射頻微波電路導(dǎo)論課件(西電版)第3章

1、在傳輸線與負載之間加入無耗匹配網(wǎng)絡(luò)，通常設(shè)計成從匹配網(wǎng)絡(luò)看進去的阻抗為Z0 當(dāng)負載和傳輸線匹配的時候（假設(shè)信號源是匹配的），可傳輸最大功率，并且在饋線上損耗最低 對阻抗匹配靈敏的接收機部件（如天線，低噪聲放大器等）可以改進系統(tǒng)的信噪比，提高頻率響應(yīng)的線性度 在功率分配網(wǎng)絡(luò)中（如天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)），阻抗匹配可以降低振幅和相位誤差 復(fù)雜性 帶寬 實現(xiàn)形式 可調(diào)性LLssRRRURIP2220)(令SLKRR則ssiRUP22112112KKPKKRUPisso所以 K1 即RLRS時 PO有最大值0123456789100.080.10.120.140.160.180.20.220.240.26KP

2、o/Pi data1負載電阻的取值與輸出功率的關(guān)系 ljZZljZZZeeZZllljlljlintantan1100022000ZZZZlll線上的電壓可以寫為)()(0zjlzjeeVzV在源端giningZZZVlV )(其中由兩個電壓相等)(0ljlljginingeeVZZZV0020(1)j lgj lglgZeVVZZe 把輸入阻抗的表達式代入上式，可得其中00ZZZZggg求得傳輸線上在源和負載都適配情況下的入射電壓即可得到傳輸線上任意點的電壓和電流Re21*ininIVP gininginZZZVV1Re2122inginingZZZZVP令inininjXRZgggjXRZ

3、222)()(21ginginingXXRRRVP)(0ZZl1 負載與傳輸線匹配0ZZin0l22002)(21gggXRZZVP傳輸?shù)截撦d的功率)(ginZZ000ZZZZininl傳輸?shù)截撦d上的功率)(421222ggggXRRVP總的反射系數(shù)但是 不一定為零，傳輸線上可能有一駐波思路：思路：假定Zg固定不變，改變輸入阻抗Zin直到傳向負載最大功率，得到Zin通過線上阻抗變換就可以求得相應(yīng)的負載阻抗 Zl 為了使為了使P最大，對最大，對Zin的實部和虛部求偏導(dǎo)的實部和虛部求偏導(dǎo)0)()()(2)()(1022222ginginginingingininXXRRRRRXXRRRP0)(22

4、2giningXXRR0)()()(20222ginginginininXXRRXXRXP0)(gininXXR或或（a）（b）聯(lián)立(a), (b)兩式，可得共軛匹配的條件ginRRginXXginZZggRVP41212或得到得最大傳輸功率gl ,原因：失配線上多次反射的功率可能同相疊加的結(jié)果共軛匹配的另一種理解方式LZjgyllin0)(R與L并聯(lián)輸入阻抗在導(dǎo)納圓圖中的表示CjZgyLLin0)(R與C并聯(lián)輸入阻抗在導(dǎo)納圓圖中的表示0)(ZLjrzLLinR與L串聯(lián)輸入阻抗在阻抗圓圖中的表示0)(CZjrzLLinR與C串聯(lián)輸入阻抗在阻抗圓圖中的表示CL近似基極發(fā)射極的結(jié)電容，RL近似基極

5、發(fā)射極的電阻晶體管輸入阻抗通過T型網(wǎng)絡(luò)匹配到50歐的過程雙元件網(wǎng)絡(luò)即L型網(wǎng)絡(luò)就是滿足工程設(shè)計要求的最簡單可行的匹配網(wǎng)絡(luò)，采用兩個電抗性元件（電感或者電容）把負載阻抗變換到需要的輸入阻抗由電感和電容構(gòu)成的8種不同形式的L型匹配網(wǎng)絡(luò)電抗元件與復(fù)數(shù)阻抗串聯(lián)將導(dǎo)致Smith圓圖上的相應(yīng)阻抗點沿等電阻圓移動并聯(lián)將導(dǎo)致相應(yīng)導(dǎo)納點沿等電導(dǎo)圓移動串并聯(lián)單一電抗元件在Smith圓圖中的效果連接電感參考點向Smith圓圖上半平面移動連接電容參考點向Smith圓圖下半平面移動 求出歸一化源阻抗和負載阻抗 在Smith圓圖中過源阻抗相對應(yīng)的點畫出等電阻圓和等電導(dǎo)圓 在Smith圓圖中過負載阻抗的共額復(fù)數(shù)相對應(yīng)的點畫出

