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1、 微波技术基础微波技术基础徐锐敏 教授电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼地点：清水河校区科研楼C309 电话：电话：61830173 电邮：电邮：5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配5.11.1 5.11.1 阻抗匹配的思想阻抗匹配的思想阻抗匹配的重要性：阻抗匹配的重要性：使微波传输系统能将波源的功率使微波传输系统能将波源的功率有效地有效地传给负载；传给负载；关系到系统的传输效率、功率容量与工作稳定性；关系到系统的传输效率、功率容量与工作稳定性；关系到微波元器件的性能以及微波测量的系统误差和关系到微波元器件的性能以及微波测量的系统误差和 测量精度。测量精度。阻抗匹配的分类：阻抗匹
2、配的分类：无反射匹配；无反射匹配；共轭匹配。共轭匹配。EgZgZllZ0 g5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l无反射匹配无反射匹配负载匹配负载匹配负载与传输线之间的匹配；负载与传输线之间的匹配；匹配条件：匹配条件：匹配后传输线状态：负载经匹配后不产生波的反射，匹配后传输线状态：负载经匹配后不产生波的反射，传输线上呈行波状态。传输线上呈行波状态。波源匹配波源匹配波源与传输线之间的匹配；波源与传输线之间的匹配；匹配条件：匹配条件：匹配后传输线状态：波源经匹配后对传输线不产生波匹配后传输线状态：波源经匹配后对传输线不产生波 的反射。的反射。实际情况：负载不匹配而产生反射波，但波源匹配将实际情况：
3、负载不匹配而产生反射波，但波源匹配将 不产生二次反射。不产生二次反射。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l共轭匹配共轭匹配定义：负载吸收最大功率的匹配。定义：负载吸收最大功率的匹配。匹配条件：传输线上任一参考面匹配条件：传输线上任一参考面T向负载看去的输入向负载看去的输入 阻抗与向波源看去的输入阻抗互为共轭，即阻抗与向波源看去的输入阻抗互为共轭，即 如图：如图：T处向负载看去：处向负载看去：向波源看去：向波源看去：5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配根据电路理论，图中根据电路理论，图中 吸收最大功率的条件为吸收最大功率的条件为:即：即：两者的电阻应相等，电抗的数值相等，而性质相反。两者的电阻
4、应相等，电抗的数值相等，而性质相反。思考题：思考题：如果某一参考面满足共轭匹配，则线上处处满足共如果某一参考面满足共轭匹配，则线上处处满足共轭匹配。轭匹配。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l匹配下的负载吸收功率情况匹配下的负载吸收功率情况负载吸收功率可表示为：负载吸收功率可表示为：无反射匹配情况无反射匹配情况可见负载吸收的功率为源输出功率的一半，而另一半消可见负载吸收的功率为源输出功率的一半，而另一半消耗在内阻耗在内阻 上。上。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配共轭匹配情况共轭匹配情况 可见可见 （等号仅在传输线无耗，（等号仅在传输线无耗，和和 为实数为实数)，即，即 成立成立 注意：注
5、意：共轭匹配时，线上可能共轭匹配时，线上可能存在存在反射波，反射反射波，反射系数不为零，但经多次反射后，负载所得到的功系数不为零，但经多次反射后，负载所得到的功率比无反射匹配负载时还要大。率比无反射匹配负载时还要大。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l负载匹配的其他优点负载匹配的其他优点传输线的功率容量最大传输线的功率容量最大,失配时传输大功率易导致击穿；失配时传输大功率易导致击穿；传输线的效率最高，馈线中的功率损耗最小；传输线的效率最高，馈线中的功率损耗最小；微波源工作较稳定。微波源工作较稳定。输入阻抗等于传输线特性阻抗，稍有改变时，输入输入阻抗等于传输线特性阻抗，稍有改变时，输入 阻抗不
6、变阻抗不变 ，微波源的频率和输出功率不会被牵引。，微波源的频率和输出功率不会被牵引。实际工程上的匹配是指在某一给定频率范围内，反实际工程上的匹配是指在某一给定频率范围内，反 射系数或驻波系数小于规定值。射系数或驻波系数小于规定值。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配5.11.2 5.11.2 阻抗匹配的方法阻抗匹配的方法当信号源和负载与传输线不匹配时，可以在它们之间插当信号源和负载与传输线不匹配时，可以在它们之间插入阻抗变换元件或二端口网络，使包括此元件或网络在入阻抗变换元件或二端口网络，使包括此元件或网络在内的新负载与传输线匹配。如图所示：内的新负载与传输线匹配。如图所示：匹配网络的要求：匹
