第5章阻抗匹配和调谐 无线通信射频电路技术与设计 教学课件 [电子教案].ppt

1第5章 阻抗匹配和调谐教学 重点本章重点介绍了二元件L形、三元件T形集中元件式、传输 线式、组合集中元件-传输线式等基本阻抗匹配电路的特点 、设计步骤及技巧介绍了短截线调谐电路的分析与设计 方法和四分之一波长阻抗变换器、渐变传输线阻抗变换器 、宽带阻抗电路的阻抗变换作用、分析与设计方法 教学 重点教学 重点掌握：L形、T形集中元件式、传输线式、组合集中元件-传输线式等基本阻抗匹配 电路的特点、设计步骤及技巧；四分之一波长阻抗变换器的设计方法 了解：宽带阻抗电路的阻抗变换作用、分析与设计方法 熟悉：渐变传输线阻抗变换器的分析与设计方法 能力 要求2本章目录v第一节 分立元件匹配网络v第二节 微带线匹配网络v第三节 四分之一波长阻抗变换器v第四节 渐变传输线阻抗变换器v第五节 宽带阻抗电路的阻抗变换3知识结构阻 抗 匹 配 和 调 谐分立元件匹配网络L形匹配网络微带线匹配网络四分之一波长阻抗变换器渐变传输线阻抗变换器宽带阻抗电路的阻抗变换匹配禁区、频率响应及品质因数T形匹配网络和 形匹配网络从分立元件到微带线单节短截线匹配网络双短截线匹配网络指数渐变三角形渐变Klopfenstein渐变普通变压器传输线变压器4§5.1 分立元件匹配网络 阻抗匹配反映了输入电路与输出电路之间的效率传输关系。

当电路实现负载阻抗与源阻抗匹配时，将获得最大功率输出 实现匹配的一般做法是在源和负载之间插入一个无源网络调 谐是因为在匹配网络和负载之间存在多次反射双元件匹配网络的8种电路结构5§5.1 分立元件匹配网络5.1.1 L形匹配网络用两个电抗性元件组成的L形匹配网络是最简单的匹配网络 类型，可以匹配任意负载阻抗到传输线两种可能的结构：归一化负载阻抗 在Smith圆图 圆内和归一化负载阻抗 在Smith圆图的 圆外 两种方法：Smith圆图法和解析法 1、Smith圆图法当串联一个电感元件时，在Smith 阻抗圆图上的阻抗点应沿等电阻圆顺 时针方向移动；当串联一个电容元件 时，沿等电阻圆的逆时针方向移动； 当并联一个电感元件时，在Smith导纳 圆图上阻抗点沿等电导圆逆时针方向 移动；当并联一个电容元件时，沿等 电导圆顺时针方向移动 6§5.1 分立元件匹配网络实现最佳功率传输的常规设计程序一般包括以下几个步骤： 1、求出归一化源阻抗和负载阻抗在Smith圆图中过负载阻抗 的相应点画出等电阻圆或等电导圆。

2、在Smith圆图中过负载阻抗的共轭复数点画出等电阻圆或等 电导圆 3、找出第1步和第2步所画出圆的交点交点的个数就是可能存 在的L形匹配网络的数目 4、先沿着相应的圆将源阻抗点移动到上述交点，然后再沿相应 的圆移动到负载的共轭点，根据这两次移动过程就可以求出电 感和电容的归一化值 5、根据给定的工作频率确定电感和电容的实际值在上述步骤中，并不是一定要必需从源阻抗点向负载的共 轭复数点移动事实上，也可以将负载阻抗点变换到源阻抗的 共轭复数点 7§5.1 分立元件匹配网络例题 已知晶体管在1.5GHz频率点的输出阻抗是 请设计一个如图所示的L形匹配网络，使输入阻抗为 的特天线能够得到最大功率 解：首先计算归一化阻抗假设，则：由于与发射机连接的第一个元件是并联电容，则并联后的总阻抗 应与 落在阻抗-导纳复合Smith圆图中的同一等电导圆上 然后，将一个电感串联在电容与发射机 并联后的总电阻 上，则最终的串联阻抗将沿着电阻圆移动为了实现最大 功率的输出，输出匹配网络的输出阻抗必须等于输入阻抗 的共轭复数上述等电阻圆必须经过 。

Smith圆图中两个圆的交点就是发射机与电容并联后的总归 一化阻抗L形匹配网络8§5.1 分立元件匹配网络阻抗-导纳复合Smith圆图 上的双元件匹配网络设计从Smith圆图中可以看到，这个 点的归一化阻抗为 ， 相应归一化导纳为 所以，并联电容的归一化电纳为，电感的归一 化电抗为 最后，我们求出电感和电容的 实际量值为：9§5.1 分立元件匹配网络2、解析解法解析解法的结果非常精确，但计算量大，适合采用计算机仿真 例题 用解析解法设计上节例题的L形匹配网络 解：只有当信号源与负载阻抗共轭匹配时，信号源于负载才能 实现最大功率传输因此，由题意知：匹配网络的输出电阻 必须等于 的复共轭，即 阻抗 的值等于 与 电容并联后再与电感L串联：将发射机和天线的阻抗用复数表示( 和 ), 则可写成：（1）（2）10§5.1 分立元件匹配网络整理得：（3） （4）求解可得：（5）（6）将已知数据代入式（5）和式（6），则可得：11§5.1 分立元件匹配网络5.1.2 匹配禁区、频率响应及品质因数Smith圆图的匹配禁区：网络拓扑无法在任何负载阻抗和源 阻抗之间实现预期的匹配。

