射频电路理论与设计第5章-匹配网络课件

第第5 5章章 匹配网络匹配网络 第5章 在射频电路的设计中，阻抗匹配是最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。须考虑的重要问题。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 在匹配网络的设计中，解析方法很繁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。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须的工具，尤其在匹配网络的设计中显得更为重要。更为重要。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 本章首先讨论匹配网络的目的及选择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。设计和混合参数元件电路的匹配网络设计。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 匹配网络的目的及选择方法匹配网络的目的及选择方法5.1 集总参数元件电路的匹配网络设计集总参数元件电路的匹配网络设计5.2 分布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5.3 混合参数元件电路的匹配网络设计混合参数元件电路的匹配网络设计5.4 匹配网络的目的及选择方法5.1 集总参数元件电路的匹5.1 匹匹配配网网络的的目目的的及及选择方方法法1.匹配网络的目的匹配网络的目的 匹配包括两个方面，一个是传输线与匹配包括两个方面，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，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。近行波的一种技术措施。5.1 匹配网络的目的及选择方法1.匹配网络的目的 信源与负载之间的共轭匹配，是使传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。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。电路匹配是通过匹配网络实现的。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 匹配关系到系统的传输效率、功率容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量和工作稳定性，其重要性主要表现在3个个方面。方面。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（1）从信源到负载实现最大功率传）从信源到负载实现最大功率传输。输。（2）减小线路反射，目的是减小噪）减小线路反射，目的是减小噪声干扰，提高信噪比。声干扰，提高信噪比。（3）传输相同功率时线上电压驻波）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。系数最小，功率承受能力最大。（1）从信源到负载实现最大功率传输。2.匹配网络的选择准则匹配网络的选择准则 只要负载阻抗不是一个纯虚数，都可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配网络时，考虑的主要因有下面4个。个。2.匹配网络的选择准则 （1）简单性。希望选择满足性能指）简单性。希望选择满足性能指标的最简单设计。较简单的匹配结构标的最简单设计。较简单的匹配结构价格便宜、可靠、损耗小。价格便宜、可靠、损耗小。（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（2）带宽。任何一个网络都只能在）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，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计要在简单性、带宽以及造价之间有所权衡。所权衡。