《关于传输线阻抗匹配问题的分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于传输线阻抗匹配问题的分析（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、关于传输线阻抗匹配问题的分析席 兵3(重庆邮电学院成人教育学院,重庆400065)摘 要 介绍了传输线阻抗匹配的原理以及匹配方法,并对用计算机进行阻抗匹配的计算作了讨论,给出了一种算法的流程。关键词 传输线;阻抗匹配;算法中图法分类号 TM 937. 73Analysis on I mpedanceMatching Problem s about Transm ission L ineXi Bing(Chongqing U niversity of Posts and T elecomm unications,Chongqing400065)Abstract In this paper, ba
2、sic principles and methods of i mpedance matching are intro2duced. A nd a computer algorithm flow is presented to solve the problem.Key words transm ission line; i mpedance matching; algorithm1 阻抗匹配及其重要性传输理论指出,通常情况下,传输线传输的电压或电流是由该点的入射波和反射波叠加而成的,或者说是由行波和驻波叠加而成的。当传输线的负载阻抗与传输线特性阻抗相等时,线上只存在入射波而无反射波,我们称之
3、为负载阻抗匹配。 除负载阻抗匹配外,还有电源阻抗匹配和共轭阻抗匹配。 电源阻抗匹配是指当电源内阻抗等于特性阻抗时,电源对电压或电流无反射。 共轭阻抗匹配指的是在传输线任一截面上,输入阻抗与电源阻抗互成共轭值。 此时,信号源的功率输出最大。 由于通常情况下电源是匹配的,同时电信工程中遇到的大多是关于负载阻抗匹配的问题,因此本文主要讨论负载阻抗匹配问题。之所以强调阻抗匹配问题,是因为阻抗匹配对信号的传输具有如下的重要意义。1)当ZlZc时,传输线上除了会出现入射波外,还会出现反射波,反射波的存在意味着传送到传输线终端的功率不能全部为负载所吸收,从而降低了传输效率。2)当ZlZc时,传输线上同时存在
4、着行波和驻波,若信号电压比较高,则在电压波腹点容易产生介质击穿的现象。 如欲避免击穿,势必采用尺寸较大和耐压较高的传输线,从而加大了投资。3)在行波和驻波同时存在的情况下,电流波腹点附近的电流振幅也高于正常值,产生的热量也比较大,附近的绝缘易被烧坏。4)在存在反射波的情况下,从传输线始端向传输线看入的阻抗都将随着频率而变化。 当用来传输含有若干频率的信号时,将使信号产生失真。5)对从天线向接收机传送电视信号的传输线来说,如若传输线两端都不能做到匹配相连,那么,将有信号在传输线上来回反射,不但降低了传输效率,还会使屏幕上的轮廓不清。传输线的阻抗匹配可消除上面带来的种种不良影响,保证信号的正常传输
5、。24第11卷,第2期 重 庆 邮 电 学 院 学 报1999年6月Vol . 11 No. 2 Journal of Chongqing U niversity of Posts and Telecommunications Jun. 1999收稿日期: 1998 12 012 阻抗匹配的实现2. 1 基本理论这里为了便于分析,我们假设传输线的损耗可图1传输线示意图OZlZcZRgEg以忽略,认为传输线是均匀无损传输线。 图1是传输线的示意图。图1中Zc为传输线的特性阻抗, Zl为终端负载阻抗。传输线上沿线的电压和电流分布为:U=U+ 0(ejZ+#2e- jZ)I=I+ 0(ejZ-#2e
