第6章 匹配網(wǎng)絡(luò)

1、射頻電路理論與設(shè)計(jì)射頻電路理論與設(shè)計(jì)（第（第2版）版）在射頻電路的設(shè)計(jì)中，阻抗匹配是最在射頻電路的設(shè)計(jì)中，阻抗匹配是最重要的概念之一，是電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必重要的概念之一，是電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要問題。在匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，須考慮的重要問題。在匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，解析方法很繁雜，本章只討論用史密斯圓解析方法很繁雜，本章只討論用史密斯圓圖的設(shè)計(jì)方法。本章首先討論匹配網(wǎng)絡(luò)的圖的設(shè)計(jì)方法。本章首先討論匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇準(zhǔn)則，然后討論匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)目的及選擇準(zhǔn)則，然后討論匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。計(jì)。 匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇方法匹配網(wǎng)絡(luò)的目的及選擇方法6.1 集總參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)集總參數(shù)元件電路的匹配

2、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)6.2 分布參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分布參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)6.3 混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)6.41. 匹配網(wǎng)絡(luò)的目的匹配網(wǎng)絡(luò)的目的 匹配包括兩個(gè)方面，一個(gè)是傳輸線與匹配包括兩個(gè)方面，一個(gè)是傳輸線與負(fù)載之間的匹配；一個(gè)是信源與負(fù)載之間負(fù)載之間的匹配；一個(gè)是信源與負(fù)載之間的共軛匹配。傳輸線與負(fù)載之間的匹配，的共軛匹配。傳輸線與負(fù)載之間的匹配，是使傳輸線無反射、線上載行波或盡量接是使傳輸線無反射、線上載行波或盡量接近行波的一種技術(shù)措施。近行波的一種技術(shù)措施。信源與負(fù)載之間的共軛匹配，是使傳信源與負(fù)載之間的共軛匹配，是使傳輸線的輸入阻抗與信源的內(nèi)阻

3、互為共軛復(fù)輸線的輸入阻抗與信源的內(nèi)阻互為共軛復(fù)數(shù)，此時(shí)信源的功率輸出為最大。數(shù)，此時(shí)信源的功率輸出為最大。 匹配關(guān)系到系統(tǒng)的傳輸效率、功率容匹配關(guān)系到系統(tǒng)的傳輸效率、功率容量和工作穩(wěn)定性，其重要性主要表現(xiàn)在量和工作穩(wěn)定性，其重要性主要表現(xiàn)在3個(gè)個(gè)方面。方面。 （1）從信源到負(fù)載實(shí)現(xiàn)最大功率傳）從信源到負(fù)載實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。輸。 （2）減小線路反射，目的是減小噪）減小線路反射，目的是減小噪聲干擾，提高信噪比。聲干擾，提高信噪比。 （3）傳輸相同功率時(shí)線上電壓駐波）傳輸相同功率時(shí)線上電壓駐波系數(shù)最小，功率承受能力最大。系數(shù)最小，功率承受能力最大。 2. 匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇準(zhǔn)則匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇準(zhǔn)則 只要負(fù)

4、載阻抗不是一個(gè)純虛數(shù)，都可只要負(fù)載阻抗不是一個(gè)純虛數(shù)，都可以選擇一個(gè)無耗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配。在選擇匹以選擇一個(gè)無耗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配。在選擇匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，考慮的主要因有下面配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，考慮的主要因有下面4個(gè)。個(gè)。 （1）簡(jiǎn)單性。希望選擇滿足性能指）簡(jiǎn)單性。希望選擇滿足性能指標(biāo)的最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。較簡(jiǎn)單的匹配結(jié)構(gòu)標(biāo)的最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。較簡(jiǎn)單的匹配結(jié)構(gòu)價(jià)格便宜、可靠、損耗小。價(jià)格便宜、可靠、損耗小。 （2）帶寬。任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都只能在）帶寬。任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都只能在單一頻率上實(shí)現(xiàn)匹配，欲展寬帶寬，單一頻率上實(shí)現(xiàn)匹配，欲展寬帶寬，電路設(shè)計(jì)要在簡(jiǎn)單性、帶寬以及造價(jià)電路設(shè)計(jì)要在簡(jiǎn)單性、帶寬以及造價(jià)之間有所權(quán)衡。之間有所權(quán)衡。 （3）可實(shí)

