第06章 傳輸線理論

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1、第第6 6章章 傳輸線理論傳輸線理論 上一章我們用“場”的方法討論了幾種常用傳輸線中導(dǎo)行波的 傳播特性。本章用“路”的方法，將傳輸線作為分布參數(shù)來處理， 得到傳輸線的等效電路；然后由等效電路根據(jù)基爾霍夫定律導(dǎo)出 傳輸線方程；再解傳輸線方程，求得線上電壓和電流隨時(shí)間和空 間的變化規(guī)律；最后由此規(guī)律來分析電壓和電流的傳輸特性。這 種“路”的分析方法又稱為長線理論。事實(shí)上，“場”的方法和“路” 的方法是緊密相關(guān)，互相補(bǔ)充的。 6.1 傳輸線方程及其解 6.2 傳輸線的兩種工作參數(shù) 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài) 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 6.5 阻抗匹配 附錄A 單支節(jié)圓圖匹配過程 附錄B 雙支節(jié)

2、圓圖匹配過程 第第6 6章章 傳輸線理論傳輸線理論 一、引言 1. 分布參數(shù)和分布參數(shù)電路 傳輸線可分為長線和短線，其劃分是相對于波長而言的。所 謂長線是指傳輸線的幾何長度與線上傳輸電磁波波長的比值(即 電長度)大于或接近于1，反之稱為短線。在微波頻段，波長以 m 或 cm 計(jì)，故 1m 長的傳輸線已大于波長，應(yīng)視為長線；在電力 工程中，即使 1000m 長的傳輸線，對于頻率為50Hz (波長為6000 km)的交流電來說，應(yīng)視為短線。本課程中所涉及到的傳輸線均 為長線傳輸線。這樣，在滿足一定條件下，傳輸線就可以歸結(jié)為 “路”的問題來處理，借用電路理論和現(xiàn)成方法使問題得以簡化。 6.1 6.1

3、 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 長線和短線的區(qū)別還在于：長線為分布參數(shù)電路，短線為集 中參數(shù)電路。在低頻電路中，由于波長很長，可以忽略元件連接 線的分布參數(shù)效應(yīng)，認(rèn)為電場能量全部集中在電容器中，磁場能 量全部集中在電感器中，電阻是消耗電磁能量的。由這些集中參 數(shù)元件組成的電路稱為集中參數(shù)電路。隨著頻率的升高，當(dāng)電磁 波波長與電路尺寸可比擬時(shí)，電場能量和磁場能量的分布將很難 分開，而且連接元器件的導(dǎo)線的分布參數(shù)不能忽略，此時(shí)稱電路 為分布參數(shù)電路。 下面以平行雙導(dǎo)線為例進(jìn)行研究。所有結(jié)論均適用于其它微 波傳輸線。 6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 當(dāng)頻率升高后，導(dǎo)線中流過的高

4、頻電流會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使 導(dǎo)線的有效面積減小，高頻電阻( )增大，而且沿線各處均 有損耗，這就是分布電阻效應(yīng)；通有高頻電流的導(dǎo)線周圍存在高 頻磁場，這就是分布電感效應(yīng)；兩線間有電壓而存在高頻電場， 這就是分布電容效應(yīng)；兩線間介質(zhì)并非理想介質(zhì)而存在漏電流， 這相當(dāng)于兩線間并聯(lián)一個(gè)電導(dǎo)，這就是分布電導(dǎo)效應(yīng)。 當(dāng)頻率升高到微波頻段時(shí)，這些分布參數(shù)效應(yīng)不可忽略，而 且由于傳輸線的分布參數(shù)效應(yīng)，使傳輸線上的電壓和電流不僅是 時(shí)間的函數(shù)，也是空間位置的函數(shù)。 6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 /RlS2. 傳輸線的分布參數(shù)及其等效電路 我們可以結(jié)合傳輸線的具體結(jié)構(gòu)、尺寸、填充的媒質(zhì)來計(jì)算

5、具體傳輸線的分布參數(shù)。通常給出的是單位長度傳輸線的分布參 數(shù)，即電容 、電感 、電阻 、電導(dǎo) 。 有了分布參數(shù)，我們就可以將均勻傳輸線分割成許多微分段 。這樣，每個(gè)微分段可看作集中參數(shù)電路，其集中參數(shù)為 ，其等效電路為一個(gè) 型網(wǎng)絡(luò)，如下頁圖所 示。整個(gè)傳輸線的等效電路就是無窮多個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)。 為討論方便，規(guī)定負(fù)載所在的位置是 的點(diǎn)，從負(fù)載指向 源的方向是 z 增大的方向。 6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 0(F/m)C0(H/m)L0( /m)R 0(S/m)Gd ()z0000ddddC zL zR zG z、0z 6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 二

6、、傳輸線方程及其解 根據(jù)傳輸線的等效電路和基爾霍夫電壓、電流定律，即可導(dǎo) 出傳輸線上電壓、電流所滿足的方程。 設(shè)傳輸線上的 z 處的電壓、電流分別為 ，將基爾 霍夫電壓、電流定律應(yīng)用于傳輸線 dz 段，有： 整理得： 6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 ( , )( , )u z ti z t、0000(d )dd(d )ddiuuuR z iL ztuiiiG z uC zt 這里電壓應(yīng)為 u+du，忽略了高階無窮小 du 項(xiàng) 0000ddddddiuR z iL ztuiG z uC zt 對上式兩邊同時(shí)除以 dz ，得： 這就是傳輸線方程，又稱為電報(bào)方程。 如果傳輸線上電壓

7、、電流隨時(shí)間 t 作時(shí)諧變化，則電壓、電 流可表示為： 式中， 分別是 z 處的復(fù)數(shù)電壓和復(fù)數(shù)電流，它們只是 z 的函數(shù)。這樣，可得到復(fù)數(shù)形式的傳輸線方程： 6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 0000uiRiLztiuGuCztjj( , )Re ( )e( , )Re ( )ettu z tU zi z tI z( )( )U zI z、 式中， 分別是傳輸線單位長度上的串聯(lián) 阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納。 分別對(1)、(2)兩邊對 z 求導(dǎo)，并將另一式代入，整理得： 令 ，則上式變成： 0000jjZRLYGC、d( )( )dd ( )(2)d1)()U zZI zzI zYU zz

8、6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 2222d( )( )0dd( )( )0dU zZYU zzI zZYI zz20000(j)(j)ZYRLGC 上面第一式是均勻傳輸線中電壓滿足的波動(dòng)方程，它的通解為： 將(3)代入(1)，有： 式中， 為待定常數(shù)； 是傳輸線上電壓波和電流波的傳播常數(shù)， 為衰減常數(shù)， 為相移 常數(shù)。 具有阻抗的量綱，稱為傳 輸線的特性阻抗。 1212c( )ee1 d( )1( )(3)(4d)ee)zzzzU zAAU zI zAAZzZc0000/(j)/(j)ZZ YRLGC0000(j)(j)jZYRLGC6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程

