微波技術(shù)傳輸線的阻抗匹配

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統(tǒng)無反射、載行波盡量接近行阻抗匹配是使微波系統(tǒng)無反射、載行波盡量接近行波狀態(tài)的技術(shù)措施。波狀態(tài)的技術(shù)措施。 1. 阻抗匹配的重要性阻抗匹配的重要性 (1) 匹配時(shí)傳輸功率最大，功率損耗最小；匹配時(shí)傳輸功率最大，功率損耗最??； (2) 阻抗匹配可改善系統(tǒng)的信噪比；阻抗匹配可改善系統(tǒng)的信噪比； (3) 功率分配網(wǎng)絡(luò)功率分配網(wǎng)絡(luò)(如天線陣的饋源網(wǎng)絡(luò)如天線陣的饋源網(wǎng)絡(luò))中的阻抗匹中的阻抗匹配將降低幅度和相位的誤差；配將降低幅度和相位的誤差； (4) 阻抗匹配可保持信號(hào)源工作的穩(wěn)定性；阻抗匹配可保持信號(hào)源工作的穩(wěn)定性； (5)阻抗匹配可提高傳輸線

2、的功率容量阻抗匹配可提高傳輸線的功率容量( )。 KZUPbrbr02212. 阻抗匹配問題阻抗匹配問題 1). 共軛匹配共軛匹配 目的：使信號(hào)源的功率輸出最大。目的：使信號(hào)源的功率輸出最大。 條件：條件：*ginZZ22maxingingZZREP滿足滿足共軛匹配條件的信號(hào)源輸出的最大功率為共軛匹配條件的信號(hào)源輸出的最大功率為: :),(ginginXXRRggRE422) 無反射匹配無反射匹配 目的：使傳輸線上無反射波，即工作于行波狀態(tài)。目的：使傳輸線上無反射波，即工作于行波狀態(tài)。 條件：條件：Zg= ZL= Z0 。 實(shí)際中傳輸線的始端和終端很難做到無反射匹配，實(shí)際中傳輸線的始端和終端很

3、難做到無反射匹配，通常在信號(hào)源輸出端接入隔離器以吸收反射波，而在傳通常在信號(hào)源輸出端接入隔離器以吸收反射波，而在傳輸線與負(fù)載之間使用匹配裝置用來抵消反射波。輸線與負(fù)載之間使用匹配裝置用來抵消反射波。信號(hào)源信號(hào)源隔離器隔離器匹配器匹配器負(fù)載負(fù)載 隔離器又稱單向器，是非互易器件，只允許入射隔離器又稱單向器，是非互易器件，只允許入射波通過而吸收掉反射波，使信號(hào)源端無反射波通過而吸收掉反射波，使信號(hào)源端無反射, 以穩(wěn)定以穩(wěn)定信號(hào)源的工作狀態(tài)。信號(hào)源的工作狀態(tài)。二、阻抗匹配的方法二、阻抗匹配的方法抗作為等效負(fù)載與傳輸線的特性阻抗相等?？棺鳛榈刃ж?fù)載與傳輸線的特性阻抗相等。 匹配器是一個(gè)兩端口的微波元件，

4、要求可調(diào)以適應(yīng)匹配器是一個(gè)兩端口的微波元件，要求可調(diào)以適應(yīng)不同負(fù)載，其本身不能有功率損耗，應(yīng)不同負(fù)載，其本身不能有功率損耗，應(yīng)由電抗元件構(gòu)成由電抗元件構(gòu)成。 匹配阻抗的原理是產(chǎn)生一種新的反射波來抵消實(shí)際匹配阻抗的原理是產(chǎn)生一種新的反射波來抵消實(shí)際負(fù)載的反射波負(fù)載的反射波(二者等幅反相二者等幅反相)，即，即“補(bǔ)償原理補(bǔ)償原理”。 常用的匹配器有常用的匹配器有l(wèi) l/4 阻抗變換器和支節(jié)匹配器。阻抗變換器和支節(jié)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負(fù)載與傳輸線之間接在負(fù)載與傳輸線之間接入匹配器，使其輸入阻入匹配器，使其輸入阻1. l l/4 阻抗變換器阻抗變換器 由一