5、現(xiàn)性?？蓪?shí)現(xiàn)性既要考慮）可實(shí)現(xiàn)性。可實(shí)現(xiàn)性既要考慮生產(chǎn)工藝的可實(shí)現(xiàn)性，又要考慮尺寸生產(chǎn)工藝的可實(shí)現(xiàn)性，又要考慮尺寸要求的可實(shí)現(xiàn)性。要求的可實(shí)現(xiàn)性。 （4）可調(diào)整性。變化的負(fù)載需要可）可調(diào)整性。變化的負(fù)載需要可調(diào)整的匹配網(wǎng)絡(luò)。調(diào)整的匹配網(wǎng)絡(luò)。 6.2.1 傳輸線與負(fù)載間傳輸線與負(fù)載間L形匹配形匹配網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與傳輸線阻抗匹配，就是使傳輸負(fù)載與傳輸線阻抗匹配，就是使傳輸線工作在行波狀態(tài)。線工作在行波狀態(tài)。在負(fù)載與傳輸線中間加一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，在負(fù)載與傳輸線中間加一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使其輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，稱使其輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，稱為負(fù)載與傳輸線阻抗匹配。為負(fù)載與傳輸線阻抗匹配。 L形匹

6、配網(wǎng)絡(luò)由形匹配網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)電抗性元件組成，個(gè)電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載與傳輸線間也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載與傳輸線間L形匹配網(wǎng)絡(luò)共有形匹配網(wǎng)絡(luò)共有8種組合，如圖種組合，如圖6.1所示。所示。 圖圖6.1 8種負(fù)載與傳輸線間種負(fù)載與傳輸線間L形匹配網(wǎng)絡(luò)形匹配網(wǎng)絡(luò)雙元件負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)采用圖雙元件負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)采用圖6.1中的哪中的哪種形式，取決于歸一化負(fù)載阻抗在史密斯種形式，取決于歸一化負(fù)載阻抗在史密斯圓圖上的位置。有圓圖上的位置。有3種可能性，下面分別加種可能性，下面分別加以討論。以討論。 1. 負(fù)載位于負(fù)載位于1+jb圓圓(歸一化單位電歸一化單位電導(dǎo)圓導(dǎo)圓)內(nèi)內(nèi) 圖圖6.2 負(fù)載位于

7、歸一化單位電導(dǎo)圓內(nèi)時(shí)負(fù)載位于歸一化單位電導(dǎo)圓內(nèi)時(shí)L形匹配的圓圖圖解形匹配的圓圖圖解 圖圖6.3 例例6.1用圖用圖2. 負(fù)載位于負(fù)載位于1+jx圓圓(歸一化單位電歸一化單位電阻圓阻圓)內(nèi)內(nèi) 圖圖6.4 負(fù)載位于歸一化單位電阻圓負(fù)載位于歸一化單位電阻圓3. 負(fù)載位于負(fù)載位于1+jx圓和圓和1+jb圓外圓外 圖圖6.5 負(fù)載位于歸一化單位電阻和電導(dǎo)圓外時(shí)負(fù)載位于歸一化單位電阻和電導(dǎo)圓外時(shí)L形匹配的圓圖圖解形匹配的圓圖圖解對(duì)上述討論的對(duì)上述討論的3種情形，可以總結(jié)出種情形，可以總結(jié)出某些規(guī)律，這些規(guī)律可以簡(jiǎn)化和加速匹配某些規(guī)律，這些規(guī)律可以簡(jiǎn)化和加速匹配電路的設(shè)計(jì)過程。電路的設(shè)計(jì)過程。 規(guī)律規(guī)律1

