《微波技術與天線》第1.5-1.7節(jié)...ppt

1.5阻抗匹配,阻抗匹配具有三種不同的含義，分別是負載阻抗匹配、源阻抗匹配和共軛阻抗匹配。,本節(jié)內(nèi)容,三種匹配阻抗匹配的方法與實現(xiàn),1.三種匹配(impedancematching),(1)負載阻抗匹配：負載阻抗等于傳輸線的特性阻抗。此時傳輸線上只有從信源到負載的入射波，而無反射波。(2)源阻抗匹配：電源的內(nèi)阻等于傳輸線的特性阻抗。對匹配源來說，它給傳輸線的入射功率是不隨負載變化的，負載有反射時，反射回來的反射波被電源吸收。(3)共軛阻抗匹配：設信源電壓為Eg,信源內(nèi)阻抗Zg=Rg+jXg,傳輸線的特性阻抗為Z0,總長為l,終端負載為Zl,因而得到Zin=Zg*時，,負載阻抗匹配Zl=Z0信號源阻抗匹配Zg=Z0共軛阻抗匹配Zin=Zg*,Zl=Z0,阻抗匹配器,耦衰減器、隔離器,負載匹配的方法：從頻率上劃分有窄帶匹配和寬帶匹配；從實現(xiàn)手段上劃分有/4阻抗變換器法、支節(jié)調(diào)配法。,2.阻抗匹配的實現(xiàn)方法,(1)/4阻抗變換器匹配方法,(2)支節(jié)調(diào)配法(stubtuning),支節(jié)調(diào)配器是由距離負載的某固定位置上的并聯(lián)或串聯(lián)終端短路或開路的傳輸線（稱之為支節(jié)）構成的?？煞譃閱沃Ч?jié)(single-stub)調(diào)配器、雙支節(jié)(double-stub)調(diào)配器及多支節(jié)(multiple-stub)調(diào)配器。,并聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器,（a）串聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器,已知負載可求得反射系數(shù)l和駐波比,此處為第一波腹點,此處輸入阻抗應等于特性阻抗,(b)并聯(lián)單支節(jié)調(diào)配器,此處輸入導納應等于特性導納,此處為第一波節(jié)點,(c)多支節(jié)調(diào)配(multiple-stubtuning),單支節(jié)匹配的主要缺點是它僅能實現(xiàn)在點頻上匹配，要展寬頻帶，可采用多支節(jié)結構來實現(xiàn)。,例1-4設無耗傳輸線的特性阻抗為50,工作頻率為300MHz,終端接有負載Z1=25+j75(),試求串聯(lián)短路匹配支節(jié)離負載的距離l1及短路支節(jié)的長度l2。解:由工作頻率f=300MHz,得工作波長=1m。終端反射系數(shù)l=|l|ejl=0.333+j0.667=0.7454ej1.1071駐波系數(shù),第一波腹點位置調(diào)配支節(jié)位置,1.6史密斯圓圖及其應用,史密斯圓圖史密斯圓圖應用,史密斯圓圖（smithchart）是用來分析傳輸線匹配問題的有效方法，它具有概念明晰、求解直觀、精度較高等特點，被廣泛應用于射頻工程中。,本節(jié)要點,式中，為終端反射系數(shù)的幅角；是z處反射系數(shù)的幅角。當z增加時，即由終端向電源方向移動時，減小，相當于順時針轉(zhuǎn)動；反之，由電源向負載移動時，增大，相當于逆時針轉(zhuǎn)動。沿傳輸線每移動時，反射系數(shù)經(jīng)歷一周。,為歸一化輸入阻抗。,(z)為一復數(shù)，極坐標形式為：,傳輸線上任意一點反射系數(shù)表達為,可見，當負載一定，反射系數(shù)的大小不變，即為半徑為l的圓,1.