15阻抗匹配和调谐-集总元件
第五章_阻抗匹配和调谐
Microwave Technique
0.5 0.2
Microwave Technique
1.2
例题5.1 L节阻抗匹配（重点掌握）
l2 0.353
Microwave Technique
0.147
Microwave Technique
0.353
Analytic Solutions
求d & l
负载阻抗
Z L
1 Y
R jX
L
L
L
离负载d 位置处之阻抗
(R jX ) jZ t
ZZ L
L
0
0 Z j(R jX )t
0
L
Z
1.
z L 0.3 j0.2 LZ
10
1
2.
y Lz
2.3 j1.534
0.3 j0.2
L
作图:绘一同心圆 读数:1800 0.284
3. 同心圆交 1+jx 圆于两点
y ,y 12
读数分別为 0.328 及 0.171
d 0.328 0.284 0.044 1
d (0.5 0.284) 0.171 0.387 2
图(a)
Z R jX
L
L
L
1
Z jX
0
jB 1 (R jX )
L
L
B(XR X Z ) R Z
L
L0
L
0
X(1 BX ) BZ R X
L
0L
阻抗匹配的原理
阻抗匹配概念阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。
对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。
在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。
当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。
这种匹配条件称为共扼匹配。
阻抗匹配（Impedance matching）是微波电子学里的一部分，主要用于上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。
大体上，阻抗匹配有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuit matching），另一种则是调整传输线的波长（transmission line matching）。
要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值，除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值划在史密夫图表上。
右图中R为负载电阻，r为电源E的内阻，E为电压源。
由于r的存在，当R很大时，电路接近开路状态；而当R很少时接近短路状态。
显然负载在开路及短路状态都不能获得最大功率。
根据式:从上式可看出，当R=r时式中的式中分母中的(R-r)的值最小为0，此时负载所获取的功率最大。
所以，当负载电阻等于电源内阻时，负载将获得最大功率。
这就是电子电路阻抗匹配的基本原理。
改变阻抗力把电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。
如果把电容或电感接地，首先图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。
重覆以上方法直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。
调整传输线由负载点至来源点加长传输线，在图表上的圆点会沿著图中心以逆时针方向走动，直至走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来讲，单它的内阻等于负载时，输出功率最大，此时阻抗匹配。
阻抗匹配和调谐26页PPT
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
阻抗匹配——精选推荐
阻抗匹配阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的⼀种合适的搭配⽅式。
阻抗匹配分为低频和⾼频两种情况讨论。
阻抗匹配主要有两点作⽤，调整负载功率和抑制信号反射。
{扩展：我们可以把⼀个实际电压源，等效成⼀个理想的电压源跟⼀个电阻r串联的模型。
假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越⼩，则输出电流越⼤。
负载R上的电压为：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R越⼤，则输出电压Uo越⾼。
再来计算⼀下电阻R消耗的功率为：P = I2×R=[U/(R+r)]2×R = U2×R/(R2+2×R×r+r2)= U2×R/[(R-r)2+4×R×r]= U2/{[(R-r)2/R]+4×r}对于⼀个给定的信号源，其内阻r是固定的，⽽负载电阻R则是由我们来选择的。
注意式中[(R-r)2/R]，当R=r时，[(R-r)2/R]可取得最⼩值0，这时负载电阻R上可获得最⼤输出功率Pmax=U2/(4×r)。
即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最⼤输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之⼀。
}如果我们需要输出电流⼤，则选择⼩的负载R；如果我们需要输出电压⼤，则选择⼤的负载R；如果我们需要输出功率最⼤，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。
有时阻抗不匹配还有另外⼀层意思，例如⼀些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。
在⾼频电路中，我们还必须考虑反射的问题。
当信号的频率很⾼时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以⽐拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。
如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（即不匹配）时，在负载端就会产⽣反射。
为什么阻抗不匹配时会产⽣反射以及特征阻抗的求解⽅法，牵涉到⼆阶偏微分⽅程的求解，在这⾥我们不细说了，有兴趣的可参看电磁场与微波⽅⾯书籍中的传输线理论。
微波射频学习笔记7.阻抗匹配
阻抗匹配
1.阻抗匹配的目的
阻抗匹配主要用于传输线上，以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的，而且几乎不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。
Ps：波的反射会造成驻波，从这点看来：插损一部分是介质和导体本身带来的系统损耗，还有一部分就是阻抗失配带来的VSWR，反射功率是要会抵消部分发射功率。
所以我应该大概可以认为VSWR不好，使设计问题，这时候的插损是可以通过优化设计改善，但如果驻波已经很好了，说明阻抗匹配，插损也就差不多了。
2.阻抗匹配的几种方法
（1）L网络（集总元件匹配）
使用场景：频率f≤1GHz
构造：串联电感L同时并联电容C/串联电容C同时并联电感L；
①输入电阻R0＜负载电阻R1，两个元件适合先串联后并联；
②输入电阻R0＞负载电阻R1，两个元件适合先并联后串联。
特点：成本低（只有两个元件）、Q值低（BW宽，选频性能差，挤滤波能力差），还有π型/T型网络都可以分解成两个L型网络分析，咱也看不懂，咱就不学了，都是利用了LC谐振。
计算方法：网上找小工具...
