1、匹配理论,3.1 基本阻抗匹配理论 3.2 射频/微波匹配原理3.3 集总参数匹配电路3.4 微带线型匹配电路3.5 波导和同轴线型匹配电路3.6 微波网络参数,匹配方法,/4阻抗变换器枝节匹配网络阶梯阻抗变换和渐变线阻抗变换,3.3 集总参数匹配电路,通常不使用电阻取得匹配,所谓“与50 匹配”，是指“从外部看电路A的输入时，为了使阻抗变换为50 ，增加某些电路并进行调整，使其取得匹配”的意思。比如“串联接入电感L，然后并联接入电容C，使其具有史密斯（Smith）圆图上的50 点” 。,1. 输入阻抗和输出阻抗均为纯电阻： 步骤一: 确定工作频率fc、输入阻抗Rs及输出阻抗RL（由设计任务给
2、出）。步骤二: 在L型匹配电路中,将构成匹配电路的两个元件分别与输入阻抗Rs和输出阻抗RL结合。当电路匹配时,由共轭匹配条件可以推得 ,（3-10）,3.3.1 L型匹配电路,图 3-5 L型匹配电路的两种形式 L型匹配电路(RsRL); (b)L型匹配电路（RsRL）,步骤三: 判别RsRL或RsRL。(1) RsRL ,如图3-5（a）：(2) RsRL ,如图3-5（b）： ,步骤四：若RsRL , 选择 Ls-Cp低通式或Cs-Lp高通式电路。(1) Ls-Cp低通式:,(2) Cs-Lp高通式:,图 3-6 RsRL的L型匹配电路 Ls-Cp低通式L型； (b) Cs-Lp高通式L型
3、,步骤五： 若RsRL, 选择 Cp-Ls低通式或Lp-Cs高通式电路。(1) Cp-Ls低通式:,(2) Lp-Cs高通式:,图3-7 RsRL的L型匹配电路(a) Cp-Ls低通式L型; (b) Lp-Cs高通式L型,2. 输入阻抗和输出阻抗不为纯电阻如果输入阻抗和输出阻抗是复数阻抗,处理的方法是只考虑电阻部分, 计算L型匹配电路中的电容和电感值,再扣除两端的虚数部分,得到实际的匹配电路参数。3. 关于L型匹配电路的其他说明,1) 设计方法（1） 解析法求元件值。按照电路级联的方法求出负载和匹配元件组合得到的等效负载阻抗的表达式,与信号源阻抗共轭相等,即实部和虚部分别相等,这样通过两个方程
4、的求解得到两个元件值。,（2） Smith圆图法求元件值。,具体地：匹配电路通过串联电容、并联电容、串联电感、并联电感等四种方法的混合使用而实现。,对上图的简单解释： （a）在史密斯（Smith）圆图上，串联一个电感，将沿等电阻圆顺时针移动负载； （b）在史密斯（Smith）圆图上，串联一个电容，将沿等电阻圆逆时针移动负载； （c）在史密斯（Smith）圆图上，并联一个电感，将沿等电导圆逆时针移动负载； （d）在史密斯（Smith）圆图上，并联一个电容，将沿等电导圆顺时针移动负载。,电 路与 同轴电缆进行匹配的情形,步骤一： 计算源阻抗和负载阻抗的归一化值。步骤二： 在圆图上找出源阻抗点,画出
5、过该点的等电阻圆和等电导圆。步骤三： 在圆图上找出负载阻抗的共轭点,画出过该点的等电阻圆和等电导圆。,实现最佳功率传输的常规设计程序：,步骤四：找出步骤二、 三所画圆的交点,交点的个数就是可能的匹配电路拓扑个数。 步骤五： 分别把源阻抗、 负载阻抗共轭值沿相应的等电阻圆（或等电导圆、等反射系数圆）移到步骤四的同一交点。两次移动的电抗（纳）或电纳（抗）变化就是所求电感或电容的电抗或电纳。步骤六： 由工作频率计算出电感电容的实际值。,匹配禁区：,ZS50 ,2) 电路拓扑L型匹配电路的两个元件的连接方式共有八种可能。拓扑结构的选择有其规律性。对于任意一对要实现匹配的信号源和负载,至少有两个以上的拓
6、扑可选。如何选定最合适的一个,要考虑的因素是：,元件的标称值,元件方便得到；电感、 电容组合会有频率特性,即带通或高通特性，要考虑匹配电路所处系统的工作频率和其他指标,如有源电路中的谐波或交调等；与周边电路的结构有关,如直流偏置的方便、 电路尺寸布局的许可等。,3.3.2 T型匹配电路分析设计方法与L型匹配电路类似。以纯电阻性信号源和负载(且RsRL)为例,其他情况的T型匹配电路设计过程类似。 设计步骤：一: 确定工作频率fc、负载Q值、输入阻抗Rs及输出阻抗RL,并求出Rsmall=min (Rs,RL)。,Q为工作频率与带宽的比值,步骤二：依据图3-8(a)所示的T型匹配电路, 计算出Xs
7、1、Xp1、 Xp2及Xs2。,（3-17）,（3-18）,步骤三: 根据电路选用元件的不同,可有四种形式,如图 3-8(b)、 (c)、 (d)、 (e)所示。电感及电容值的求法如下：,（3-19）,图3-8 T型匹配电路及其具体形式,3.3.3 型匹配电路以纯电阻性信号源和负载且RsRL为例,其他情况的型匹配电路设计类似。 步骤一: 确定工作频率fc、负载Q值、 输入阻抗Rs及输出阻抗RL,并求出RH=max (Rs, RL)。步骤二：根据图3-10(a)中所示，计算Xp2、 Xs2、 Xp1及Xs1：,（3-20）,（3-21）,步骤三: 依据电路选用元件的不同,可有四种形式,如图3-1
