新微波第3章 传输线-2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,史密斯圆图是天线和微波电路设计的重要工具。用史密斯圆图进行传输线问题的工程计算十分简便、直观，具有一定的精度，可满足一般工程设计要求。史密斯圆图的应用很广泛：可方便地进行归一化阻抗,z,、,归一化导纳,y,和反射系数,三者之间的相互换算；可求得沿线各点的阻抗或导纳，进行阻抗匹配的设计和调整，包括确定匹配用短截线的长度和接入位置，分析调配顺序和可调配范围，确定阻抗匹配的带宽等；应用史密斯圆图还可直接用图解法分析和设计各种微波有源电路。,传输线圆图,(Smith Chart),传输线方图与圆图,归一化阻抗的实部（电阻）和虚部（电抗）的等值线画在反射系数的极坐标图上，极坐标的等半径线代表反射系数的模，等辐角线代表反射系数的相角。因反射系数的模不大于,1,，所以反射系数的值都位于极坐标的单位圆内，叫做传输线圆图或史密斯圆图（,Smith Chart,）。,它与方图之间的关系实际上就是,z,和两个复平面的变换关系。,传输线圆图,传输线圆图,圆图举例,阻抗圆图上各点、线、面的意义,匹配点（,0,，,0,）对应,短路点（,-1,，,0,）对应,开路点（,1,，,0,）对应,纯电抗圆单位圆,纯电抗线实轴,x 0,感性平面；,x 0,容性平面,上半圆内的归一化阻抗为,r,jx,，,其电抗为感抗；,下半圆内的归一化阻抗为,r-jx,，,其电抗为容抗。,实轴上的点代表纯电阻点；实轴左半径上的点表示电压驻波最小点、电流驻波最大点，其上数据代表,r,min,1/SWR,；,实轴右半径上的点表示电压驻波最大点、电流驻波最小点，其上数据代表,r,max,SWR,；,实轴左端点,z,0,，,表阻抗短路点，即电压驻波节点；实轴右端点,z,，,代表阻抗开路点，即电压驻波腹点；中心,z,1,，,代表阻抗匹配点。,最外的,1,圆周上的点表纯电抗，其归一化电阻为零，短路线和开路线的归一化阻抗应落在此圆周上。,从负载移向信号源，在圆图上沿顺时针方向旋转；,从信号源移向负载，在圆图上沿反时针方向旋转；,圆图上旋转一周为,g,2,（,而不是,g,）。,阻抗圆图特点,导纳圆图的概念,微波工程,中，有时已知的不是阻抗而是导纳，并需要计算导纳；微波电路常用并联元件构成，此时用导纳计算比较方便。用来计算导纳的圆图称为导纳圆图,。分析表明，导纳圆图即阻抗圆图。事实上，归一化导纳是归一化阻抗的倒数，,二者与,的关系完全一样：,因此，由阻抗圆图上某归一化阻抗点沿等,圆旋转,180,0,即得到该点相应的归一化导纳值；整个阻抗圆图旋转,180,0,便得到导纳圆图，所得结果仍为阻抗圆图本身，只是其上数据应为归一化导纳值。,计算时要注意分清两种情况：一是由导纳求导纳，此时将圆图作为导纳圆图用；另一种情况是需要由阻抗求导纳，或由导纳求阻抗，相应的两值在同一圆图上为旋转,180,0,的关系。,一、已知阻抗或导纳求反射系数及驻波系数,1,、归一化,2,、定阻抗点：找,r,圆和,x,圆的交点,;,3,、定,的大小,;,4,、定,SWR:,5,、定,的,：,阻抗点与原点连线和坐标正实轴的交角,;,6,、写出,的表达式,:,或,圆图的基本用法,二、传输线上两点间的阻抗变换,圆转动角度,2,l,，得,z,2,点,找出,点，,沿等,再求出真实值,Z,2,=Z,c,z,2,，,其中,【,例,】,设频率为,3GHz,，,特性阻抗,Z,c,=50,，,线长为,3cm,，,终端接负载阻抗,Z,L,=,（,50+j50,）,，,求输入阻抗。,解,负载阻抗,Z,L,在,A,点（,r=1,，,x=1,），,且,将,A,点由原来的,63.4,度沿等反射圆朝电源方向移动,216,度（或,0.3,）,后到达,B,点，,B,点就是输入阻抗点,如图所示,:,Z,in,=,（,20-j100,）,.,三、阻抗与导纳的相互换算,传输线上相隔,/4,的两点阻抗互成倒数关系，因此在圆图上找到阻抗点后，只要沿着圆移动,/4,就可以得到导纳点及其导纳值,:,四、由驻波系数求阻抗或导纳,测出驻波系数,SWR,即可知道负载阻抗在该等,SWR,圆上。