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1、1. 由负载由负载 ZL求传输线的工作状态求传输线的工作状态( 包括包括 r、G、Zin等等)；2. 由实测的由实测的 r、G 和和 lmin 求求 Zin 或或ZL 等；等；3. 在前两个问题中同时解决阻抗的匹配。在前两个问题中同时解决阻抗的匹配。可用公式求解，也可用可用公式求解，也可用 Smith圆图图解圆图图解回顾：回顾： 微波传输线工程常遇到三类问题：微波传输线工程常遇到三类问题：下面将讨论传输线的阻抗匹配问题。下面将讨论传输线的阻抗匹配问题。下面将讨论传输线的阻抗匹配问题。下面将讨论传输线的阻抗匹配问题。 长线的传输长线的传输效率最高。效率最高。第六节第六节第六节第六节 传输线的阻抗
2、匹配传输线的阻抗匹配传输线的阻抗匹配传输线的阻抗匹配 微波电路和系统的设计都必须考虑阻抗匹配的问题。微波电路和系统的设计都必须考虑阻抗匹配的问题。 一、阻抗匹配的概念一、阻抗匹配的概念 阻抗匹配是使微波系统无反射、载波尽量接近行波状态的技阻抗匹配是使微波系统无反射、载波尽量接近行波状态的技术措施。术措施。 1. 阻抗匹配的重要性阻抗匹配的重要性 (1) 匹配时传输功率最大匹配时传输功率最大 ( ) ， (2) 阻抗匹配可以提高接受部件的灵敏度，改善系统的信噪比。阻抗匹配可以提高接受部件的灵敏度，改善系统的信噪比。 (3) 阻抗匹配可保持信号源工作的稳定性。阻抗匹配可保持信号源工作的稳定性。 (
3、4) 阻抗匹配可提高传输线的功率容量阻抗匹配可提高传输线的功率容量 ( )。2. 阻抗匹配问题阻抗匹配问题 阻抗匹配阻抗匹配信号源匹配信号源匹配负载匹配负载匹配共轭匹配共轭匹配阻抗阻抗匹配匹配使源输出使源输出最大功率最大功率使信号源端无反射使信号源端无反射使使负载负载无反射无反射无反射匹配无反射匹配共轭匹配共轭匹配无反射匹配无反射匹配目的：使信号源输出最大功率。目的：使信号源输出最大功率。条件：条件：满足满足共轭匹配条件的信号源输出的最大功率为共轭匹配条件的信号源输出的最大功率为(2-52)1图图2-34 共轭匹配共轭匹配Zin推导：推导：(1) 信号源与传输线的信号源与传输线的共轭匹配共轭匹
4、配1图图2-34 共轭匹配共轭匹配Zin通过通过T1参考面的平均功率为参考面的平均功率为=(2)在在 Eg 和和 Zg不变的条件下求不变的条件下求 P 的极大值的极大值, 由由 得得由由 得得(3)(1)式式(2)、式式(3)联立求联立求解解得得 P 取极大值的条件为取极大值的条件为即即(4)(2-52)式式(4)代入式代入式(1)，得，得信号源输出最大功率信号源输出最大功率(2) 传输系统的无反射匹配传输系统的无反射匹配目的：使传输线上无反射波，即工作于行波状态。目的：使传输线上无反射波，即工作于行波状态。条件：条件：Zg= Z0 = ZL 。 实际传输线系统中，很难同时满足实际传输线系统中
5、，很难同时满足Zg= Z0 = ZL 这一条件。一这一条件。一般在信号源处和负载处分别加入匹配装置般在信号源处和负载处分别加入匹配装置, 可使整个传输系统达可使整个传输系统达到匹配。到匹配。等效匹配源等效匹配源等效匹配负载等效匹配负载 在实际微波系统中，通常在信号源的输出端口接入隔离器在实际微波系统中，通常在信号源的输出端口接入隔离器或环形器来构成匹配源。或环形器来构成匹配源。传输系统匹配示意图传输系统匹配示意图信信号号源源负负 载载匹配匹配装置装置匹配匹配装置装置Z0隔离器隔离器(或环形器或环形器)Z0匹匹配配器器信信号号源源 负负 载载匹配源匹配源 隔离器又称隔离器又称“单向器单向器”，是