时，L形匹配网络的禁区12§5.1 分立元件匹配网络L形匹配网络也可以视为谐振频率为 的谐振电路因此， 此类网络的性能可以用有载品质因数 来描述节点品质因数 与 的关系：正号对应于正电抗X,负号表示负电抗XSmith圆图中的等 线13§5.1 分立元件匹配网络5.1.3 T形匹配网络和 形匹配网络 例题 设计一个T形匹配网络，要求该网络将 的负载阻抗变换成 的输入阻抗，且最大节点品质因数等于3假设工作频率 ，计算匹配网络的元件值 解：设计 的T形匹配网络T形匹配网络常规拓扑结构 由于 是纯电抗，则串联阻抗 必然是 的等电阻圆上的某一 点因为 ，则可令 的阻抗 值落在等电阻圆 和 的交点上14§5.1 分立元件匹配网络然后，我们找到过B点的等电导与等电阻圆 的交点A， B点是前一步骤求出来的根据等电阻圆 ，以及使 变 换到 点的设计，我们就可以确定匹配网络中其它元件的值。

T形匹配网络电路原理图以增加一个电路元件为代价，扩大了调整匹配网络品质因数 的自由度15§5.1 分立元件匹配网络例题 已知带宽放大器需要一个 形网络，要求该网络将 的负载阻抗变换成 的输入阻抗，匹配网络具有最小的节点品质因数，且匹配频率点为 ，计算匹配网络的各个元件值具有最小 值的 形匹配网络设计解：由于负载阻抗和输入阻抗 都是固定的，因此待求匹配网 络的品质因数不可能低于 和点所对应的最小 值又因 为 的最小值可根据输入阻抗点 确定： 右图给出了在 条件下采用 Smith圆图设计 形匹配网络的 情况16§5.1 分立元件匹配网络在设计过程中，我们采用了与上一个例题相似的方法 首先，在Smith圆图中画出等电导圆 并找到该圆与等值 线 的交点，将该点记为B点然后找到等电导圆 与 过B点的等电阻圆的交点，并记为A点。

将Smith圆图中的相 应点变换成实际的电容和电感就可以解出所求网络元件电路 结构如下图所示：形匹配网络电路结构17§5.2 微带线匹配网络工作频率的提高导致工作波长的减小，分立元件的寄生参数 效应变得明显，分布参数元件就代替了分立元件得到广泛应用 5.2.1 从分立元件到微带线在中间过渡频段（例如几吉赫兹到几十吉赫兹），可以采用 分立元件和分布参数元件混合使用的方法混合匹配网络 例题 设计一个匹配网络将 的负载阻抗变换成的输入阻抗要求该匹配网络必须采用两段串联传输线和一个并联电容已知两段传输线的特性阻抗均为 ，匹配网络的工作频率为f=1.5GHz18§5.2 微带线匹配网络解：首先确定归一化负载阻抗 在Smith圆图中的位置这样就可以画出一个驻波比圆，该圆上的点对应于负载与传输线相连后的总阻抗总阻抗在此驻波比圆上的具体位置取决于传输线的长度过归一化输入阻抗 作一个驻波比圆，选定过渡点A，该点的归一化导纳 此时添加的并联电容将使相应阻抗点沿 的等电导圆移动。

从而将Smith圆图上的阻抗点A移动到 位于输入驻波比圆上的点B利用一段 串联的传输线就可以使B点的阻抗沿等 驻波比圆移动分布参数匹配网络设计由传输线和电容构成的匹配网络19§5.2 微带线匹配网络5.2.2 单节短截线匹配网络完全取消所有分立元件来实现电路网络匹配的情况，有两种拓扑结构：一种是负载与短截线并联后再与一段传输线相连如下图(a)所示；另一种是负载与串联传输线相连后再与一段短截线并联，如下图(b)所示单节短截线匹配网络的拓扑结构20§5.2 微带线匹配网络1、并联短截线并联短截线调谐电路结构如下图所示，存在两个变量 和 并联短截线d的两个主要解：开路短截线：短路短截线：21§5.2 微带线匹配网络2、串联短截线串联短截线调谐电路结构如下图所示，存在两个变量 和 串联短截线d的两个主要解：开路短截线：短路短截线：22§5.2 微带线匹配网络5.2.3 双短截线匹配网络单短截线匹配网络可以在任意输入阻抗和实部不为零的 负载阻抗之间形成匹配，具有良好的通用性不过它的主要 缺点就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线，这对于固定型匹配网络不会成为问 题，却将对可调型匹配器带来困难。

为了解决这个问题，采 用两个固定位置的双调谐短截线调谐器双短截线调谐23§5.2 微带线匹配网络1、双短截线匹配网络的Smith圆图解法双短截线调谐器的基本运作过程如图所示，和单短截线调谐 器的情况一样，可能有两个解第一个短截线的电纳 ，把 负载导纳移动到 或 ，该点位 于旋转后的圆 上，旋转量是 向着负载方向转的d波长，此处 d是两个短截线之间的距离然 后通过传输线的长度d向着信号 源方向转换 或 ，使得落在点 ， 或 ，该点必定在圆 上 然后，第二个短截线产生附加电 纳 或 ，它将转到。