9、及其解 222222d( )( )0dd( )( )0dU zU zzI zI zz12AA、 將 表達(dá)代入(3)、(4)式，并寫成瞬時(shí)表示式有： 可見，傳輸線上的電壓和電流以波的形式傳播。我們把傳輸 線上從電源流向負(fù)載的波叫入射波，從負(fù)載流向電源的波叫反射 波。根據(jù)規(guī)定的 z 的正方向，上兩式中右邊第一項(xiàng)是入射波，第 二項(xiàng)是反射波。兩項(xiàng)中均有衰減因子 或 ，說明入射波和反 射波沿著各自的流向，振幅呈指數(shù)規(guī)律衰減，這是傳輸線上分布 電阻和分布電導(dǎo)消耗電磁波能量的必然結(jié)果。 11221122c( , ) |ecos() |ecos()1( , )|ecos() |ecos()zzzzu z tA

10、tzAtzi z tAtzAtzZez6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 ez 待定常數(shù) 和 可根據(jù)電路的邊界條件來確定。電路的邊界 條件通常有以下三種情況：(1) 已知傳輸線的終端電壓 和終端 電流 ；(2) 已知傳輸線的始端電壓和電流；(3) 已知電源的電動(dòng) 勢 、內(nèi)阻抗 和負(fù)載 。 下面，我們只討論第一種情況。設(shè)負(fù)載 處，有 ，可得： 解得： 120120c(0)(0)UAAUAAIIZ00c00c1222UI ZUI ZAA，6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 1A2A0U0IggZ0Z0z 0(0)UU，0(0)II這樣，有： 對于無損耗傳輸線， ，則有：

11、 至此，我們就得到了傳輸線方程及其解。 0000jRG，jj00c00c00cjj00c00c00ccc( )eecosjsin22( )eecosjsin22zzzzUI ZUI ZU zUzI ZzUI ZUI ZUI zIzzZZZ6.1 6.1 傳輸線方程及其解傳輸線方程及其解 00c00c0000c00c00cc( )eeee( )( )22( )eeee( )( )22zzzzzzzzUI ZUI ZU zUUUzUzUI ZUI ZI zIIIzIzZZ一、傳輸線的工作特性參數(shù) 1. 特性阻抗 的一般表示式為 ，并且 由電壓、電流的表示式可知 ，即傳 輸線的特性阻抗是傳輸線上任意

12、點(diǎn)處的入射波電壓與入射波電流 的比值，或反射波電壓與反射波電流之比的負(fù)值。 對于無損耗傳輸線，有： ，則 。 在微波波段，構(gòu)成傳輸線的導(dǎo)體材料都是良導(dǎo)體，傳輸線中 填充的介質(zhì)也是良介質(zhì)，一般都有 ，所以工作 在微波波段的傳輸線 。 c0000/(j)/(j)ZZ YRLGCc( )/( )( )/( )ZUzIzUzIz c00/ZLC6.2 6.2 傳輸線的兩種工作參數(shù)傳輸線的兩種工作參數(shù) cZcZ0000RG，0000RLGC，c00/ZLC 由于傳輸線的分布參數(shù) 的大小取決于傳輸線的結(jié)構(gòu)、 尺寸及填充的媒質(zhì)，因此， 也取決于傳輸線的結(jié)構(gòu)、尺寸及填 充的媒質(zhì)等參數(shù)，而與源和負(fù)載沒有關(guān)系。

13、2. 傳播常數(shù) 由 ，容易算得： 對于無損耗傳輸線，有 ；對于微波波段工 作的傳輸線，有： 0000(j)(j)jZYRLGC12222222200000000122222222000000001()()()21()()()2R GL CRLGCL CR GRLGC6.2 6.2 傳輸線的兩種工作參數(shù)傳輸線的兩種工作參數(shù) 00LC、cZ000L C，00000000/22RGCLLCL C+，3. 相速度與波長 相速度 ，則無損耗傳輸線和微波傳輸線中電壓波和 電流波的相速度為： 。 把傳輸線上電壓波(或電流波)相位相差 的兩個(gè)等相位面間 的距離定義為波長，則 。 二、傳輸線的工作狀態(tài)參數(shù) 1.

14、 電壓反射系數(shù) 反射現(xiàn)象是傳輸線上最基本的物理現(xiàn)象，傳輸線上任一點(diǎn) z 處的電壓(電流)都是該處入射波電壓(電流)和反射波電壓(電流)的 疊加。 p/v 2/ 6.2 6.2 傳輸線的兩種工作參數(shù)傳輸線的兩種工作參數(shù) p00/1/vL C ( ) z2 我們把傳輸線上任意一點(diǎn)處的反射波電壓與入射波電壓之比 定義為該處的電壓反射系數(shù)，即： 對于無損耗傳輸線，電壓反射系數(shù)為： 式中， 是終端電壓反射系數(shù)， 是其輻角， 分別是負(fù)載上反射 波電壓和入射波電壓的輻角。 由于入射波的一部分能量被負(fù)載吸收，其余被反射，則必有 ，這樣 。 ( )( )/( )zUzUz0jj(2)j2000j0e( )( )

15、e|e( )ezzzzUUzzUzU00000jj()j00000j00|e|e|e|eUUUU6.2 6.2 傳輸線的兩種工作參數(shù)傳輸線的兩種工作參數(shù) 0000、00| |UU0| 1 從 的表達(dá)式可知，無損耗傳輸線上各處電壓反射系數(shù)的 模都等于負(fù)載處電壓反射系數(shù)的模，而其輻角隨 z 變化，在傳輸 線上每移動(dòng) ，電壓反射系數(shù)的輻角改變 。 2. 輸入阻抗 我們把傳輸線上 z 處的電壓 與電流 之比定義為從 z 向負(fù)載方向看的輸入阻抗 ，即： 。 對無損耗傳輸線，有： 式中， 為負(fù)載阻抗。 00c0cinc0c00ccosjsinjtan( )( )( )jtancosjsinUzI ZzZZ

16、zU zZzZUI zZZzIzzZ6.2 6.2 傳輸線的兩種工作參數(shù)傳輸線的兩種工作參數(shù) ( ) z/22in( )Zz( )U z( )I zin( )Zzin( )( )/ ( )ZzU zI z0Z 當(dāng) 時(shí)，有 ，即傳輸線上任意位置的輸入阻抗 都等于 ，這樣 ，此時(shí)反射波電壓 這說明終端負(fù)載 的無損耗傳輸線上沒有反射波，這與傳輸 線為無限長的情況等效。 當(dāng) 時(shí)， 隨 z 以周期 變化。這樣，一段長度為 l 的傳輸線與負(fù)載一起可被等效為輸入阻抗 ，這相當(dāng)于將原 來的負(fù)載 由這段傳輸線變換成了 。因此，一段有限長的傳 輸線(除 外)具有阻抗變換的功能。當(dāng) 時(shí)，由于周 期性， 。 00c(

17、 )e02zUI ZUz6.2 6.2 傳輸線的兩種工作參數(shù)傳輸線的兩種工作參數(shù) 0cZZinc( )ZzZcZ0000cUI ZI Z0cZZ0cZZin( )Zz/2in( )Zl0Zin( )Zl/2ln/2lnin0( )ZlZ 由于導(dǎo)納和阻抗互為倒數(shù)，所以輸入導(dǎo)納： 式中， 是傳輸線的特性導(dǎo)納， 是負(fù)載導(dǎo)納。 3. 輸入阻抗與反射系數(shù)的關(guān)系 對無損耗傳輸線， ，而且 則有： 由此，得： 或 0cincinc0jtan1( )( )jtanYYzYzYZzYYz( )( )( )Uzz Uz( )( )( )( )1( )( )( )( )( )1( )U zUzUzUzzI zIzI