6、一个非互易元件，对电磁能量具有，是一个非互易元件，对电磁能量具有正向通行、反向隔离作用，用于低功率系统中。在大功率系统中，正向通行、反向隔离作用，用于低功率系统中。在大功率系统中，则需采用环形器等非互易元件。则需采用环形器等非互易元件。(详见第五章第五节详见第五章第五节)这样这样, 解决负载与传输线之间的匹配就成了主要问题。解决负载与传输线之间的匹配就成了主要问题。 产生一种新的反射波来抵消实际负载的产生一种新的反射波来抵消实际负载的反射波反射波(二者等幅反相二者等幅反相)二、阻抗匹配的方法二、阻抗匹配的方法匹匹配配器器主要主要任务任务任务任务: 解决负载与传输线之间的匹配问题。解决负载与传输
7、线之间的匹配问题。等等 效效匹配负载匹配负载 严格说，是点频匹配。严格说，是点频匹配。匹配阻抗的匹配阻抗的原理原理原理原理： “补偿原理补偿原理补偿原理补偿原理”阻抗匹配阻抗匹配(行波匹配行波匹配)窄带匹配窄带匹配窄带匹配窄带匹配宽带匹配宽带匹配阻抗匹配的阻抗匹配的方法方法方法方法:在负载与传输线之间接入匹配器。在负载与传输线之间接入匹配器。匹配器匹配器: :二端口的微波元件。二端口的微波元件。可调可调, 以适应不同负载以适应不同负载;不能有功率损耗不能有功率损耗，由由电抗元件电抗元件构成构成。常用的匹配器常用的匹配器：l/4 阻抗变换器，阻抗变换器，支节匹配器。支节匹配器。1. l/ /4
8、阻抗变换器阻抗变换器 由一段特性阻抗为由一段特性阻抗为Z01的的 l/4传输线构成。如图示，有：传输线构成。如图示，有：匹配时匹配时, 由于无耗线的特性阻抗为实数，故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阻抗变换器只能匹配纯电阻负载纯电阻负载。当。当ZL=RL+jXL为复数时为复数时, 根据行驻波的电压波腹和波根据行驻波的电压波腹和波节点处的输入阻抗为纯组：节点处的输入阻抗为纯组：在电压波腹在电压波腹 (lmax可由式可由式(2-25a )或转圆图求或转圆图求 )处接入处接入, 则则在电压波节在电压波节(lmin 可由式可由式(2-26a )或转圆图求或转圆图求)处接入，则
9、处接入，则 可将可将 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。来实现阻抗匹配。点击点击 用阻抗圆图用阻抗圆图 求求 lmax 、 lmin 。 当工作频率当工作频率f 偏离偏离 f0 时，时， l =l0/ /4 l /4 ， b l p/2， Zin Z0 , G 0，而为：而为：单节单节 l/ /4 阻抗匹配器的主要缺点是阻抗匹配器的主要缺点是 频带窄频带窄频带窄频带窄 。工作波长为工作波长为 l0 时时, l =l0/4 , 对单一工作频率对单一工作频率f0 , 当当可实现匹配，即可实现匹配，即Zin=Z0 。(2-55
10、a)把把 代入得代入得 由式由式 (2-55c) 可画出可画出 G 随随q (或或 f )变化的曲线如图变化的曲线如图2-36所所示示, 当当G= Gm时时, 则通带边缘上的则通带边缘上的q 值为值为q1 1= =qm、 q2 2= =p - -qm , 且且由式由式(2-55c)，有有 曲线作周期为曲线作周期为 p 的变化。的变化。设允许设允许G Gm , 则其工作带宽则其工作带宽对应于对应于 Dq 限定的频率范围。限定的频率范围。由于由于q 偏离偏离 p /2 时时G曲线急剧曲线急剧上升上升, 故工作带宽很窄。故工作带宽很窄。由式由式(2-55c) 得得图图2-36通常用相对带宽通常用相对
