第1章均勻傳輸線(xiàn)理論(5)

1、1.5 阻抗匹配阻抗匹配1.5 阻抗匹配阻抗匹配 負(fù)載阻抗匹配負(fù)載阻抗匹配是負(fù)載阻抗等于傳輸線(xiàn)的是負(fù)載阻抗等于傳輸線(xiàn)的特性阻抗特性阻抗的情形的情形, 此此時(shí)傳輸線(xiàn)上只有從信源到負(fù)載的入射波時(shí)傳輸線(xiàn)上只有從信源到負(fù)載的入射波, 而無(wú)反射波。匹配負(fù)載而無(wú)反射波。匹配負(fù)載完全吸收了由信源入射來(lái)的微波功率完全吸收了由信源入射來(lái)的微波功率; 而不匹配負(fù)載則將一部而不匹配負(fù)載則將一部分功率反射回去分功率反射回去, 在傳輸線(xiàn)上出現(xiàn)駐波。在傳輸線(xiàn)上出現(xiàn)駐波。當(dāng)反射波較大時(shí)當(dāng)反射波較大時(shí), 波腹波腹電場(chǎng)要比行波電場(chǎng)大得多電場(chǎng)要比行波電場(chǎng)大得多, 容易發(fā)生擊穿容易發(fā)生擊穿, 這就限制了傳輸線(xiàn)能這就限制了傳輸線(xiàn)能最

2、大傳輸?shù)墓β首畲髠鬏數(shù)墓β? 因此要采取措施進(jìn)行負(fù)載阻抗匹配。負(fù)載阻抗因此要采取措施進(jìn)行負(fù)載阻抗匹配。負(fù)載阻抗匹配一般采用匹配一般采用阻抗匹配器阻抗匹配器。 1. 傳輸線(xiàn)的三種匹配狀態(tài)傳輸線(xiàn)的三種匹配狀態(tài)1) 負(fù)載阻抗匹配負(fù)載阻抗匹配1.5 阻抗匹配阻抗匹配 電源內(nèi)阻電源內(nèi)阻等于傳輸線(xiàn)的等于傳輸線(xiàn)的特性阻抗特性阻抗時(shí)時(shí), 電源和傳輸線(xiàn)是匹配的電源和傳輸線(xiàn)是匹配的, 這種電源稱(chēng)之為這種電源稱(chēng)之為匹配源。匹配源。對(duì)匹配源來(lái)說(shuō)對(duì)匹配源來(lái)說(shuō), 它給傳輸線(xiàn)的入射功率它給傳輸線(xiàn)的入射功率是不隨負(fù)載變化的是不隨負(fù)載變化的, 負(fù)載有反射時(shí)負(fù)載有反射時(shí), 反射回來(lái)的反射波被電源吸反射回來(lái)的反射波被電源吸收?？梢?/p>

3、用阻抗變換器把不匹配源變成匹配源收?？梢杂米杩棺儞Q器把不匹配源變成匹配源, 但常用的方法是但常用的方法是加一個(gè)加一個(gè)去耦衰減器或隔離器去耦衰減器或隔離器, 它們的作用是吸收反射波。它們的作用是吸收反射波。 2) 源阻抗匹配源阻抗匹配 設(shè)信源電壓為設(shè)信源電壓為Eg, 信源內(nèi)阻抗信源內(nèi)阻抗Zg=Rg+jXg, 傳輸線(xiàn)的特性阻抗傳輸線(xiàn)的特性阻抗為為Z0, 總長(zhǎng)為總長(zhǎng)為l, 終端負(fù)載為終端負(fù)載為Zl, 如圖如圖 1-11（a）所示所示, 則始端輸入則始端輸入阻抗阻抗Zin為為 (1- 5- 1)0in0inin0jtanjjtanllZZlZZRXZZl3) 共軛阻抗匹配共軛阻抗匹配1.5 阻抗匹配阻

4、抗匹配由圖由圖 1- 11(b)可知可知, 負(fù)載得到的功率為負(fù)載得到的功率為2in2inin2ininging)()(21)(21XXRRRERZZZZEEPggggg(1- 5- 2)圖圖1-11 無(wú)耗傳輸線(xiàn)信源的共扼匹配無(wú)耗傳輸線(xiàn)信源的共扼匹配1.5 阻抗匹配阻抗匹配2in2)21RRREPging（(1- 5- 4)要使負(fù)載得到的功率最大要使負(fù)載得到的功率最大, , 首先要求首先要求(1- 5- 3)ingXX 此時(shí)負(fù)載得到的功率為此時(shí)負(fù)載得到的功率為0ddinRP可見(jiàn)可見(jiàn)當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)，P取最大值取最大值, , 此時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足此時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足Rg=Rin(1- 5- 5)綜合式綜合式(1- 5- 3

