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1、第六节第六节 传输线的阻抗匹配传输线的阻抗匹配 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( ) 。 2. 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： 满足共轭匹配条件的信号源输出的最大功率为: 2) 无反射匹配 目的：使传输线上无反射波，即工作于行波状态。
2、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
3、和支节匹配器。 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： 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： 匹配时 ， 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 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 可实现匹配，即Zi
4、n=Z0 。当工作频率f 偏离 f0 时， l =l0/4 l/4 ，b l p/2， Zin Z0 。 0，而为： 由(3)、(4)可画出 随q (或 f )变化的曲线 , 曲线作 周期为 p 的变化。设允许 m，则其工作带宽对 应于 Dq 限定的频率范围。 由于q 偏离 p/2 时 曲线 急剧下降, 故工作带宽很窄 。 当= m时, 则通带边缘上的q值为q1=qm、 q2=p-qm ， 且由式(2)，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
5、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 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。 0 0.25 导纳园图 A C l 单支节匹配器 D D C 0 0.25 导纳园图 F 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。 2)
6、. 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
7、： B A A B 双支节匹配器 1). 分析： 假定已匹配好 。 (1) B-B面： (3) A-A面 ： 。 2) 调配过程 0.25 0 (1) 作辅助园 : 。 。 。 重述调配过程 (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
8、= l/4 时 ， 盲区为 0.25 0 d2= 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 BAC A B C 则 l1 = l /4 (闲置)，由l2、l3 进行调配 。 * *第七节第七节 传输线的计算机辅助计算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
9、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： 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，
10、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 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关系如下表： 工作状态行 波驻 波行驻波 010 1 r10 r K100 K 1 6. 均匀无耗传输线的传输功率为： 功率容量为： 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。