6、等電阻圓和等電導(dǎo)圓 找出步驟2和3所畫圓的交點，交點的數(shù)目就是可能存在的L型匹配網(wǎng)路的數(shù)目過源阻抗點和負載共軛復(fù)數(shù)點的等電阻圓和等電導(dǎo)圓LDszzz 四個圓有A,B,C,C四個交點 zA=0.5+j0.6, yA=0.8-j1 zB=0.5-j0.6, yB=0.8+j1 zC=1-j1.2, yC=3+j0.5 zD=1+j1.2, yD=3-j0.5 有4個交點，所以有4種可能的L型匹配網(wǎng)絡(luò)LBszzzLAszzzLCszzz并聯(lián)電感，串聯(lián)電感并聯(lián)電容，串聯(lián)電感串聯(lián)電容，并聯(lián)電感串聯(lián)電感，并聯(lián)電感6 . 0)4 . 08 . 0() 18 . 0(2jjjyyjbsALnHbZLL63.6

7、2024 . 0)6 . 05 . 0() 15 . 0(1jjjzzjxALLnHZxLL59. 1011四種可能的匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配的方向阻抗匹配的方向以上述例子為例，從負載端開始向源端匹配，即從負載阻抗25j50匹配到源阻抗的復(fù)數(shù)共軛阻抗對于任意給定的負載阻抗和源阻抗，至少存在兩種可能的L型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)規(guī)定的匹配目標(biāo)，如何選擇這些匹配網(wǎng)絡(luò)呢？網(wǎng)絡(luò)選擇需要考慮的幾個方面 容易得到的元件值 直流偏置 穩(wěn)定性 頻率相應(yīng)和品質(zhì)因數(shù)BWfQL0為了描述匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬，引入負載品質(zhì)因數(shù)概念0fBW中心頻率3dB帶寬56. 04 . 019. 21LQsssjXRZ對于匹配網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點的阻抗可以表

8、示為等效串聯(lián)阻抗 或者等效并聯(lián)導(dǎo)納pppjBGY在每個節(jié)點，用電抗量Xs的絕對值與相應(yīng)電阻Rs的的比值來定義Qn也可以用電納量Bp的絕對值與相應(yīng)電導(dǎo)Gp的的比值來定義QnssnRXQ PPnGBQ 2nLQQ 負載品質(zhì)因數(shù)與節(jié)點品質(zhì)因數(shù)關(guān)系對于復(fù)雜的匹配網(wǎng)絡(luò)，有載品質(zhì)因數(shù)常常簡化為用節(jié)點品質(zhì)因數(shù)的最大值來估算(a) 低通(b)高通估計出匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬GHzQfQfBWnL2200匹配網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)圖(b)的網(wǎng)絡(luò)帶寬大約為2.4GHz,(a)的網(wǎng)絡(luò)由于沒有下邊頻，假設(shè)頻率相應(yīng)相對于諧振頻率對稱，則帶寬大約為2GHz從頻率響應(yīng)圖可以得到，某個匹配網(wǎng)絡(luò)可能有更好的高頻或者低頻抑制特性當(dāng)進行寬帶設(shè)計的

9、時候，需要降低品質(zhì)因數(shù)以便增加其帶寬，比如寬帶放大器設(shè)計時就需要低的QL當(dāng)進行窄帶設(shè)計的時候，需要提高網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)，以便抑制輸出信號中的有害諧波，同時增加選頻的能力，比如設(shè)計振蕩器的時候就需要高的QL對于L形網(wǎng)絡(luò)，無法控制L型匹配網(wǎng)絡(luò)的Qn，只能接收或者放棄，所以需要增加第三個元件增加Q值的可調(diào)范圍，就形成了T型或者pi型網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的匹配網(wǎng)絡(luò)的有載品質(zhì)因數(shù)可以根據(jù)最大節(jié)點Qn來估算。T型匹配網(wǎng)絡(luò)與L型匹配網(wǎng)絡(luò)相比，增加的第三個元件使電路增加了一個節(jié)點，通過這個節(jié)點的選取來控制QL的值Z1為純電抗元件，Z1與Zl串聯(lián)的阻抗必然在rrL的等電阻圓上某點Z3為純電抗元件，Z1與Zin串聯(lián)的阻抗必然在