8、始終同時(shí)利用史密斯阻抗和導(dǎo)始終同時(shí)利用史密斯阻抗和導(dǎo)納圓圖。納圓圖。 規(guī)律規(guī)律2 在史密斯圓圖上始終從負(fù)載開在史密斯圓圖上始終從負(fù)載開始沿等電阻圓或等電導(dǎo)圓移動(dòng)，最終到達(dá)始沿等電阻圓或等電導(dǎo)圓移動(dòng)，最終到達(dá)圓圖中心匹配點(diǎn)。圓圖中心匹配點(diǎn)。 規(guī)律規(guī)律3 沿等電阻圓或等電導(dǎo)圓每移動(dòng)沿等電阻圓或等電導(dǎo)圓每移動(dòng)一次，就確定一個(gè)相關(guān)的電抗元件。一次，就確定一個(gè)相關(guān)的電抗元件。 規(guī)律規(guī)律4 沿等電阻圓移動(dòng)相當(dāng)于串聯(lián)電沿等電阻圓移動(dòng)相當(dāng)于串聯(lián)電抗元件，沿等電導(dǎo)圓移動(dòng)相當(dāng)于并聯(lián)電抗抗元件，沿等電導(dǎo)圓移動(dòng)相當(dāng)于并聯(lián)電抗元件。元件。規(guī)律規(guī)律5 沿等電阻圓、等電導(dǎo)圓順時(shí)針沿等電阻圓、等電導(dǎo)圓順時(shí)針或逆時(shí)針方向移動(dòng)，

9、決定了電抗元件是感或逆時(shí)針方向移動(dòng)，決定了電抗元件是感性或是容性。性或是容性。規(guī)律規(guī)律6 負(fù)載在史密斯圓圖上的位置決負(fù)載在史密斯圓圖上的位置決定有幾種定有幾種L形匹配網(wǎng)絡(luò)。形匹配網(wǎng)絡(luò)。 規(guī)律規(guī)律7 任何負(fù)載都不能同時(shí)有圖任何負(fù)載都不能同時(shí)有圖6.1中的中的8種種L形匹配方式，因此所有形匹配方式，因此所有L形網(wǎng)絡(luò)形網(wǎng)絡(luò)都有匹配禁區(qū)。都有匹配禁區(qū)。6.2.2 信源與負(fù)載間信源與負(fù)載間L形共軛形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)匹配網(wǎng)絡(luò)信源的匹配就是使信源的內(nèi)阻信源的匹配就是使信源的內(nèi)阻ZS通過通過匹配網(wǎng)絡(luò)變換后與負(fù)載互為共軛復(fù)數(shù)，此匹配網(wǎng)絡(luò)變換后與負(fù)載互為共軛復(fù)數(shù)，此時(shí)信源的功率輸出最大。射頻電路中的這時(shí)信源的功率輸出

10、最大。射頻電路中的這種情形比負(fù)載與傳輸線阻抗匹配的情形更種情形比負(fù)載與傳輸線阻抗匹配的情形更為普遍。為普遍。信源與負(fù)載間信源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)由形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)個(gè)電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)。電抗性元件組成，也稱為雙元件匹配網(wǎng)絡(luò)。與傳輸線與負(fù)載間與傳輸線與負(fù)載間L形匹配網(wǎng)絡(luò)一樣，信形匹配網(wǎng)絡(luò)一樣，信源與負(fù)載間源與負(fù)載間L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)同樣共有形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)同樣共有8種種組合，如圖組合，如圖6.6所示。所示。 圖圖6.6 8種信源與負(fù)載間的種信源與負(fù)載間的L形共軛匹配網(wǎng)絡(luò)形共軛匹配網(wǎng)絡(luò) 圖圖6.8 例例6.3用圖用圖6.2.3 L形匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因形匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)數(shù)傳輸線與