18、zIzzinc( )1( )( )( )1( )U zzZzZI zzincinc( )( )( )ZzZzZzZc( )( )( )( )( )( )( )( )( )UzUzUzIzZzIzIzUzIz 6.2 6.2 傳輸線的兩種工作參數(shù)傳輸線的兩種工作參數(shù) cc1/YZ001/YZ可以看出， 與 有一一對應(yīng)關(guān)系，可以相互求得。 若將上式兩邊除以 ，可定義傳輸線上 z 處的歸一化輸入阻 抗為： 和 由此可見，歸一化輸入阻抗與電壓反射系數(shù)一一對應(yīng)的關(guān)系 與均勻無損耗傳輸線的特性阻抗無關(guān)，這說明該關(guān)系式可適用于 任何一條均勻無損耗傳輸線，它是后面要講的史密斯圓圖的基本 關(guān)系式。 在負(fù)載端 處

19、，有： ininc( )1( )( )1( )ZzzZzZzinin( ) 1( )( ) 1ZzzZz000c000c00000c0111111ZZZZZZZZZ，6.2 6.2 傳輸線的兩種工作參數(shù)傳輸線的兩種工作參數(shù) in( )Zz( ) zcZ0z 對于無損耗傳輸線，按反射系數(shù)模值的大小，可將傳輸線的 工作狀態(tài)分為三種：(1) 的無反射工作狀態(tài)；(2) 的全反射工作狀態(tài)；(3) 的部分反射工作狀態(tài)。下面將 分別討論傳輸線在三種工作狀態(tài)下電壓和電流的分布情況，以及 傳輸線的阻抗特性。 一、無反射工作狀態(tài) 若傳輸線上處處有 ，則傳輸線處于無反射工作狀態(tài), 也稱為行波工作狀態(tài)。由前面的討論可

20、知，當(dāng) 時(shí)，有： 傳輸線上沒有反射波，只有從源流向負(fù)載的入射行波，即： 6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) ( )0z( )1z0( )1z( )0z( )0z00c( )00UzZZ， 傳輸線上電壓和電流的振幅分別為： 傳輸線上各處的輸入阻抗均為： 可見，當(dāng)傳輸線終端負(fù)載 等于傳輸線特性阻抗 時(shí)，傳輸 線處于無反射工作狀態(tài)，傳輸線上電壓和電流的振幅均不變，電 壓、電流處處同相，其相位隨 z 的減小而連續(xù)滯后，傳輸線上任 意一點(diǎn)的輸入阻抗 都等于傳輸線的特性阻抗。 j0jj00c( )( )e( )( )eezzzU zUzUUI zIzIZ00( )( )( )(

21、)U zUzUI zIzI6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) inc( )ZzZ0ZcZin( )Zz二、全反射工作狀態(tài) 若傳輸線上處處有 ，則傳輸線處于全反射工作狀態(tài), 也稱為純駐波工作狀態(tài)。此時(shí)終端負(fù)載不吸收能量，從信號源傳 向負(fù)載的入射波能量在終端被負(fù)載全部反射，傳輸線上的入射波 與反射波疊加，形成了純駐波。全反射工作狀態(tài)下的負(fù)載有三種 情況，下面分別討論。 1. 短路線(終端短路傳輸線) 終端被理想導(dǎo)體所短路的傳輸線稱為短路線。傳輸線終端短 路時(shí)，有 ，由 ，可得： 0c00c1ZZZZ 6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) ( )1z

22、00Z 由于 和 同相(因?yàn)?為實(shí)數(shù))，則可把電壓和 電流的瞬時(shí)值表示為： 可見，沿線各點(diǎn)電壓和電流均隨時(shí)間作余弦變化，且電壓和 電流的相位差為 ；電壓(或電流)的振幅在空間上隨 z 呈正弦 (或余弦)分布；電壓(或電流)在相鄰兩個(gè)零點(diǎn)之間各點(diǎn)的相位相 同，零點(diǎn)兩邊各點(diǎn)的相位相反，這說明電壓和電流呈駐波分布。 jj2000jj2000( )e(1e)j2sin( )e(1e)2coszzzzU zUUzI zIIz0U6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) 0Ic0000/ZLCUIj00j00( , )Re ( )e2sincos(/2)( , )Re ( )e2cos

23、cos()ttu z tU zz Uti z tI zz It/2 為簡便起見，設(shè) 。這樣，根據(jù)上式可以畫出短路線沿 線電壓、電流的瞬時(shí)分布曲線，如下頁圖所示。 沿線電壓和電流的振幅分別為： 其分布曲線如下頁圖所示?？梢姡鼐€各點(diǎn)的電壓和電流的振幅 也不相同，均呈余弦變化。在 ，即 處，電壓振 幅為0，電流振幅取最大值 ，這些位置稱為電壓波節(jié)點(diǎn)，電 流波腹點(diǎn)。在 處，即 處，電壓振幅 取最大值 ，電流振幅為0，這些位置稱為電壓波腹點(diǎn)，電流 波節(jié)點(diǎn)。其中，n 取非負(fù)整數(shù)。 00( )2sin( )2cosU zUzI zIz，006.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) zn

24、/2zn(21) /4zn02 I(21)/2zn02U 此時(shí)，短路線的輸入阻抗為： 可見，它是一個(gè)純電抗，相當(dāng)于低頻電路中的電感或電容。 所以短路線只能存儲(chǔ)能量，而不能傳輸能量。在電壓波腹點(diǎn)(電 流波節(jié)點(diǎn))處，有 ，這相當(dāng)于低頻電路中的并聯(lián)諧振； 而在電壓波節(jié)點(diǎn)(電流波腹點(diǎn))處，有 ，這相當(dāng)于低頻電 路中的串聯(lián)諧振；在其它位置時(shí)， 呈感性或容性，其輸入電 抗 在 之間周期變化。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，可以用短路線做 成具有任意電抗值的電抗元件。 inc( )( )/ ( )jtanZzU zI zZz6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) in( )Zzin( )Zz in( )

25、0Zz inX(,) 2. 開路線(終端開路傳輸線) 當(dāng)傳輸線終端開路時(shí)，有： 。這樣 傳輸線上任意 z 處的電壓和電流分別為： 由此， 可見， 也是純電抗，所以開路線也只能存儲(chǔ)能量。而且 與短路線 表達(dá)式比較可知，我們只要把短路線上各點(diǎn)電壓 和電流的分布規(guī)律向 -z 方向移動(dòng) 即可得到開路線電壓和電 流的分布規(guī)律。 j2001( )ezZz，jj2000jj2000( )e(1e)2cos( )e(1e)j2sinzzzzU zUUzI zIIzinccc( )( )jcotjtan()jtan()( )24U zZzZzZzZzI z 6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工