10、rrin的等電阻圓上某點T型匹配網(wǎng)絡(luò)匹配過程以增加一個電路元件為代價，擴大了調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因數(shù)（帶寬）的自由度PI型網(wǎng)絡(luò)和T型網(wǎng)絡(luò)是相對應(yīng)的一種匹配網(wǎng)絡(luò)形式220/40ininnRXQ采用求解T型匹配網(wǎng)絡(luò)同樣的方法，過Zl和Zin點畫出等電導(dǎo)圓，再根據(jù)過Zl的點導(dǎo)圓與等Q n2的線的交點確定串聯(lián)元件PI型匹配網(wǎng)絡(luò)匹配過程本例中Zl和Zin的相對位置決定了只有一個PI型匹配網(wǎng)絡(luò)能夠滿足Qn2的條件。因為在匹配圓圖中過Zl的電導(dǎo)圓和過B點的電阻圓相切，如果負載電阻降低，將得不到符合Qn要求得匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)降低節(jié)點品質(zhì)因數(shù)得措施并不能無限制的增加帶寬，還要受輸入、輸出阻抗的限制常見的混合匹配電路結(jié)構(gòu)

11、調(diào)節(jié)電容的值和電容在傳輸線上的位置可以得到較寬的電路參數(shù)調(diào)節(jié)范圍在Smith圓圖中過Zl和Zin畫等駐波比圓A點取過Zl的等駐波比圓與g1的圓的交點得到匹配電路分布參數(shù)元件和分立元件混合匹配網(wǎng)絡(luò)輸入端的電抗隨電容在傳輸線的位置變化可以從正值變化到負值，匹配特性具有相當(dāng)大的調(diào)節(jié)范圍，對電容在傳輸線上位置敏感短截線匹配網(wǎng)絡(luò)具有4個可調(diào)參數(shù)：短截線長度Ls和特征阻抗Z0s，傳輸線的長度Ll和特征阻抗Z0l等特征阻抗的短截線構(gòu)成的全微帶阻抗匹配兩端開路或者短路短截線ls1和ls2并聯(lián)在一段固定長度的傳輸線l2兩端，傳輸線l2通常取1/8，3/8或5/8個波長，高頻應(yīng)用通常取3/8和5/8個波長的間隔Z

12、in=Z0,yA=1yB=yA-jbs2,在g=1的圓上，jbs2為短截線ls2產(chǎn)生的電納經(jīng)過3/8個波長的傳輸線l2，向負載方向移動270,g=1的圓移動后成為yC圓通過改變短截線ls1的長度，可以使yD最終落在yC圓上實現(xiàn)匹配NNNNNNVVVsssssssVVV21121211121121 VSVjkVjiijkVVs, 0jVS參數(shù)矩陣形式參數(shù)矩陣形式或者其中S矩陣元可確定為通過使用入射波電壓 激勵j端口并測量從i端口出來發(fā)射波電壓就可得到Sij要求除j端口的所有其他端口上的入射波設(shè)置為零，也即所有其他端口應(yīng)端接匹配負載以避免反射。Sii就是當(dāng)所有其他端口接匹配負載的時候向i端口看去的反射系數(shù)，而Sij是當(dāng)所有其他端口接有匹配負載時從j端口到i端口的傳輸系數(shù)定義歸一化電壓0220220110112,21,1ZVbZVaZVbZVariri歸一化電壓的特征阻抗相當(dāng)1歐21221122211211asasbasasb212122211211aassssbb021111aabs1 輸入端口為1端口，端口2接匹配負載022112aabs2 輸入端口為2端口，端口1接匹配負載012222aabs011221aabs端口1在端口2接匹配負載情況下的反射系數(shù)在端口2接匹配負載時端口1和端口2