7、配网络的要求：简单、易行、可靠；简单、易行、可靠；附加损耗小；附加损耗小；频带宽；频带宽；可调节以匹配可变的负载阻抗（仅用于测量系统）。可调节以匹配可变的负载阻抗（仅用于测量系统）。以毒攻毒以毒攻毒5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l常用的匹配方法常用的匹配方法 阻抗变换器阻抗变换器 置于特性阻抗不同的均匀传输线之间或传输系统与负载置于特性阻抗不同的均匀传输线之间或传输系统与负载之间起阻抗匹配作用。如图所示：之间起阻抗匹配作用。如图所示：5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配对于该图所示的结构，容易推导要使对于该图所示的结构，容易推导要使T处处由于无耗传输线的特性阻抗是实数，因此，由于无耗传输
8、线的特性阻抗是实数，因此，阻抗变阻抗变换器原则上只用于匹配纯电阻负载，即换器原则上只用于匹配纯电阻负载，即 ，所以，所以 5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配对于上图所示的情况，要实现阻抗匹配，则对于上图所示的情况，要实现阻抗匹配，则若负载值为复数，仍可使用若负载值为复数，仍可使用 阻抗变换器，只需将接阻抗变换器，只需将接入点选在电压波节或电压波腹处。入点选在电压波节或电压波腹处。通常选在电压波节处接入为宜，可使变换器的特性阻抗通常选在电压波节处接入为宜，可使变换器的特性阻抗小于主传输线的特性阻抗。小于主传输线的特性阻抗。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配 阻抗匹配器属于点频匹配，即使考虑一
9、定的反射容阻抗匹配器属于点频匹配，即使考虑一定的反射容限，相对带宽也较窄。限，相对带宽也较窄。多节多节 阻抗变换器，可获得更宽的工作频带，下图的阻抗变换器，可获得更宽的工作频带，下图的两节两节 阻抗变换器由两节不同特性阻抗的传输线段级阻抗变换器由两节不同特性阻抗的传输线段级联而成。联而成。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配在最佳频响特性下，两节变换器的特性阻抗分别为在最佳频响特性下，两节变换器的特性阻抗分别为:其中：其中：称为变换比。称为变换比。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配 单支节匹配器单支节匹配器单支节匹配器是在距离负载单支节匹配器是在距离负载d d处并联或串联长度为处并联或串联长
10、度为L L的终端的终端短路或开路的短截线构成。调节短路或开路的短截线构成。调节d d和和L L就可以实现阻抗调配，就可以实现阻抗调配，从而达到阻抗匹配目的。结构如图所示：从而达到阻抗匹配目的。结构如图所示：并联支节并联支节 串联支节串联支节5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配基本思路：基本思路：通过长度为通过长度为d的传输线，将负载为的传输线，将负载为Zl变化为变化为输入阻抗输入阻抗ZinZ0jX；选取长度为选取长度为l，终端开路或短路的并联或串联，终端开路或短路的并联或串联分支传输线，是其输入电钠为分支传输线，是其输入电钠为 jX；分支节处的输入为分支节处的输入为Z0，即匹配。，即匹配。方便
11、起见传输线的特性阻抗均为方便起见传输线的特性阻抗均为Z0，负载阻抗，负载阻抗Zl事先给定，调配参数为事先给定，调配参数为d和和l5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配并联单支节匹配器并联单支节匹配器设计并联单支节匹配器的任务在于确定负载到参考面的设计并联单支节匹配器的任务在于确定负载到参考面的距离距离d d和支节长度和支节长度L L。可采用解析法或图解法来计算。可采用解析法或图解法来计算。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配解析法的思路：解析法的思路：负载阻抗为负载阻抗为 经长度为经长度为d传输线变换传输线变换后的输入阻抗为后的输入阻抗为令等式两端的实部和虚部分别相等，可求出令等式两端的实部和虚
12、部分别相等，可求出d和和B，可得串联支节的输入电钠，可得串联支节的输入电钠BsB，由此可求，由此可求出对应的短路或开路支节的长度出对应的短路或开路支节的长度l。思考题：串联支节又如何计算？思考题：串联支节又如何计算？5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配解析法解析法(并联支节并联支节)该方法较为复杂，可根据负载的具体情况，分两类讨论：该方法较为复杂，可根据负载的具体情况，分两类讨论：第一种情况：第一种情况：为纯阻负载，即为纯阻负载，即支节接入位置：支节接入位置：支节长度：支节长度：5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配第二种情况：第二种情况：为复数为复数思路：先计算出波节的位置思路：先计算出波节的
13、位置 ，接入点处的输入导纳，接入点处的输入导纳值便为实数。最后可算出：值便为实数。最后可算出：5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配图解法图解法求解较为简单，可分为两个步骤。求解较为简单，可分为两个步骤。1.找出负载归一化导纳值在导纳圆图中的对应点找出负载归一化导纳值在导纳圆图中的对应点M 作等反射系数圆交作等反射系数圆交 的匹配圆与的匹配圆与A、B 读出点读出点M顺时转至顺时转至A、B的长度的长度 、读出读出A、B处得导纳值处得导纳值 、5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配2.2.在在 处并联一个短路支节：处并联一个短路支节：由导纳圆图中的短路点由导纳圆图中的短路点C C顺时转至顺时转至 点点
