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1/4波长阻抗变换器的分析 摘要：阻抗匹配网络已经成为射频微波电路中的重要组成部份，主若是由于匹配使得电路中的反射电压波变少，从而损耗减少。同时，匹配网络对器件的增益，噪声，输出功率还有着重要的阻碍。在微波传输系统，它关系到系统的传输效率、功率容量与工作稳固性，关系到微波测量的系统误差和测量精度，和微波元器件的质量等一系列问题。本文讨论了传输线的阻抗匹配方式，并着重分析了阻抗变换器，并举例说明了多节阻抗变换器的优势。 关键字：阻抗匹配;匹配网络；匹配方式，阻抗变换器 1引言 传输理论指出，通常情形下，传输线传输的电压或电流是由该点的入射波和反射波叠加而成的，或说是由行波和驻波叠加而成的。 在由信号源及负载组成的微波系统中，若是传输线和负载不匹配，传输线上将形成驻波。有了驻波一方面使传输线功率容量降低，另一方面会增加传输线的衰减。若是信号源和传输线不匹配，既会阻碍信号源的频率和输出功率的稳固性，又会使信号源不能给出最大功率、负载又不能取得全数的入射功率。因此传输线必然要匹配。 匹配可分为始端匹配和终端匹配。始端匹配是为了使信号源的输出功率最大，采纳的方式是共轭匹配；终端匹配是为了使传输线上无反射波，使传输功率最大，采纳的方式是阻抗匹配。 共轭匹配 共轭匹配的目的是使信号源的功率输出最大，这就要求传输线信号源的内阻和传输线的输入阻抗互成共轭值。 假设信号源的内组为，传输线的输入阻抗为，如下图。 则 即 图 共轭匹配 知足共轭匹配条件的信号源输出的最大功率为： 无反射匹配 无反射匹配的目的是使传输线上无反射波，即工作于行波状态。需要使信号源内阻及负载阻抗均等于特性阻抗，即 实际中传输线的始端和终端很难做到无反射匹配，通常在信号源输出端接入隔离器以吸收反射波，而在传输线与负载之间利用匹配装置用来抵消反射波。 信号源 信号源 隔离器 匹配器 负载 图无发射匹配 隔离器又称单向器，是非互易器件，只许诺入射波通过而吸收掉反射波，使信号源端无反射, 以稳固信号源的工作状态。 阻抗匹配的方式 阻抗匹配的方式是在负载与传输线之间接入匹配器，使其输入阻抗作为等效负载与传输线的特性阻抗相等。 匹 匹 配 器 图 阻抗匹配 匹配器是一个两头口的微波元件，要求可调以适应不同负载，其本身不能有功率损耗，应由电抗元件组成。 匹配阻抗的原理是产生一种新的反射波来抵消实负载的反射波(二者等幅反相)，即“补偿原理”。 经常使用的匹配器有阻抗变换器和支节匹配器。本文只介绍阻抗变换器。 2 阻抗变换器 阻抗变换器由一段特性阻抗为的传输线组成。如图4所示， 图 阻抗变换器 假设负载为纯电阻，即。那么有： 为了使实现匹配，那么必需使 由于无耗线的特性阻抗为实数，故阻抗变换器只能匹配纯电阻负载。假设当为复数时, 依照行驻波的电压波腹和波节点处的输入阻抗为纯组： 可将阻抗变换器接在靠近终端的电压波腹或波节点处来实现阻抗匹配。 若线在电压波腹点接入，那么线的特性阻抗为： 若线在电压波节点接入，那么线的特性阻抗为 单节阻抗匹配器的要紧缺点是频带窄。 当工作波长为 l0 时，, 对单一工作频率，当可实现匹配，即。当工作频率偏离时，。，而是： 图 阻抗变换器示用意 把代入得： （1） （2） 在中心频率周围： 那么 从而 （3） 当，相当于，现在阻抗变换器不存在，最大。 （4） 由(3)、(4)可画出随(或 f )转变的曲线 , 曲线作周期为的转变。设许诺，那么其工作带宽对应于限定的频率范围。由于偏离时曲线急剧下降, 故工作带宽很窄。 图 单节变换器的带宽特性 当时, 那么通带边缘上的值为、，且由式(2)，有 通经常使用分数带宽表示频带宽度，与有如下关系 关于单一频率或窄频带的阻抗匹配而言，一样单节阻抗变换器提供的带宽能够知足要求。但假设要求在宽带内实现阻抗匹配，就必需采纳双节、三节或多 节阻抗变换器。 2多节阻抗变换器 多节阻抗变换器是由许多长度相同（在中心频率上是波长）、特性阻抗不等的均匀传输线所组成的。各传输线特性阻抗呈阶梯转变，阶梯上的反射在输入端彼此抵消，只要阶梯阻抗变换转变的足够慢，就能够保证足够的带宽匹配。 关于一阶阻抗变换器如图 图 单节阻抗变换器 由上文所述知，特性阻抗为， 关于2节网络如图 图 二节阻抗变换器 同理可得 由上式消去和后可得 关于3节网络，如图 图 三节阻抗变换器 那么同理可得 从式中消去、和后可得 对4节网络,如图 图 四节阻抗变换器 从上式消去、、和，整理得 由以上同理可得 关