11、負(fù)載之間的傳輸線與負(fù)載之間的L形匹配網(wǎng)絡(luò)，形匹配網(wǎng)絡(luò)，只能在中心頻率只能在中心頻率f0保證傳輸線與負(fù)載之間保證傳輸線與負(fù)載之間匹配，使包含匹配，使包含L形網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載在內(nèi)的總輸形網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載在內(nèi)的總輸入阻抗位于史密斯圓圖的中心，傳輸線上入阻抗位于史密斯圓圖的中心，傳輸線上反射系數(shù)為反射系數(shù)為0。當(dāng)頻率偏離中心頻率時(shí)，傳輸線上的當(dāng)頻率偏離中心頻率時(shí)，傳輸線上的反射系數(shù)將大于反射系數(shù)將大于0。所以，上述匹配網(wǎng)絡(luò)可。所以，上述匹配網(wǎng)絡(luò)可以視為諧振頻率為以視為諧振頻率為f0的諧振電路。的諧振電路。由于由于L形匹配網(wǎng)絡(luò)是由串聯(lián)或并聯(lián)的形匹配網(wǎng)絡(luò)是由串聯(lián)或并聯(lián)的電感或電容組成的，所以這種網(wǎng)絡(luò)有濾波電感或電容組

12、成的，所以這種網(wǎng)絡(luò)有濾波性。下面討論性。下面討論L形匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)，形匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)，以得到匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬。以得到匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬。 圖圖6.9 史密斯圓圖中的等史密斯圓圖中的等Qn線線 圖圖6.10 例例6.4用圖用圖6.2.4 T形和形和形匹配網(wǎng)絡(luò)形匹配網(wǎng)絡(luò)在在6.1節(jié)討論過，匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的節(jié)討論過，匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的4個(gè)個(gè)準(zhǔn)則是簡(jiǎn)單性、帶寬、可實(shí)現(xiàn)性和可調(diào)整準(zhǔn)則是簡(jiǎn)單性、帶寬、可實(shí)現(xiàn)性和可調(diào)整性。性。L形匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但形匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)在圓圖上的位置是固定其節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)在圓圖上的位置是固定的，匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬無法調(diào)整，設(shè)計(jì)沒有的，匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬

13、無法調(diào)整，設(shè)計(jì)沒有靈活性。靈活性。為此，本節(jié)討論為此，本節(jié)討論T形和形和形匹配網(wǎng)絡(luò)。形匹配網(wǎng)絡(luò)。T形和形和形匹配網(wǎng)絡(luò)可以在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整匹配形匹配網(wǎng)絡(luò)可以在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。網(wǎng)絡(luò)的帶寬，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。 圖圖6.11 T形和形和形匹配網(wǎng)絡(luò)形匹配網(wǎng)絡(luò) 圖圖6.12 例例6.5用圖用圖隨著工作頻率的提高，波長(zhǎng)不斷減小，隨著工作頻率的提高，波長(zhǎng)不斷減小，當(dāng)波長(zhǎng)與元器件尺寸或電路尺寸相當(dāng)時(shí)，當(dāng)波長(zhǎng)與元器件尺寸或電路尺寸相當(dāng)時(shí)，可以采用分布參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)?？梢圆捎梅植紖?shù)元件實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)。本節(jié)討論用單支節(jié)、雙支節(jié)及四分之本節(jié)討論用單支節(jié)、雙支節(jié)及四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器實(shí)

14、現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的方法，一波長(zhǎng)阻抗變換器實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的方法，這種方法可以適用于微帶線、帶狀線、同這種方法可以適用于微帶線、帶狀線、同軸線及平行雙導(dǎo)線，本節(jié)畫圖時(shí)用平行雙軸線及平行雙導(dǎo)線，本節(jié)畫圖時(shí)用平行雙導(dǎo)線說明匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)線說明匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。 6.3.1 負(fù)載與傳輸線的阻抗匹負(fù)載與傳輸線的阻抗匹配配1. 單支節(jié)匹配單支節(jié)匹配 單支節(jié)匹配就是在主傳輸線上并聯(lián)一單支節(jié)匹配就是在主傳輸線上并聯(lián)一個(gè)支節(jié)，用支節(jié)的電納抵消其接入處主傳個(gè)支節(jié)，用支節(jié)的電納抵消其接入處主傳輸線上的電納，達(dá)到匹配。輸線上的電納，達(dá)到匹配。 圖圖6.14 單支節(jié)匹配單支節(jié)匹配 圖圖6.15 例例6.7用圖用圖2. 雙支節(jié)匹

