同功率时线上电压驻波）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。系数最小，功率承受能力最大。 2. 匹配网络的选择准则匹配网络的选择准则 只要负

4、载阻抗不是一个纯虚数，都可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网络时，考虑的主要因有下面4个。个。 （1）简单性。希望选择满足性能指）简单性。希望选择满足性能指标的最简单设计。较简单的匹配结构标的最简单设计。较简单的匹配结构价格便宜、可靠、损耗小。价格便宜、可靠、损耗小。 （2）带宽。任何一个网络都只能在）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，单一频率上实现匹配，欲展宽带宽，电路设计要在简单性、带宽以及造价电路设计要在简单性、带宽以及造价之间有所权衡。之间有所权衡。 （3）可实

5、现性。可实现性既要考虑）可实现性。可实现性既要考虑生产工艺的可实现性，又要考虑尺寸生产工艺的可实现性，又要考虑尺寸要求的可实现性。要求的可实现性。 （4）可调整性。变化的负载需要可）可调整性。变化的负载需要可调整的匹配网络。调整的匹配网络。 6.2.1 传输线与负载间传输线与负载间L形匹配形匹配网络网络负载与传输线阻抗匹配，就是使传输负载与传输线阻抗匹配，就是使传输线工作在行波状态。线工作在行波状态。在负载与传输线中间加一个匹配网络，在负载与传输线中间加一个匹配网络，使其输入阻抗等于传输线的特性阻抗，称使其输入阻抗等于传输线的特性阻抗，称为负载与传输线阻抗匹配。为负载与传输线阻抗匹配。 L形匹

6、配网络由形匹配网络由2个电抗性元件组成，个电抗性元件组成，也称为双元件匹配网络。负载与传输线间也称为双元件匹配网络。负载与传输线间L形匹配网络共有形匹配网络共有8种组合，如图种组合，如图6.1所示。所示。 图图6.1 8种负载与传输线间种负载与传输线间L形匹配网络形匹配网络双元件负载匹配网络采用图双元件负载匹配网络采用图6.1中的哪中的哪种形式，取决于归一化负载阻抗在史密斯种形式，取决于归一化负载阻抗在史密斯圆图上的位置。有圆图上的位置。有3种可能性，下面分别加种可能性，下面分别加以讨论。以讨论。 1. 负载位于负载位于1+jb圆圆(归一化单位电归一化单位电导圆导圆)内内 图图6.2 负载位于

7、归一化单位电导圆内时负载位于归一化单位电导圆内时L形匹配的圆图图解形匹配的圆图图解 图图6.3 例例6.1用图用图2. 负载位于负载位于1+jx圆圆(归一化单位电归一化单位电阻圆阻圆)内内 图图6.4 负载位于归一化单位电阻圆负载位于归一化单位电阻圆3. 负载位于负载位于1+jx圆和圆和1+jb圆外圆外 图图6.5 负载位于归一化单位电阻和电导圆外时负载位于归一化单位电阻和电导圆外时L形匹配的圆图图解形匹配的圆图图解对上述讨论的对上述讨论的3种情形，可以总结出种情形，可以总结出某些规律，这些规律可以简化和加速匹配某些规律，这些规律可以简化和加速匹配电路的设计过程。电路的设计过程。 规律规律1

8、始终同时利用史密斯阻抗和导始终同时利用史密斯阻抗和导纳圆图。纳圆图。 规律规律2 在史密斯圆图上始终从负载开在史密斯圆图上始终从负载开始沿等电阻圆或等电导圆移动，最终到达始沿等电阻圆或等电导圆移动，最终到达圆图中心匹配点。圆图中心匹配点。 规律规律3 沿等电阻圆或等电导圆每移动沿等电阻圆或等电导圆每移动一次，就确定一个相关的电抗元件。一次，就确定一个相关的电抗元件。 规律规律4 沿等电阻圆移动相当于串联电沿等电阻圆移动相当于串联电抗元件，沿等电导圆移动相当于并联电抗抗元件，沿等电导圆移动相当于并联电抗元件。元件。规律规律5 沿等电阻圆、等电导圆顺时针沿等电阻圆、等电导圆顺时针或逆时针方向移动，

9、决定了电抗元件是感或逆时针方向移动，决定了电抗元件是感性或是容性。性或是容性。规律规律6 负载在史密斯圆图上的位置决负载在史密斯圆图上的位置决定有几种定有几种L形匹配网络。形匹配网络。 规律规律7 任何负载都不能同时有图任何负载都不能同时有图6.1中的中的8种种L形匹配方式，因此所有形匹配方式，因此所有L形网络形网络都有匹配禁区。都有匹配禁区。6.2.2 信源与负载间信源与负载间L形共轭形共轭匹配网络匹配网络信源的匹配就是使信源的内阻信源的匹配就是使信源的内阻ZS通过通过匹配网络变换后与负载互为共轭复数，此匹配网络变换后与负载互为共轭复数，此时信源的功率输出最大。射频电路中的这时信源的功率输出

10、最大。射频电路中的这种情形比负载与传输线阻抗匹配的情形更种情形比负载与传输线阻抗匹配的情形更为普遍。为普遍。信源与负载间信源与负载间L形共轭匹配网络由形共轭匹配网络由2个个电抗性元件组成，也称为双元件匹配网络。电抗性元件组成，也称为双元件匹配网络。与传输线与负载间与传输线与负载间L形匹配网络一样，信形匹配网络一样，信源与负载间源与负载间L形共轭匹配网络同样共有形共轭匹配网络同样共有8种种组合，如图组合，如图6.6所示。所示。 图图6.6 8种信源与负载间的种信源与负载间的L形共轭匹配网络形共轭匹配网络 图图6.8 例例6.3用图用图6.2.3 L形匹配网络的品质因形匹配网络的品质因数数传输线与