14、D CD C、D D间间的距离即为支节归一化电长度。的距离即为支节归一化电长度。在在 处并联一个短路支节：处并联一个短路支节：由导纳圆图中的短路点由导纳圆图中的短路点C C顺时转至顺时转至 点点 C C点与该点点与该点的距离即为支节归一化电长度。的距离即为支节归一化电长度。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配注意：可能出现两组注意：可能出现两组解解d1和和l1，d2和和l2，取短者。取短者。串联单支节匹配器串联单支节匹配器用图解法计算：串联单支节与计算并联单支节完全类似，用图解法计算：串联单支节与计算并联单支节完全类似，但这时应在阻抗圆图上进行。但这时应在阻抗圆图上进行。用解析法计算：采用并联
15、支节相似的分析（此时用阻抗用解析法计算：采用并联支节相似的分析（此时用阻抗而不用导纳），可得串联支节接入位置而不用导纳），可得串联支节接入位置串联支节长度为串联支节长度为5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l双支节匹配器与三支节匹配器双支节匹配器与三支节匹配器优点：优点：匹配不同负载时，只需调节支节长度匹配不同负载时，只需调节支节长度L L，无需调节，无需调节d;d;三支节匹配器客服了双支节匹配区存在三支节匹配器客服了双支节匹配区存在“匹配禁区匹配禁区”的的 缺点。缺点。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配Yl特点：特点：固定固定d，调节，调节l1和和l2，常用，常用于测量和调配系统。于测量和
16、调配系统。通常通常,解析法：解析法：T1处看向负载的输入导纳处看向负载的输入导纳T1处的总导纳处的总导纳 Y1=Gl+j(Bl+B1)经长度经长度d变换后变换后第一支节的输入导纳第一支节的输入导纳为了匹配为了匹配，Re Y2 Y0，得，得解得解得实数实数Gl0，有，有意味着意味着注意：给定注意：给定d匹配得匹配得Gl值范围值范围双支节调配器不能对双支节调配器不能对所有得负载阻抗都能匹配。所有得负载阻抗都能匹配。第一支节输入电钠第一支节输入电钠第二支节输入电钠第二支节输入电钠对应长度：对应长度：短路支节短路支节开路支节开路支节园图解：园图解：1）由）由Yl得得B点；点；2）将）将1jB园反时园反
17、时针方向旋转针方向旋转d，作出，作出辅助园；辅助园；3）找出）找出Gl园与辅助园与辅助园的交点园的交点C（和（和C），），C代表代表4）过）过C点作等点作等园，沿顺时针园，沿顺时针方向与方向与1 1jBjB园交于园交于D D（和（和D D)D点代表5）由B1，B1求得并由B1确定 l16）由 确定 l2注意：双支节匹配存在匹配禁区。（匹配禁区内注意：双支节匹配存在匹配禁区。（匹配禁区内的的Yl点由点由G园与辅助园难有交点）园与辅助园难有交点）l 线与线与 支节联合匹配器支节联合匹配器工作原理：当工作频率为中心频率时，支节不起作用，工作原理：当工作频率为中心频率时，支节不起作用，匹配器等效为阻抗
18、变换器。当频率偏离中心频率时，阻匹配器等效为阻抗变换器。当频率偏离中心频率时，阻抗变换器引起的反射由支节产生的反射来抵消，从而使抗变换器引起的反射由支节产生的反射来抵消，从而使频带增宽。频带增宽。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配l渐变传输线匹配器渐变传输线匹配器当当 阻抗匹配器阻抗匹配器节数增加时，两节之间阻抗变换就较节数增加时，两节之间阻抗变换就较小；当节数无限多的极限情况下，就变成了连续的渐变小；当节数无限多的极限情况下，就变成了连续的渐变传输线。可实现较宽频带内的匹配。传输线。可实现较宽频带内的匹配。5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配渐变线：渐变线：传输线横截面尺寸传输线横截面尺寸
19、逐渐连续变化逐渐连续变化非均匀传输线非均匀传输线宽频带匹配宽频带匹配5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配 理论上讲，渐变线的长度理论上讲，渐变线的长度L时，时，0，即，即S1。但工程上要求但工程上要求S一定时，一定时，L最小。最小。总反射系数总反射系数近似式近似式忽略了多次反射和损耗。则由渐变线特性忽略了多次反射和损耗。则由渐变线特性阻抗沿阻抗沿z的变化规律，即可得反射系数随频率变化的特性。的变化规律，即可得反射系数随频率变化的特性。渐变线无耗时，始端渐变线无耗时，始端常用渐变线特性阻抗沿常用渐变线特性阻抗沿z z的变化规律有：的变化规律有：1 1）指数线型）指数线型2 2）克洛普芬斯坦型）克洛普芬斯坦型3 3）指数型）指数型4 4）余弦平方型）余弦平方型5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配5.11 5.11 阻抗匹配阻抗匹配