测出驻波电压最小点的位置,L,min,即可定出传输线上该点的阻抗为纯电阻,r=1/,SWR,。,量测负载点到驻波电压最小点的距离，将此距离用电长度表示，则沿等,SWR,圆从驻波电压最小点移动上述电长度数值就得到负载阻抗点。,传输线圆图,六、不同特性阻抗的传输线相接,五、串联与并联,串联时阻抗相加，用阻抗圆图；,并联时导纳相加，用导纳图。,这时必须对每段传输线分别进行归一化。,例,1,同轴线特性阻抗,Z,0,为,50,，,负载阻抗,Z,L,为,100,十,j,50,，,如图,2.5,4(b),所示，求距离负载,0.24,处的输入阻抗。,解,计算归一化负载阻抗：,圆图的应用,在阻抗圆图上标出负载点，如图,2.5,4(a),所示。以,Z,L,点沿等,圆顺时针旋转电长度,0.24,到,Z,in,点，读得,Z,in,0.42,j,0.25,。,因此距负载,0.24,处的输入阻抗为：,Z,in,(0.42,j,0.25)50,21,j,12.5(,),在阻抗圆图上标出负载点，如图,25,4(a),所示。以,Z,L,点沿等,圆顺时针旋转电长度,0.24,到,Z,in,点，读得,Z,in,0.42,j,0.25,。,因此距负载,0.24,处的输入阻抗为：,Z,in,(0.42,j,0.25)50,21,j,12.5(,),例,2,测得传输线终端短路时输入阻抗为,j106,，,开路时输入阻抗为,j,23.6,，,终端接实际,负载时的输入阻抗,Z,in,25,j,70,。,求：负载阻抗值。,有,解,由：,传输线的特性阻抗为：,归一化短路输入阻抗为,如图,2.5-5,所示，终端短路点,z,L,0,，,位于圆图实轴左端点。可知,测量点距负载的长度为,0.180,；,当终端接实际负载时，,测量点归一化输入阻抗,为：,0.157,0.337,距短路负载电长度为,0.18,，故负载应位于该点向负载转,0.18,，对应,0.157,处，由其与对应,圆,交点,查得,:,或,0.157,0.337,例,3,在,Zo,为,50,的无耗线上测得,SWR,为,5,，电压驻波最小点出现在距负载,3,处，如图所示，求负载阻抗值。,解,电压驻波最小点,r,min,l,5,0.2,，,在阻抗圆图实轴左半径上，如图所示。以,r,min,点,沿等,SWR,5,的圆反时针旋转,3,得到,Z,L,0.77,十,j,1.48,，,故得负载阻抗为：,与低频电路设计不同，微波电路和系统的设计,(,包括天线的设计,),，不管是无源电路还是有源电路，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和系统时采用最多的电路元件。其根本原因是低频电路中所流动的是电压和电流，而微波电路所传输的是导行电磁波，不匹配就会引起严重的反射。,阻抗匹配,阻抗匹配（,impedance matching,）：,使微波电路或系统无反射、,载波尽量接近行波状态的技术措施。,微波电路和系统设计时必须考虑的重要问题之一。,重要性主要表现在：,匹配时传输给负载的功率最大，传输线功率损耗最小。,阻抗失配时，传输大功率易导致击穿。,阻抗失配时的反射波会对信号源产生,频率牵引,作用，使信号源,工作不稳定，甚至 不能正常工作。,阻抗匹配的概念,匹配方式,负载阻抗匹配：,目的是使负载无反射,；,信号源阻抗匹配：,目的是使信号源无反射,；,（加隔离器）,信号源共扼匹配,：,目的是使信号源的输出功率最大,。,失配的传输系统,1,、负载与传输线匹配：,2,、信号源与传输线匹配：,3,、信号源的共轭匹配：,假定信号源内阻抗固定，可改变输入阻抗使信号源传送给负载的功率最大。,共轭匹配条件：,讨 论,（负载可能不匹配，即可能有驻波）,注意：,只有,Z,g,尽可能小，才能获得最佳的系统效率！