反射系數(shù)圓(reflectioncoefficientcircles),任一點與圓心連線的長度就是與該點相應的傳輸線上某點處的反射系數(shù)的大小，連線與的那段實軸間的夾角就是反射系數(shù)的幅角。,對于任一個確定的負載阻抗的歸一化值，都能在圓圖中找到一個與之相對應的點，它是傳輸線端接這一負載時計算的起點。,當l為不同值時反射系數(shù)圓圖如下。,同心圓的半徑表示反射系數(shù)的大小,其起點為實軸左邊的端點（即180處）沿傳輸線移動的距離以波長為單位來計量,2.阻抗圓（impedancecircles),令，則得到下列方程,(z)表示成直角坐標形式,傳輸線上任意一點歸一化阻抗為：,這兩個方程是以歸一化電阻和歸一化電抗為參數(shù)的兩組圓方程。第1式為歸一化電阻圓，第2式為歸一化電抗。,愈大圓的半徑愈小。,當時，圓心在(0,0)，半徑為1,當時，圓心在(1,0)，半徑為0,圓心,半徑,圓心,半徑,x可正可負，全簇共分為兩組,一組在實軸的上方，另一組在下方,時，圓縮為點(1,0),3.阻抗圓圖,將反射系數(shù)圓圖、歸一化電阻圓圖和歸一化電抗圓圖畫在一起，為完整的阻抗圓圖，也稱為史密斯圓圖。,向負載,向電源,實軸左半邊為電壓波節(jié)點又代表行波系數(shù)K,實軸右半邊為電壓波腹點又代表駐波比,結論：阻抗圓圖上的重要點、線、面,x=-1電抗圓弧,x=+1電抗圓弧,上半圓電感性,下半圓電容性,結論,在阻抗圓圖的上半圓內(nèi)的電抗為x0呈感性；下半圓內(nèi)的電抗為x0呈容性；實軸上的點代表純電阻點，左半軸上的點為電壓波節(jié)點，其上的刻度既代表rmin，又代表行波系數(shù)K，右半軸上的點為電壓波腹點，其上的刻度既代表rmax，又代表駐波比；圓圖旋轉(zhuǎn)一周為/2；=1的圓周上的點代表純電抗點；實軸左端點為短路點，右端點為開路點；中心點處有r=1、x=0，是匹配點；在傳輸線上由負載向電源方向移動時，在圓圖上應順時針旋轉(zhuǎn)；反之，由電源向負載方向移動時，應逆時針旋轉(zhuǎn)。,4.導納圓圖,有時為了分析問題方便，需要用到導納圓圖。實際上由無耗傳輸線的4的阻抗變換特性，將整個阻抗圓圖旋轉(zhuǎn)180即得到導納圓圖。阻抗圓圖變?yōu)閷Ъ{圓圖并不需要對圓圖作任何修正，且保留了圓圖上的所有已標注好的數(shù)字。由于阻抗與導納是倒數(shù)的關系。,A,B,作變換在圓圖上的表示,導納圓圖上的重要點、線、面,b=-1電納圓弧,b=+1電納圓弧,上半圓電容性,下半圓電感性,例1-6已知傳輸線的特性阻抗Z0=50。假設傳輸線的負載阻抗為Zl=25+j25，求離負載z=0.2處的等效阻抗。,解：,先求出歸一化負載阻抗0.5+j0.5，在圓圖上找出與此相對應的點P1，以圓圖中心點O為中心、以OP1為半徑，順時針（向電源方向）旋轉(zhuǎn)0.2到達點P2，查出P2點的歸一化阻抗2j1.04，將其乘以特性阻抗即可得到z=0.2處的等效阻抗為100j52(),阻抗歸一尋找位置相應旋轉(zhuǎn)阻抗反歸一,例1-7在特性阻抗Z0=50的無耗傳輸線上測得駐波比=5，電壓最小點出現(xiàn)在z=/3處，求負載阻抗。,電壓波節(jié)點處等效阻抗為一純電阻rmin=K=1/=0.2，此點落在圓圖的左半實軸上，從rmin=0.2點沿等的圓反時針（向負載方向）轉(zhuǎn)/3，得到歸一化負載為0.77+j1.48，故負載阻抗為Zl=(0.77+j1.48)50=38.5+j74(),解：,例1-8設一負載阻抗為Zl=100+j50接入特性阻抗為Z0=50的傳輸線上。