15、配雙支節(jié)匹配 單支節(jié)匹配的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是需單支節(jié)匹配的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是需要調(diào)節(jié)支節(jié)的位置要調(diào)節(jié)支節(jié)的位置d1，這對(duì)于有些電路來，這對(duì)于有些電路來說是困難的，解決的辦法是采用雙支節(jié)匹說是困難的，解決的辦法是采用雙支節(jié)匹配。配。 6.16 雙支節(jié)匹配雙支節(jié)匹配雙支節(jié)匹配需要指出如下雙支節(jié)匹配需要指出如下4點(diǎn)。點(diǎn)。 （1）雙支節(jié)匹配中，支節(jié)長(zhǎng)度的解）雙支節(jié)匹配中，支節(jié)長(zhǎng)度的解有有2組，一般選取支節(jié)長(zhǎng)度較短的一組，一般選取支節(jié)長(zhǎng)度較短的一組。組。 （2）d2不能取不能取/2，這是因?yàn)?，這是因?yàn)閘1的作的作用是調(diào)節(jié)用是調(diào)節(jié)l2的輸入阻抗，如果的輸入阻抗，如果d2取取/2，則失去阻抗變換作用，達(dá)不到

16、，則失去阻抗變換作用，達(dá)不到匹配。匹配。（3）當(dāng)）當(dāng)d2=/8或或d2=3/8時(shí)，若時(shí)，若g12，也不能匹配。由此可見，雙支節(jié)匹也不能匹配。由此可見，雙支節(jié)匹配不是對(duì)任意負(fù)載都能匹配，存在配不是對(duì)任意負(fù)載都能匹配，存在著不能匹配的死區(qū)。著不能匹配的死區(qū)。（4）雙支節(jié)匹配只能對(duì)一個(gè)頻率達(dá)）雙支節(jié)匹配只能對(duì)一個(gè)頻率達(dá)到理想匹配，當(dāng)頻率變化時(shí)，匹配到理想匹配，當(dāng)頻率變化時(shí)，匹配條件被破壞。條件被破壞。3./4阻抗變換器阻抗變換器 6.3.2 信源與負(fù)載的共軛匹配信源與負(fù)載的共軛匹配1. 支節(jié)與主傳輸線特性阻抗相同支節(jié)與主傳輸線特性阻抗相同時(shí)單支節(jié)匹配時(shí)單支節(jié)匹配 2. 支節(jié)與主傳輸線特性阻抗不同支節(jié)與主傳輸線特性阻抗不同時(shí)單支節(jié)匹配時(shí)單支節(jié)匹配在射頻頻段也常采用集總參數(shù)元件與在射頻頻段也常采用集總參數(shù)元件與分布參數(shù)元件混合使用的方法。分布參數(shù)元件混合使用的方法?；旌蠀?shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)通常是混合參數(shù)元件電路的匹配網(wǎng)絡(luò)通常是由幾段傳輸線以及間隔配置的并聯(lián)電容構(gòu)由幾段傳輸線以及間隔配置的并聯(lián)電容構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)由于有集總參數(shù)的電容，結(jié)成，這種結(jié)構(gòu)由于有集總參數(shù)的電容，結(jié)構(gòu)比全部采用分布參數(shù)的匹配網(wǎng)絡(luò)更緊湊。構(gòu)比全部采用分布參數(shù)的匹配網(wǎng)絡(luò)更緊湊。由于電感比電容有更高的電阻性損