（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（3）可实现性。射频电路大都采用）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的可实现性，又要考虑尺寸要求的可实现性。实现性。（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（4）可调整性。变化的负载需要可）可调整性。变化的负载需要可调整的匹配网络。调整的匹配网络。（4）可调整性。变化的负载需要可调整的匹配网络。5.2 集集总参数元件参数元件电路的匹配路的匹配网网络设计5.2.1 传输线与负载间传输线与负载间L形匹配形匹配网络网络载与传输线阻抗匹配就是使传输线工载与传输线阻抗匹配就是使传输线工作在行波状态。作在行波状态。5.2 集总参数元件电路的匹配 在负载与传输线中间加一个匹配网络，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。为负载与传输线阻抗匹配。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 L形匹配网络由形匹配网络由2个电抗性元件组成，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形匹配网络共有形匹配网络共有8种组合，如图种组合，如图5.1所示。所示。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。双元件负载匹配网络采用图双元件负载匹配网络采用图5.1中的哪中的哪种形式，取决于归一化负载阻抗在史密斯种形式，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圆图上的位置。负载在史密斯圆图上的位置有置有3种可能性，下面分别加以讨论。种可能性，下面分别加以讨论。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 图图5.1 8种负载与传输线间种负载与传输线间L形匹配网络形匹配网络 图5.1 8种负载与传输线间L形匹配网络 1.负载位于负载位于1+jb圆圆(归一化单位电归一化单位电导圆导圆)内内 1.负载位于1+jb圆(归一化单位电导圆)内 图图5.2 负载位于归一化单位电导圆内时负载位于归一化单位电导圆内时L形匹配的圆图图解形匹配的圆图图解 图5.2 负载位于归一化单位电导圆内时 图图5.3 例例5.1用图用图 图5.3 例5.1用图 2.负载位于负载位于1+jx圆圆(归一化单位电归一化单位电阻圆阻圆)内内 2.负载位于1+jx圆(归一化单位电阻圆)内 图图5.4 负载位于归一化单位电阻圆负载位于归一化单位电阻圆 图5.4 负载位于归一化单位电阻圆 3.负载位于负载位于1+jx圆和圆和1+jb圆外圆外 3.负载位于1+jx圆和1+jb圆外 图图5.5 负载位于归一化单位电阻和电导圆外时负载位于归一化单位电阻和电导圆外时L形匹配的圆图图解形匹配的圆图图解 图5.5 负载位于归一化单位电阻和电导圆外时 对上述讨论的对上述讨论的3种情形，可以总结出种情形，可以总结出某些规律，这些规律可以简化和加速匹配某些规律，这些规律可以简化和加速匹配电路的设计过程。电路的设计过程。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 规律规律1 始终同时利用史密斯阻抗和导始终同时利用史密斯阻抗和导纳圆图。纳圆图。规律规律2 在史密斯圆图上始终从负载开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，最终到达始沿等电阻圆或等电导圆移动，最终到达圆图中心匹配点。圆图中心匹配点。规律1 始终同时利用史密斯阻抗和导纳圆图。规律规律3 沿等电阻圆或等电导圆每移动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。一次，就确定一个相关的电抗元件。规律规律4 沿等电阻圆移动相当于串联电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抗元件，沿等电导圆移动相当于并联电抗元件。元件。规律3 沿等电阻圆或等电导圆每移动一次，就确定一个相 规律规律5 沿等电阻圆顺时针或逆时针方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。