《微波电路》PPT课件.ppt

1、微波电路微波电路主 讲：王王 斌斌 光电工程学院光电工程学院1.传输线传输线l传输线定义 能够导引电磁波沿一定方向传输导波系统。一般由能够导引电磁波沿一定方向传输导波系统。一般由两根或两两根或两根以上平行导体构成，主模根以上平行导体构成，主模(最低模）是最低模）是TEMTEM横电磁波或准横横电磁波或准横电磁波。电磁波。电路理论电路理论和和传输线理论传输线理论之间的关键之间的关键差别差别是是电尺寸。电尺寸。平行双导线平行双导线 1.传输线传输线 同轴线同轴线 1.传输线传输线 微带线微带线 1.传输线传输线传输线理论：传输线理论又称传输线理论又称一维分布参数电路理论一维分布参数电路理论，是微波电

2、路设计和，是微波电路设计和计算的理论基础。传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥计算的理论基础。传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥梁的作用，在微波网络分析中也相当重要。梁的作用，在微波网络分析中也相当重要。传输线有传输线有长线长线和和短线短线之分。所谓长线是指传输线的几何长之分。所谓长线是指传输线的几何长度与线上传输电磁波的波长比值度与线上传输电磁波的波长比值(电长度电长度)大于或接近大于或接近1 1，反之称，反之称为短线。为短线。长线长线分布参数电路分布参数电路 短线短线集中参数电路集中参数电路 忽略分布参数效应 考虑分布参数效应 当频率提高到微波波段时，这些分布效应不可忽略，所以当

3、频率提高到微波波段时，这些分布效应不可忽略，所以微微波传输线是一种分布参数电路波传输线是一种分布参数电路。这导致传输线上的电压和电流是。这导致传输线上的电压和电流是随时间和空间位置而变化的二元函数。随时间和空间位置而变化的二元函数。1.传输线传输线l等效电路法 R,L,CR,L,C和和G G描述。描述。平行双导线的分割平行双导线的分割1.传输线传输线l等效电路法 同轴线的分割同轴线的分割1.传输线传输线l等效电路法 一般等效电路表示法一般等效电路表示法优点：优点：清楚，直观的物理图像；有助于标准化两端网络表示法；可用清楚，直观的物理图像；有助于标准化两端网络表示法；可用基基尔霍夫电压和电流定律

4、尔霍夫电压和电流定律分析；提供从微观向宏观扩展的过程。分析；提供从微观向宏观扩展的过程。缺点：缺点：忽略了边缘效应，不能分析电路元件的干扰；由磁滞效应引起的忽略了边缘效应，不能分析电路元件的干扰；由磁滞效应引起的非线性被忽略。非线性被忽略。1.传输线传输线l三种常用传输线结构参量 1.传输线传输线l一般传输线方程 1.传输线传输线l传输线方程的解 1.传输线传输线传输线的特性参量 传输线的特性参量主要包括：传输线的特性参量主要包括：特性阻抗特性阻抗、传播常数传播常数、相相速速和和相波长相波长、反射系数反射系数、输入阻抗输入阻抗、驻波比驻波比和和传输功率传输功率等。等。对于无耗传输线模型对于无耗

5、传输线模型0LZC0RGl特性阻抗这里的阻抗是以正向和反向行进的电压和电流波为基础。这里的阻抗是以正向和反向行进的电压和电流波为基础。0Rj LVVZIIGj C 1.传输线传输线l传播常数Rj LGj Cj对于低耗传输线有(无耗传输线 22cdRCGLLCLC0RG)无耗0 LCl相速和相波长 相速相速是指波的等相位面移动速度。是指波的等相位面移动速度。相波长相波长定义为波在一个周期定义为波在一个周期T内等相位面沿传输线移动的距离。内等相位面沿传输线移动的距离。1pvLC pppv Tvff21.传输线传输线l反射系数端接负载无耗传输线端接负载无耗传输线电压反射系数电压反射系数开路开路 短路

6、短路匹配匹配000LLZZVVZZ LZ 01 0LZ 01 0LZZ00 1.传输线传输线l输入阻抗 传输线终端接负载阻抗传输线终端接负载阻抗ZL时，距离终端时，距离终端z处向负载方处向负载方向看去的输入阻抗定义为该处的电压向看去的输入阻抗定义为该处的电压U(z)与电流与电流I(z)之比，之比，即即 ZzU zI zin1.传输线传输线l输入阻抗与反射系数的关系 ZzU zI zU zzI zzZzzinii111101.传输线传输线l驻波比驻波比驻波比1.传输线传输线l端接负载无耗传输线l回波损耗及插入损耗1.传输线传输线2.Smith圆图圆图lSmith圆图 19391939年，年，P.