6、- jZ)#2=(Zl-Zc)?(Zl+Zc)#Z=#2e- j2Z上式中,U+ 0,I+ 0分别为终端负载处的电压和电流入射波复数振幅;为相位常数;#2是终端负载处的电压反射系数,其值由终端负载和特性阻抗决定。任意一点的输入阻抗为:Zin=U I=ZcZl+ jZctanZ Zc+ jZltanZ其归一化阻抗为:Zin=Zin Zc=Zl+ jtanZ 1 + jZltanZ如用导纳表示上述关系,将Yc= 1?Zc和Yl= 1?Zl代入以上关系式,得:Yin=YcYl+ jYctanZ Yc+ jYltanZYin=Yin Yc-Yl+ jtanZ 1 + jYltanZ2. 2 用 ?4阻
7、抗变换器进行阻抗匹配 ?4变换器或称 ?4匹配线,是由长度为 ?4,特性阻抗为Zc1的线段构成。设有一个特性阻抗为Zc的主传输线,终端负载为Rl,此时RlZc,若将传输线直接与终端负载相接,便会在线上存在反射波,因而需要匹配的措施,办法之一就是采用特性阻抗为Zc1的 ?4变换器作为阻抗匹配线,连接方法如图2所示。经过 ?4阻抗变换器后,负载阻抗为: ?4Zc图2 ?4阻抗变换示意RlZc1Zin=Z2 c1?Rl这个关系说明:当负载阻抗为纯电阻时,则 ?4线段的输入阻抗也是纯电阻,而且可以通过选择Zc1来改变Zin的大小。显然为了使传输线处于匹配状态,应要求:Zin=Zc由以上2式可得:Zc1
8、=ZcRl这就是说,为了匹配,当采用 ?4匹配线来匹配时,只要它的特性阻抗Zc1等于所需匹配线的特性阻抗Zc及Rl的几何平均值,就可实现阻抗匹配。应当指出: ?4阻抗变换器原则上只用于匹配纯电阻性负载。 当负载为复数阻抗,而且仍然需用 ?4变换器来匹配时,则变换器应在传输线电压波节处或波腹处接入,因为电压波节处或波腹处的输入阻抗是纯电阻。 其相关的计算并不复杂,这里不再具体论述。2. 3 支节匹配器的计算支节匹配有单支节、 双支节和三支节匹配。 其基本原理都相同,是在主传输线上并联适当的电纳,以产生附加反射波来抵消主传输线上原来的反射波,达到匹配的目的。 此电纳(电抗)元件常用一段终端短路或终
9、端开路的短截线来完成。 这里以单支节匹配为例进行介绍。单支节匹配是在离终端适当位置上并联一可调d2AAd1Zc图3单支节匹配示意图Z1短路线构成的。 如图3所示,调节支节位置d1和支节长度d2,使A A 左边主传输线达到匹配。从A A 向负载看进去的主传输线输入导纳Y1为:Y1=1 Z1=YcYl+ jYctand1 Yc+ jYltand1=G1+ jB1从A A 向短路线看入的输入导纳为:Y2=1 Z2= -1 jZccotd2= jB2则A A 处的输入导纳为:34席 兵:关于传输线阻抗匹配问题的分析YAA=Y1+Y2=G1+ jB1+ jB2=G1+ j(B1+B2)若想实现阻抗匹配,
10、须有:YAA=Yc即G1+ j(B1+B2) =Gc或G1=Gc, B2= -B1因此,选择d1使从A A 处向传输线看进去的输入导纳的电导部分刚好等于传输线的特性导纳Gc;选择d2使从短路线的接入端向短路线终端看进去的输入导纳jB2刚好与主传输线A A 处的jB1性质相反,数值相等。从上面讨论可知,由于要求G1=Gc,所以只要Gc,Zl和 一定时,从数学角度看,可从上面式子解出d1;确定d1之后,B1值则可立即求得。 由于要求B2= -B1,所以d2也可以得。上面就单支节匹配器的原理进行了介绍,从理论上分析了其可行性;但我们也看到,其求解过程并不轻松。 为了计算方便和缩短计算时间,工程师们想
11、了很多办法,设计了很多工具,圆图就是其中最常用的一个。 由于要采用作图的方法以及圆图本身的一些特点,实际使用起来并不方便,运算的精度也往往达不到要求。3 单支节匹配器的程序设计随着计算机技术的发展,大量的繁索的计算工作也变得非常容易。 作者在工作中就传输线的阻抗匹配问题及相关问题编写了一些程序,取得了比较好的效果。 下面就上面的单支节匹配器介绍一种计算机程序算法如图4。关于程序的设计技巧及相关的说明:程序要输入的数据是特性阻抗(特性导纳)和负载阻抗(导纳);欲得到的数据是接入短路线的位置d1和短路线的长度d2.从负载端起,取间隔为 (上面算法中间隔为0. 01)的相邻2点l1和l2,计算其导纳