5、段特性阻抗為由一段特性阻抗為Z01的的 l l/4 傳輸線構(gòu)成。如圖示，有：傳輸線構(gòu)成。如圖示，有：0ZLLRZ01Z4linZ 由于無耗線的特性阻抗為實(shí)數(shù)，故由于無耗線的特性阻抗為實(shí)數(shù)，故 l l/4 阻抗變換器阻抗變換器只能匹配純電阻負(fù)載。當(dāng)只能匹配純電阻負(fù)載。當(dāng)ZL=RL+jXL為復(fù)數(shù)時(shí)為復(fù)數(shù)時(shí), 根據(jù)行根據(jù)行駐波的電壓波腹和波節(jié)點(diǎn)處的輸入阻抗為純組：駐波的電壓波腹和波節(jié)點(diǎn)處的輸入阻抗為純組：)4tg()4tg(010101llLLinjRZjZRZZLRZ201匹配時(shí)，匹配時(shí)，必須使必須使,0ZZinLRZZ001)522( ,0maxZR0minZKR00001ZZZZ可將可將 l

6、l/4 阻抗變換器接在靠近終端的電壓波腹或波節(jié)點(diǎn)阻抗變換器接在靠近終端的電壓波腹或波節(jié)點(diǎn)處來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。處來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。 在在 lmax 處接入，則處接入，則在在lmin 處接入，則處接入，則0001ZKZZ00ZKZ單節(jié)單節(jié)l l/4阻抗匹配器的主要缺點(diǎn)是頻帶窄。阻抗匹配器的主要缺點(diǎn)是頻帶窄。當(dāng)工作波長(zhǎng)為當(dāng)工作波長(zhǎng)為 l l0 時(shí)，時(shí)，l =l l0 0/4 , 對(duì)單一工作頻率對(duì)單一工作頻率f0 ，當(dāng)當(dāng)RZZ001可實(shí)現(xiàn)匹配，即可實(shí)現(xiàn)匹配，即Zin=Z0 。當(dāng)工作頻率當(dāng)工作頻率f 偏離偏離f0 時(shí)，時(shí)， l =l l0 0/4 l l/4 ， l p p/2， Zin Z0 。G G 0

7、，而為：而為：LZ0Z01ZGRinZ40llminlG00ZZZZinin00101010010101tgtgtgtgZljRZljZRZZljRZljZRZ:0201代入得代入得把把RZZ) 1 (tg2)(000lRZjZRZRG)2(sec211200GZRRZ42,0llpl在中心頻率附近在中心頻率附近2)2()(0ppllseccos200RZZR G)3()4(00maxZRZRG 由由(3)、(4)可畫出可畫出 G G 隨隨 (或或 f )變化的曲線變化的曲線 , 曲線作曲線作周期為周期為 p p 的變化。設(shè)允許的變化。設(shè)允許 G G G G m，則其工作帶寬對(duì)則其工作帶寬對(duì)應(yīng)

8、于應(yīng)于 D D 限定的頻率范圍。限定的頻率范圍。由于由于 偏離偏離 p p/2 時(shí)時(shí) G G 曲線曲線急劇下降急劇下降, 故工作帶寬很窄。故工作帶寬很窄。 當(dāng)當(dāng) G G = G Gm時(shí)時(shí), 則通帶邊緣上的則通帶邊緣上的 值為值為 1 1m、 2 2ppm，且由式且由式(2)，有，有。最大最大此時(shí)阻抗變換器不存在此時(shí)阻抗變換器不存在相當(dāng)于相當(dāng)于當(dāng)當(dāng)G,0,0l通常用分?jǐn)?shù)帶寬通常用分?jǐn)?shù)帶寬Wq表示頻帶寬度，表示頻帶寬度， Wq與與 m有如下關(guān)系有如下關(guān)系 對(duì)于單一頻率或窄頻帶的阻抗匹配而言，一般單節(jié)對(duì)于單一頻率或窄頻帶的阻抗匹配而言，一般單節(jié)l l/4 阻抗變換器提供的帶寬能夠滿足要求。但若要求在

9、寬阻抗變換器提供的帶寬能夠滿足要求。但若要求在寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，就必須采用雙節(jié)、三節(jié)或多節(jié)帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，就必須采用雙節(jié)、三節(jié)或多節(jié) l l/4 阻抗變換器阻抗變換器 (可參閱有關(guān)資料可參閱有關(guān)資料) 。)5()(12arccos020ZRRZmmmGG012012fffWq)6(422/)(mmmppp2. 支節(jié)調(diào)配器支節(jié)調(diào)配器 支節(jié)調(diào)配器是在距終端負(fù)載的某一處并聯(lián)或串聯(lián)短支節(jié)調(diào)配器是在距終端負(fù)載的某一處并聯(lián)或串聯(lián)短 路或開路支節(jié)。路或開路支節(jié)。有單支節(jié)、雙支節(jié)或多支節(jié)匹配器，常有單支節(jié)、雙支節(jié)或多支節(jié)匹配器，常 用并聯(lián)調(diào)配支節(jié)。用并聯(lián)調(diào)配支節(jié)。 1). 單支節(jié)匹配器單支節(jié)匹配器inYL