5、)和和(1- 5- 5)得得(1- 5- 6)*ginZZ1.5 阻抗匹配阻抗匹配g2gmax41|21REP(1- 5- 7) 因此因此, 對(duì)于不匹配電源對(duì)于不匹配電源, 當(dāng)負(fù)載阻抗折合到電源參考面上的輸入當(dāng)負(fù)載阻抗折合到電源參考面上的輸入阻抗為電源內(nèi)阻抗的共軛值時(shí)阻抗為電源內(nèi)阻抗的共軛值時(shí), 即當(dāng)即當(dāng) 時(shí)時(shí), 負(fù)載能得到最大功負(fù)載能得到最大功率值。通常將這種匹配稱(chēng)為率值。通常將這種匹配稱(chēng)為共軛匹配共軛匹配。 此時(shí)，此時(shí)， 負(fù)載得到的最大功負(fù)載得到的最大功率為率為*ginZZ2. 阻抗匹配的方法阻抗匹配的方法 對(duì)一個(gè)由信源、傳輸線(xiàn)和負(fù)載阻抗組成的傳輸系統(tǒng)對(duì)一個(gè)由信源、傳輸線(xiàn)和負(fù)載阻抗組成的傳

6、輸系統(tǒng)(如圖如圖 1-11(a)所示所示), 希望信號(hào)源在輸出最大功率的同時(shí)，負(fù)載全部希望信號(hào)源在輸出最大功率的同時(shí)，負(fù)載全部吸收吸收, 以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的傳輸。以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的傳輸。 因此一方面應(yīng)用因此一方面應(yīng)用阻抗匹配器阻抗匹配器使信源輸出端達(dá)到使信源輸出端達(dá)到共軛匹配共軛匹配, 另一方面應(yīng)用另一方面應(yīng)用阻抗匹配器阻抗匹配器使負(fù)載使負(fù)載與傳輸線(xiàn)特性阻抗相匹配與傳輸線(xiàn)特性阻抗相匹配, 如圖如圖 1-12 所示。由于信源端一般所示。由于信源端一般用用1.5 阻抗匹配阻抗匹配隔離器隔離器或或去耦衰減器去耦衰減器以實(shí)現(xiàn)信源端匹配以實(shí)現(xiàn)信源端匹配, 因此我們著重討論因此我們著重討論負(fù)載負(fù)載匹配匹配的方

7、法。的方法。 阻抗匹配方法從頻率上劃分為阻抗匹配方法從頻率上劃分為窄帶匹配窄帶匹配和和寬帶匹寬帶匹配配，從實(shí)現(xiàn)手段上劃分為，從實(shí)現(xiàn)手段上劃分為串聯(lián)串聯(lián)/4阻抗變換器法阻抗變換器法、 支節(jié)調(diào)配器法支節(jié)調(diào)配器法。下面就來(lái)分別討論兩種阻抗匹配方法。下面就來(lái)分別討論兩種阻抗匹配方法。圖圖 1-12 傳輸線(xiàn)阻抗匹配方法示意圖傳輸線(xiàn)阻抗匹配方法示意圖 1.5 阻抗匹配阻抗匹配 當(dāng)負(fù)載阻抗為純電阻當(dāng)負(fù)載阻抗為純電阻Rl且其值與傳輸線(xiàn)特性阻抗且其值與傳輸線(xiàn)特性阻抗Z0不相等時(shí)不相等時(shí), 可在兩者之間加接一節(jié)長(zhǎng)度為可在兩者之間加接一節(jié)長(zhǎng)度為 /4、特性阻抗為、特性阻抗為Z01的傳輸線(xiàn)來(lái)的傳輸線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載和傳輸線(xiàn)

8、間的匹配實(shí)現(xiàn)負(fù)載和傳輸線(xiàn)間的匹配, 如圖如圖 1- 13(a)所示。所示。 1) /4阻抗變換器法阻抗變換器法圖圖 1-13 /4阻抗變換器阻抗變換器 1.5 阻抗匹配阻抗匹配 由無(wú)耗傳輸線(xiàn)輸入阻抗公式得由無(wú)耗傳輸線(xiàn)輸入阻抗公式得201010101tan(/4)tan(/4)linllRjZZZZZjRR(1- 5- 8)010lZZ R因此當(dāng)傳輸線(xiàn)的特性阻抗因此當(dāng)傳輸線(xiàn)的特性阻抗時(shí)時(shí), 輸入端的輸入阻抗輸入端的輸入阻抗Zin=Z0, 從而實(shí)現(xiàn)了負(fù)載和傳輸線(xiàn)間的阻抗匹配。從而實(shí)現(xiàn)了負(fù)載和傳輸線(xiàn)間的阻抗匹配。 由于傳輸線(xiàn)的特性阻抗為實(shí)數(shù)，所以由于傳輸線(xiàn)的特性阻抗為實(shí)數(shù)，所以 /4阻抗變換器只適阻