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。定了电抗元件是容性或是感性。规律5 沿等电阻圆顺时针或逆时针方向移动，决定了电抗 规律规律6 负载在史密斯圆图上的位置决负载在史密斯圆图上的位置决定有几种定有几种L形匹配网络。负载位于形匹配网络。负载位于1+jb圆圆(归一化单位电导圆归一化单位电导圆)内，有内，有2种种L形匹配网形匹配网络；负载位于络；负载位于1+jx圆圆(归一化单位电阻圆归一化单位电阻圆)内，内，有有2种种L形匹配网络；负载位于形匹配网络；负载位于1+jx圆和圆和1+jb圆外，有圆外，有4种种L形匹配网络。形匹配网络。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 规律规律7 任何负载都不能同时有图任何负载都不能同时有图5.1中的中的8种种L形匹配方式，因此所有形匹配方式，因此所有L形网络形网络都有匹配禁区。也就是说，只有负载在史都有匹配禁区。也就是说，只有负载在史密斯圆图上处于某些位置时，才能采用某密斯圆图上处于某些位置时，才能采用某种种L形匹配网络。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 5.2.2 信源与负载间信源与负载间L形共轭形共轭匹配网络匹配网络信源的匹配就是使信源的内阻信源的匹配就是使信源的内阻ZS通过通过匹配网络变换后与负载互为共轭复数，此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种情形比负载与传输线阻抗匹配的情形更为普遍。为普遍。5.2.2 信源与负载间L形共轭匹配网络 信源与负载间信源与负载间L形共轭匹配网络由形共轭匹配网络由2个个电抗性元件组成，也称为双元件匹配网络。电抗性元件组成，也称为双元件匹配网络。与传输线与负载间与传输线与负载间L形匹配网络一样，信源形匹配网络一样，信源与负载间与负载间L形共轭匹配网络同样共有形共轭匹配网络同样共有8种组种组合，如图合，如图5.6所示。所示。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 图图5.6 8种信源与负载间的种信源与负载间的L形共轭匹配网络形共轭匹配网络 图5.6 8种信源与负载间的L形共轭匹配网络 图图5.7 例例52用图用图 图5.7 例52用图 图图5.8 例例5.3用图用图 图5.8 例5.3用图 5.2.3 L形匹配网络的品质因形匹配网络的品质因数数传输线与负载之间的传输线与负载之间的L形匹配网络，形匹配网络，只能在中心频率只能在中心频率f0保证传输线与负载之间匹保证传输线与负载之间匹配，使包含配，使包含L形网络与负载在内的总输入阻形网络与负载在内的总输入阻抗位于史密斯圆图的中心，传输线上反射抗位于史密斯圆图的中心，传输线上反射系数为系数为0。5.2.3 L形匹配网络的品质因数 当频率偏离中心频率时，传输线上的当频率偏离中心频率时，传输线上的反射系数将大于反射系数将大于0。所以，上述匹配网络可。所以，上述匹配网络可以视为谐振频率为以视为谐振频率为f0的谐振电路。的谐振电路。当频率偏离中心频率时，传输线上的反射系数将大于0。所以，由于由于L形匹配网络是由串联或并联的形匹配网络是由串联或并联的电感或电容组成的，所以这种网络有滤波电感或电容组成的，所以这种网络有滤波性。为考察匹配网络的频率响应，下面讨性。为考察匹配网络的频率响应，下面讨论论L形匹配网络的品质因数，以得到匹配网形匹配网络的品质因数，以得到匹配网络的带宽。络的带宽。由于L形匹配网络是由串联或并联的电感或电容组成的，所以这 图图5.9 史密斯圆图中的等史密斯圆图中的等Qn线线 图5.9 史密斯圆图中的等Qn线 图图5.10 例例5.4用图用图 图5.10 例5.4用图 5.2.4 T形和形和形匹配网络形匹配网络在在5.1节讨论过，匹配网络设计的节讨论过，匹配网络设计的4个个准则是简单性、带宽、可实现性和可调整准则是简单性、带宽、可实现性和可调整性。性。5.2.4 T形和形匹配网络 L形匹配网络的优点是结构简单，但形匹配网络的优点是结构简单，但其节点数目和节点在圆图上的位置是固定其节点数目和节点在圆图上的位置是固定的，匹配网络的带宽无法调整，设计没有的，匹配网络的带宽无法调整，设计没有灵活性。