10、Yd1Y2Y0Y0Y0Yl 并聯(lián)單支節(jié)匹配器是在距并聯(lián)單支節(jié)匹配器是在距 負(fù)載負(fù)載 d 處并聯(lián)長(zhǎng)度為處并聯(lián)長(zhǎng)度為 l 的的短路短路 支節(jié)，利用調(diào)節(jié)支節(jié)，利用調(diào)節(jié) d 和和 l 來實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn) 匹配的。匹配的。121YYYin, ,匹配時(shí)匹配時(shí))(2BY純電納純電納為。)上)上園園應(yīng)在導(dǎo)納園圖的可匹配應(yīng)在導(dǎo)納園圖的可匹配1(1GY,11BY1G00.25導(dǎo)納園圖導(dǎo)納園圖)(AYL 點(diǎn)點(diǎn)C點(diǎn)點(diǎn)DACAClldADlldinYLYd1Y2Y0Y0Y0Yl單支節(jié)匹配器單支節(jié)匹配器AClldBj11 1Y YBBY2DBADlldBj11 1Y YBY2DC1G00.25導(dǎo)納園圖導(dǎo)納園圖BFBElFlEl

11、l BY2 點(diǎn)點(diǎn)C點(diǎn)點(diǎn)D點(diǎn)點(diǎn)E 有兩組解，通有兩組解，通常選常選d、l 較短的一較短的一組解。組解。 負(fù)載改變，則實(shí)負(fù)載改變，則實(shí)現(xiàn)匹配的現(xiàn)匹配的 d、l 將隨將隨之而變，這對(duì)同軸之而變，這對(duì)同軸線、帶狀線等傳輸線、帶狀線等傳輸線十分不便，解決線十分不便，解決的辦法是采用雙支的辦法是采用雙支節(jié)匹配器。節(jié)匹配器。25. 0Ell25. 0FllBY2點(diǎn)點(diǎn)F2). 雙支節(jié)匹配器雙支節(jié)匹配器 在單支節(jié)匹配器中改變?cè)趩沃Ч?jié)匹配器中改變d 是為了找到歸一化電導(dǎo)分量是為了找到歸一化電導(dǎo)分量 為為1 1的參考面。由：的參考面。由：ininZY1djZdZjLLtgtg1 可知，線上某參考面的輸入導(dǎo)納不僅決定

12、于該面與終可知，線上某參考面的輸入導(dǎo)納不僅決定于該面與終 端的距離端的距離 d ，還決定于負(fù)載的情況。亦即改變負(fù)載情，還決定于負(fù)載的情況。亦即改變負(fù)載情 況也可找到歸一化電導(dǎo)分量為況也可找到歸一化電導(dǎo)分量為 1 1 的參考面。改變負(fù)載的參考面。改變負(fù)載 的辦法是在給定的負(fù)載上、或在離負(fù)載一定距離的辦法是在給定的負(fù)載上、或在離負(fù)載一定距離 d1 的的 參考面上附加純電納。參考面上附加純電納。 雙支節(jié)匹配器是在雙支節(jié)匹配器是在d1 處并聯(lián)一長(zhǎng)度為處并聯(lián)一長(zhǎng)度為 l1 的短路支的短路支 節(jié)節(jié), , 第二個(gè)第二個(gè)短路支節(jié)的長(zhǎng)度為短路支節(jié)的長(zhǎng)度為l2 ，兩支節(jié)的距離，兩支節(jié)的距離d2 固定；固定； 為便

13、于計(jì)算，常取為便于計(jì)算，常取 d2 l/8、l/4 或或 3l/8，但是但是d2 l/2。 d1 、 d2 一確定，即可調(diào)節(jié)一確定，即可調(diào)節(jié) l1 和和 l2 而達(dá)到匹配。而達(dá)到匹配。雙支節(jié)匹配器的工作原理：雙支節(jié)匹配器的工作原理：LY1d1lB2dAA2Y0Y0Y2lB1Y4YaYbY0Y3Y雙支節(jié)匹配器雙支節(jié)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：,應(yīng)落在輔助園上應(yīng)落在輔助園上aY，的電導(dǎo)相等的電導(dǎo)相等與與1YYa。，園園上上落落在在則則設(shè)設(shè)為為111GYG沿沿著著使使的的長(zhǎng)長(zhǎng)度度調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)支支節(jié)節(jié)111Yl ，電長(zhǎng)度電長(zhǎng)度園

