阻抗匹配和調諧課件

第5章阻抗匹配和調諧教學重點本章重點介紹了二元件L形、三元件T形集中元件式、傳輸線式、組合集中元件-傳輸線式等基本阻抗匹配電路的特點、設計步驟及技巧。介紹了短截線調諧電路的分析與設計方法和四分之一波長阻抗變換器、漸變傳輸線阻抗變換器、寬帶阻抗電路的阻抗變換作用、分析與設計方法。教學重點教學重點掌握：L形、T形集中元件式、傳輸線式、組合集中元件-傳輸線式等基本阻抗匹配電路的特點、設計步驟及技巧；四分之一波長阻抗變換器的設計方法。了解：寬帶阻抗電路的阻抗變換作用、分析與設計方法。熟悉：漸變傳輸線阻抗變換器的分析與設計方法。要求本章目錄第一節(jié)分立元件匹配網(wǎng)絡第二節(jié)微帶線匹配網(wǎng)絡第三節(jié)四分之一波長阻抗變換器第四節(jié)漸變傳輸線阻抗變換器第五節(jié)寬帶阻抗電路的阻抗變換

知識結構阻抗匹配和調諧分立元件匹配網(wǎng)絡L形匹配網(wǎng)絡微帶線匹配網(wǎng)絡四分之一波長阻抗變換器漸變傳輸線阻抗變換器寬帶阻抗電路的阻抗變換匹配禁區(qū)、頻率響應及品質因數(shù)T形匹配網(wǎng)絡和形匹配網(wǎng)絡從分立元件到微帶線單節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡雙短截線匹配網(wǎng)絡指數(shù)漸變?nèi)切螡u變Klopfenstein漸變普通變壓器傳輸線變壓器§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡5.1.1L形匹配網(wǎng)絡

用兩個電抗性元件組成的L形匹配網(wǎng)絡是最簡單的匹配網(wǎng)絡類型，可以匹配任意負載阻抗到傳輸線。兩種可能的結構：歸一化負載阻抗在Smith圓圖圓內(nèi)和歸一化負載阻抗在Smith圓圖的圓外。兩種方法：Smith圓圖法和解析法。1、Smith圓圖法當串聯(lián)一個電感元件時，在Smith阻抗圓圖上的阻抗點應沿等電阻圓順時針方向移動；當串聯(lián)一個電容元件時，沿等電阻圓的逆時針方向移動；當并聯(lián)一個電感元件時，在Smith導納圓圖上阻抗點沿等電導圓逆時針方向移動；當并聯(lián)一個電容元件時，沿等電導圓順時針方向移動。

§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡實現(xiàn)最佳功率傳輸?shù)某Ｒ?guī)設計程序一般包括以下幾個步驟：1、求出歸一化源阻抗和負載阻抗。在Smith圓圖中過負載阻抗的相應點畫出等電阻圓或等電導圓。2、在Smith圓圖中過負載阻抗的共軛復數(shù)點畫出等電阻圓或等電導圓。3、找出第1步和第2步所畫出圓的交點。交點的個數(shù)就是可能存在的L形匹配網(wǎng)絡的數(shù)目。4、先沿著相應的圓將源阻抗點移動到上述交點，然后再沿相應的圓移動到負載的共軛點，根據(jù)這兩次移動過程就可以求出電感和電容的歸一化值。5、根據(jù)給定的工作頻率確定電感和電容的實際值。在上述步驟中，并不是一定要必需從源阻抗點向負載的共軛復數(shù)點移動。事實上，也可以將負載阻抗點變換到源阻抗的共軛復數(shù)點。