灵活性。L形匹配网络的优点是结构简单，但其节点数目和节点在圆图 为此，本节讨论为此，本节讨论T形和形和形匹配网络。形匹配网络。T形和形和形匹配网络可以在设计时调整匹配形匹配网络可以在设计时调整匹配网络的带宽，增加了设计的灵活性。网络的带宽，增加了设计的灵活性。为此，本节讨论T形和形匹配网络。T形和形匹配网络可以 T形匹配网络如图形匹配网络如图5.11(a)所示，所示，形匹形匹配网络如图配网络如图5.11(b)所示，这里用例题介绍所示，这里用例题介绍按预定按预定Qn值设计值设计T形和形和形匹配网络的方法。形匹配网络的方法。T形匹配网络如图5.11(a)所示，形匹配网络如图5.图图5.11 T形和形和形匹配网络形匹配网络 图5.11 T形和形匹配网络 图图5.12 例例5.5用图用图 图5.12 例5.5用图 图图5.13 例例5.6用图用图 图5.13 例5.6用图5.3 分布参数元件分布参数元件电路的匹配路的匹配网网络设计随着工作频率的提高，波长不断减小，随着工作频率的提高，波长不断减小，当波长与元器件尺寸或电路尺寸相当时，当波长与元器件尺寸或电路尺寸相当时，可以采用分布参数元件实现匹配网络。可以采用分布参数元件实现匹配网络。5.3 分布参数元件电路的匹配 分布参数元件是在主传输线上串联一分布参数元件是在主传输线上串联一段传输线或并联支节构成。在距负载某处段传输线或并联支节构成。在距负载某处可以并联一段终端短路或终端开路的传输可以并联一段终端短路或终端开路的传输线，此并联传输线称为支节（或短截线）。线，此并联传输线称为支节（或短截线）。分布参数元件是在主传输线上串联一段传输线或并联支节构成。本节讨论用单支节、双支节及四分之本节讨论用单支节、双支节及四分之一波长阻抗变换器实现匹配网络的方法，一波长阻抗变换器实现匹配网络的方法，这种方法可以适用于微带线、带状线、同这种方法可以适用于微带线、带状线、同轴线及平行双导线，本节画图时用平行双轴线及平行双导线，本节画图时用平行双导线说明匹配网络的结构。导线说明匹配网络的结构。本节讨论用单支节、双支节及四分之一波长阻抗变换器实现匹配 5.3.1 负载与传输线的阻抗匹负载与传输线的阻抗匹配配1.单支节匹配单支节匹配 单支节匹配就是在主传输线上并联一单支节匹配就是在主传输线上并联一个支节，用支节的电纳抵消其接入处主传个支节，用支节的电纳抵消其接入处主传输线上的电纳，达到匹配。输线上的电纳，达到匹配。5.3.1 负载与传输线的阻抗匹配 单支节可以采用终端短路的传输线或单支节可以采用终端短路的传输线或终端开路的传输线，单支节为终端短路传终端开路的传输线，单支节为终端短路传输线的匹配原理如图输线的匹配原理如图5.14所示。所示。单支节可以采用终端短路的传输线或终端开路的传输线，单支节 在图在图5.14的主传输线上可以找到点的主传输线上可以找到点aa，使点，使点aa的归一化输入导纳为的归一化输入导纳为y1=1+jb，点，点aa距终端长度为距终端长度为d1；然后在点；然后在点aa处并联归处并联归一化电纳为一化电纳为y2=jb的短路支节，即有的短路支节，即有ya=y1+y2=1，达到匹配。，达到匹配。d1和和l1的长度可以的长度可以用圆图计算。用圆图计算。在图5.14的主传输线上可以找到点aa，使点aa的归 图图5.14 单支节匹配单支节匹配 图5.14 单支节匹配 图图5.15 例例5.7用图用图 图5.15 例5.7用图 2.双支节匹配双支节匹配 单支节匹配的优点是简单，缺点是需单支节匹配的优点是简单，缺点是需要调节支节的位置要调节支节的位置d1，这对于有些电路来，这对于有些电路来说是困难的。说是困难的。2.双支节匹配 解决的办法是采用双支节匹配，使解决的办法是采用双支节匹配，使2个支节的位置个支节的位置d1和和d2固定不变，只调节支固定不变，只调节支节的长度节的长度l1和和l2，通过调节支节的长度，通过调节支节的长度l1和和l2达到匹配。达到匹配。d2的长度通常选为的长度通常选为/8、3/8或或5/8。解决的办法是采用双支节匹配，使2个支节的位置d1和d2固 双支节匹配的原理可以用图双支节匹配的原理可以用图5.16说明。说明。为使主传输线上点为使主传输线上点bb匹配，也即匹配，也即yb=1，就，就必须使必须使y3=1+jb3；然后利用调整；然后利用调整l2的长度调的长度调整整y4抵消抵消bb处的电纳分量处的电纳分量jb3而达到匹配。