14、順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過園順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過點(diǎn)沿其所在等點(diǎn)沿其所在等Y Yl2)4(daG。點(diǎn)點(diǎn)上上得得1 1園園G G落落在在3Y上。園園1 1G G應(yīng)落在應(yīng)落在3Y的的可通過調(diào)節(jié)支節(jié)可通過調(diào)節(jié)支節(jié)的電納的電納233BY。來來抵抵消消所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的電電納納長(zhǎng)長(zhǎng)度度342BYl園逆時(shí)針方向園逆時(shí)針方向1 1G G )2(。電電長(zhǎng)長(zhǎng)度度得得輔輔助助園園轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過過l2daYG,1交交點(diǎn)點(diǎn)即即為為交交園園移移動(dòng)動(dòng)直直至至與與輔輔助助園園相相。2) 調(diào)配過程調(diào)配過程0.250(1) 作輔助園作輔助園:1G812dLLZY1)2(, ,) )點(diǎn)點(diǎn)C(C1d1G。211dG園逆時(shí)針轉(zhuǎn)園逆時(shí)針轉(zhuǎn)2B1l3B3B2lDE)

15、(1111點(diǎn)DBjGYdYLG得得園順時(shí)針轉(zhuǎn)園順時(shí)針轉(zhuǎn)沿等沿等。aaBjGYEGY) 3(111點(diǎn)得點(diǎn)得園于園于園轉(zhuǎn)動(dòng)交輔助園轉(zhuǎn)動(dòng)交輔助沿沿。12YYYa12lBj3321(1G)4(BjYFdYaG點(diǎn)點(diǎn)) )得得園園上上落落在在針針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)園園順順時(shí)時(shí)沿沿等等。F34YYYb3Bj2l重述調(diào)配過程重述調(diào)配過程(1) 作輔助園作輔助園:。211dG園逆時(shí)針轉(zhuǎn)園逆時(shí)針轉(zhuǎn)025. 01G導(dǎo)納園圖導(dǎo)納園圖812dLZLLZY1)2(LY。1111BjGYdYLG得得園園順順時(shí)時(shí)針針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)沿沿等等1d111BjGYaY。aaBjGYGY)3(111輔助園得輔助園得園轉(zhuǎn)動(dòng)交園轉(zhuǎn)動(dòng)交沿沿1212lBjYYYa2

16、B1l3B2334lBjYYYb2l33211)4(BjYGdYa 園上得園上得落在落在針轉(zhuǎn)針轉(zhuǎn)沿等沿等園順時(shí)園順時(shí)。3Y 顯然，雙支節(jié)匹配器也有兩組解，應(yīng)選取較合理的顯然，雙支節(jié)匹配器也有兩組解，應(yīng)選取較合理的一組一組( l1 、l2 較短的較短的)。 （自習(xí)（自習(xí)p40-p41例題）例題）問題：?jiǎn)栴}：1） l1 、l2 的作用是什么？的作用是什么？ 2）雙支節(jié)匹配器的優(yōu)、缺點(diǎn)及克服缺點(diǎn)的辦法。）雙支節(jié)匹配器的優(yōu)、缺點(diǎn)及克服缺點(diǎn)的辦法。 2）雙支節(jié)匹配器的優(yōu)點(diǎn)：兩支節(jié)的位置固定，無需）雙支節(jié)匹配器的優(yōu)點(diǎn)：兩支節(jié)的位置固定，無需沿線移動(dòng)。沿線移動(dòng)。 缺點(diǎn)：存在得不到匹配的盲區(qū)?？朔秉c(diǎn)的辦法是

