西安电子科技大学：《微波技术与天线》课程教学资源（课件讲稿）第一章 传输线理论（6/9）

§1.3圆图及阻抗匹配 器器器器餐器将 STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 1 §1.3 圆图及阻抗匹配

§1.3圆图及阻抗匹配 (0,0)点 r=1,x=0 台 G=1,B=0 匹配点 (1,0)点 r=x=0开路点 台 G=B=oo 短路点 （-1,0)点 r=x=0短路点 台 G=B=0 开路点 上半圆 x>0感抗 台 B>0 容抗 上半单位圆周 r=0,x>0纯电感 台 G=0,>0 纯电容 下半圆 x1,x=0为电压波腹 G>1,B=0为电压波节点处归一电 实轴右边 点处归一阻抗值 导值 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 2 §1.3 圆图及阻抗匹配

§1.3圆图及阻抗匹配 三、长线的阻抗匹配 1、阻抗匹配的概念 微波和天线系统，不管是有源还是无源电路，都必须考 虑其阻抗匹配问题，阻抗匹配网络是设计微波电路与系统 时采用最多的电路元件。这主要是由于微波电路传输的是 电磁波，若不匹配，将会引起严重反射。对于微波传输系 统，为了提高长线的传输效率及功率容量、保持信号源工 作稳定，希望信号源给出最大功率，负载能够吸收全部入 射波功率。 输入匹 信号源 输出匹 放大器 配网络 负载 配网络 STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 3

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 3 §1.3 圆图及阻抗匹配 三、长线的阻抗匹配 1、阻抗匹配的概念 微波和天线系统，不管是有源还是无源电路，都必须考 虑其阻抗匹配问题，阻抗匹配网络是设计微波电路与系统 时采用最多的电路元件。这主要是由于微波电路传输的是 电磁波，若不匹配，将会引起严重反射。对于微波传输系 统，为了提高长线的传输效率及功率容量、保持信号源工 作稳定，希望信号源给出最大功率，负载能够吸收全部入 射波功率

§1.3圆图及阻抗匹配 (1)共轭匹配 要使信号源给出最大功率，必须要求传输线的输入阻 抗和信号源的内阻抗互为共轭值，达到共轭匹配。设信号 源的内阻抗为Z。=R,+jX,传输线的输入阻抗为Zm=Rn+jXn。 Z。=Zm Rg=Rin:Xg=-Xim E1 Z。 在满足以上共轭匹配条件下， 信号源给出的最大功率为 1R- max 24R2 8R 由于共轭匹配时，负载与长线并没有实现匹配，所以线上 电压电流呈行驻波分布。可以证明，若输入端有乙。=Zm, 则无耗传输线的输出端（或线上任一点处）的等效输出阻 抗与负载阻抗也满足Zm=Z。 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 4 §1.3 圆图及阻抗匹配 (1) 共轭匹配 要使信号源给出最大功率，必须要求传输线的输入阻 抗和信号源的内阻抗互为共轭值，达到共轭匹配。设信号 源的内阻抗为Zg=Rg+jXg ,传输线的输入阻抗为Zin=Rin+jXin。 , g in g in g in Z Z R R X X      在满足以上共轭匹配条件下, 信号源给出的最大功率为 2 2 max 2 1 2 4 8 g g g g g E R E P R R   由于共轭匹配时，负载与长线并没有实现匹配，所以线上 电压电流呈行驻波分布。可以证明，若输入端有 ， 则无耗传输线的输出端（或线上任一点处）的等效输出阻 抗与负载阻抗也满足 。 Z Z g in   Z Z out L  

§1.3圆图及阻抗匹配 (2)无反射匹配 无反射匹配要求负载阻抗等于长线的特性阻抗，此时 负载吸收全部入射波功率，线上电压电流呈行波分布。 为了要使传输线的始端与信号源阻抗匹配，由于传输线 的特性阻抗为实数，故要求信号源的内阻抗也为实数，即 Rg=Zo,Xg=O,此时传输线的始端无反射波，这种信号源 称为匹配信号源。当始端接了这种信号源，即使终端负载 不等于特性阻抗，负载产生的反射波也会被匹配信号源吸 收，不会再产生新的反射。 实际上始端很难满足Zg=Rg的条件。一般在信号源与 传输线之间用阻抗匹配网络来抵消反射波。 同理，终端也不可能满足Z=乙，的条件，必须用阻抗 匹配网络使传输线和负载阻抗匹配。下面讨论阻抗匹配的 方法。 STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 5

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 5 §1.3 圆图及阻抗匹配 （2）无反射匹配 无反射匹配要求负载阻抗等于长线的特性阻抗，此时 负载吸收全部入射波功率，线上电压电流呈行波分布。 为了要使传输线的始端与信号源阻抗匹配,由于传输线 的特性阻抗为实数,故要求信号源的内阻抗也为实数,即 Rg=Z0，Xg=0，此时传输线的始端无反射波，这种信号源 称为匹配信号源。当始端接了这种信号源，即使终端负载 不等于特性阻抗，负载产生的反射波也会被匹配信号源吸 收，不会再产生新的反射。 实际上始端很难满足Zg=Rg的条件。一般在信号源与 传输线之间用阻抗匹配网络来抵消反射波。 同理，终端也不可能满足ZL=Z0的条件，必须用阻抗 匹配网络使传输线和负载阻抗匹配。下面讨论阻抗匹配的 方法

