《微波技术与天线》第1.5-1.7节..优秀PPT.ppt
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1、1.5 阻抗匹配阻抗匹配n阻抗匹配具有三种不同的含义,分别是负载阻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。抗匹配、源阻抗匹配和共轭阻抗匹配。n本节内容本节内容n三种匹配三种匹配n阻抗匹配的方法与实现阻抗匹配的方法与实现入射波入射波反射波反射波Z0ZlZg1.三种匹配三种匹配(impedance matching)(1)(1)负载阻抗匹配:负载阻抗等于传输线的特性阻抗。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。此时传输线上只有从信源到负载的入射波,而无反射波。(2)(2)源阻抗匹配:电源的内阻等于传输线的特性阻
2、抗。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更的,负载有对匹配源来说,它给传输线的入射功率是不随负载变更的,负载有 反射时,反射回来的反射波被电源吸取。反射时,反射回来的反射波被电源吸取。(3)(3)共轭阻抗匹配:设信源电压为共轭阻抗匹配:设信源电压为Eg,Eg,信源内阻抗信源内阻抗Zg=Rg+jXg,Zg=Rg+jXg,传输线的传输线的 特性阻抗为特性阻抗为Z0,Z0,总长为总长为l,l,终端负载为终端负载为ZlZl因而得到因而得到 Zin=Zg*时时,匹配器匹配器1匹配器匹配器2n负载阻抗匹配负载阻抗匹配Zl=Z0n信号源阻抗匹配信号源阻抗
3、匹配Zg=Z0 n共轭阻抗匹配共轭阻抗匹配Zin=Zg*Zl=Z0阻抗匹配器阻抗匹配器耦衰减器、隔离器耦衰减器、隔离器n负载匹配的方法:从频率上划分有窄带匹配和宽带匹配;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从实现手段上划分有/4阻抗变换器法、支节调配法。阻抗变换器法、支节调配法。隔离器隔离器或或衰减器衰减器阻抗阻抗匹配匹配2.阻抗匹配的实现方法阻抗匹配的实现方法此处接/4阻抗变换器(1)/4阻抗变换器阻抗变换器匹配方法匹配方法(2)支节调配支节调配法法(stub tuning)支节调配器是由距离负载的某固定位置上的并支节调配器是由距离负载的某固定位置上的并联或串
4、联终端短路或开路的传输线(称之为支联或串联终端短路或开路的传输线(称之为支节)构成的。可分为单支节节)构成的。可分为单支节(single-stub)调调配器配器、双支节双支节(double-stub)调配器及多支节调配器及多支节(multiple-stub)调配器调配器。并联单支节调配器并联单支节调配器 串联单支节调配器串联单支节调配器 (a a)串联单支节调配器)串联单支节调配器 Z0ZlZ0Z0已知负载可求得反射已知负载可求得反射系数系数 l和驻波比和驻波比 此处为第一此处为第一波腹点波腹点此处输入阻抗应此处输入阻抗应等于特性阻抗等于特性阻抗(b)并联并联单支节调配器单支节调配器 Y0Y0
5、Y0此处输入导纳应此处输入导纳应等于特性导纳等于特性导纳此处为第一此处为第一波节点波节点(c)多支节调配多支节调配(multiple-stub tuning)单支节匹配的主要缺点是它仅能实现在点频上匹配,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,可接受多支节结构来实现。要展宽频带,可接受多支节结构来实现。例例 1-4设设无无耗耗传传输输线线的的特特性性阻阻抗抗为为50,工工作作频频率率为为300MHz,终终端端接接有有负负载载Z1=25+j75(),试试求求串串联联短短路路匹匹配配支支节节离离负负载载的的距距离离l1及及短短路路支支节节的的长长度度l2。解:由工作频率f=300
6、MHz,得工作波长=1m。终端反射系数 l=|l|e jl=0.333+j0.667=0.7454e j1.1071 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及其应用 n史密斯圆图史密斯圆图n史密斯圆图应用史密斯圆图应用n史密斯圆图史密斯圆图(smith chart)是用来分析传输线匹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。度较高等特点,被广泛应用于射频工程中。n本节要点本节要点n式中,式中,为终端反射系数的幅角;为终端反射系数的幅角;是是z处反射系数处