（2）短截线调谐
阻抗匹配的过程被称为调谐（大概），波导中常用，以下省略500字。
（3）四分之一波长变换器
当Z
in =Z
，波长为λ/4的奇数倍时，反射系数Γ=0，完全匹配，此时馈线上
没有驻波，不过λ/4匹配段内会有驻波存在，所以λ/4波长可用作阻抗变换；
注意：只能在一个频点获得完全匹配，附近频点越远，失配越严重。
①单节四分之一波长变换，匹配段的特征阻抗：Z
1= √（Z
Z
L
），相对带宽：
（f
2-f
1
）/f
0 。
第二章 传输线理论3-阻抗匹配汇总
0
y1
0.088
1 j2.2 y1 3、支节位置： d 0.088 0.192 0.28 d 0.088 0.308 0.396 4、短路支节长度
2
令Zin= Rin+ jXin, ZG= RG+ jXG,则上式简化为
P Rin 1 2 EG 2 2 2 Rin RG X in X G
（3.3）
假定信号源阻抗是固定的，考虑以下三种负载阻抗情况： 负载与传输线匹配（ZL= Z0） ГL=0
传给负载传输的功率
Z0 1 2 P EG 2 2 2 Z0 RG X G
Z L Z0 L Z L Z0
（3.1）
2019/1/5
5
信号源向负载传输的功率为
1 1 EG Zin 1 1 1 2 * P Re Vin I in V Re Re （3.2） in 2 2 Zin 2 Zin ZG Zin
23
适用于CAD的解析计算式 1. 并联单支节公式：
ZL 1/ YL RL jX L
( RL jX L ) jZ 0 tg d Z (d ) Z 0 Z 0 j ( RL jX L )tg d
d
Y0
Y0
短路 或开 路
Y Y 1/ Z 0
ZL
t=tg d
Y 1/ Z G jB
Z0 ,
ZL
d
l
信号源和负载均失配的无耗传输线
0
如图(a)所示，此时传输线上任意一点处的电压为
EG Z0 e j l j d j d V (d ) e e L 2 j l Z G Z 0 1 G L e
阻抗匹配的方法
阻抗匹配的方法关于阻抗匹配的方法，可以从电路理论和实际应用两个方面来进行探讨。
下面将介绍10条关于阻抗匹配的方法，并详细描述它们的原理和优缺点。
1.电阻器法：电阻器法是最简单的阻抗匹配方法之一，通过串联电阻器来降低电路输入端的阻抗。
这种方法的优点是简单易用，成本低廉，但是由于串联电阻器会引入附加损耗，所以对于高频电路不太适用。
2.变压器法：变压器法是一种常用的阻抗匹配方法，通过变压器来匹配输入和输出端的阻抗。
这种方法的优点是可以实现很高的传输效率，但是对于广频应用来说，变压器会引入误差和损耗。
3.利用共模电感：利用共模电感的方法可以将输入端和输出端的阻抗进行匹配，使得传输效率更高。
这种方法的优点是能够减小误差，并且能够在高频电路中使用，但是也有一定的局限性。
4.反馈法：反馈法是一种非常有效的阻抗匹配方法，在信号源和负载之间加入反馈网络，使得输入和输出端的阻抗得到匹配。
这种方法的优点是能够减小误差，提高传输效率，但是对于高频电路来说，反馈网络会引入附加损耗。
5.单元匹配法：单元匹配法是一种分析性思维的方法，它通过分析电路元件的特性和输入输出端的阻抗，来进行阻抗匹配。
这种方法的优点是精准度高，能够针对不同的电路元件进行优化匹配，但是需要更深入的电路知识支持才能使用。
6.拓扑匹配法：拓扑匹配法是一种基于电路的结构拓扑分析的方法，通过分析电路拓扑结构来进行阻抗匹配。
这种方法的优点是可以简化电路设计，提高设计效率，但是对于复杂电路的匹配来说，拓扑匹配法可能并不适用。
7.短路管法：短路管法是一种近似匹配法，它通过引入短路管来抵消输入输出端的阻抗不匹配。
这种方法的优点是简单直接，但是由于短路管的特性会对电路带来一定的干扰，因此需要考虑干扰问题。
8.天线阻抗匹配法：天线阻抗匹配法是一种针对天线信号的阻抗匹配方法，它通过对天线阻抗进行调节，来使得天线信号能够更好地与目标设备匹配。
