微波技术传输线的阻抗匹配

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()。KZUPbrbr02212.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：*ginZZ22maxingingZZREP满足共轭匹配条件的信号源输出的最大功率为:),(ginginXXRRggRE422)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。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。LZ~0Z0Z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：0ZLLRZ01Z4linZ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：)4tg()4tg(010101llLLinjRZjZRZZLRZ201匹配时，必须使,0ZZinLRZZ001)522(,0maxZR0minZKR00001ZZZZ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0001ZKZZ00ZKZ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RZZ001可实现匹配，即Zin=Z0。当工作频率f’偏离f0时，l=l0/4l’/4，lp/2，ZinZ0。G0，而为：LZ~0Z01ZGRinZ40llminlG00ZZZZinin00101010010101tgtgtgtgZljRZljZRZZljRZljZRZ:0201代入得把RZZ)1(tg2)(000lRZjZRZRG)2(sec211200GZRRZ42,0llpl在中心频率附近2)2()(0ppllseccos200RZZRG)3()4(00maxZRZRG由(3)、(4)可画出G随(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D限定的频率范围。由于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值为1m、2pm，且由式(2)，有。最大此时阻抗变换器不存在相当于当G,,0,0l通常用分数带宽Wq表示频带宽度，Wq与m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)。)5()(12arccos020ZRRZmmmGG012012fffWq)6(422/)(mmmppp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inY~LY~d1~Y2~Y0~Y0~Y0~Yl~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。。1~~~21YYYin,匹配时)~(~2BY纯电纳为。)上园应在导纳园图的可匹配1~(~1GY,~1~1BY1~G00.25导纳园图)(~AYL点C点DACAClld~~~ADlld~~~inY~LY~d1~Y2~Y0~Y0~Y0~Yl~单支节匹配器AClld~~~Bj~1~1YB~BY~~2DB~ADlld~~~Bj~1~1YBY~~2DC1~G00.25导纳园图B~FB~El~Fl~El~l~BY~~2点C点D点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。25.0~~Ell25.0~~FllBY~~2点F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：ininZY~1~djZdZjLLtg~tg~1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：LY~1d1lB2dA’A2~Y0~Y0~Y~2lB’1~Y4~YaY~bY~0~Y3~Y双支节匹配器1).分析：假定已匹配好。(1)B-B’面：,1~bY(3)A-A’面：,~应落在辅助园上aY，的电导相等与1~~YYa。，园上落在则设为111~~~GYG沿着使的长度调节支节11~1Yl，电长度园顺时针方向转过点沿其所在等Yl2~)4(daG。点上得1园G落在3~~Y上。园1G应落在~~3Y的可通过调节支节的电纳2~~33BY。来抵消所产生的电纳长度342~~BYl园逆时针方向1G~)2(。电长度得辅助园转过l2daYG~,~1交点即为交园移动直至与辅助园相。2)调配过程0.250(1)作辅助园:1~G81~2dLLZY~1~)2(,)点C(C1~d1~G。21~1~dG园逆时针转2~B1~l3~B3~B2~lDE)(~~~~~1111点DBjGYdYLG得园顺时针转沿等。aaBjGYEGY~~~~~)3(111点得园于园转动交辅助沿。12~~~YYYa12~~lBj332~1~(1G~~~)4(BjYFdYaG点)得园上落在针转园顺时沿等。F34~~~YYYb3~Bj2~l重述调配过程(1)作辅助园:。21~1~dG园逆时针转025.01~G导纳园图81~2dLZ~LLZY~1~)2(LY~。1111~~~~~BjGYdYLG得园顺时针转沿等1~d111~~~BjGYaY~。aaBjGYGY~~~~~)3(111辅助园得园转动交沿1212~~~~~lBjYYYa2~B1~l3~B2334~~~~~lBjYYYb2~l332~1~1~~~)4(BjYGdYa园上得落在针转沿等Γ园顺时。3~Y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。;~~,~:)111园移动到辅助园上沿使的电纳调整GYYlaa。而达到匹配使的电纳调整1~,~:2bbYYld2=l/8时，盲区为；2~Gd2=l/4时，盲区为。1~G0.2502~Gd2=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).三支节匹配器LY~~1dB2dAC3d1lA’0~Y0~Y2lB’0~YC’3l0~Y,~落在盲区aG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：0)()(0)()(222222zIdzzIdzUdzzUd其通解为(以终端为坐标原点)：GG)](1)[()()()(1)()](1)[()()()(21021zzIzIzIeAeAZzIzzUzUzUeAeAzUirizjzjirizjzj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：,)()(000CLzIzUZii,2plp,rpcv,rpll(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=Z0，电压波节点的阻抗为Rmin=Z0/；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，,)(000ltgjZZltgjZZZlZLLin,)4(20LinZZZl。LinZZ)2(lZin不能直接测量，需借助G或来确定：,)(1)(1)(0zzZzZinGG。00)()()(ZzZZzZzininG5.反射系数、驻波系数和行波系数是表征反射波大小的参量。,)()()()2(222zjzjireezUzUzGGGGG111K其数值大小和工作状态的关系如下表：工作状态行波驻波行驻波G010G110K100K16.均匀无耗传输线的传输功率为：)()()(12)()(202zPzPzZzUzPriiGKZUIUzP02maxminmax2121)(功率容量为：KZUPbrbr02217.传输线阻抗匹配方法常用l/4变换器和支节匹配器(单支节、双支节和三支节)。8.阻抗圆图、导纳园图是进行阻抗计算和阻抗匹配的重要工具；计算机辅助计算正日益广泛应用。