26、作狀態(tài) in( )Zzin( )Zz/4 將曲線向 z 方向移動(dòng) ，相當(dāng)于將坐標(biāo)原點(diǎn)向 +z 方向移 動(dòng) ，這就說明，開路線電壓、電流的振幅分布曲線和阻抗分 布曲線可以用縮短短路線的方法來得到，如圖所示。 可見，在 處，有 ，是電壓波腹點(diǎn)，電流波 節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于并聯(lián)諧振；在 處，有 ，是電 壓波節(jié)點(diǎn)，電流波腹點(diǎn)，相當(dāng)于串聯(lián)諧振；在其它位置， 呈 感性或容性，其輸入電抗 在 之間周期變化。其中， n 取非負(fù)整數(shù)。因此，開路線也可以做成具有任意電抗值的電抗元 件。 6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) /4/4/2zn(21) /4znin( )Zz in( )0Zz in(

27、 )ZzinX(,) 6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) 3. 終端接純電抗性負(fù)載 由前述討論可知，長度為 的短路線的輸入阻抗為無窮大 (相當(dāng)于開路)；長度為 的開路線的輸入阻抗為零(相當(dāng)于短路); 長度小于 的短路線的輸入阻抗為感抗(相當(dāng)于電感)；長度小于 為的開路線的輸入阻抗為容抗(相當(dāng)于電容)。 這樣，如果傳輸線終端接純電抗性負(fù)載時(shí)，即可將純電抗負(fù) 載等效為長度小于 的短路線或開路線。這樣，就可以用分析 短路線和開路線的方法來分析。所以，如果在短路線或開路線的 相應(yīng)分布曲線上截掉這小于 的長度，那么線上的分布就是終 端接純電抗性負(fù)載時(shí)電壓、電流及阻抗的分布。 6

28、.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) /4/4/4/4/4/4 綜上所述，當(dāng)無損耗傳輸線終端短路、開路或接純電抗性負(fù) 載時(shí)，線上將產(chǎn)生全反射而形成駐波，整個(gè)傳輸線只能存儲(chǔ)能量 而不能傳輸能量，且線上駐波具有如下特點(diǎn)：(1) 沿線電壓、電流 的振幅值隨位置變化，但在某些位置上永遠(yuǎn)是電壓波腹點(diǎn)(電流波 節(jié)點(diǎn))，且波腹點(diǎn)電壓值(或電流值)是入射波幅值的兩倍；(2) 與電 壓波腹點(diǎn)(電流波節(jié)點(diǎn))相距 處永遠(yuǎn)是電壓波節(jié)點(diǎn)(電流波腹點(diǎn)), 且波節(jié)點(diǎn)振幅為零；(3) 沿線電壓、電流在時(shí)間和空間上均相差 ；(4) 沿線阻抗分布除了電壓波腹點(diǎn)為無限大和電壓波節(jié)點(diǎn)為 零外，其余各處均為純電抗

29、。(5) 兩相鄰波節(jié)點(diǎn)之間的沿線電壓 (或電流)相位相同，波節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的沿線電壓(或電流)相位相反。 6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) /4/2三、部分反射工作狀態(tài) 若傳輸線終端接有復(fù)阻抗 時(shí)，終端電壓反射系數(shù) 為： 其中， 可見， ，表明傳到負(fù)載的入射波能量，一部分被負(fù)載 吸收，其余被負(fù)載反射回去，傳輸線上既有行波成分，又有駐波 成分，此時(shí)傳輸線處于部分反射工作狀態(tài)，又稱為行駐波狀態(tài)。 1. 沿線電壓和電流的分布 傳輸線上的電壓和電流是各自入射波和反射波的疊加，即： 000jZRX0222j0c0c00c0022220c0c00c02je()()ZZRZXX ZZZ

30、RZXRZX6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) 220c00c00222220c00c0()2arctan()RZXX ZRZXRZX，01 可得電壓和電流的振幅分別為： 可見，沿線電壓和電流的振幅分布具有如下特點(diǎn)。 (1) 沿線電壓和電流的幅值呈非正弦周期分布； (2) 當(dāng) 時(shí)，即在 處，電壓振幅 取最大值 ，電流振幅取最小值 。其中，n 取非負(fù)整數(shù)。 2000020000( )12cos(2)( )12cos(2)U zUzI zIz022zn00j(2)jj2j0000j(2)jj2j0000( )e(1e)e1e( )e(1e)e1ezzzzzzzzU zUU

31、I zII6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) 0/4/2zn 00(1)U00(1)I (3) 當(dāng) 時(shí)，即在 處， 電壓振幅取最小值 ，電流振幅取最大值 。 (4)電壓(或電流)波腹點(diǎn)與相鄰的波節(jié)點(diǎn)相距 。 2. 駐波系數(shù)和行波系數(shù) 為了描述傳輸線上駐波的大小，引入駐波系數(shù) (也叫電壓駐 波比，VSWR)的概念，它是傳輸線上電壓最大振幅值與電壓最 小振幅值之比，即： 對于無損耗傳輸線，有： 6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) 02(21)zn0/4(21) /4zn 00(1)U00(1)I/4maxmin( )/( )U zU z0max0

32、min( )1( )1( )1( )1U zzU zz 可見，在無損耗傳輸線上，駐波比 處處相等。 由于 ，所以 。 對應(yīng) 的無反射 工作狀態(tài)； 對應(yīng) 的全反射工作狀態(tài)。由上式可得： 我們還用行波系數(shù) K 來表示傳輸線上反射波的強(qiáng)弱程度，定 義為： 很明顯，有： 顯然， 。 對應(yīng) 的無反射工作狀態(tài)； 對應(yīng) 的全反射工作狀態(tài)。 0( )1z01( )1z6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) 1 1( )0z ( )1zminmax( )/( )KU zU z001( )111( )1zKz01K1K ( )0z0K ( )1z3. 沿線阻抗分布 當(dāng)傳輸線終端接任意負(fù)載 時(shí)

33、，其輸入阻抗為： 其分布具有如下特點(diǎn)：(1) 輸入阻抗值作周期變化，在電壓波腹 點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)處，輸入阻抗均為純電阻，分別取最大值和最小值： 00000cincininc0j(2)j(2)j000cj(i2)j(2)nj000jtan( )( )j( )jtane1e1e( )( )e1e1e( )zzzzzzZZzZzZRzXzZZzUU zZzIZzI6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) 000jZRX0max0inmaxccc0min0c0mininminccc0max( )1( )( )142( )1(21)( )( )144U znZzZZZzI zU zZnZz

34、ZKZZzI z ，對應(yīng)的歸一化輸入阻抗分別為： 由上面討論可知，相鄰的 和 之間的距離為 。因此長度 為 的傳輸線段可以作為電阻變換器。若 線端接一大電阻 ，則其輸入阻抗為一小電阻，反之則為一大電阻。 (2) 每 ，阻抗性質(zhì)變換一次，由容性阻抗變成感性阻抗，或由 感性阻抗變成容性阻抗，即長度為 奇數(shù)倍的傳輸線具有阻抗 性質(zhì)變換的功能。 (3) 每 ，阻抗重復(fù)一次，即長度為 整數(shù)倍的傳輸線，其輸 入阻抗等于負(fù)載阻抗。 6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) inmaxinminininmaxmincc( )( )( )( )ZzZzZzZzKZZ，/4/2maxzminz