§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡例題

已知晶體管在1.5GHz頻率點的輸出阻抗是。請設計一個如圖所示的L形匹配網(wǎng)絡，使輸入阻抗為的特天線能夠得到最大功率。解：首先計算歸一化阻抗。假設，則：。由于與發(fā)射機連接的第一個元件是并聯(lián)電容，則并聯(lián)后的總阻抗應與落在阻抗-導納復合Smith圓圖中的同一等電導圓上。然后，將一個電感串聯(lián)在電容與發(fā)射機并聯(lián)后的總電阻上，則最終的串聯(lián)阻抗將沿著電阻圓移動。為了實現(xiàn)最大功率的輸出，輸出匹配網(wǎng)絡的輸出阻抗必須等于輸入阻抗的共軛復數(shù)。上述等電阻圓必須經(jīng)過。Smith圓圖中兩個圓的交點就是發(fā)射機與電容并聯(lián)后的總歸一化阻抗。L形匹配網(wǎng)絡§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡阻抗-導納復合Smith圓圖上的雙元件匹配網(wǎng)絡設計從Smith圓圖中可以看到，這個點的歸一化阻抗為，相應歸一化導納為。所以，并聯(lián)電容的歸一化電納為，電感的歸一化電抗為。最后，我們求出電感和電容的實際量值為：§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡整理得：（3）（4）求解可得：（5）（6）將已知數(shù)據(jù)代入式（5）和式（6），則可得：§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡L形匹配網(wǎng)絡也可以視為諧振頻率為的諧振電路。因此，此類網(wǎng)絡的性能可以用有載品質因數(shù)來描述。節(jié)點品質因數(shù)與的關系：正號對應于正電抗X,負號表示負電抗X。Smith圓圖中的等線§5.1分立元件匹配網(wǎng)絡然后，我們找到過B點的等電導與等電阻圓的交點A，B點是前一步驟求出來的。根據(jù)等電阻圓，以及使變換到點的設計，我們就可以確定匹配網(wǎng)絡中其它元件的值。T形匹配網(wǎng)絡電路原理圖以增加一個電路元件為代價，擴大了調整匹配網(wǎng)絡品質因數(shù)的自由度?！?.1分立元件匹配網(wǎng)絡例題已知帶寬放大器需要一個形網(wǎng)絡，要求該網(wǎng)絡將的負載阻抗變換成的輸入阻抗，匹配網(wǎng)絡具有最小的節(jié)點品質因數(shù)，且匹配頻率點為，計算匹配網(wǎng)絡的各個元件值。具有最小值的形匹配網(wǎng)絡設計解：由于負載阻抗和輸入阻抗都是固定的，因此待求匹配網(wǎng)絡的品質因數(shù)不可能低于和點所對應的最小值。又因為的最小值可根據(jù)輸入阻抗點確定：。右圖給出了在條件下采用Smith圓圖設計形匹配網(wǎng)絡的情況?！?.1分立元件匹配網(wǎng)絡在設計過程中，我們采用了與上一個例題相似的方法。首先，在Smith圓圖中畫出等電導圓并找到該圓與等值線的交點，將該點記為B點。然后找到等電導圓與過B點的等電阻圓的交點，并記為A點。將Smith圓圖中的相應點變換成實際的電容和電感就可以解出所求網(wǎng)絡元件。電路結構如下圖所示：形匹配網(wǎng)絡電路結構§5.2微帶線匹配網(wǎng)絡工作頻率的提高導致工作波長的減小，分立元件的寄生參數(shù)效應變得明顯，分布參數(shù)元件就代替了分立元件得到廣泛應用。5.2.1從分立元件到微帶線在中間過渡頻段（例如幾吉赫茲到幾十吉赫茲），可以采用分立元件和分布參數(shù)元件混合使用的方法?；旌掀ヅ渚W(wǎng)絡例題設計一個匹配網(wǎng)絡將的負載阻抗變換成的輸入阻抗。要求該匹配網(wǎng)絡必須采用兩段串聯(lián)傳輸線和一個并聯(lián)電容。已知兩段傳輸線的特性阻抗均為，匹配網(wǎng)絡的工作頻率為f=1.5GHz?！?.2微帶線匹配網(wǎng)絡解：首先確定歸一化負載阻抗在Smith圓圖中的位置。這樣就可以畫出一個駐波比圓，該圓上的點對應于負載與傳輸線相連后的總阻抗。總阻抗在此駐波比圓上的具體位置取決于傳輸線的長度。過歸一化輸入阻抗作一個駐波比圓，選定過渡點A，該點的歸一化導納此時添加的并聯(lián)電容將使相應阻抗點沿的等電導圓移動。從而將Smith圓圖上的阻抗點A移動到位于輸入駐波比圓上的點B。利用一段串聯(lián)的傳輸線就可以使B點的阻抗沿等駐波比圓移動。分布參數(shù)匹配網(wǎng)絡設計由傳輸線和電容構成的匹配網(wǎng)絡§5.2微帶線匹配網(wǎng)絡1、并聯(lián)短截線并聯(lián)短截線調諧電路結構如下圖所示，存在兩個變量和。并聯(lián)短截線

d的兩個主要解：開路短截線：短路短截線：§5.2微帶線匹配網(wǎng)絡2、串聯(lián)短截線串聯(lián)短截線調諧電路結構如下圖所示，存在兩個變量和。串聯(lián)短截線

d的兩個主要解：開路短截線：短路短截線：§5.2微帶線匹配網(wǎng)絡1、雙短截線匹配網(wǎng)絡的Smith圓圖解法雙短截線調諧器的基本運作過程如圖所示，和單短截線調諧器的情況一樣，可能有兩個解。第一個短截線的電納，把負載導納移動到或，該點位于旋轉后的圓上，旋轉量是向著負載方向轉的d波長，此處d是兩個短截線之間的距離。然后通過傳輸線的長度d向著信號源方向轉換或，使得落在點，或，該點必定在圓上。然后，第二個短截線產(chǎn)生附加電納或，它將轉到圓圖的中心處來完成匹配。用于雙短截線調諧器運作的Smith圓圖§5.2微帶線匹配網(wǎng)絡2、雙短截線的解析法求解第一個短截線電納：第二個短截線電納：開路短截線的長度：短路短截線的長度：其中，或?！?.3四分之一波長阻抗變換器例題設計一個單節(jié)四分之一波長匹配變換器，用于在處匹配的負載到的傳輸線。確定相對帶寬。解：匹配段的特征阻抗：而且匹配段長度在3GHz時是，SWR為1.5所對應的反射系數(shù)的幅值為：算得相對帶寬為：§5.4漸變傳輸線阻抗變換器從z階躍處產(chǎn)生的反射增系數(shù)量為：在的極限情況下：利用小反射理論，在z=0處的總反射系數(shù)為§5.4漸變傳輸線阻抗變換器5.4.1指數(shù)漸變

指數(shù)漸變的形式：

的表達式：指數(shù)阻抗?jié)u變的匹配節(jié)§5.4漸變傳輸線阻抗變換器5.4.3Klopfenstein漸變Klopfenstein漸變特征阻抗變化的自然對數(shù)為其中：最后得出反射系數(shù)為若，則項漸變?yōu)?。?.5寬帶阻抗電路的阻抗變換寬帶阻抗變換網(wǎng)絡包括：普通變壓器和傳輸線變壓器。5.5.1普通變壓器普通變壓器的等效電路從圖可以看出當頻率f增加時，分布電容、分布電感的作用使得的壓降下降，且C與組成一串聯(lián)諧振回路。在諧振頻率上的輸出最大，諧振頻率為：普通變壓器的頻率特性§5.5寬帶阻抗電路的阻抗變換5.5.2傳輸線變壓器傳輸線及其高頻等效電路1:1傳輸線變壓器特點：雙線并繞，所以任意長度的線間電容很大