7、反射系数的幅角。当的幅角。当z增加时,即由终端向电源方向移动时,增加时,即由终端向电源方向移动时,减小,相当减小,相当于顺时针转动;反之,由电源向负载移动时,于顺时针转动;反之,由电源向负载移动时,增大,相当于逆时增大,相当于逆时针转动。沿传输线每移动针转动。沿传输线每移动 时,反射系数经历一周。时,反射系数经历一周。为归一化输入阻抗。为归一化输入阻抗。(z)为一复数,为一复数,极坐标形式为:极坐标形式为:n传输线上随意一点反射系数表达为传输线上随意一点反射系数表达为 n可见,当负载确定,反射系数的大小不变,即为半径为可见,当负载确定,反射系数的大小不变,即为半径为l的的圆圆1.反射系数圆反射
8、系数圆(reflection coefficient circles)n任一点任一点与与圆心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。的那段实轴间的夹角就是反射系数的幅角。n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与之相对应的点,它是传输线端接这一负载时计算的起点。n当当l 为不同值时反射系数圆图如下。为不同值时反射系数圆图如下。同心圆的半径表示
9、同心圆的半径表示反射系数的大小反射系数的大小其起点为实轴左边的端点其起点为实轴左边的端点(即(即180 处)处)沿传输线移动的距离以波长沿传输线移动的距离以波长为单位来计量为单位来计量2.阻抗圆阻抗圆(impedance circles)n令令 ,则得到下列方程,则得到下列方程(z)表示成直角坐标形表示成直角坐标形式式n 传输线上随意一点归一化阻抗为:n这两个方程是以归一化电阻和归一化电抗为参数的两组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。第圆方程。第1式为归一化电阻圆式为归一化电阻圆,第第2式为归一化电抗。式为归一化电抗。愈大圆的半径愈小。愈大圆的半径愈小。当当 时,圆心在时
10、,圆心在(0,0),半径为,半径为1当当 时,圆心在时,圆心在(1,0),半径为,半径为0圆心圆心半径半径圆心圆心半径半径x可正可负,全簇共分为两组可正可负,全簇共分为两组一组在实轴的上方,另一组在下方一组在实轴的上方,另一组在下方 时,圆缩为点时,圆缩为点(1,0)3.阻抗圆图阻抗圆图n将反射系数将反射系数圆图、归一化圆图、归一化电阻圆图和归电阻圆图和归一化电抗圆图一化电抗圆图画在一起,为画在一起,为完整的阻抗圆完整的阻抗圆图,也称为图,也称为史史密斯圆图。密斯圆图。向负载向负载向电源向电源实轴左半边为电实轴左半边为电压波节点又代表压波节点又代表行波系数行波系数K实轴右半边为实轴右半边为电压
11、波腹点又电压波腹点又代表驻波比代表驻波比 结论:结论:阻抗圆图上的重要点、线、面阻抗圆图上的重要点、线、面r=1的电阻圆的电阻圆开路点开路点短路点短路点匹配点匹配点纯电阻线纯电阻线纯电抗圆纯电抗圆x=-1电抗圆弧电抗圆弧x=+1电抗圆弧电抗圆弧上半圆电感性上半圆电感性下半圆电容性下半圆电容性结论结论在阻抗圆图的上半圆内的电抗为在阻抗圆图的上半圆内的电抗为x0呈感性;下半圆内的电呈感性;下半圆内的电抗为抗为x0呈容性;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,其上的刻度既代表上的刻度既代表rmin,又代表行波系数,又代表行波系数
12、K,右半轴上的点为右半轴上的点为电压波腹点,其上的刻度既代表电压波腹点,其上的刻度既代表rmax,又代表驻波比,又代表驻波比;圆图旋转一周为圆图旋转一周为/2;=1的圆周上的点代表纯电抗点;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;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。转;反之,由电源向负载方向移动时,应逆时针旋转。4.导纳圆图导纳圆图有时为了分析问题便利,须要用到导纳圆
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