35、/4/40cRZ/4/4/2四、傳輸功率 通過傳輸線上任意一點(diǎn) z 處的平均功率定義為： 這樣，處于部分反射工作狀態(tài)的傳輸線所傳輸?shù)墓β蕿椋?由于 恒為實(shí)數(shù)，且 ，代 入上式，則有： 1( )Re( )( )2P zU z Iz00j(2)j(2)*000022*000000001( )Re1e1e211Re1j2sin(2)(1)22zzP zUIU IzU I2*0000c0c/U IU UZUZ000UU2200cc( )( )( )22UUP zPzPzZZ6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) 這說明，無損耗傳輸線上任一點(diǎn) z 處的平均功率均相等，等于該 點(diǎn)處入

36、射波功率與反射波功率之差。 又由于 ， 可寫成： 可見，當(dāng)傳輸線耐壓一定或承載電流一定時(shí)，行波系數(shù)K 越 大，所能傳輸?shù)墓β室苍酱蟆Ｔ诓话l(fā)生擊穿的情況下，傳輸線的 功率容量為： 2*0002max0000maxminc20000cminmaxmax1( )(1)2( )111(1)(1)( )( )222111(1)(1)( )( )( )222P zU IU zUIU zI zKZUIU zI zI zZ K22brbrcbrc11/22PUK ZIZ K6.3 6.3 無損耗傳輸線的工作狀態(tài)無損耗傳輸線的工作狀態(tài) 2*000c00/U IUZUI( )P zmaxminminccmincm

37、axmax( )( )( )( )( )( )K U zU zI zZZU zK U zK I zZ 在微波工程中，經(jīng)常會(huì)遇到阻抗的計(jì)算和阻抗匹配的問題。 我們可以利用前面介紹的公式進(jìn)行計(jì)算，但是由于是復(fù)數(shù)計(jì)算， 運(yùn)算過程將會(huì)非常繁瑣。工程中常采用阻抗圓圖來進(jìn)行計(jì)算，既 方便易用，又能達(dá)到一般工程所需要的精度。 為了使阻抗圓圖適用于任意特性阻抗傳輸線的計(jì)算，所以圓 圖上的阻抗均采用歸一化值。阻抗圓圖有不同的形式，在極坐標(biāo) 下繪出的圓圖稱為史密斯(Smith)圓圖，它是應(yīng)用最廣的圓圖。下 面將介紹史密斯圓圖的原理、構(gòu)造和應(yīng)用。 6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 一、阻抗圓圖

38、阻抗圓圖是由等反射系數(shù)圓族、等反射系數(shù)幅角線族、等電 阻圓族和等電抗圓族組成。其中前兩者并未在圓圖中繪出。 1. 等反射系數(shù)圓 均勻無損耗傳輸線上距離終端 z 處的電壓反射系數(shù)為： 則有： 這表明， 在復(fù)平面上的軌跡是以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心， 為半徑的圓。那么，不同的反射系數(shù)的模就對應(yīng)不同半徑的 圓。這一族同心圓就是等反射系數(shù)圓族。 0j(2)00000ab( )ecos(2)jsin(2)jzzzz( ) z6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 2222ab0( ) z( ) z0 由于 ，所以所有的等反射系數(shù)圓都位于單位圓內(nèi)或 單位圓上。又由于駐波系數(shù) 與反射系數(shù)的 模一一對應(yīng)，

39、所以又稱為等駐波系數(shù)圓族。半徑為零，即坐標(biāo)原 點(diǎn)，對應(yīng) 的無反射工作狀態(tài)；半徑為1，即單位圓，對應(yīng) 的全反射工作狀態(tài)。 2. 等反射系數(shù)輻角線 距離終端 z 處的反射系數(shù)的輻角為 。可以看出， 這是一個(gè)直線方程，表明在復(fù)平面上等反射系數(shù)輻角線是由原點(diǎn) 出發(fā)，終止于單位圓的線段。 = 1+( ) / 1( )zz 02 z6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 ( )1z( )0z( )1z 在阻抗圖圖上，在單位圓的外側(cè)標(biāo)出輻角 的刻度，并規(guī)定 復(fù)平面的實(shí)軸與單位圓的交點(diǎn)為 的點(diǎn)。從該點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 一周， 從零增大到 ，此時(shí) z 向減小的方向變化，即從源端向 終端變化；相應(yīng)地，順時(shí)

40、針方向是 減小的方向，是 z 增大的方 向，即從終端向源端變化。 在傳輸線上，觀察點(diǎn)移動(dòng)的距離 與等反射系數(shù)輻角的變化 之間的數(shù)值上的關(guān)系為： 式中， 稱為電長度(或波長數(shù))，將它在阻抗圓圖上的起點(diǎn) 選在 處。由此可見， 變化 ，即觀察點(diǎn)在傳輸線上移動(dòng) 的距離時(shí)， 變化0.5， 變化 。 26.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 0z244zzl /lz z/2/2l2 有了等反射系數(shù)圓和等反射系數(shù)輻角線，如果已知傳輸線終 端的反射系數(shù) ，就可以容易地求出傳輸線上任一點(diǎn) z 處的反射系數(shù)。首先在圓圖上找到 點(diǎn)，以 為半徑作等反射 系數(shù)圓，從圓心出發(fā)過 點(diǎn)作射線。然后將該射線按順時(shí)

41、針方向 (由終端向源端)旋轉(zhuǎn)電長度 ，與所作的半徑為 的等反射系數(shù)圓相交，則交點(diǎn)所對應(yīng)的反射系數(shù)就是所求 z 點(diǎn)處 的反射系數(shù) 。 同樣，如果已知點(diǎn) z 處的反射系數(shù) ，要求終端反射系數(shù) ，則可用類似的方法，不同的只是旋轉(zhuǎn)的方向變?yōu)槟鏁r(shí)針方 向(由源端向終端)。 ( ) z0zzzl6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 0j00e0000( ) z0小結(jié)：(1) 由于 的周期是 ，所以當(dāng) z 變化 時(shí)，輻角變化 ，同時(shí)， 變化0.5，恰好旋轉(zhuǎn)了一周。(2) 順時(shí)針 方向是從終端到源端的方向，是 減小的方向，在圓圖上 的讀 數(shù)應(yīng)讀外圈的數(shù)值；逆時(shí)針方向是從源端到終端的方向，是 增

42、 大的方向， 的讀數(shù)應(yīng)讀里圈的數(shù)值。 參考例題：教材P.235例8-1。 3. 等電阻圓和等電抗圓 將 代入 ，有： 26.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 0j(2)0( )ezz/2/2lllabjin(1)/(1)Z22ababbin2222ababab1 (j)1 ()2jj1 (j)(1)(1)Zrx則有： 將上面兩個(gè)式子進(jìn)一步整理，有： 顯然，這兩個(gè)方程是 復(fù)平面上的圓方程。 方程(1)是以歸一化電阻 r 為參數(shù)的圓族，稱為等電阻圓族， 其圓心為 ，半徑為 。 22ab22abb22ab1 ()0()(1)2(,)()(1)rx 歸一化電阻歸一化電抗222ab222