11、带宽Wq 表示频带宽度表示频带宽度 对于单一频率或窄频带的阻抗匹配，一般单节对于单一频率或窄频带的阻抗匹配，一般单节l/ /4阻抗变换器阻抗变换器提供的带宽能够满足要求。但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，就若要求在宽带内实现阻抗匹配，就若要求在宽带内实现阻抗匹配，就若要求在宽带内实现阻抗匹配，就必须采用双节、三节或多节必须采用双节、三节或多节必须采用双节、三节或多节必须采用双节、三节或多节 l l/ /4 4阻抗变换器阻抗变换器阻抗变换器阻抗变换器 ( (见教材第三章第十三见教材第三章第十三见教材第三章第十三见教材第三章第十三节，而本课件将在第五章第二节中结合节，而本课件
12、将在第五章第二节中结合节，而本课件将在第五章第二节中结合节，而本课件将在第五章第二节中结合“ “匹配元件匹配元件匹配元件匹配元件” ”进行讨论进行讨论进行讨论进行讨论) ) 。2. 支节调配器支节调配器 (1) 单支节匹配器单支节匹配器导纳圆图导纳圆图l 如如图图2-37所示并联单支节匹配所示并联单支节匹配器是在距负载器是在距负载 d 处并联长度为处并联长度为 l 的的短路支节，利用调节短路支节，利用调节 d 和和 l 来实现来实现匹配的。匹配的。匹配时匹配时,下面用导纳圆图说明单支节匹配下面用导纳圆图说明单支节匹配器器的调配过程的调配过程： 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
13、路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。支节。有单支节、双支节或多支节匹配器，常用有单支节、双支节或多支节匹配器，常用并联并联调配支节。调配支节。 图图2-37 单支节匹配器示意图单支节匹配器示意图00.25导纳圆图导纳圆图 010.50ACD图图2-37 单支节匹配器单支节匹配器示意图示意图l点点点点-ADC00.25导纳圆图导纳圆图 01A0.50FE 有两组解，通常有两组解，通常选选 d、l 较短的一组解。较短的一组解。lA 图图2-37 单支节匹配器示意图单支节匹配器示意图 缺点：缺点：负载改变，负载改变，则实现匹配的则实现匹配的 d、l 将将随之而变，这对同轴随之
14、而变，这对同轴线、带状线等传输线线、带状线等传输线十分不便。十分不便。 解决的办法解决的办法: : 采用双支节匹配器。采用双支节匹配器。(2) 双支节匹配器双支节匹配器 在单支节匹配器中在单支节匹配器中, , 改变改变 d 是为了找到归一化电导分量为是为了找到归一化电导分量为 1的参考面。由的参考面。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，还决定于负载 ZL 。亦即改变亦即改变ZL也可找到归一化电导分量为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的参考面。改变负载的办法是在给
15、定的负载 ZL上、或在离负载上、或在离负载 ZL一定距离一定距离 d1 的参考面上附加纯电纳。的参考面上附加纯电纳。 双支节匹配器是在双支节匹配器是在d1 处处并联一长度为并联一长度为 l1 的短路支节的短路支节, , 第二个第二个短路支节的长度为短路支节的长度为 l2 ，两支，两支节的距离节的距离 d2 固定；为便于计算，常取固定；为便于计算，常取 d2 =l/8、l/4 或或 3l/8，但是但是 d2 l/2。d1 、 d2 一确定，即可调节一确定，即可调节 l1 和和 l2 而达到匹配。而达到匹配。双支节匹配器的双支节匹配器的工作原理工作原理：BA AB 图图2-38 双支节匹配器的原理
