大学物理大学-射频电路第10讲阻抗匹配器

ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology引言L型匹配网络单支节匹配器双支节匹配器单节四分之一波长阻抗变换器多节四分之一波长阻抗变换器渐变线阻抗变换器第10讲内容ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology射频电路中常常遇到不同传输线间的连接、不同元器件间的连接和天线与馈线间的连接等问题。如果直接连接，由于阻抗不匹配，必然会产生反射。因此，需要在连接点间插入匹配网络，实现阻抗匹配，保证功率无反射传输。匹配网络ZcZin＝ZcZL无反射匹配10.1引言ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology另外，为了使信号源输出功率最大，也希望外电路的输入阻抗与源阻抗实现共轭匹配，因此，在外电路与信号源之间通常也需要匹配网络。匹配网络ZinZL外电路信号源Zg最大功率输出匹配Zin=Zg*ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology阻抗匹配的好处：使传输功率无反射地传送给负载实现源最大功率输出改善系统的信噪比减少振幅和相位误差根据匹配负载的性质，阻抗匹配可分为三种：匹配纯电阻负载匹配复阻抗负载匹配负阻与正阻ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology常用的匹配网络形式有L型匹配网络（集总元件网络）支节匹配器（单支节、双支节匹配）1/4波长阻抗变换器（单节和多节）宽带阻抗变换器（渐变线）设计匹配网络时有两种方法可供选择：解析方法利用Smith圆图前者可以得到精确的结果，并适合于计算机辅助设计。后者无须复杂计算，更加直观，便于对匹配过程的理解。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology10.2L型匹配网络通过例题，演示L型网络的匹配过程。Z0jXjBZLZ0jXjBZLResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology【例题10-1】如图，设计L型匹配网络，使得天线得到最大功率。已知在2GHz，发射机输出阻抗ZT=150+j75Ω，天线输入阻抗ZA=75+j15Ω。解析法：根据要求，在天线与匹配网络的连接处，往发射机看去的输出阻抗ZM必须等于天线输入阻抗ZA的共轭复数*MAZZResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology*M-1T1Z=Z+LACjXZjBZM等于ZT与电容C并联后再与电感L串联CLTTTAAABjCXjLZRjXZRjX则1()TTLAACTTRjXjXRjXjBRjX将实部与虚部分开，可得(1)()(1)TACTALCTRRBXXXBR(1)()(2)TTACCTALXRRBBXXXResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology将（2）中的XL代入（1），得到关于BC的二次方程，其解为因为RT大于RA，所以根号内的值为正，且大于XT2，为了保证BC为正，取根号前符号为正。由（1）可得22222()(3)TTTTTACTTRXRXRRBRX(1)14ACTLACCTRBXXXBBR（）ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology最后，将已知数据代入得此例题表明，设计L型滤波器的解析法主要是求解关于电容C的二次方程。9.2/0.7376.9/6.1CCLLBmSCBpFXLXnHResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologySmith圆图法Smith圆图法的优点：通过观察阻抗在Smith圆图上的变化轨迹，我们能够体会到每个电路元件对实现特定匹配状态的贡献。而且元件类型和元件参数方面的任何错误都能立即在Smith圆图上反映出来，从而使设计工程师能够直接进行调整。Smith圆图法的要点：电抗元件与阻抗串联将导致Smith圆图上的相应阻抗点沿等电阻圆移动。并联将导致Smith圆图上的相应导纳点沿等电导圆移动。Smith圆图中参量点的移动方向：如果连接的是电感，则参量点将向Smith圆图的上半圆移动，如果连接的是电容，则参量点将向Smith圆图的下半圆移动。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology具体求解过程第1步：计算发射机和天线的归一化阻抗。由于题目未给出Zc，我们任选该值为Zc=75Ω。这样，发射机和天线的归一化阻抗则分别为第2步：并联电容。zT并联电容后，阻抗点沿gT等电导圆向圆图下方移动，直至落在与rA电阻圆的交点上，归一化总阻抗为于是，归一化并联电容的电纳为1/0.40.2TTTTyzgjbj/10.2AACAAzZZrjxj*10.2Azj11.22TCzj0.69CTCTjbyyj0.40.49TCyj/21TTCTTzZZrjxjResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology第3步：串联电感。串联电感后，阻抗点将沿着rA等电阻圆向圆图的上半圆移动，直至zM点于是最后，反归一化，得到电容和电感实际值*1.02LATCjxzzj*10.2MAzzj006.090.73LcxZLnHbCpFZResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyzT=2+j1zTC=1-j1.22zM=z*A=1-j0.2ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology上面的求解确定了在2GHz负载与发射机的匹配。但电路在整个频带内的特性需要进一步分析。可以采用仿真软件进行。以AWR公司的MicrowaveOffice（MWO）为例。MWO建模ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyMWO仿真ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology实际中，并不一定要从源阻抗点向负载共轭阻抗点移动，也可以从负载向源共轭阻抗点移动。匹配方案并非一种。【例题10-2】已知，源阻抗Zs=50+j25Ω，负载阻抗ZL=25-j50Ω，传输线特性阻抗为ZC=50Ω，工作频率f=2GHz。试采用Smith圆图法设计L型匹配网络。解：1.归一化源阻抗、负载阻抗为2.画出zs的等电阻图和等电导图。3.画出zL*的等电阻图和等电导图。/10.5,0.80.4/0.51,30.8sscsLLcLzZZjyjzZZjyjResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyZSZ*lABCDResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology4.上述圆有4个交点，记为A，B，C和D，它们对应的归一化阻抗和归一化导纳如下：5.所以，L形匹配网络有4种可能的途径：0.50.6,0.810.50.6,0.8111.2,30.511.2,30.5AABBCCDDzjyjzjyjzjyjzjyj*sALzzz*sBLzzz*sCLzzz*sDLzzzResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology如果我们沿路径做变换，则从zS点到zA点的阻抗变换是沿着等电导圆向圆图上半圆移动，这表明变换是采用并联电感方式实现的。从点zA到点z*L，阻抗是沿着等电阻圆变换并向圆图的上半圆移动，这表明增加的元件是串联电感。所以，沿路径做变换将得到“并联电感，串联电感”的匹配网络结构。对于路径，匹配网络则为“并联电容，串联电感”结构。对于路径，匹配网络则为“串联电容，并联电感”结构。*sALzzz*sALzzz*sBLzzz*sCLzzzResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology对于路径，匹配网络则为“串联电感，并联电感”。6.最后一步是根据上述步骤的结论计算出匹配网络各元件的实际值。仍以路径为例，从源阻抗zs变换到zA，电路的归一化导纳变化值为：*sDLzzz*sALzzz2(0.81)(0.80.4)0.6LAsjbyyjjj并联电感22-6.63cLZLnHbResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology*1(0.51)(0.50.6)0.4LLAjxzzjjj阻抗zA串联电感后变换为z*L串联电感值：111.59LcxZLnH其他三个匹配网络的元件值也可用同样的方法求得。从后面的仿真可以看出，虽然四种L型匹配网络在中心频率处都实现了良好的匹配，但各个网络的带宽不同。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology网络1的MWO建模ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology网络1的MWO仿真ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology网络2的MWO建模ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology网络2的MWO仿真ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology网络3的MWO建模Research