43、ab11111(1)(1)2)rrrxx6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 abjab01rr，11r 可以看出，等電阻圓的圓心都在 的實(shí)軸上，并且圓心 橫坐標(biāo)與半徑之和恒等于1，所以所有的等電阻圓均在(1,0)點(diǎn)與 的等反射系數(shù)圓相內(nèi)切。當(dāng) r 由零增加到無窮大時(shí)，電 阻圓由單位圓縮小至(1,0)點(diǎn)，這說明等電阻圓都在單位圓內(nèi)。 方程(2)是以歸一化電抗 x 為參數(shù)的圓族，稱為等電抗圓族， 其圓心為 ，半徑為 。 可以看出，等電抗圓的圓心都在 的直線上，并且圓心 縱坐標(biāo)的絕對值與半徑相等，所以等電抗圓都在(1,0)點(diǎn)與實(shí)軸相 切。當(dāng) 由零增加到無窮大時(shí)，圓的半徑由無窮大減小

44、到零，即 等電抗圓由直線 縮小為一點(diǎn)(1,0)。 6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 b0( )1zab11/ x，1/ |xa1xb0 我們把前面所講的四種軌跡畫在一張極坐標(biāo)圖上，即可得到 阻抗圓圖(見教材P.237圖8-14)。圖中沒有繪出等反射系數(shù)圓族(可 以利用圓規(guī)和直尺直接找出)和等反射系數(shù)輻角線族(在單位圓外 標(biāo)出刻度)。另外，由于反射系數(shù)都在單位圓內(nèi)，所以等電抗圓 是單位圓內(nèi)的一段圓弧，單位圓外的部分無意義。 這樣，從圓圖中任一點(diǎn)可直接讀出四個(gè)量 ，并 且已知其中的兩個(gè)量，即可求出另外兩個(gè)量。 根據(jù) 與 的關(guān)系，有： 022in2222inj(2)jab001j

45、112jj1(1)(1)1jeezZrxrxxrxrxrxZ6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 rx、 、| |、inZ 由此可以歸納出阻抗圓圖具有如下特點(diǎn)。 (1) 三個(gè)特殊點(diǎn) 開路點(diǎn)(1,0)： 短路點(diǎn)(-1,0)： 匹配點(diǎn)(0,0)： (2) 兩個(gè)特殊面 上半平面：感性阻抗，此時(shí) ，即 ； 下半平面：容性阻抗，此時(shí) ，即 。 abin1010(1)/(1)(1)/(1)rZ ，abin101000Zrx ，abin0001110Zrx，6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 b00 x b00 x (3) 三條特殊線 純電阻線： ，有 ，即實(shí)軸。此時(shí)， 電

46、壓波節(jié)點(diǎn)軌跡： 時(shí)， ，即左半實(shí)軸。此時(shí)反射系 數(shù)幅角 ，由 可知，此時(shí)為 電壓波節(jié)點(diǎn)。在電壓波節(jié)點(diǎn)處有 ，而且此時(shí)有 所以左半實(shí)軸上 r 的值還表示該點(diǎn)的行波系數(shù) K 的值。 電壓波腹點(diǎn)軌跡： 時(shí)， ，即右半實(shí)軸，此時(shí)反射系 數(shù)輻角 ，由上式可知，此時(shí)為電壓波腹點(diǎn)。在電壓波腹點(diǎn)處 有 ，而且此時(shí)有 ，所以右半實(shí)軸上 r 的值還表示該 點(diǎn)的駐波系數(shù) 的值。 2a211(1)1rrrr20000( )12cos(2)U zUz6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 b00 x 1r a0inZKin11Zr，1r a00inZinZr(4) 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向 逆時(shí)針方向：傳輸線上由源端

47、向終端方向移動(dòng)； 順時(shí)針方向：傳輸線上由終端向源端方向移動(dòng)。 二、導(dǎo)納圓圖 在微波電路中也常采用并聯(lián)元件構(gòu)成。在實(shí)際問題中，若已 知的是導(dǎo)納，并且要求導(dǎo)納，那么用導(dǎo)納計(jì)算就非常方便。對于 導(dǎo)納，同樣也可以利用圓圖來計(jì)算，這樣的圓圖稱為導(dǎo)納圓圖。 由于導(dǎo)納是阻抗的倒數(shù)，則歸一化導(dǎo)納 ，這里 的 是電壓反射系數(shù)。如果該式用電流反射系數(shù) 來表示，由于 inin111YZj()I( )( )( )( ) e( )IzzzzIz 6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 I所以有 ，這與 具有相同的形式。 以上分析表明，只要將 r 換成 g ，x 換成 b ，就可以把阻抗 圓圖作為導(dǎo)納圓圖來

48、使用，求得的反射系數(shù)為電流反射系數(shù)。 因此，在使用圓圖進(jìn)行計(jì)算時(shí)，若由阻抗求阻抗(或由導(dǎo)納 求導(dǎo)納)，則將圓圖直接當(dāng)作阻抗(或?qū)Ъ{)圓圖使用即可；若由阻 抗求導(dǎo)納(或由導(dǎo)納求阻抗)，則將所得的阻抗(或?qū)Ъ{)在圓圖上 旋轉(zhuǎn)180度，即可得到要求的導(dǎo)納(或阻抗)。 導(dǎo)納圓圖與阻抗圓圖在每個(gè)點(diǎn)處的數(shù)值是相等的，但物理意 義是不同的。 in1j1Ygb6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 in1j1Zrx (1) 開路點(diǎn)與短路點(diǎn)對換。點(diǎn)(1,0)在導(dǎo)納圓圖上對應(yīng) ， ，則有 ，為短路點(diǎn)；點(diǎn)(-1,0)在導(dǎo)納圓圖上 對應(yīng) ，則有 ，為開路點(diǎn)。 (2) 感性半圓與容性半圓對換。導(dǎo)納圓圖中，

49、上半圓有 為容性半圓；下半圓有 ，為感性半圓。 (3) 電壓波腹點(diǎn)與電壓波節(jié)點(diǎn)位置對換。根據(jù) 導(dǎo)納圓圖中，實(shí)軸 ，則有 ，即實(shí)軸線為純電導(dǎo)線，此 時(shí)，有： ab10 ，inin0YZ ，6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 b0inin0YZ ，a10b ，0b 22inab2222in1() 12jj1(1)(1)YgbbYgbgbb00b 2a211(1)1gggg 當(dāng) 時(shí)， ，即左半實(shí)軸，此時(shí) ，則由 可知，此時(shí)為電流波節(jié)點(diǎn)； 當(dāng) 時(shí)， ，即右半實(shí)軸，此時(shí) ，則由上 式可知，此時(shí)為電流波腹點(diǎn)。 三、圓圖應(yīng)用舉例 圓圖是微波工程設(shè)計(jì)中的重要工具，利用圓圖可以解決如下 問題：

50、(1) 根據(jù)終端負(fù)載阻抗計(jì)算傳輸線上的駐波比；(2) 根據(jù)負(fù) 載阻抗和線長計(jì)算輸入阻抗、輸入導(dǎo)納及輸入端反射系數(shù)；(3) 根據(jù)線上的駐波比和電壓波節(jié)點(diǎn)的位置確定負(fù)載阻抗；(4) 阻抗 和導(dǎo)納的互算等。 1g a06.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 0，20000( )12cos(2)I zIz1g a00，例：已知雙導(dǎo)線傳輸線的特性阻抗為 ，終端負(fù)載阻抗為 。求終端反射系數(shù) ，以及由終端起第一個(gè)電壓 波腹點(diǎn)到終端的距離 和第一個(gè)電壓波節(jié)點(diǎn)的位置 。 解：(1) 計(jì)算歸一化負(fù)載阻抗， 有： 在阻抗圓圖上找到 兩圓的交點(diǎn)A點(diǎn)，即為 在圓圖 上的位置，如圖所示。 (2) 計(jì)算終端反

