《微波技术与天线》第1.5-1.7节...ppt

1.5阻抗匹配,阻抗匹配具有三种不同的含义，分别是负载阻抗匹配、源阻抗匹配和共轭阻抗匹配。,本节内容,三种匹配阻抗匹配的方法与实现,1.三种匹配(impedancematching),(1)负载阻抗匹配：负载阻抗等于传输线的特性阻抗。此时传输线上只有从信源到负载的入射波，而无反射波。(2)源阻抗匹配：电源的内阻等于传输线的特性阻抗。对匹配源来说，它给传输线的入射功率是不随负载变化的，负载有反射时，反射回来的反射波被电源吸收。(3)共轭阻抗匹配：设信源电压为Eg,信源内阻抗Zg=Rg+jXg,传输线的特性阻抗为Z0,总长为l,终端负载为Zl,因而得到Zin=Zg*时，,负载阻抗匹配Zl=Z0信号源阻抗匹配Zg=Z0共轭阻抗匹配Zin=Zg*,Zl=Z0,阻抗匹配器,耦衰减器、隔离器,负载匹配的方法：从频率上划分有窄带匹配和宽带匹配；从实现手段上划分有/4阻抗变换器法、支节调配法。,2.阻抗匹配的实现方法,(1)/4阻抗变换器匹配方法,(2)支节调配法(stubtuning),支节调配器是由距离负载的某固定位置上的并联或串联终端短路或开路的传输线（称之为支节）构成的。可分为单支节(single-stub)调配器、双支节(double-stub)调配器及多支节(multiple-stub)调配器。,并联单支节调配器,（a）串联单支节调配器,已知负载可求得反射系数l和驻波比,此处为第一波腹点,此处输入阻抗应等于特性阻抗,(b)并联单支节调配器,此处输入导纳应等于特性导纳,此处为第一波节点,(c)多支节调配(multiple-stubtuning),单支节匹配的主要缺点是它仅能实现在点频上匹配，要展宽频带，可采用多支节结构来实现。,例1-4设无耗传输线的特性阻抗为50,工作频率为300MHz,终端接有负载Z1=25+j75(),试求串联短路匹配支节离负载的距离l1及短路支节的长度l2。解:由工作频率f=300MHz,得工作波长=1m。终端反射系数l=|l|ejl=0.333+j0.667=0.7454ej1.1071驻波系数,第一波腹点位置调配支节位置,1.6史密斯圆图及其应用,史密斯圆图史密斯圆图应用,史密斯圆图（smithchart）是用来分析传输线匹配问题的有效方法，它具有概念明晰、求解直观、精度较高等特点，被广泛应用于射频工程中。,本节要点,式中，为终端反射系数的幅角；是z处反射系数的幅角。当z增加时，即由终端向电源方向移动时，减小，相当于顺时针转动；反之，由电源向负载移动时，增大，相当于逆时针转动。沿传输线每移动时，反射系数经历一周。,为归一化输入阻抗。,(z)为一复数，极坐标形式为：,传输线上任意一点反射系数表达为,可见，当负载一定，反射系数的大小不变，即为半径为l的圆,1.反射系数圆(reflectioncoefficientcircles),任一点与圆心连线的长度就是与该点相应的传输线上某点处的反射系数的大小，连线与的那段实轴间的夹角就是反射系数的幅角。,对于任一个确定的负载阻抗的归一化值，都能在圆图中找到一个与之相对应的点，它是传输线端接这一负载时计算的起点。,当l为不同值时反射系数圆图如下。,同心圆的半径表示反射系数的大小,其起点为实轴左边的端点（即180处）沿传输线移动的距离以波长为单位来计量,2.阻抗圆（impedancecircles),令，则得到下列方程,(z)表示成直角坐标形式,传输线上任意一点归一化阻抗为：,这两个方程是以归一化电阻和归一化电抗为参数的两组圆方程。第1式为归一化电阻圆，第2式为归一化电抗。,愈大圆的半径愈小。,当时，圆心在(0,0)，半径为1,当时，圆心在(1,0)，半径为0,圆心,半径,圆心,半径,x可正可负，全簇共分为两组,一组在实轴的上方，另一组在下方,时，圆缩为点(1,0),3.阻抗圆图,将反射系数圆图、归一化电阻圆图和归一化电抗圆图画在一起，为完整的阻抗圆图，也称为史密斯圆图。,向负载,向电源,实轴左半边为电压波节点又代表行波系数K,实轴右半边为电压波腹点又代表驻波比,结论：阻抗圆图上的重要点、线、面,x=-1电抗圆弧,x=+1电抗圆弧,上半圆电感性,下半圆电容性,结论,在阻抗圆图的上半圆内的电抗为x0呈感性；下半圆内的电抗为x0呈容性；实轴上的点代表纯电阻点，左半轴上的点为电压波节点，其上的刻度既代表rmin，又代表行波系数K，右半轴上的点为电压波腹点，其上的刻度既代表rmax，又代表驻波比；圆图旋转一周为/2；=1的圆周上的点代表纯电抗点；实轴左端点为短路点，右端点为开路点；中心点处有r=1、x=0，是匹配点；在传输线上由负载向电源方向移动时，在圆图上应顺时针旋转；反之，由电源向负载方向移动时，应逆时针旋转。