8、0(b)、 (c)、(d)、 (e)所示。电感及电容值的求法：,（3-22）,图3-10 型匹配电路及其具体形式,3.4 微带线型匹配电路,3.4.1 并联型微带匹配电路1. 微带单枝节匹配电路两种拓扑结构：第一种为负载与短截线并联后再与一段传输线串联,第二种为负载与传输线串联后再与短截线并联。两种匹配网络中都有四个可调整参数：短截线的长度ls和特性阻抗Z0s,传输线的长度lL和特性阻抗Z0L。,实例：图3-11(a)显示匹配网络的设计过程。将短截线特性阻抗和传输线特性阻抗均取为0,通过调整它们的长度实现预定的输入阻抗。,图 3-11 单枝节匹配电路的基本结构,在无损耗的情况下，开路短截线的输
9、入导纳由下式给出：短路短截线的输入导纳表达式则为：设计中短截线长度和位置的不同组合可实现同一匹配。,设计单枝节匹配网络,将负载阻抗ZL=(60-j45)变换为输入阻抗Zin=(75+j90)。假设图3-11（a）中的短截线和传输线的特性阻抗均为Z0=75。步骤一: 求归一化阻抗。,负载阻抗zL= =0.8-j0.6输入阻抗zin= =1.0+j1.2,图 3-12 利用圆图设计单枝节匹配网络,2. 微带双枝节匹配电路单枝节匹配具有良好的通用性,可在任意输入阻抗和实部不为零的负载阻抗之间形成阻抗匹配或阻抗变换。这种电路的主要缺点之一是需要在短截线与输入端口或短截线与负载之间插入一段长度可变的传输
10、线，这对于可调型匹配器比较困难，可以通过这种网络中再增加一个并联短截线来解决问题,即双枝节匹配网络。,间距一定的双枝节匹配电路存在可能的匹配禁区。解决这个问题的方法是双短截线可调匹配器的输入、输出传输线符合l1=l3/4的关系，如果可调匹配器不能对某一特定负载实现匹配, 只需要对调可调匹配器的输入、输出端口,则yd必将移出匹配禁区。,图3-14（图8.26） 双枝节匹配网络,双枝节匹配网络存在匹配禁区,工程中常用三枝节或四枝节匹配电路。最典型的是波导多螺钉调配器,反复调整各个螺钉的深度,测量输入端驻波比,可以使系统匹配,并且获得良好的频带特性。,图 3-15四分之一波长阻抗变换器,3.4.2
11、串联型微带匹配电路,基本结构是四分之一波长阻抗变换器。在负载阻抗与输入阻抗之间串联一段传输线以实现负载阻抗向输入阻抗的变换。这段传输线的特性阻抗与负载阻抗和输入阻抗有关,长度为相应微带线波导波长的1/4。由于特性阻抗不同的微带线对应着不同的有效介电常数,因此也就对应着不同的波导波长,即长度也与两端阻抗有关。 ,由图3-15 如果输入阻抗和负载阻抗均为纯电阻,则 如果负载不是纯电阻,可以在负载前加一段传输线将负载先变换成电阻再进行匹配。 这种匹配电路与波长有关,工作频带很窄。,要想扩展工作频带,可以采用多级/4阻抗变换器串联的方式。以两节为例:,多级串联型匹配电路的设计可以用切比雪夫多项式综合。
12、指数线型阻抗变换器是多节/4阻抗变换器的极限形式, 可利用计算软件结合PCB和工艺实现。,其他匹配方式：,串联型匹配,/8阻抗变换器,集总参数元件与分布参数元件组合,网络转换方法,3.5 波导和同轴线型匹配电路,1. 波导型匹配电路波导形式的传输线实现匹配是在电路中引入合适的电抗元件。波导结构内电抗元件有两种形式: 销钉和膜片。调整方便、 用途最广的是销钉。,图 3-16波导销钉调配元件,销钉 在矩形波导中采用一根或多根垂直对穿波导宽壁的金属圆棒，称为电感销钉 在矩形波导中采用一根或多根垂直对穿波导窄壁的金属圆棒，称为电容销钉,电感销钉的计算:电容销钉的计算:,通常使用的调配电路是在销钉基础上
13、形成的螺钉调配器(一个螺钉等效一个枝节), 基本结构都是在宽边中央打孔插入销钉,外加传动或锁紧装置形成。2. 同轴线匹配电路同轴线的销钉调配就是在外导体上插入螺钉,但它在大功率时不能使用。大功率下,销钉处会打火。大功率时匹配元件用串联或并联枝节实现。,图 3-17 同轴线串联、 并联短截线,波导销钉和同轴枝节匹配器都是枝节匹配的具体形式,都可用圆图或软件设计。工程实际中,也可直接用网络分析仪或测量线检视系统驻波,逐个调整螺钉。微带,波导或同轴匹配电路的实验调整是必要的。从样件设计、 试制到技术稳定成熟有一定的过程。即使成熟产品,由于每批材料不同,加工工艺差异,也需要适当的调整。,宽带匹配,1. BodeFano准则,2. BodeFano准则应用：带宽与发射系数的择中选择，目标（性能上限）的确定,宽带匹配,3. 多节四分之一波长变换器,4. 渐变传输线变换器,二项式变换切比雪夫变换,指数渐变线三角分布渐变线切比雪夫渐变线,Ref：微波固态电路设计p110-120,
