微波技术传输线的阻抗匹配.ppt

第六节传输线的阻抗匹配 一 阻抗匹配的概念阻抗匹配是使微波系统无反射 载行波尽量接近行波状态的技术措施 1 阻抗匹配的重要性 1 匹配时传输功率最大 功率损耗最小 2 阻抗匹配可改善系统的信噪比 3 功率分配网络 如天线阵的馈源网络 中的阻抗匹配将降低幅度和相位的误差 4 阻抗匹配可保持信号源工作的稳定性 5 阻抗匹配可提高传输线的功率容量 2 阻抗匹配问题 1 共轭匹配目的 使信号源的功率输出最大 条件 满足共轭匹配条件的信号源输出的最大功率为 2 无反射匹配 目的 使传输线上无反射波 即工作于行波状态 条件 Zg ZL Z0 实际中传输线的始端和终端很难做到无反射匹配 通常在信号源输出端接入隔离器以吸收反射波 而在传输线与负载之间使用匹配装置用来抵消反射波 隔离器又称单向器 是非互易器件 只允许入射波通过而吸收掉反射波 使信号源端无反射 以稳定信号源的工作状态 二 阻抗匹配的方法 抗作为等效负载与传输线的特性阻抗相等 匹配器是一个两端口的微波元件 要求可调以适应不同负载 其本身不能有功率损耗 应由电抗元件构成 匹配阻抗的原理是产生一种新的反射波来抵消实际负载的反射波 二者等幅反相 即 补偿原理 常用的匹配器有l 4阻抗变换器和支节匹配器 阻抗匹配的方法是在负载与传输线之间接入匹配器 使其输入阻 1 l 4阻抗变换器 由一段特性阻抗为Z01的l 4传输线构成 如图示 有 由于无耗线的特性阻抗为实数 故l 4阻抗变换器只能匹配纯电阻负载 当ZL RL jXL为复数时 根据行驻波的电压波腹和波节点处的输入阻抗为纯组 匹配时 可将l 4阻抗变换器接在靠近终端的电压波腹或波节点处来实现阻抗匹配 在lmax处接入 则 在lmin处接入 则 单节l 4阻抗匹配器的主要缺点是频带窄 当工作波长为l0时 l l0 4 对单一工作频率f0 当 可实现匹配 即Zin Z0 当工作频率f 偏离 f0时 l l0 4 l 4 bl p 2 Zin Z0 G 0 而为 由 3 4 可画出 G 随q 或f 变化的曲线 曲线作周期为p的变化 设允许 G G m 则其工作带宽对应于Dq限定的频率范围 由于q偏离p 2时 G 曲线急剧下降 故工作带宽很窄 当 G G m时 则通带边缘上的q值为q1 qm q2 p qm 且由式 2 有 通常用分数带宽Wq表示频带宽度 Wq与qm有如下关系 对于单一频率或窄频带的阻抗匹配而言 一般单节l 4阻抗变换器提供的带宽能够满足要求 但若要求在宽带内实现阻抗匹配 就必须采用双节 三节或多节l 4阻抗变换器 可参阅有关资料 2 支节调配器 支节调配器是在距终端负载的某一处并联或串联短路或开路支节 有单支节 双支节或多支节匹配器 常用并联调配支节 1 单支节匹配器 导纳园图 并联单支节匹配器是在距负载d处并联长度为l的短路支节 利用调节d和l来实现匹配的 A F E 有两组解 通常选d l较短的一组解 负载改变 则实现匹配的d l将随之而变 这对同轴线 带状线等传输线十分不便 解决的办法是采用双支节匹配器 2 双支节匹配器 在单支节匹配器中改变d是为了找到归一化电导分量为1的参考面 由 可知 线上某参考面的输入导纳不仅决定于该面与终端的距离d 还决定于负载的情况 亦即改变负载情况也可找到归一化电导分量为1的参考面 改变负载的办法是在给定的负载上 或在离负载一定距离d1的参考面上附加纯电纳 双支节匹配器是在d1处并联一长度为l1的短路支节 第二个短路支节的长度为l2 两支节的距离d2固定 为便于计算 常取d2 l 8 l 4或3l 8 但是d2 l 2 d1 d2一确定 即可调节l1和l2而达到匹配 双支节匹配器的工作原理 1 分析 假定已匹配好 1 B B 面 3 A A 面 2 调配过程 1 作辅助园 重述调配过程 1 作辅助园 显然 双支节匹配器也有两组解 应选取较合理的一组 l1 l2较短的 自习p40 p41例题 问题 1 l1 l2的作用是什么 2 双支节匹配器的优 缺点及克服缺点的办法 2 双支节匹配器的优点 两支节的位置固定 无需沿线移动 缺点 存在得不到匹配的盲区 克服缺点的办法是采用三支节或多支节匹配器 d2 l 8时 盲区为 d2 l 4时 盲区为 三支节匹配器为二支节匹配器的组合 l1 l2为一组 l2 l3为一组 首先 l3 l 4 闲置 由l1 l2调配 若 3 三支节匹配器 则l1 l 4 闲置 由l2 l3进行调配 第七节传输线的计算机辅助计算 随着计算机技术的普及和发展 计算机辅助分析 CAA 和计算机辅助设计 CAD 获得广泛应用 传输线问题也可借助计算机进行辅助计算 我们已用VC 编制圆图及阻抗匹配的计算软件 有机会可以做演示 希望同学们积极尝试各种软件的应用 本章小结 1 微波传输线是一维分布参数电路 传输线可用于传输微波信号能量及构成各种微波元器件 2 传输线方程可由传输线的等效电路导出 它是传输线理论中的基本方程 均匀无耗传输线方程 其通解为 以终端为坐标原点 3 均匀无耗传输线有三种工作状态 1 当ZL Z0 匹配 时 线上只有入射波行波 电压 电流振幅不变 相位沿传播方向滞后 Zin z Z0 电磁能量全部被负载吸收 2 当ZL 0 jXL时 线上载驻波 入射波和反射波的振幅相等 驻波的波腹为入射波的两倍 波节为零 电压波腹处的阻抗无限大 电压波节处的阻抗为零 沿线其余各点的阻抗均为纯电抗 无电磁能量的传输 只有电磁能量的交换 其参量为 3 当ZL RL jXL时 线上载行驻波 行驻波的波腹小于两倍入射波 波节不为零 电压波腹点的阻抗为Rmax rZ0 电压波节点的阻抗为Rmin Z0 r 电磁能量一部分被负载吸收 另一部分被负载反射回去 4 传输线具有阻抗变换作用 Zin z 为分布阻抗 Zin不能直接测量 需借助G或r来确定 5 反射系数 驻波系数和行波系数