电磁场与电磁波实验讲义定稿.doc

电磁场与电磁波实验指导书 物理与电子信息学院通信技术教研室 二00九年十二月  目 录 必做实验 实验一 阻抗匹配网络 2 实验二 单级低噪声放大器的设计与制作 14 实验三 FM中频解调电路的测量 28 实验一 阻抗匹配网络 一、实验目的 1、了解阻抗匹配原理。 2、了解如何设计阻抗匹配网络。 3、掌握L型阻抗匹配网络、π型阻抗匹配网络的设计方法。 4、了解T型阻抗匹配网络。 二、实验内容 1、按要求设计出L型、π型和T型阻抗匹配网络。 2、测量各匹配网络的输入返回损耗。 三、实验仪器 GRF-2001中的RF1模块 1个 频谱分析仪器 1台 RF cable 若干根 四、实验原理 在高频电路设计中，阻抗匹配是很重要的一环，如图1-1所示。从直流电路的基本理论中，我们知道若信号源的电阻与输出的负载电阻相同时，就可在输出端得到最大的功率输出。但是在交流电路中，除了电阻，尚有电容与电感等电抗性组件，因此若要求得到最大功率输出时，除了两端的电阻相等外，还需信号源的电抗与负载的电抗互成共轭才行。所以阻抗匹配的目的就是经由适当方法选择组件使得信号源与负载两端的电抗值成共轭关系，以便产生谐振而互相抵消，使得电路中仅存电阻性，而能得到最大功率传输。其次，由于现成的网络组件，其阻抗值会随着频率的变化而变化，因此阻抗匹配只能适用于某一特定的频率，但是对于宽频的电路来说，所设计的电路都期望能涵盖整个频宽。就理论而言，可借着适当方法来增加阻抗匹配的频宽范围。 前文已说过，欲得到最大的功率输出，则须对电路加以阻抗匹配，阻抗匹配网络一般可分为三种：L 型、π 型及T型三种。选用何种匹配端视情况而定，除非有特别需求，一般都是以最少的零件来完成匹配。 （一）L型匹配网络 如图1-2所示为 L 型匹配网络的四种基本架构，其构造形状有如英文字母L，故称为 L 型匹配网络( L-Type Matching Network)，或称为双组件匹配网络(Two-Element Matching Network)。 在此我们举一个例子来说明L型匹配网络的原理。图1-3(a)所示为一个未经过阻抗匹配的网络，信号源阻抗RS =100 ?，负载阻抗RL =1000 ?。很明显的，负载阻抗比信号源阻抗大很多。因此，为了使RL减小，首先在RL端并联适当的电容，经并联转换成串联阻抗后，在图1-3(b)的a和b两端右侧阻抗Zin的实部应与RS相等。转换后的电容抗XCS，须再串接一个相对应的等值电抗的电感，使两者串联形成串联谐振，互相抵消而提供形同短路的效应。因此藉由阻抗转换的关系，我们即可求得XCP的值。 假设 Z 是RL与CP并联的阻抗，Z′是并联转串联后RL′与CS的串联阻抗，则： 将上式整理后可得： (1-2) 等式两端实部与虚部个别相等，故可得： 从式(1-3)可知，所需的XCP为： 从式(1-4)可知，转换后的电容抗XCS ，或是所需串接的相对应等值电感抗应为： 代入已知条件RS =100 ?，RL =1000 ?可得： 整理上述例子，可归纳设计程序如下： 1、如果匹配网络中使用并联电抗则可降低电抗值，以便使其中电阻部分与输入端的电阻相等。转换后的电抗，将与匹配网络中的串联电抗，形成串联谐振，电抗值互相抵消，使信号源类似直接连结一个相等的负载，以便获得最大输出功率。 2、同理，串联电抗可提升电抗值，转换后的并联电抗可形成并联谐振，使信号源与负载间仅有一条两端电阻为相同的通道，以便获得最大输出功率传输。 （二）π型匹配网络 π型阻抗匹配网络可视为由两个面对面的 L 型网络组成。其工作原理通常是假设有一假想电阻RV ( Virtual Resistor )，如图1-4所示。网络中的XS1与XS2通常为了设计上的方便，可用相同特性的电抗，而XS1、XP1与XS2、XP2为相对应的电抗。由于π型网络可视为由两个面对面的 L 型网络，故可以经由L型网络的设计步骤，分别求得 XP1、XS1以及XP1、XS2。由上述我们可知，假想电阻RV为π型网络设计上的重点，由于RV与XS1及XS2成串联关系，所以在此RV＜RL和RV＜RS。因为 所以 其中 RV=假想电阻，用以作阻抗匹配的中间转换电阻 QL=电路负载 Q 值 求得RV后，应用 L 型阻抗匹配网络原理，设计RV与RH间的匹配网络。由于RV与RH间的比值较大，因此先设计完成的L型网络有较高的Q值。由两个 L 型网络组成的π型网络，电路的Q值将由较高的 Q 值作主导，以决定其频宽与电路特性。 （三）T 型匹配网络 T 型阻抗匹配网络设计步骤与π型网络相同。如图1-5所示，T 型网络结构可视为两个背对背的L型网络，并利用假想电阻RV