,负载阻抗匹配,方法：在负载与传输线之间接入一个匹配网络，使其输入阻抗等于传输线的特性阻抗,。,要求：简单易行、附加损耗小、频带宽、可调节以匹配不同的负载阻抗。,(1),集总元件,L,节匹配网络,在,1GHz,以下，采用两个电抗元件组成的,L,节网络来使任意负载阻抗与传输线匹配。这种,L,节匹配网络（,L section matching network,）,的可能结构如图,2.6,3,所示。对不同的负载阻抗，其中的电抗元件可以是电感或电容，故有八种可能的匹配电路，可借助圆图来快速精确地设计。,四种典型实用匹配网络的性能与设计,原理：所有部分反射叠加为零。,应用范围：只适用于匹配电阻性负载。（,特点：简单实用,）,若,Z,L,为复阻抗，欲采用,1,4,变换器，可在,Z,L,与变换器之间加一段移相线段，或在,Z,L,处并联或串联适当的电抗短截线来变成实阻抗。但这样做的结果将改变等效负载的频率特性，减小匹配的带宽。,若,Z,L,与,Z,O,的阻抗比过大（或过小），或要求宽带工作时，则可采用 双节、三节或多节,4,变换器，其特性阻抗,Z,01,、,Z,02,、,Z,03,、,按一定规律定值，可使匹配性能最佳。,(2),4,阻抗变换器,4,变换器特性阻抗计算公式,当,即,时,得,支节调配器,(,stub tuner,),：,在距负载某固定位置上并联或串联的终端短路或开路的传输线段,(,称为短截线或支节或分支线,),。,支节数可以是一条或多条,。该调配电路在微波频率便于分布元件制作。常用的是单支节并联调配支节。它特别容易用标准微带线或带状线来制作。,单支节并联调配器,(,single-stub tuner,),：,距负载,d,处并联长度,L,的终端短路或开路的短截线，如图所示。它是利用调节支节的位置,d,和支节长度,L,来实现匹配的。,选择,d,使从支节接入处向负载看去的导纳,Y,Yo,十,jB,，,然后选取支节的输入电纳为,jB,就可达到匹配。,(3),分支线调配器,单支节并联调配器,(single-stub tuner),用,4,变换器匹配时，若阻抗变换比很大或要求宽频带工作时，可采用多节,4,变换器。当节数增加时，两节之间的特性阻抗阶梯变化就变得很小。在节数无限大的极限下就变成了连续的渐变线,(,tapered line),。,这种渐变线匹配节的长度,L,只要远大于工作波长，其输入驻波比就可以做到很小，而且频率越高，这个条件满足得越好。,(4),渐变线,指数渐变线,(exponential tapered line,),例,特性阻抗,Z,0,为,50,的无耗线终端接,Z,L,为,25,十,j75,的负载，采用单支节匹配，如图,2.67(a),所示，求支节的位置和长度。,在阻抗圆图上标出此点，如图所示，并查得,0.7464,0,，,SWR,6.7,，,相应的归一化负载导纳为,y,L,0.2,j0.6,，,其对应的电长度为,0.412,。,解,求归一化负载阻抗,例题：并联单分支调配器,单支节调配器,由,y,L,沿等,圆顺时针旋转（向电源）与,g,1,1,的圆交于两点：,y,1,l+j2.2,移动到电长度为,0.192,处,y,1,l-j2.2,移动到电长度为,0.308,处,-j2.2,+j2.2,支节的位置为,:,d,0.088,十,0.192,0.28,d,0.088,十,0.308,0.396,求短路支节长度：由于短路支节负载的,电纳为,y,L,，,位于导纳园图实轴右端点（此时将阻抗园图看作导纳园图！）,，所以由短路点到并联点的短路支节长度即为从右端点在单位圆上（电抗圆）沿顺时针旋转到,-j2.2,的电长度，其值为：,短路支节的归一化,输入电纳,应为：,y,2,j2.2,y,2,j2.2,y,总,y,1,+y,2,（,l,十,j2.2,）,+,（,-j2.2,）,1,并联处的归一化总导纳为：,即：该参考面上反射为,0,，调配到负载匹配！,或：并联处的归一化总阻抗,Z,in,=Z,0,！,