微波技术：第2章 长线理论8

1、第六节 （阻抗）匹配（网络）设计1、阻抗匹配的意义2、阻抗匹配的概念 共扼匹配与无反射匹配一、阻抗匹配的概念二、阻抗匹配的设计实现1、设计目标2、匹配网络的选择3、窄带（单频）匹配的设计实现（1） l/4 阻抗变换器（2） 支节调配器 一、阻抗匹配的概念两电路（网络）（源与负载）间获得最大的能量传输 匹配网络负载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. 阻抗匹配的意义能量载体： (1) 匹配时传输功率最大，功率损耗最小； 阻抗匹配可保持信号源工作的稳定性；提高传输线的功率容量信息载体： (2) 阻抗匹配可改善系统的信噪比； 例如：功率分配网络(如天线阵的馈源网络)中

2、的阻抗匹配可以降低幅度和相位的误差； 确保阻抗匹配是放大器与振荡器设计中最重要的设计理念1) 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。信号源隔离器匹配器负载 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。2. 阻抗匹配的概念 2) 共轭匹配 目的：使信号源输出的功率最大。 条件：满足共轭匹配条件的信号源输出的最大功率为: 阻抗匹配的原理是产生一种新的反

3、射波来抵消实际负载的反射波(二者等幅反相)，即“补偿原理”。 匹配器 （1）匹配（网络）器本身不能有功率损耗，应由电抗元件构成。 （2）匹配（网络）器与负载端等效负载的合成阻抗与传输线的特性阻抗相等。二、阻抗匹配的设计实现设计目标1. l/4 阻抗变换器由一段 l/4传输线构成。实现匹配设计：确定l/4阻抗变换器特性阻抗Z01，（确定传输线结构尺寸），以及接入的位置。如图示，有： 由于无耗线的特性阻抗为实数，故负载为纯电阻负载时，将l/4 阻抗变换器直接接负载；当ZL=RL+jXL为复阻抗时, 根据行驻波的电压波腹和波节点处的输入阻抗为纯阻；匹配时， 在 lmax 处接入，则在lmin 处接入

4、，则 由于无耗线的特性阻抗为实数，故负载为纯电阻负载时，将l/4 阻抗变换器直接接负载， 当ZL=RL+jXL为复阻抗时, 根据行驻波的电压波腹和波节点处的输入阻抗为纯阻，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。单节l/4阻抗匹配器的主要缺点（应用局限）：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 ，G 0，而为：时由(2)、(3)可画出 G 随q (或 f )变化的曲线 , 曲线周期为 p 。令设允许 G Gm，则其工作带宽对应于 Dq 限定的频率范围。

5、由于q 偏离 p/2 时 G 曲线急剧上升,故工作带宽很窄。 当G= Gm时, 则通带边缘上的q值为q1=qm、 q2=p-qm，且由式(3)，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l 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

6、，利用调节 d 和 l 来实现匹配的。实现匹配设计：确定短路支节的长度以及接入的位置。00.25导纳园图ACl单支节匹配器DDC00.25导纳园图FE 有两组解，通常选d、l 较短的一组解。 局限性：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。图2-1 TEM波传输线(a) 平行双导线 (b) 同轴线 (c) 带状线 (d) 微带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。亦即改变负载也可找到归一化电导分

7、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。 BAAB双支节匹配器双支节匹配器是在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。实现匹配设计：确定两短路支节的长度双支节匹配器的工作原理：BAAB双支节匹配器1). 分析：假定已匹配好。(1) B-B面：(3) A-A面：。0.250BAAB双支节匹配器2) 调配过程0.250(1) 作辅助园:。重述调配过程

8、(1) 作辅助园:导纳园图。 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0.250d2= l/8 双支节匹配器的盲区 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

9、节匹配器BACABC则 l1 = l /4 (闲置)，由l2、l3 进行调配。（1）结构简单（2）带宽宽（3）便于安装（与传输线结构相配） （微）带线：集总参数网络、 l/4 阻抗变换器、多支节匹（调）配器 同轴线：多支节匹（调）配器 波导：多支节匹（调）配器（4）可调以适应不同负载，2、匹配网络的选择*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。 电子学的基本理论直流与低频电路理论 波的传播理论 射频及微波设备特性 射频及微波匹配理论（无源设计） 射频及微波电路有源设计低频电

10、路设计射频微波电路设计放大器 射频及微波电路有源设计振荡器混频器探测器控制电路 射频及微波集成电路本章小结1. 微波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. 传输线是一维分布参数电路。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 = r Z0 ，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是表征反射 波大小的参量。其数值大小和工作状态的