9、抗變換器只適合于匹配合于匹配電阻性負(fù)載電阻性負(fù)載；若負(fù)載是復(fù)阻抗，則需先在負(fù)載與變換；若負(fù)載是復(fù)阻抗，則需先在負(fù)載與變換器之間加一段傳輸線(xiàn)，使變換器的終端為純電阻，器之間加一段傳輸線(xiàn)，使變換器的終端為純電阻， 然后用然后用 /4阻抗變換器實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，阻抗變換器實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配， 如圖如圖 1- 13(b)所示。所示。1.5 阻抗匹配阻抗匹配 由于由于 /4阻抗變換器的長(zhǎng)度取決于波長(zhǎng)阻抗變換器的長(zhǎng)度取決于波長(zhǎng), 因此嚴(yán)格說(shuō)它只能因此嚴(yán)格說(shuō)它只能在在中心頻率點(diǎn)中心頻率點(diǎn)才能匹配才能匹配, 當(dāng)頻偏時(shí)匹配特性變差當(dāng)頻偏時(shí)匹配特性變差, 所以說(shuō)該匹配所以說(shuō)該匹配法是法是窄帶窄帶的。的。2) 支節(jié)調(diào)配器法支

10、節(jié)調(diào)配器法 支節(jié)調(diào)配器支節(jié)調(diào)配器是由距離負(fù)載的某固定位置上的是由距離負(fù)載的某固定位置上的串聯(lián)串聯(lián)或或并聯(lián)并聯(lián)終終端端短路短路或或開(kāi)路開(kāi)路的傳輸線(xiàn)（又稱(chēng)的傳輸線(xiàn)（又稱(chēng)支節(jié)支節(jié)）構(gòu)成?？煞譃椋?gòu)成?？煞譃閱沃Ч?jié)、雙單支節(jié)、雙支節(jié)支節(jié)和和多支節(jié)調(diào)配器多支節(jié)調(diào)配器1.5 阻抗匹配阻抗匹配max104lllZZ(1-5-9) （1） 串聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器串聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器 設(shè)傳輸線(xiàn)和調(diào)配支節(jié)的特性阻抗均為設(shè)傳輸線(xiàn)和調(diào)配支節(jié)的特性阻抗均為Z0, 負(fù)載阻抗為負(fù)載阻抗為Zl, 長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為l2的串聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器串聯(lián)于離主傳輸線(xiàn)負(fù)載距離的串聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器串聯(lián)于離主傳輸線(xiàn)負(fù)載距離l1處處, 如圖如圖1- 12 所示。設(shè)

11、終端反射系數(shù)為所示。設(shè)終端反射系數(shù)為 , 傳輸線(xiàn)的工作波長(zhǎng)為傳輸線(xiàn)的工作波長(zhǎng)為, 駐波系數(shù)駐波系數(shù)為為, 由無(wú)耗傳輸線(xiàn)狀態(tài)分析可知由無(wú)耗傳輸線(xiàn)狀態(tài)分析可知, 離負(fù)載第一個(gè)電壓波腹點(diǎn)位置離負(fù)載第一個(gè)電壓波腹點(diǎn)位置及該點(diǎn)阻抗分別為及該點(diǎn)阻抗分別為ljle1.5 阻抗匹配阻抗匹配圖圖 1-14 串聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器串聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器 令令l1=l1-lmax1, 并設(shè)參考面并設(shè)參考面AA處輸入阻抗為處輸入阻抗為Zin1, 則有則有01in1001jtan()jjtan()llllZZlZZRXZZl(1- 5- 10)1.5 阻抗匹配阻抗匹配 終端短路的串聯(lián)支節(jié)輸入阻抗為終端短路的串聯(lián)支節(jié)輸入阻抗為則總的

12、輸入阻抗為則總的輸入阻抗為inin1in202jjZ tan()llZZZRXl(1- 5- 12)Zin2=jZ0 tan(l2) (1- 5- 11) Rl=Z0 Xl+Z0 tan(l2) = 0 (1- 5- 13)經(jīng)推導(dǎo)可得經(jīng)推導(dǎo)可得(取其中一組解取其中一組解)要使其與傳輸線(xiàn)特性阻抗匹配要使其與傳輸線(xiàn)特性阻抗匹配, 應(yīng)有應(yīng)有1.5 阻抗匹配阻抗匹配(1- 5- 14a)010201tan1tanlllZlZZZlZ Z 其中其中, Zl由式由式(1- 5- 9)決定。式?jīng)Q定。式(1- 5- 14a)還可寫(xiě)成還可寫(xiě)成(1- 5- 14b)121arctan21arctan2ll 而另一