12、,将其电导值和特性导纳Gc比较,则有以下3种情况:如果某一点的电导值为特性导纳,则这一点即为所求的接入点位置;如果l1和l2处的电导值都大于或小于特性导纳,则说明接入点位于l1和l2的同一侧,l1和l2和分别递增0. 01,重复以上步骤;如果特性导纳介于l1和l2的电导值之间,则说明接入点位于l1和l2之间,在此基础上,减小间隔,进行精确求解。d2= - 1?(2)acot(B*ZC)NY= 0 0 0YNNY图4阻抗匹配计算的算法流程示意图ENDOutputIFd2 0d2=d2+ 0. 5Y=Y(d1)=Gc+ jBI=I+ 1l1=l3,l3=l1+?2=?2,l3=l1+d1=l3A*
13、CC=1-g3= (l2-l1)?2,l3=l1+Y3=Y3(l3)=g3+ jb3d1=l2d1=l1A*B 0B= 0B=1-g2Y2=Y2(l2)=g2+ jb2A= 0A=1-g1Y1=Y1(l1)=g1+ jb1l2= 0. 01*Il1= 0. 01* (I- 1)I= 1Input?Zc(Gc)、Z1=R1+ jX1BEGI N在对接入点位置进行精确求解过程中采用了一些技巧,通过上面的算法也可看出,每一次求解都可使接入点位置的间隔长度减小为原来的一半,可以想象,求解的速度是非常快的。确定了接入点位置d1之后,则接入点位置处的输入导纳就确定了;根据上面的讨论,短路线的长度d2也可由
14、公式求得,这里不再作详细说明。4 结束语前面介绍了传输线阻抗匹配的基本原理和两种常用的匹配方法。 应当指出,匹配的方法和匹配器的形式是很多的,应该根据实际情况(下转87页)441999年第2期 重庆邮电学院学报 CU PT地保持在认知结构中” 这一理论。 在第27课 “A W etN ight” 中一个短语put up(搭起)引申出与put有关的几个短语: put out(扑灭); put on(穿); putsomebody up(留某人过夜); put up w ith(忍受); putdow n(写下); put off(推迟); put aw ay(丢开)等,使学习者轻松、 牢固地记住
15、了课文中还未出现或已经出现过的短语。(2)练习精而细。 以第二册第25课开始讲解的L etter2w riting为例,单是简单的 “The Heading” 部分就延伸至第43课,反复讲、 反复练,甚至延续到第三册中。 这就是加涅的学习层级说和任务分析观点的具体体现。 “针对每一个目标,鉴别各个子目标,这一过程一定要进行到令人满意的精细程度为止” 。“令人满意” 就是指学习者对学习目标的完全理解。(3)知识点的复现率高。 要获得巩固的知识,必要的重复练习或复习是必不可少的。 加涅认为:“倘若这样的复习或练习能使已有的知识不断分化和综合贯通,就会显著延长保持期” 。 新 教材十分注意这一点,它
16、经常在适当的时候再现以前的旧知识。 因为 “在有意义的学习中,如果原有的认知结构里没有适当的起固定作用的观念可以同化新知识,也就是说新知识不能有效地被固定在认知结构中,就会引起不稳定的含糊的意义,导致迅速遗忘” 。 如在第二册第13课 “SpecialD ifficulties” 里提出的 “2s” 所有格形式在第24课中再次出现等等。3. 2 图文并茂,注重交际新 每课都配有精心设计的插图,短小精悍的课文极富趣味性、 启发性和科学性,增强了学习者的感性认识。 尤其第一册打破了传统的先学枯燥的字母,而从基本句型和简单语法学起;也不象以往那样用语法术语讲解,再按填空形式机械带入,它采用一幅幅生动形象的图画将学习者引入场景对话中,并配上简短的提示语,这样非常贴近生活;另外,再借助录音材料,培养听、 说、 读、 写以及交际能力。由于 新 教材由零起步,又具有