要用支節(jié)調(diào)配法實現(xiàn)負載與傳輸線匹配，試用Smith圓圖求支節(jié)的長度及離負載的距離。,解：首先在圓圖上找到與歸一化阻抗2+j相對應的點P1其歸一化導納即為0.4-j0.2，在圓圖上體現(xiàn)為由P1點變到中心對稱的P2點，P2點對應的向電源方向的電長度為0.463。,將P2點沿等l圓順時針旋轉(zhuǎn)與的電導圓交于A點B點,A點的導納為1+j1，對應的電長度為0.159，B點的導納為1-j1，對應的電長度為0.338。,（1）支節(jié)離負載的距離為d=0.037+0.159=0.196d=0.037+0.338=0.375,（2）短路支節(jié)的長度：短路支節(jié)對應的歸一化導納為0j1和0+j1，分別與1+j1和1-j1中的虛部相抵消。由于短路支節(jié)負載為短路，對應導納圓圖的右端點。將短路點順時針旋轉(zhuǎn)至純電納圓（單位圓）與b=1和b=1的交點A,B，旋轉(zhuǎn)的長度分別為：l=0.3750.25=0.125l=0.125+0.25=0.375,因此，從以上分析可以得到兩組答案，它們分別是d=0.196,，l=0.125和d=0.375，l=0.375與用公式（1-5-21）和(1-5-22)算出的結果相同。,1.7同軸線的特性阻抗,同軸線(coaxiallines)是常用的TEM傳輸線，是典型的雙導體傳輸系統(tǒng)，其外形結構,本節(jié)要點,同軸線的分類同軸線的特性阻抗及應用,1.同軸線的分類,硬同軸線是由圓柱形銅棒作內(nèi)導體，同心的銅管作外導體，內(nèi)外導體間用介質(zhì)支撐，這種同軸線也稱為同軸波導。軟同軸線的內(nèi)導體一般采用多股銅絲，外導體是銅絲網(wǎng)，在內(nèi)外導體間用介質(zhì)填充，外導體網(wǎng)外有一層橡膠保護殼，這種同軸線又稱為同軸電纜。,2.同軸線的特性阻抗,同軸線的內(nèi)外導體的半徑分別為a和b，在內(nèi)外導體間用介電常數(shù)為介質(zhì)填充，其單位長分布電容和單位長分布電感分別為：,其特性阻抗為,3.同軸線的傳輸功率,設同軸線的外導體接地，內(nèi)導體上傳輸電壓為U(z)，取傳播方向為+z，傳播常數(shù)為，則線上電壓為：,線上電流為,傳輸功率為,同軸線外半徑b不變時，改變內(nèi)半徑a，分別達到耐壓最高、傳輸功率最大及衰減最小三種狀態(tài)。,上式中的U0為擊穿電壓時，計算所得功率即為功率容量。,設外導體接地，內(nèi)導體接上電壓為Um，則內(nèi)導體表面的電場為,(1)耐壓最高時的阻抗特性,此時同軸線的特性阻抗為：,當同軸線中填充空氣時，相應于耐壓最大時的特性阻抗為60,為達到耐壓最大，設取介質(zhì)的極限擊穿電場，即，,限制傳輸功率的因素也是內(nèi)導體的表面電場，因此,此時同軸線的特性阻抗為：,當同軸線中填充空氣時，相應于傳輸功率最大時的特性阻抗為30,(2)傳輸功率最大時的特性阻抗,我們只考慮導體損耗的情形。,設R為同軸線單位長電阻，而導體的表面電阻為Rs，兩者之間的關系為：,導體衰減常數(shù)為,由,可得x=3.59,此時同軸線的特性阻抗為：,當同軸線中填充空氣時，相應于衰減最小時的特性阻抗為76.7,(3)衰減最小時的特性阻抗,實際使用的同軸線特性阻抗一般有50和75兩種。,50的同軸線兼顧了耐壓、功率容量和衰減的要求，是一種通用型同軸傳輸線；,75的同軸線是衰減最小的同軸線，它主要用于遠距離傳輸。,討論,不同使用要求下，同軸線有不同的特性阻抗，范圍是10225,以上分析是假設同軸線工作在TEM模式。實際上，當同軸線的截面尺