51、射系數(shù) 。點(diǎn)A 在 的等反射系數(shù)圓上。 6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 c300Z 0(180j240)Z 0maxzminz00c/0.6j0.8ZZZ0.60.8rx，0Z0 x = 0.8 r = 0.6 | = 0.5 源 C ( )0.5z將OA延長至單位圓上的E點(diǎn)，讀得向波源方向的電長度為0.125, 而實(shí)軸對應(yīng)的電長度為0.25，則該反射系數(shù)的幅角 對應(yīng)的電長 度 ，則 ，所以 。 (3) 計(jì)算 。以O(shè)為圓心，OA為半徑作等反射系數(shù)圓，順時(shí)針旋 轉(zhuǎn)到與右半實(shí)軸相交的B點(diǎn)，B點(diǎn)就是要求的電壓波腹點(diǎn)。B點(diǎn)與 A點(diǎn)電長度差值為 ，則有 。 (4) 計(jì)算 。以O(shè)為圓

52、心，OA為半徑作等反射系數(shù)圓，順時(shí)針旋 轉(zhuǎn)到與左半實(shí)軸相交的C點(diǎn)，C點(diǎn)就是要求的電壓波節(jié)點(diǎn)。C點(diǎn)與 A點(diǎn)電長度差值為 ，則有 。 max00.250.125zl6.4 6.4 阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖 4/2lj /200.5emaxzmax0.125zlminz0.250.1250.125l min00.1250.25zlmin0.375zl6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 阻抗匹配是傳輸線理論中的重要概念。在由微波源、傳輸線 和負(fù)載組成的微波傳輸系統(tǒng)中，如果傳輸線與負(fù)載不匹配，傳輸 線上將形成駐波，這一方面使傳輸線的功率容量降低，另一方面 會(huì)增加傳輸線的衰減；如果微波源與傳輸線

53、不匹配，則會(huì)影響微 波源的輸出頻率和功率的穩(wěn)定性，而且使微波源不能給出最大功 率，負(fù)載不能得到全部的入射功率。因此，傳輸線一定要匹配。 傳輸線阻抗匹配有兩種：一種是微波源的阻抗匹配，要解決 的是如何使微波源給出最大功率；另一種是負(fù)載阻抗匹配，要解 決的是如何消除負(fù)載引起的反射，使線上沒有反射波，從而工作 在無反射工作狀態(tài)。 一、微波源的阻抗匹配 在傳輸線的任意一個(gè)橫截面處，如果向負(fù)載方向看的輸入阻 抗 與向波源方向看的輸入阻抗 的共軛值相等，即 ， 則稱該微波源是共軛阻抗匹配的?？梢宰C明，此時(shí)微波源的輸出 功率為最大值 ，其中， 分別為微波源的等效 電壓和內(nèi)電阻。 如果微波源的內(nèi)阻抗 等于傳輸

54、線的特性阻抗 ，我們稱這 種微波源為匹配微波源。如果此時(shí)負(fù)載也與傳輸線匹配，則匹配 微波源的輸出功率將全部被負(fù)載吸收，整個(gè)系統(tǒng)中沒有反射。 6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 inZinZininZZ2gg| /(3)PURggUR、gZcZ 如果負(fù)載不匹配，則負(fù)載引起的反射將被匹配微波源完全吸 收，不會(huì)引起二次反射。所以人們總是希望能使用匹配微波源。 但是在一般情況下，微波源并不是匹配微波源。因此，為了 消除微波源與傳輸線不匹配所帶來的影響，以及負(fù)載與傳輸線不 匹配對微波源的影響，可以在微波源與傳輸線之間接一個(gè)具有單 向傳輸特性的隔離器，讓微波源的輸出功率幾乎無衰減地通過， 而沿傳輸線反射回來

55、的反射波功率又幾乎被全部吸收。 二、負(fù)載阻抗匹配 負(fù)載阻抗匹配是指傳輸線與負(fù)載之間的匹配，是為了使傳輸 線處于無反射的行波工作狀態(tài)。 6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 處于行波工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)載處無反射，能夠吸收傳輸線傳來 的全部功率；傳輸線的功率容量大，傳輸效率高；負(fù)載對波源無 影響，波源可以穩(wěn)定工作。但是在實(shí)際應(yīng)用中，傳輸線與負(fù)載常 常不匹配。此時(shí)，需要在傳輸線和負(fù)載之間加一匹配網(wǎng)絡(luò)，或稱 阻抗匹配器，使傳輸線處于行波工作狀態(tài)。匹配的原理就是利用 匹配網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一種新的反射波來抵消原來的反射波，也就是使阻 抗匹配器和負(fù)載各自產(chǎn)生的反射波等幅反相。 對阻抗匹配器的要求是：由純電抗元件構(gòu)成；損耗盡

56、可能的 ?。还ぷ黝l帶寬；可以靈活調(diào)節(jié)以適用于對各種終端負(fù)載匹配。 最常用的阻抗匹配器有 阻抗變換器和支節(jié)匹配器。 6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 /41. 阻抗變換器 設(shè)傳輸線的特性阻抗為 ，負(fù)載阻抗為純電阻 ，且 此時(shí)，我們可以在傳輸線與負(fù)載之間接入特性阻抗為 ，長度為 的傳輸線來匹配，如圖所示。這段長度為 的傳輸線就是 阻抗變換器，其 要根據(jù) 和 來選擇。 經(jīng)過 阻抗變換器的變換后， 原傳輸線的等效負(fù)載阻抗為： 為了使該等效負(fù)載阻抗與原傳輸線匹配，要求 ， 則有： 6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 /4cZ0Rc0ZR。c1Z/4/4/4c1Z/4cZc1Z0RinZcZ0R/420c1

57、c1inc1c100jtan(/4)jtan(/4)RZZZZZRR2cinc10/ZZZRc1c0ZZ R 阻抗變換器一般只用于匹配純電阻性負(fù)載。當(dāng)負(fù)載為復(fù) 阻抗時(shí)， 阻抗變換器應(yīng)在電壓波節(jié)點(diǎn)或電壓波腹點(diǎn)處接入， 因?yàn)檫@兩處的輸入阻抗都是純電阻。由于電壓波節(jié)點(diǎn)附近的場變 化劇烈，可以通過測量很準(zhǔn)確地確定出電壓波節(jié)點(diǎn)的位置和該處 的輸入阻抗，因此常采取在電壓波節(jié)點(diǎn)處接入的方式。此時(shí)，有 ，即 ，則 。 由上述討論可知， 阻抗變換器只能對單一頻率進(jìn)行完全 匹配，而對于偏離該頻率的頻段，匹配將被破壞。為了加寬匹配 的頻帶，可采用多級 阻抗變換器或漸變式阻抗變換器。 0c/RZ6.5 6.5 阻抗匹

