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第5章 匹配网络 在射频电路的设计中，阻抗匹配是最重要的概念之一，是电路和系统设计时必须考虑的重要问题。 在匹配网络的设计中，解析方法很繁杂，本章只讨论用史密斯圆图的设计方法。史密斯圆图在射频电路的分析中是一个必须的工具，尤其在匹配网络的设计中显得更为重要。 本章首先讨论匹配网络的目的及选择准则，然后讨论集总参数元件电路的匹配网络设计、分布参数元件电路的匹配网络设计和混合参数元件电路的匹配网络设计。 5.1 匹配网络的目的及选择方法 1. 匹配网络的目的 匹配包括两个方面，一个是传输线与负载之间的匹配；一个是信源与负载之间的共轭匹配。传输线与负载之间的匹配，是使传输线无反射、线上载行波或尽量接近行波的一种技术措施。 信源与负载之间的共轭匹配，是使传输线的输入阻抗与信源的内阻互为共轭复数，此时信源的功率输出为最大。 电路匹配是通过匹配网络实现的。 匹配关系到系统的传输效率、功率容量和工作稳定性，其重要性主要表现在3个方面。 （1）从信源到负载实现最大功率传输。 （2）减小线路反射，目的是减小噪声干扰，提高信噪比。 （3）传输相同功率时线上电压驻波系数最小，功率承受能力最大。 2. 匹配网络的选择准则 只要负载阻抗不是一个纯虚数，都可以选择一个无耗网络进行匹配。在选择匹配网络时，考虑的主要因有下面4个。 （1）简单性。希望选择满足性能指标的最简单设计。较简单的匹配结构价格便宜、可靠、损耗小。 （2）带宽。任何一个网络都只能在单一频率上实现匹配，欲展宽带宽，其电路设计要复杂一些，因此电路设计要在简单性、带宽以及造价之间有所权衡。 （3）可实现性。射频电路大都采用微带传输线，可以采用四分之一阻抗变化器、支节或集总参数元件实现匹配网络。可实现性既要考虑生产工艺的可实现性，又要考虑尺寸要求的可实现性。 （4）可调整性。变化的负载需要可调整的匹配网络。 5.2 集总参数元件电路的匹配 网络设计 5.2.1 传输线与负载间L形匹配网络 载与传输线阻抗匹配就是使传输线工作在行波状态。 在负载与传输线中间加一个匹配网络，使其输入阻抗等于传输线的特性阻抗，称为负载与传输线阻抗匹配。 L形匹配网络由2个电抗性元件组成，也称为双元件匹配网络。负载与传输线间L形匹配网络共有8种组合，如图5.1所示。 双元件负载匹配网络采用图5.1中的哪种形式，取决于归一化负载阻抗在史密斯圆图上的位置。负载在史密斯圆图上的位置有3种可能性，下面分别加以讨论。 1. 负载位于1+jb圆(归一化单位电导圆)内 2. 负载位于1+jx圆(归一化单位电阻圆)内 3. 负载位于1+jx圆和1+jb圆外 对上述讨论的3种情形，可以总结出某些规律，这些规律可以简化和加速匹配电路的设计过程。 规律1 始终同时利用史密斯阻抗和导纳圆图。 规律2 在史密斯圆图上始终从负载开始沿等电阻圆或等电导圆移动，最终到达圆图中心匹配点。 规律3 沿等电阻圆或等电导圆每移动一次，就确定一个相关的电抗元件。 规律4 沿等电阻圆移动相当于串联电抗元件，沿等电导圆移动相当于并联电抗元件。 规律5 沿等电阻圆顺时针或逆时针方向移动，决定了电抗元件是感性或是容性。沿等电导圆顺时针或逆时针方向移动，决定了电抗元件是容性或是感性。 规律6 负载在史密斯圆图上的位置决定有几种L形匹配网络。负载位于1+jb圆(归一化单位电导圆)内，有2种L形匹配网络；负载位于1+jx圆(归一化单位电阻圆)内，有2种L形匹配网络；负载位于1+jx圆和1+jb圆外，有4种L形匹配网络。 规律7 任何负载都不能同时有图5.1中的8种L形匹配方式，因此所有L形网络都有匹配禁区。也就是说，只有负载在史密斯圆图上处于某些位置时，才能采用某种L形匹配网络。 5.2.2 信源与负载间L形共轭匹配网络 信源的匹配就是使信源的内阻ZS通过匹配网络变换后与负载互为共轭复数，此时信源的功率输出最大。射频电路中的这种情形比负载与传输线阻抗匹配的情形更为普遍。 信源与负载间L形共轭匹配网络由2个电抗性元件组成，也称为双元件匹配网络。与传输线与负载间L形匹配网络一样，信源与负载间L形共轭匹配网络同样共有8种组合，如图5.6所示。 5.2.3 L形匹配网络的品质因数 传输线与负载之间的L形匹配网络，只能在中心频率f0保证传输线与负载之间