13、組解為而另一組解為11121tan2tan421ll (1- 5- 14c)1.5 阻抗匹配阻抗匹配其中其中, 為工作波長(zhǎng)。為工作波長(zhǎng)。 而而AA距實(shí)際負(fù)載的位置距實(shí)際負(fù)載的位置l1為為由式由式(1- 5- 14)及及(1- 5- 15)就可求得串聯(lián)支節(jié)的位置及長(zhǎng)度。就可求得串聯(lián)支節(jié)的位置及長(zhǎng)度。l1=l1+ lmax1(1- 5- 15)例例 1-5設(shè)無(wú)耗傳輸線(xiàn)的特性阻抗為設(shè)無(wú)耗傳輸線(xiàn)的特性阻抗為50 , 工作頻率為工作頻率為300MHz, 終端接有負(fù)載終端接有負(fù)載Zl=25+j75(), 試求串聯(lián)短路匹配支節(jié)離負(fù)載的距試求串聯(lián)短路匹配支節(jié)離負(fù)載的距離離l1及短路支節(jié)的長(zhǎng)度及短路支節(jié)的長(zhǎng)度l

14、2。解解: 由工作頻率由工作頻率f=300MHz, 得工作波長(zhǎng)得工作波長(zhǎng) =1m。終端反射系數(shù)。終端反射系數(shù)jj1.1071000.333j0.667e0.7454elllllZZZZ16.85411ll 駐波系數(shù)駐波系數(shù) 1.5 阻抗匹配阻抗匹配第一波腹點(diǎn)位置第一波腹點(diǎn)位置 max10.0881m4llm1462. 01arctan21max1ll調(diào)配支節(jié)位置調(diào)配支節(jié)位置調(diào)配支節(jié)的長(zhǎng)度調(diào)配支節(jié)的長(zhǎng)度m1831. 01arctan22l或或03. 01arctan21max1ll317. 01arctan242l1.5 阻抗匹配阻抗匹配4411minl0lYY(1- 5- 16)（2） 并聯(lián)調(diào)

15、配器并聯(lián)調(diào)配器 設(shè)傳輸線(xiàn)和調(diào)配支節(jié)的特性導(dǎo)納均為設(shè)傳輸線(xiàn)和調(diào)配支節(jié)的特性導(dǎo)納均為Y0, 負(fù)載導(dǎo)納為負(fù)載導(dǎo)納為Yl, 長(zhǎng)度長(zhǎng)度為為l2的單支節(jié)調(diào)配器并聯(lián)于離主傳輸線(xiàn)負(fù)載的單支節(jié)調(diào)配器并聯(lián)于離主傳輸線(xiàn)負(fù)載l1處處, 如圖如圖1-15所示。所示。 設(shè)終端反射系數(shù)為設(shè)終端反射系數(shù)為 , 傳輸線(xiàn)的工作波長(zhǎng)為傳輸線(xiàn)的工作波長(zhǎng)為, 駐波系數(shù)為駐波系數(shù)為, 由無(wú)耗傳輸線(xiàn)狀態(tài)分析可知，離負(fù)載第一個(gè)電壓波節(jié)點(diǎn)位置及由無(wú)耗傳輸線(xiàn)狀態(tài)分析可知，離負(fù)載第一個(gè)電壓波節(jié)點(diǎn)位置及該點(diǎn)導(dǎo)納分別為該點(diǎn)導(dǎo)納分別為ljle1.5 阻抗匹配阻抗匹配圖圖 1- 15 并聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器并聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器01in1001jtan()jjtan()llllYYlYYGBYYl(1- 5- 17) 令令 , 并設(shè)參考面并設(shè)參考面AA處的輸入導(dǎo)納為處的輸入導(dǎo)納為Yin1, 則有則有1min11lll1.5 阻抗匹配阻抗匹配終端短路的并聯(lián)支節(jié)輸入導(dǎo)納為終端短路的并聯(lián)支節(jié)輸入導(dǎo)納為 )tan(j202inlYY(1-5-18) 則總的輸入導(dǎo)納為則總的輸入導(dǎo)納為0inin1in22jjtan()llYYYYGBl(1-5-19) 要使其與傳輸線(xiàn)特性導(dǎo)納匹配要使其與傳輸線(xiàn)特性導(dǎo)納匹配, 應(yīng)有應(yīng)有由此可得其中一組解為由此可得其中一組解為010201