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) 匹配時傳輸功率最大，功率損耗最??；匹配時傳輸功率最大，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源工作的穩(wěn)定性；阻抗匹配可保持信號源工作的穩(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：使信號源的功率輸出最大。目的：使信號源的功率輸出最大。 條件：條件：*ginZZ22maxingingZZREP滿足滿足共軛匹配條件的信號源輸出的最大功率為共軛匹配條件的信號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，通常在信號源輸出端接入隔離器以吸收反射波，而在傳通常在信號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。信號源信號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，使信號源端無反射波通過而吸收掉反射波，使信號源端無反射, 以穩(wěn)定以穩(wěn)定信號源的工作狀態(tài)。信號源的工作狀態(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。 匹配器是一個兩端口的微波元件，

4、要求可調(diào)以適應(yīng)匹配器是一個兩端口的微波元件，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)時為復(fù)數(shù)時, 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，匹配時，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)工作波長為當(dāng)工作波長為 l l0 時，時，l =l l0 0/4 , 對單一工作頻率對單一工作頻率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，時， 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，則其工作帶寬對則其工作帶寬對應(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 時時 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時時, 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。最大最大此時阻抗變換器不存在此時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 對于單一頻率或窄頻帶的阻抗匹配而言，一般單節(jié)對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)長度為處并聯(lián)長度為 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, ,匹配時匹配時)(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，這對同軸之而變，這對同軸線、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)匹配器中改變在單支節(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)一長度為處并聯(lián)一長度為 l1 的短路支的短路支 節(jié)節(jié), , 第二個第二個短路支節(jié)的長度為短路支節(jié)的長度為l2 ，兩支節(jié)的距離，兩支節(jié)的距離d2 固定；固定； 為便

13、于計算，常取為便于計算，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長度度調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)支支節(jié)節(jié)111Yl ，電長度電長度園

14、順時針方向轉(zhuǎn)過園順時針方向轉(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長度度342BYl園逆時針方向園逆時針方向1 1G G )2(。電電長長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動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園逆時針轉(zhuǎn)園逆時針轉(zhuǎn)2B1l3B3B2lDE)

15、(1111點(diǎn)DBjGYdYLG得得園順時針轉(zhuǎn)園順時針轉(zhuǎn)沿等沿等。aaBjGYEGY) 3(111點(diǎn)得點(diǎn)得園于園于園轉(zhuǎn)動交輔助園轉(zhuǎn)動交輔助沿沿。12YYYa12lBj3321(1G)4(BjYFdYaG點(diǎn)點(diǎn)) )得得園園上上落落在在針針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)園園順順時時沿沿等等。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園逆時針轉(zhuǎn)園逆時針轉(zhuǎn)025. 01G導(dǎo)納園圖導(dǎo)納園圖812dLZLLZY1)2(LY。1111BjGYdYLG得得園園順順時時針針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)沿沿等等1d111BjGYaY。aaBjGYGY)3(111輔助園得輔助園得園轉(zhuǎn)動交園轉(zhuǎn)動交沿沿1212lBjYYYa2

16、B1l3B2334lBjYYYb2l33211)4(BjYGdYa 園上得園上得落在落在針轉(zhuǎn)針轉(zhuǎn)沿等沿等園順時園順時。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：問題：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。沿線移動。 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園移動到輔助園上園移動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，時，盲區(qū)為盲區(qū)為；2G d2 = l l/4 時，時，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。 隨著計算機(jī)技術(shù)的普及和發(fā)展，計算機(jī)輔助分析隨著計算機(jī)技術(shù)的普及和發(fā)展，計算機(jī)輔助分析(CAA)和計算機(jī)輔助設(shè)計和計算機(jī)輔助設(shè)計(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算機(jī)進(jìn)行輔助計算。線問題也可借助計算機(jī)進(jìn)行輔助計算。 我們已用我們已用VC+編制圓圖及阻抗匹配的計算軟件，編制圓圖及阻抗匹配的計算軟件，有機(jī)會可以做演示。希望同學(xué)們積極嘗試各種軟件有機(jī)會可

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 傳輸微波信號能量及構(gòu)成各種微波元器件。傳輸微波信號能量及構(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，線上只有入射波行波，電壓、時，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，線上載駐波。入射波和反時，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，線上載行駐波。行駐波的波腹小時，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)