而达到匹配。双支节匹配的原理可以用图5.16说明。为使主传输线上点b 为使为使y3=1+jb3，就要求，就要求ya落在辅助圆落在辅助圆上，这可以利用调整上，这可以利用调整l1的长度调整的长度调整y2来达到。来达到。l1和和l2的值由的值由y2和和y4的值确定。下面举例说的值确定。下面举例说明辅助圆和双支节匹配的方法。明辅助圆和双支节匹配的方法。为使y3=1+jb3，就要求ya落在辅助圆上，这可以利用 图图5.16 双支节匹配双支节匹配 图5.16 双支节匹配 图图5.17 例例5.8用图用图 图5.17 例5.8用图 双支节匹配需要指出如下双支节匹配需要指出如下4点。点。（1）双支节匹配中，支节长度的解）双支节匹配中，支节长度的解有有2组，一般选取支节长度较短的一组，一般选取支节长度较短的一组。组。双支节匹配需要指出如下4点。（2）d2不能取不能取/2，这是因为，这是因为l1的作的作用是调节用是调节l2的输入阻抗，如果的输入阻抗，如果d2取取/2，则失去阻抗变换作用，达不到匹，则失去阻抗变换作用，达不到匹配。配。（2）d2不能取/2，这是因为l1的作用是调节l2的输入（3）当）当d2=/8或或d2=3/8时，若时，若g12，也不能匹配。由此可见，双支节，也不能匹配。由此可见，双支节匹配不是对任意负载都能匹配，存匹配不是对任意负载都能匹配，存在着不能匹配的死区。在着不能匹配的死区。（3）当d2=/8或d2=3/8时，若g12，也不能（4）双支节匹配只能对一个频率达）双支节匹配只能对一个频率达到理想匹配，当频率变化时，匹配到理想匹配，当频率变化时，匹配条件被破坏。条件被破坏。（4）双支节匹配只能对一个频率达到理想匹配，当频率变化时，3./4阻抗变换器阻抗变换器 3./4阻抗变换器 5.3.2 信源与负载的共轭匹配信源与负载的共轭匹配1.支节与主传输线特性阻抗相同支节与主传输线特性阻抗相同时单支节匹配时单支节匹配 5.3.2 信源与负载的共轭匹配 图图5.19 信源与负载间的共轭匹配网络信源与负载间的共轭匹配网络 图5.19 信源与负载间的共轭匹配网络 图图5.20 例例5.10用图用图 图5.20 例5.10用图 2.支节与主传输线特性阻抗不同支节与主传输线特性阻抗不同时单支节匹配时单支节匹配 2.支节与主传输线特性阻抗不同时单支节匹配5.4 混合参数元件混合参数元件电路的匹配路的匹配网网络设计在射频频段也常采用集总参数元件与在射频频段也常采用集总参数元件与分布参数元件混合使用的方法。分布参数元件混合使用的方法。5.4 混合参数元件电路的匹配 混合参数元件电路的匹配网络通常是混合参数元件电路的匹配网络通常是由几段传输线以及间隔配置的并联电容构由几段传输线以及间隔配置的并联电容构成，这种结构由于有集总参数的电容，结成，这种结构由于有集总参数的电容，结构比全部采用分布参数的匹配网络更紧凑。构比全部采用分布参数的匹配网络更紧凑。由于电感比电容有更高的电阻性损耗，所由于电感比电容有更高的电阻性损耗，所以混合参数元件的电路通常避免使用电感。以混合参数元件的电路通常避免使用电感。混合参数元件电路的匹配网络通常是由几段传输线以及间隔配置 只要网络由只要网络由2段传输线及之间段传输线及之间1个并联个并联电容构成，该网络就可以实现将任意负载电容构成，该网络就可以实现将任意负载转换成任意阻抗。但若对网络有带宽要求转换成任意阻抗。但若对网络有带宽要求时，需要增加网络中传输线及电容的数目。时，需要增加网络中传输线及电容的数目。只要网络由2段传输线及之间1个并联电容构成，该网络就可以 本节以微带线为例，讨论混合参数元本节以微带线为例，讨论混合参数元件的匹配网络。图件的匹配网络。图5.21为常见的微带线匹为常见的微带线匹配网络，图中配网络，图中TL1,TL2和和 TL3表示表示13段传输段传输线线,C1和和C2为传输线上并联的电容。为传输线上并联的电容。本节以微带线为例，讨论混合参数元件的匹配网络。图5.21 这种结构的优点是，在加工完电路之这种结构的优点是，在加工完电路之后，通过调整电容值及电容在微带线上的后，通过调整电容值及电容在微带线上的位置，可以调整电路的参数。位置，可以调整电路的参数。这种结构的优点是，在加工完电路之后，通过调整电容值及电容 图图5.21 混合参数构成的微带线匹配网络混合参数构成的微带线匹配网络 图5.21 混合参数构成的微带线匹配网络 图图5.22 例例5.12用图用图 图5.22 例5.12用图