§1.3圆图及阻抗匹配 2、阻抗匹配方法 阻抗匹配的方法是在传输线和终端负载之间加一匹配 网络。要求这个匹配网络由电抗元件构成：损耗尽可能的 小，而且通过调节可以对各种终端负载匹配。匹配的原理 是产生一种新的反射波来抵消原来的反射波。 最常用的匹配网络有λ/4变换器、支节匹配器、阶梯阻 抗变换和渐变线变换器。这里只介绍前面两种。 (1)2/4阻抗变换器 /4阻抗变换器是由一段长度为/4的传输线组成，如 图所示。当特性阻抗为Zo1、长度为/4的传输线终端接纯 电阻R时，则该传输线 1-12e 的输入阻抗为 方、」 入/4 R 为了使乙mZo,必须 Z, Z=R Zo=ZoR STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 6

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 6 §1.3 圆图及阻抗匹配 2、阻抗匹配方法 阻抗匹配的方法是在传输线和终端负载之间加一匹配 网络。要求这个匹配网络由电抗元件构成：损耗尽可能的 小，而且通过调节可以对各种终端负载匹配。匹配的原理 是产生一种新的反射波来抵消原来的反射波。 最常用的匹配网络有l/4变换器、支节匹配器、阶梯阻 抗变换和渐变线变换器。这里只介绍前面两种。 (1)λ/4阻抗变换器 λ/4阻抗变换器是由一段长度为λ/4的传输线组成,如 图所示。当特性阻抗为Z01、长度为λ/4的传输线终端接纯 电阻RL时,则该传输线 的输入阻抗为 Z Z R 01 0  L 为了使Zin=Z0，必须使 2 01 in L Z Z R  1-12e

§1.3圆图及阻抗匹配 若Z不是纯电阻，可通过将Z等效到电压波腹点（或波 节点)，使负载变成纯电阻后，再用W4变换线实现阻 抗匹配。 在电压波腹点接入，则λ/4线的特性阻抗为 Zo1=VZpZ=VpZ。 若/4线在电压波节点接入，则/4线的特性阻抗为 单节/4线的主要缺点是频带窄，原则上只能对一个 频率匹配。为了加宽频带可采用多级/4阻抗变换器或 渐变式阻抗变换器。 STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 7 §1.3 圆图及阻抗匹配 若ZL不是纯电阻，可通过将ZL等效到电压波腹点（或波 节点），使负载变成纯电阻后，再用λ/4变换线实现阻 抗匹配。 在电压波腹点接入,则λ/4线的特性阻抗为 01 0 0 0 0 01 0 0 / Z Z Z Z Z Z Z Z         若λ/4线在电压波节点接入,则λ/4线的特性阻抗为 单节λ/4线的主要缺点是频带窄,原则上只能对一个 频率匹配。为了加宽频带可采用多级λ/4阻抗变换器或 渐变式阻抗变换器

§1.3圆图及阻抗匹配 (2)支节匹配器 支节匹配器的原理是利用在传输线上并接或串接终 端短路或开路的支节线，产生新的反射波抵消原来的反射 波，从而达到匹配。 支节匹配可分单支节、双支节和三支节匹配，但由 于它们的匹配原理相同，这里只介绍单支节匹配。 如图所示，当归一化负载导纳Y,1时，在离负载导 纳适当的距离d处，并接一个长度为1、终端短路（或开路） 的短截线，构成单支节匹配器，从而使主传输达到匹配。 它的匹配原理可用导纳圆图来说明。 为了使传输匹配，必有了=1 由图看出： Yn=Y+Y 其中Y是短路（或开路）短截线的归一化输入导纳，它只能提 供一个纯电纳，即 Y,=iB STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 8 如图所示，当归一化负载导纳 ≠1时，在离负载导 纳适当的距离d处，并接一个长度为l、终端短路(或开路) 的短截线，构成单支节匹配器，从而使主传输达到匹配。 它的匹配原理可用导纳圆图来说明。 §1.3 圆图及阻抗匹配 (2) 支节匹配器 支节匹配器的原理是利用在传输线上并接或串接终 端短路或开路的支节线,产生新的反射波抵消原来的反射 波,从而达到匹配。 支节匹配可分单支节、双支节和三支节匹配,但由 于它们的匹配原理相同，这里只介绍单支节匹配。 YL 为了使传输匹配,必有 1 2 1 in in Y Y Y Y  由图看出：   其中 是短路(或开路)短截线的归一化输入导纳，它只能提 供一个纯电纳，即 Y2 Y jB 2 

§1.3圆图及阻抗匹配 得到 y=1-y2=1+jB Yin =1-=1-B Y≠1 即： Y.=jB 到D或C 巧=-jB E到F 可得d和的解析式为： d= 2π arctg ZZ 2π Z-Z。 STE_A.J.YUE

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 9 §1.3 圆图及阻抗匹配 得到 1 2 1 2 1 1 1 1 Y Y jB Y Y jB          可得d和l的解析式为： 0 0 0 2 ( 2 L L L Z d arctg Z Z Z l arctg Z Z l  l            2 2 Y jB Y jB     即： A到D或C E到F

§1.3圆图及阻抗匹配 C ◆作业 P.80:13,21 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 10

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 10 §1.3 圆图及阻抗匹配 作业 P.80：13，21