11、负载之间的传输线与负载之间的L形匹配网络，形匹配网络，只能在中心频率只能在中心频率f0保证传输线与负载之间保证传输线与负载之间匹配，使包含匹配，使包含L形网络与负载在内的总输形网络与负载在内的总输入阻抗位于史密斯圆图的中心，传输线上入阻抗位于史密斯圆图的中心，传输线上反射系数为反射系数为0。当频率偏离中心频率时，传输线上的当频率偏离中心频率时，传输线上的反射系数将大于反射系数将大于0。所以，上述匹配网络可。所以，上述匹配网络可以视为谐振频率为以视为谐振频率为f0的谐振电路。的谐振电路。由于由于L形匹配网络是由串联或并联的形匹配网络是由串联或并联的电感或电容组成的，所以这种网络有滤波电感或电容组

12、成的，所以这种网络有滤波性。下面讨论性。下面讨论L形匹配网络的品质因数，形匹配网络的品质因数，以得到匹配网络的带宽。以得到匹配网络的带宽。 图图6.9 史密斯圆图中的等史密斯圆图中的等Qn线线 图图6.10 例例6.4用图用图6.2.4 T形和形和形匹配网络形匹配网络在在6.1节讨论过，匹配网络设计的节讨论过，匹配网络设计的4个个准则是简单性、带宽、可实现性和可调整准则是简单性、带宽、可实现性和可调整性。性。L形匹配网络的优点是结构简单，但形匹配网络的优点是结构简单，但其节点数目和节点在圆图上的位置是固定其节点数目和节点在圆图上的位置是固定的，匹配网络的带宽无法调整，设计没有的，匹配网络的带宽

13、无法调整，设计没有灵活性。灵活性。为此，本节讨论为此，本节讨论T形和形和形匹配网络。形匹配网络。T形和形和形匹配网络可以在设计时调整匹配形匹配网络可以在设计时调整匹配网络的带宽，增加了设计的灵活性。网络的带宽，增加了设计的灵活性。 图图6.11 T形和形和形匹配网络形匹配网络 图图6.12 例例6.5用图用图随着工作频率的提高，波长不断减小，随着工作频率的提高，波长不断减小，当波长与元器件尺寸或电路尺寸相当时，当波长与元器件尺寸或电路尺寸相当时，可以采用分布参数元件实现匹配网络。可以采用分布参数元件实现匹配网络。本节讨论用单支节、双支节及四分之本节讨论用单支节、双支节及四分之一波长阻抗变换器实

14、现匹配网络的方法，一波长阻抗变换器实现匹配网络的方法，这种方法可以适用于微带线、带状线、同这种方法可以适用于微带线、带状线、同轴线及平行双导线，本节画图时用平行双轴线及平行双导线，本节画图时用平行双导线说明匹配网络的结构。导线说明匹配网络的结构。 6.3.1 负载与传输线的阻抗匹负载与传输线的阻抗匹配配1. 单支节匹配单支节匹配 单支节匹配就是在主传输线上并联一单支节匹配就是在主传输线上并联一个支节，用支节的电纳抵消其接入处主传个支节，用支节的电纳抵消其接入处主传输线上的电纳，达到匹配。输线上的电纳，达到匹配。 图图6.14 单支节匹配单支节匹配 图图6.15 例例6.7用图用图2. 双支节匹

15、配双支节匹配 单支节匹配的优点是简单，缺点是需单支节匹配的优点是简单，缺点是需要调节支节的位置要调节支节的位置d1，这对于有些电路来，这对于有些电路来说是困难的，解决的办法是采用双支节匹说是困难的，解决的办法是采用双支节匹配。配。 6.16 双支节匹配双支节匹配双支节匹配需要指出如下双支节匹配需要指出如下4点。点。 （1）双支节匹配中，支节长度的解）双支节匹配中，支节长度的解有有2组，一般选取支节长度较短的一组，一般选取支节长度较短的一组。组。 （2）d2不能取不能取/2，这是因为，这是因为l1的作的作用是调节用是调节l2的输入阻抗，如果的输入阻抗，如果d2取取/2，则失去阻抗变换作用，达不到

16、，则失去阻抗变换作用，达不到匹配。匹配。（3）当）当d2=/8或或d2=3/8时，若时，若g12，也不能匹配。由此可见，双支节匹也不能匹配。由此可见，双支节匹配不是对任意负载都能匹配，存在配不是对任意负载都能匹配，存在着不能匹配的死区。着不能匹配的死区。（4）双支节匹配只能对一个频率达）双支节匹配只能对一个频率达到理想匹配，当频率变化时，匹配到理想匹配，当频率变化时，匹配条件被破坏。条件被破坏。3./4阻抗变换器阻抗变换器 6.3.2 信源与负载的共轭匹配信源与负载的共轭匹配1. 支节与主传输线特性阻抗相同支节与主传输线特性阻抗相同时单支节匹配时单支节匹配 2. 支节与主传输线特性阻抗不同支节与主传输线特性阻抗不同时单支节匹配时单支节匹配在射频频段也常采用集总参数元件与在射频频段也常采用集总参数元件与分布参数元件混合使用的方法。分布参数元件混合使用的方法。混合参数元件电路的匹配网络通常是混合参数元件电路的匹配网络通常是由几段传输线以及间隔配置的并联电容构由几段传输线以及间隔配置的并联电容构成，这种结构由于有集总参数的电容，结成，这种结构由于有集总参数的电容，结构比全部采用分布参数的匹配网络更紧凑。构比全部采用分布参数的匹配网络更紧凑。由于电感比电容有更高的电阻性损