电磁场课件--第二章阻抗与导纳圆图及其应用

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1、§2.3阻抗和导纳圆图及其应用分析利用传输线的阻抗特性实现阻抗匹配，使传输线工作在行波状态。介绍一种用于传输线工作状态分析和特性参量计算的图形工具阻抗和导纳圆图。一、传输线的匹配二、阻抗圆图三、阻抗圆图的应用四、导纳圆图一传输线的匹配传输线首要的问题是使之工作于或接近工作于行波状态，理论上反射系数Γ=0或电压驻波比S=1，实际工程中Γ<0.1,S<1.22可以认为达到指标要求了。对于负载已经确定，传输线已经给定，改善传输线的工作状态，使传输线与其负载匹配通常有两种基本方法：阻抗变换和阻抗调配。1阻抗变换法

2、在负载和传输线（主）之间接入一段四分之一波长线，利用四分之一波长线的阻抗变换特性，通过调节四分之一波长线的波阻抗实现主传输线和由四分之一波长线和负载组成的等效负载匹配。匹配条件：无损耗传输线，负载应为纯阻。匹配原理负载不为纯阻情况物理解释对于无损耗均匀传输线，在主线中接入四分之一波长线，相当于在均匀的传输线上增加了一个反射面。主传输线上的反射波由该反射面和负载反射面的反射波组成，两列反射波传播方向一致，振幅相同，相位反相，互相抵消，从而在主传输线上无反射波，使其处于行波状态。在四分之一波长线和负载之间通过

3、多次反射，负载完全吸收来自信源的能量。，，阻抗变换的窄带特性由于阻抗变换四分之一波长线长度和波长有关，严格意义上它只能对一个固定频率（波长）的信号实现匹配。所以说阻抗变换具有窄带特性。可以采用变换传输线级联的方法，即增加更多的反射面，改善阻抗变换的频带特性。2阻抗调配法在传输线寻找一个特殊的点，输入阻抗的电阻部分等于传输线的波阻抗；在这个点接入和输入阻抗电抗部分可以相互抵消的电抗元件，抵消输入阻抗的电抗部分，使得该点处等效负载与传输线匹配。3传输线的三种匹配状态阻抗匹配具有三种不同的含义,分别是负载阻抗匹

4、配、源阻抗匹配和共轭阻抗匹配,它们反映了传输线上三种不同的状态。负载阻抗匹配：负载阻抗匹配是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形,此时传输线上只有从信源到负载的入射波,而无反射波。匹配负载完全吸收了由信源入射来的微波功率;而不匹配负载则将一部分功率反射回去,在传输线上出现驻波。负载阻抗匹配是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形,此时传输线上只有从信源到负载的入射波,而无反射波。匹配负载完全吸收了由信源入射来的微波功率;而不匹配负载则将一部分功率反射回去,在传输线上出现驻波。反射波较大时,波腹电场要比行波电场大

5、得多,容易发生击穿,这就限制了传输线能最大传输的功率,因此要采取措施进行负载阻抗匹配。负载阻抗匹配一般采用阻抗匹配器。负载阻抗匹配电源的内阻等于传输线的特性阻抗时,电源和传输线是匹配的,这种电源称之为匹配源。对匹配源来说,它给传输线的入射功率是不随负载变化的,负载有反射时,反射回来的反射波被电源吸收。可以用阻抗变换器把不匹配源变成匹配源,但常用的方法是加一个去耦衰减器或隔离器,它们的作用是吸收反射波。源阻抗匹配共轭阻抗匹配信源的内阻和传输线的输入阻抗复共轭是等效负载得到的功率最大，称为共轭阻抗匹配。无耗传

6、输线信源的共扼匹配二阻抗圆图分析传输线的工作状态和实现传输线的匹配，离不开电压反射系数和阻抗的计算。阻抗圆图把反射系数和输入阻抗画在一个图上并与传输线的位置对应，为传输线工作状态分析和阻抗匹配提供了一种非常好的图形工具。在人类计算能力比较差的时候起到非常大的作用。即使在今天其精巧的设计思路给我们以启示。圆图简史阻抗圆图又称为Smith圆图(Smithchart)，是PhilipH.Smith(1905-1987)于1936年首先构造出来的，并发表于1939年，它最初被称为反射图或圆图。1阻抗圆图构成原理对

7、应传输线上每一位置，可以求出其反射系数和输入阻抗，这两个量均为复数，对应四个实数量，阻抗圆图就是在一个图上表示这四个量。反射系数表示是非常简单的，关键是输入阻抗的表示。归一化的阻抗定义归一化的输入阻抗，其意义在于不同波阻抗的传输线可以用一个图表示。反射系数的表示用复平面上点表示反射系数，点到原点的距离表示反射系数的模，连线与正实轴夹角表示反射系数的相位。归一化的阻抗与反射系数的关系归一化电阻和电抗是反射系数所在复平面上的二维标量函数（场）。归一化的阻抗图示用等值线表示电阻和电抗。电阻等值线图电抗等值线图圆

8、图表示反射系数模值同心圆、表示反射系数相位（幅角）的射线和表示归一化阻抗图叠在一起构造成阻抗圆图，“圆图”表示图上曲线多为圆。圆图上有四组曲线分别刻度了反射系数模、相位、电阻和电抗。图上同一点，反射系数模曲线和幅角射线相互垂直，电阻曲线和电抗曲线相互垂直，这种性质源于保角变换。圆图上的点和传输线上位置对应关系定义为传输线上的电尺寸。圆图上的点和传输线上的点有一对多的对应关系，即传输线上的任意一点可以找到圆图上的唯一的一点与之对