58、配阻抗匹配 /4/4/4/40inincc1RZZKZZc1c0c/ZZ RZ2. 支節(jié)匹配器 支節(jié)匹配器的原理是利用在傳輸線上并聯(lián)或串聯(lián)終端短路的 支節(jié)線產(chǎn)生新的反射波抵消原來的反射波，從而達(dá)到匹配。這里 采用短路線是由于微波傳輸線易實(shí)現(xiàn)理想短路，而不易實(shí)現(xiàn)理想 開路。支節(jié)匹配器可分為單支節(jié)、雙支節(jié)以及多支節(jié)匹配器。 單支節(jié)匹配器如圖所示，它是 在距離負(fù)載 適當(dāng)?shù)奈恢?處并聯(lián) 一長度 可調(diào)的短路線構(gòu)成的。通 過調(diào)節(jié)支節(jié)位置 和支節(jié)長度 使 左邊的傳輸線達(dá)到匹配。 6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 0Z1d1l1d1l0Z1d1lcZcZcZ1Y2YaYaY 為了達(dá)到匹配，必有 。由上圖可以看

59、出， ， 其中， 是短路線的歸一化輸入導(dǎo)納。由短路線的特點(diǎn)可知， 只能是一個(gè)純電納，設(shè) ，這樣可得 ，由 此可見， 的軌跡一定位于 的圓上。這時(shí)，只要將導(dǎo)納圓圖 上的 ( 的歸一化導(dǎo)納)沿等反射系數(shù)圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到與 的 圓相交的點(diǎn)，該交點(diǎn)即為 。由 旋轉(zhuǎn)至 ，所轉(zhuǎn)過的電 長度 ，則可求出 。 為了要抵消 的電納 ，須調(diào)節(jié)短路線長度 ，使之可以提 供一個(gè)輸入電納 ，從而使 ，達(dá)到匹配。 a1Y 6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 a12YYY2Y21jYb 1a211jYYYb 1Y1g 0Y0Z111jYb 11/dd11dd1jb1l2Y1g 0Y1Y1Y21jYb a1Y 調(diào)節(jié) 的方法是：在

60、導(dǎo)納圓圖上找到 對應(yīng)的點(diǎn)，它必在單 位圓 上，這是因?yàn)槎搪肪€處于全反射工作狀態(tài)。由于短 路線相當(dāng)于提供一個(gè)短路的負(fù)載，則應(yīng)從 的圓上逆時(shí)針 旋轉(zhuǎn)到短路點(diǎn)(1,0)，轉(zhuǎn)過的電長度 ，則 。 對于單支節(jié)匹配器，一組 和 只能對一個(gè) 值進(jìn)行匹配， 當(dāng) 值改變時(shí)，必須重新調(diào)節(jié) 和 。這對雙導(dǎo)線傳輸線的調(diào)節(jié) 很方便，但對同軸線 的調(diào)節(jié)就比較困難。解決的辦法是采用雙 支節(jié)匹配，這樣 和 (兩支節(jié)的間距)可以固定，只需調(diào)節(jié)兩短 路線的 和 即可。但是雙支節(jié)匹配器存在不能匹配的盲區(qū)，這 就需要三支節(jié)或四支節(jié)匹配器。由于原理類似，這里不再討論。 6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 1l( )1z( )1z2Y11

61、/ll11ll1d1l0Y0Y1d1l1d1d2d1l2l例：如圖，已知雙導(dǎo)線的特性阻抗 ，負(fù)載阻抗 ，用 單支節(jié)匹配器進(jìn)行匹配，求支節(jié)的 位置 和長度 。 解：(1) 計(jì)算歸一化負(fù)載導(dǎo)納 。 也可以利用圓圖求得，即在阻抗圓圖上找到 對應(yīng)的點(diǎn)A，如下 頁圖所示。其相應(yīng)的歸一化負(fù)載導(dǎo)納所對應(yīng)的B點(diǎn)與A點(diǎn)關(guān)于原 點(diǎn)對稱，讀得B點(diǎn)所對應(yīng)的歸一化負(fù)載導(dǎo)納為 。 c200Z 6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 0Z1d1lcZcZcZ1Y2YaYaY0660Z 1d1l0Z0000c660j03.3j01/0.3200ZZYZZ，0Y00.3Y (2) 求 及支節(jié)位置 。 將B點(diǎn)沿其所在等反射系數(shù)圓 順時(shí)

62、針旋轉(zhuǎn)，與 圓相交于E點(diǎn)， 讀得歸一化輸入導(dǎo)納 。 E點(diǎn)所對應(yīng)的電長度值為0. 171，這 是從B點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到C點(diǎn)所轉(zhuǎn)過 的電長度 ，則： (3) 求支節(jié)長度 。 短路線應(yīng)提供的歸一化導(dǎo)納為： ，在圓圖 上找到與其對應(yīng)的F點(diǎn)，其對應(yīng)的向負(fù)載方向的電長度是0.146。 6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 1d1Y1g 11j1.3Y 1d110.171dd1l2a1j1.3YYY 1g 0.1460.354將F點(diǎn)沿全反射工作狀態(tài)的 的單位圓逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到短路點(diǎn) (1,0)，轉(zhuǎn)過的電長度 ，于是并聯(lián)短路支節(jié)的 長度 。 通過以上的討論可知，利用圓圖可以方便地求出 和 ，當(dāng) 然也可以利用下面的解析式求

63、得。但是由于利用圓圖計(jì)算出來的 值已滿足一般工程的精度要求，所以解析式常用在對精度要求較 高的場合。 6.5 6.5 阻抗匹配阻抗匹配 110.104ll( )1z10.250.1460.104l 1d1l0c011cc0arctanarctan22Z ZZdlZZZ，匹配目標(biāo)： 1. 調(diào)節(jié) ，使 2. 調(diào)節(jié) ，使 3. 并聯(lián)后，則 111jYb a121YYY附錄附錄A A 單支節(jié)圓圖匹配過程單支節(jié)圓圖匹配過程 0Z1d1lcZcZcZ1Y2YaYaY1d21jYb 1l匹配步驟： 1. 在阻抗圓圖上找到點(diǎn)A ( )，其相應(yīng)的歸一化負(fù) 載導(dǎo)納點(diǎn)B( ) 與點(diǎn)A關(guān) 于原點(diǎn)對稱； 2. 將B點(diǎn)沿

64、等反射系數(shù)圓 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與 的圓 相交于點(diǎn)C( )，B到C點(diǎn) 轉(zhuǎn)過的電長度為 ； 3. 得出支節(jié)歸一化輸入導(dǎo)納D點(diǎn)( )，將D點(diǎn)沿 的圓 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到短路點(diǎn)(1,0)，轉(zhuǎn)過的電長度 。 0Z1g 1Y11/dd2Y( )1z11/ll附錄附錄A A 單支節(jié)圓圖匹配過程單支節(jié)圓圖匹配過程 0Y1g 0Z2Y1/l1B1/d短路點(diǎn)短路點(diǎn) 0Y1Y Z0 Z0 ZL A A d1 1YbY2Yl1 Z0 aYd2 3Y4Yl2 B B 附錄附錄B B 雙支節(jié)圓圖匹配過程雙支節(jié)圓圖匹配過程 11122aa13343b2a143jjj1jj1YGBYBYGBYBYBYBBBBB 附錄附錄B B 雙支節(jié)圓圖匹配過程雙支節(jié)圓圖匹配過程 0Yd1/ 1Y1G輔助圓輔助圓 aY1g 3Y2B1l3B3Bl2/ 28d