17、缺點(diǎn)：存在得不到匹配的盲區(qū)?？朔秉c(diǎn)的辦法是采用三支節(jié)或多支節(jié)匹配器。采用三支節(jié)或多支節(jié)匹配器。;,:) 111園移動(dòng)到輔助園上園移動(dòng)到輔助園上沿沿使使的電納的電納調(diào)整調(diào)整GYYlaa。而達(dá)到匹配而達(dá)到匹配使使的電納的電納調(diào)整調(diào)整1,:2bbYYl d2 = l l/8 時(shí)，時(shí)，盲區(qū)為盲區(qū)為；2G d2 = l l/4 時(shí)，時(shí)，盲區(qū)為盲區(qū)為。1G0.2502Gd2= l l/8 雙支節(jié)匹配器的盲區(qū)雙支節(jié)匹配器的盲區(qū) 三支節(jié)匹配器為二支節(jié)匹配器的組合。三支節(jié)匹配器為二支節(jié)匹配器的組合。l1、l2 為一組，為一組，l2、l3 為一組。首先，為一組。首先， l3 = l l /4 (閑置閑置)，由，

18、由l1、l2 調(diào)配；若調(diào)配；若3). 三支節(jié)匹配器三支節(jié)匹配器LY1dB2dAC3d1lA0Y0Y2lB0YC3l0Y,落在盲區(qū)落在盲區(qū)aG則則 l1 = l l /4 (閑置閑置)，由，由l2、l3 進(jìn)行調(diào)配。進(jìn)行調(diào)配。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助分析隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助分析(CAA)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)獲得廣泛應(yīng)用。傳輸獲得廣泛應(yīng)用。傳輸線問題也可借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助計(jì)算。線問題也可借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助計(jì)算。 我們已用我們已用VC+編制圓圖及阻抗匹配的計(jì)算軟件，編制圓圖及阻抗匹配的計(jì)算軟件，有機(jī)會(huì)可以做演示。希望同學(xué)們積極嘗試各種軟件有機(jī)會(huì)可

19、以做演示。希望同學(xué)們積極嘗試各種軟件的應(yīng)用。的應(yīng)用。本章小結(jié)本章小結(jié)1. 微波傳輸線是一維分布參數(shù)電路。傳輸線可用于微波傳輸線是一維分布參數(shù)電路。傳輸線可用于 傳輸微波信號(hào)能量及構(gòu)成各種微波元器件。傳輸微波信號(hào)能量及構(gòu)成各種微波元器件。2. 傳輸線方程可由傳輸線的等效電路導(dǎo)出，它是傳傳輸線方程可由傳輸線的等效電路導(dǎo)出，它是傳 輸線理論中的基本方程。輸線理論中的基本方程。 均勻無耗傳輸線方程：均勻無耗傳輸線方程：0)()(0)()(222222zIdzzIdzUdzzUd其通解為其通解為(以終端為坐標(biāo)原點(diǎn)以終端為坐標(biāo)原點(diǎn))：GG)(1)()()()(1)()(1)()()()(21021zzIz

20、IzIeAeAZzIzzUzUzUeAeAzUirizjzjirizjzj3. 均勻無耗傳輸線有三種工作狀態(tài)均勻無耗傳輸線有三種工作狀態(tài):(1) 當(dāng)當(dāng)ZL=Z0 (匹配匹配)時(shí)，線上只有入射波行波，電壓、時(shí)，線上只有入射波行波，電壓、 電流振幅不變，相位沿傳播方向滯后；電流振幅不變，相位沿傳播方向滯后； Zin(z)=Z0 ；電磁能量全部被負(fù)載吸收。電磁能量全部被負(fù)載吸收。(2) 當(dāng)當(dāng)ZL=0、 、 jXL 時(shí)，線上載駐波。入射波和反時(shí)，線上載駐波。入射波和反 射波的振幅相等，駐波的波腹為入射波的兩倍，射波的振幅相等，駐波的波腹為入射波的兩倍， 波節(jié)為零；電壓波腹處的阻抗無限大，電壓波節(jié)波節(jié)為零；電壓波腹處的阻抗無限大，電壓波節(jié) 處的阻抗為零，沿線其余各點(diǎn)的阻抗均為純電抗；處的阻抗為零，沿線其余各點(diǎn)的阻抗均為純電抗； 無電磁能量的傳輸，只有電磁能量的交換。無電磁能量的傳輸，只有電磁能量的交換。其參量為：其參量為：,)()(000CLzIzUZii,2plp,rpcv,rpll(3) 當(dāng)當(dāng)ZL= RL jXL 時(shí)，線上載行駐波。行駐波的波腹小時(shí)，線上載行駐波。行駐波的波腹小 于兩倍入射波，波節(jié)不為零；電壓波腹點(diǎn)的阻抗為于兩倍入射波，波節(jié)不為零；電壓波腹點(diǎn)的阻抗為 Rmax = Z0 ，電壓波節(jié)