,4.导纳圆图,有时为了分析问题方便，需要用到导纳圆图。实际上由无耗传输线的4的阻抗变换特性，将整个阻抗圆图旋转180即得到导纳圆图。阻抗圆图变为导纳圆图并不需要对圆图作任何修正，且保留了圆图上的所有已标注好的数字。由于阻抗与导纳是倒数的关系。,A,B,作变换在圆图上的表示,导纳圆图上的重要点、线、面,b=-1电纳圆弧,b=+1电纳圆弧,上半圆电容性,下半圆电感性,例1-6已知传输线的特性阻抗Z0=50。假设传输线的负载阻抗为Zl=25+j25，求离负载z=0.2处的等效阻抗。,解：,先求出归一化负载阻抗0.5+j0.5，在圆图上找出与此相对应的点P1，以圆图中心点O为中心、以OP1为半径，顺时针（向电源方向）旋转0.2到达点P2，查出P2点的归一化阻抗2j1.04，将其乘以特性阻抗即可得到z=0.2处的等效阻抗为100j52(),阻抗归一寻找位置相应旋转阻抗反归一,例1-7在特性阻抗Z0=50的无耗传输线上测得驻波比=5，电压最小点出现在z=/3处，求负载阻抗。,电压波节点处等效阻抗为一纯电阻rmin=K=1/=0.2，此点落在圆图的左半实轴上，从rmin=0.2点沿等的圆反时针（向负载方向）转/3，得到归一化负载为0.77+j1.48，故负载阻抗为Zl=(0.77+j1.48)50=38.5+j74(),解：,例1-8设一负载阻抗为Zl=100+j50接入特性阻抗为Z0=50的传输线上。要用支节调配法实现负载与传输线匹配，试用Smith圆图求支节的长度及离负载的距离。,解：首先在圆图上找到与归一化阻抗2+j相对应的点P1其归一化导纳即为0.4-j0.2，在圆图上体现为由P1点变到中心对称的P2点，P2点对应的向电源方向的电长度为0.463。,将P2点沿等l圆顺时针旋转与的电导圆交于A点B点,A点的导纳为1+j1，对应的电长度为0.159，B点的导纳为1-j1，对应的电长度为0.338。,（1）支节离负载的距离为d=0.037+0.159=0.196d=0.037+0.338=0.375,（2）短路支节的长度：短路支节对应的归一化导纳为0j1和0+j1，分别与1+j1和1-j1中的虚部相抵消。由于短路支节负载为短路，对应导纳圆图的右端点。将短路点顺时针旋转至纯电纳圆（单位圆）与b=1和b=1的交点A,B，旋转的长度分别为：l=0.3750.25=0.125l=0.125+0.25=0.375,因此，从以上分析可以得到两组答案，它们分别是d=0.196,，l=0.125和d=0.375，l=0.375与用公式（1-5-21）和(1-5-22)算出的结果相同。,1.7同轴线的特性阻抗,同轴线(coaxiallines)是常用的TEM传输线，是典型的双导体传输系统，其外形结构,本节要点,同轴线的分类同轴线的特性阻抗及应用,1.同轴线的分类,硬同轴线是由圆柱形铜棒作内导体，同心的铜管作外导体，内外导体间用介质支撑，这种同轴线也称为同轴波导。软同轴线的内导体一般采用多股铜丝，外导体是铜丝网，在内外导体间用介质填充，外导体网外有一层橡胶保护壳，这种同轴线又称为同轴电缆。,2.同轴线的特性阻抗,同轴线的内外导体的半径分别为a和b，在内外导体间用介电常数为介质填充，其单位长分布电容和单位长分布电感分别为：,其特性阻抗为,3.同轴线的传输功率,设同轴线的外导体接地，内导体上传输电压为U(z)，取传播方向为+z，传播常数为，则线上电压为：,线上电流为,传输功率为,同轴线外半径b不变时，改变内半径a，分别达到耐压最高、传输功率最大及衰减最小三种状态。,上式中的U0为击穿电压时，计算所得功率即为功率容量。,设外导体接地，内导体接上电压为Um，则内导体表面的电场为,(1)耐压最高时的阻抗特性,此时同轴线的特性阻抗为：,当同轴线中填充空气时，相应于耐压最大时的特性阻抗为60,为达到耐压最大，设取介质的极限击穿电场，即，,限制传输功率的因素也是内导体的表面电场，因此,此时同轴线的特性阻抗为：,当同轴线中填充空气时，相应于传输功率最大时的特性阻抗为30,(2)传输功率最大时的特性阻抗,我们只考虑导体损耗的情形。,设R为同轴线单位长电阻，而导体的表面电阻为Rs，两者之间的关系为：,导体衰减常数为,由,可得x=3.59,此时同轴线的特性阻抗为：,当同轴线中填充空气时，相应于衰减最小时的特性阻抗为76.7,(3)衰减最小时的特性阻抗,实际使用的同轴线特性阻抗一般有50和75两种。,50的同轴线兼顾了耐压、功率容量和衰减的要求，是一种通用型同轴传输线；,75的同轴线是衰减最小的同轴线，它主要用于远距离传输。,讨论,不同使用要求下，同轴线有不同的特性阻抗，范围是10225,以上分析是假设同轴线工作在TEM模式。实际上，当同轴线的截面尺