16、双支节匹配器的原理 I. 分析：分析： 假定已匹配好，则假定已匹配好，则 1) B-B面：面： 3) A-A面：面：0.2501)作辅助圆作辅助圆:。圆圆 图图II. 调配过程调配过程1) 作辅助圆作辅助圆:圆圆 图图。重述重述调配过程调配过程问题：问题：1) l1 、l2 的作用是什么？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。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：双支节匹配器的优点：两支节的位置固定两支节的位置固定, 无需沿线无需沿线移动。移动。BA AB 双支节匹配器示意图双支节匹配器示意图 缺点：存在得不到匹配缺点：存在得不到匹配的盲区。
17、的盲区。 双支节匹配器也有两组解，应选取较合理的一组双支节匹配器也有两组解，应选取较合理的一组( l1 、l2 较短的较短的)。0.250d2= l/8 双支节匹配器的盲区双支节匹配器的盲区0.5d2 = l/4 时，匹配盲区为时，匹配盲区为 d2 = l/8 时，如果时，如果 落在落在 的的阴影圆内，则沿等阴影圆内，则沿等 圆旋转不可能圆旋转不可能与辅助圆有交点，不能获得匹配。与辅助圆有交点，不能获得匹配。即即 d2 = l/8 时，匹配盲区为时，匹配盲区为0.250d2= l/4 双支节匹配器的盲区双支节匹配器的盲区0.5 为避开双支节匹配器的匹配盲区，为避开双支节匹配器的匹配盲区，可采用
18、三支节或多支节匹配器。可采用三支节或多支节匹配器。则则 l1 = l/4 (闲置闲置) ，由，由 l2、l3 进行调配。进行调配。(3) 三支节匹配器三支节匹配器 三支节匹配器三支节匹配器(见图见图2-40 )为二支节匹配器的组合。为二支节匹配器的组合。L1 、l2 为一组，为一组，l2、l3 为一组。首先，为一组。首先，l3 = l /4 ( 闲置闲置 ) ， 由由 l1、l2 调调配配 ；若若 除并联支节匹配器之外，还有串联支节匹配器，除并联支节匹配器之外，还有串联支节匹配器， 或串、或串、并联两种方法同时采用的支节调配器并联两种方法同时采用的支节调配器。BACABC图图2-40 三支节匹
19、配器示意图三支节匹配器示意图* *第七节第七节第七节第七节 传输线的计算机辅助计算、传输线的计算机辅助计算、传输线的计算机辅助计算、传输线的计算机辅助计算、分析分析 随着计算机技术的普及和发展随着计算机技术的普及和发展, 计算机辅助分析计算机辅助分析(CAA)和计算和计算机辅助设计机辅助设计(CAD)技术已在各个工程领域获得广泛应用。传输线技术已在各个工程领域获得广泛应用。传输线问题也可借助计算机进行辅助计算与分析。问题也可借助计算机进行辅助计算与分析。 求解传输线问题都有相应的解析表达式求解传输线问题都有相应的解析表达式, 易于编成计算程序。易于编成计算程序。采用计算机求解能达到准确、快捷；
20、还可在显示器上形象、直观采用计算机求解能达到准确、快捷；还可在显示器上形象、直观地显示传输线不同工作状态的波形及地显示传输线不同工作状态的波形及 Smith 圆图的动态求解过程。圆图的动态求解过程。 我们编制传输线、圆图及阻抗匹配等计算、分析软件，并做我们编制传输线、圆图及阻抗匹配等计算、分析软件，并做了演示。同学们可自由组合，自选一种软件、自定题目，编制、了演示。同学们可自由组合，自选一种软件、自定题目，编制、完成微波技术完成微波技术计算机辅助计算、计算机辅助计算、计算机辅助计算、计算机辅助计算、分析，做得好的可为大家演示。分析，做得好的可为大家演示。点击点击微波计算机辅助计算与分析微波计算机辅助计算与分析微波计算机辅助计算与分析微波计算机辅助计算与分析.exe演示演示