这种方法的优点是能够提高天线信号的传输效率，但是需要考虑阻抗调节的可行性和实际效果。
理解电子电路中的阻抗匹配原理
理解电子电路中的阻抗匹配原理阻抗匹配是电子电路设计中的重要原理，它可以帮助我们更有效地传输信号和提高系统性能。
阻抗匹配的概念是指在电路中调整各个部分的阻抗，使其能够与其他部分相互匹配，从而实现最佳的信号传输效果。
在电子电路中，阻抗是指交流信号对电路元件的阻碍程度。
阻抗包括电阻、电感和电容，通常用复数表示。
而阻抗匹配的目的是消除信号反射和损耗，保持信号的完整性和稳定性。
一般来说，当两个电路元件或系统之间的阻抗不匹配时，会产生信号反射和损耗。
这会导致信号衰减、波形失真、功耗增加，甚至影响整个电路的工作稳定性。
因此，在设计电子电路时，我们需要通过阻抗匹配来优化电路的性能。
阻抗匹配原理适用于各种电子电路和系统，比如天线和射频放大器之间的匹配、音频信号输入和输出之间的匹配等。
下面以音频信号输入和输出之间的阻抗匹配为例，详细解释阻抗匹配的原理和方法。
音频信号通常以低阻抗的形式存在于音源中，比如话筒或音乐播放器。
然而，放大器输入端一般需要高阻抗输入才能正确接收信号并放大。
所以在音频信号的输入和输出之间进行阻抗匹配就显得非常重要。
要实现阻抗匹配，需要使用阻抗匹配网络或变压器。
阻抗匹配网络包括电阻、电容和电感等元件的组合，通过调整元件的数值和连接方式，可以有效地匹配输入和输出之间的阻抗。
其中，变压器是一种常用的阻抗匹配元件，可以实现阻抗的转换和匹配。
通过变压器的比例关系，可以将低阻抗的输入信号转换为高阻抗的信号，从而与放大器输入端匹配。
同时，变压器还可以有效阻止信号反射和损耗，提高整个系统的效率。
除了变压器，还可以使用阻抗转换器来实现阻抗匹配。
阻抗转换器是一种将输入阻抗与输出阻抗匹配的电路，可以通过调整电路参数来满足匹配要求。
常见的阻抗转换器包括共栅电路、共基电路和共集电路等。
总之，阻抗匹配原理在电子电路设计中起着至关重要的作用。
通过匹配输入和输出之间的阻抗，可以避免信号反射和损耗，提高系统性能和稳定性。
阻抗匹配可以通过阻抗匹配网络、变压器或阻抗转换器等方法实现。
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对振荡器，消除或减小频率牵引，保证振荡器正常工
作.
阻抗匹配网络设计的基本要求
复杂性——在满足特性要求的基础上，尽可能简单； 工作带宽——完全的无反射只能在点频上实现，在整 个工作频带内只能使反射降低到可以容许的范围。即 反射损耗在全频带内低于某一值；
可实现性——考虑传输线的特点、工艺水平等；
令上式的实部和虚部分别相
等，可以求出并联电导和串 联电抗，即
B
2 2 X L RL Z 0 RL XL Z 0 RL
R X
2 L
2 L
(5.3a )
X X1
Z 1 X L Z0 0 (5.3b) B RL BRL
第二种情况
由 jB1 RL j( X L X )
可调性——调谐结构、调谐方式。
特点
体积小、重量轻，特别适合微波集成电路 工作频段内，元件值基本不随频率变化，比分立元件带
宽宽
损耗大，功率容量低
5.1.1 解析解法
基本思路
第一种情况 由右图，有
1 RL jX L jB 1 RL jX L jB
Z in1
即
RL jX L Z in1 Z0 jX1 jRL B (1 X L B)
由此得到
X RL Z 0 RL X L (5.6a )
B B1
Z0 RL
Z0
RL
(5.6b)
基本思路
——通过串联和并联电 抗元件，将输入阻抗变到 SMITH圆图的匹配点—— 原点.
阻抗匹配的基本思想
——将阻抗匹配网络放在负载和传输线之间，使从传输线 向匹配网络看去的输入阻抗与传输线特征阻抗相等或接 近，达到消除或减小反射损耗的目的。
阻抗匹配和调谐的重要性
减小反射损耗，保证最大功率传输
改进系统信噪比，提高接收系统的灵敏度 在功率分配网络（如定向耦合器、巴伦等）中，降低 振幅和相位误差