7、H.SmithP.H.Smith为了简化反射系数计算，开发了以保为了简化反射系数计算，开发了以保角映射原理为基础的图解方法，即角映射原理为基础的图解方法，即SmithSmith圆图。圆图。SmithSmith圆图能圆图能够在一个图中简单直观地显示够在一个图中简单直观地显示传输线阻抗传输线阻抗及及反射系数反射系数。理解：理解：SmithSmith圆图实际上是圆图实际上是(电压电压)反射系数的极坐标图；反射系数的极坐标图；一种求解传输线问题的辅助图形；一种求解传输线问题的辅助图形；电阻圆和电抗圆是正交的。电阻圆和电抗圆是正交的。用用SmithSmith圆图思考，可以开发出关于传输线和阻抗匹配问圆图

8、思考，可以开发出关于传输线和阻抗匹配问题的直观想象力。题的直观想象力。2.Smith圆图圆图l反射系数的相量形式 负载反射系数负载反射系数描述了特性阻抗和负载阻抗之间的描述了特性阻抗和负载阻抗之间的阻抗失配度阻抗失配度。将将 向向 转换是构成转换是构成SmithSmith圆图的关键组成部分。圆图的关键组成部分。000000LjLriLZZjeZZ 20()Ljjdrideej 0()d2.Smith圆图圆图l归一化阻抗公式 归一化输入阻抗归一化输入阻抗z z和反射系数和反射系数存在一一对应的关系，在阻抗存在一一对应的关系，在阻抗平面上的一点必然能在平面上的一点必然能在平面上找到其对应点。平面上

9、找到其对应点。011inindzZdZd 011indZdZd2222121riiinrijzrjx222211ririr2221irix2.Smith圆图圆图l阻抗平面到反射系数圆图的映射(1)222211ririr 222111rirrr 2.Smith圆图圆图l阻抗平面到反射系数圆图的映射(2)2212riix 222111rixx 上式为归一化电阻的轨迹方程，上式为归一化电阻的轨迹方程，当当r r等于常数时，其轨迹为一簇圆；等于常数时，其轨迹为一簇圆；电阻圆r11 半径：半径：0,1rr圆心坐标：圆心坐标：r00.512 圆心圆心(0,0)(1/3,0)(1/2,0)(2/3,0)(1

10、,0)半径半径12/31/21/30 r ，半径 都与（1，0）相切 圆心都在正实轴上单位圆单位圆缩小为点缩小为点(1,0)222111rrrir第二式为归一化电抗的轨迹方程，第二式为归一化电抗的轨迹方程，当当x x等于常数时，其轨迹为一簇等于常数时，其轨迹为一簇圆弧圆弧；（；（|1 1）电抗圆x1 半径：半径：x1,1圆心坐标：圆心坐标：x00.512 圆心圆心(1,)(1,2)(1,1)(1,2)(1,0)半径半径 211/20 r ，半径 圆心都在 r r=1=1直线上都在（1，0）点与实轴相切直线，对应纯电阻直线，对应纯电阻缩小为点缩小为点(1,0)222111xxir2.Smith圆

11、图圆图l映射图形表示法-Smith圆图 2.Smith圆图圆图lSmith圆图 2.Smith圆图圆图l普通负载的阻抗变换分析 确定电路阻抗响应，以预言确定电路阻抗响应，以预言RF/MWRF/MW系统的性能。系统的性能。过程：过程：1.1.归一化负载阻抗归一化负载阻抗 2.2.在在SmithSmith圆图中确定圆图中确定z zL L位置位置 3.3.找出反射系数找出反射系数 4.4.旋转旋转 获得获得 5.5.记录归一化输入阻抗记录归一化输入阻抗 6.6.转换到实际阻抗转换到实际阻抗LLZz0Lz 2 d0()ind 0d inzd ininzdZdZjZ5050500,例1已知阻抗 ，求导纳

12、YYj121YYZj00011.ir0Z Y1122-j2.Smith圆图圆图例例2 2在在 为为5050 的无耗线上的无耗线上Z Zminmin=0.2=0.2，电压波节点距负载，电压波节点距负载/3/3，求负载阻，求负载阻抗抗 Z0Zlir05.00.20.33j1.480.77ZminZin向负载min0.2ZZjin077148.ZZ Zjinin038574.向负载旋转 33.0反归一 2.Smith圆图圆图例例3 3 特性阻抗特性阻抗 ，负载阻抗，负载阻抗050Z 10050LZj求距负载求距负载0.240.24处输入阻抗。处输入阻抗。解：解：归一化负载阻抗归一化负载阻抗 21Lz

13、j0.251 j2Lz0.213inz0.4531 1）其对应向电源波长其对应向电源波长0.213 arctg(1/2)2/2l(0.4636)/40.213l2)2)旋转旋转0.240.24到到inz0.420.25502112.5inzjj2.Smith圆图圆图rjxj Lrj xL11rjxrj xj CCgjbj Cgj bC11gjbgj bj LL串联电感串联电感串联电容串联电容并联电容并联电容并联电感并联电感用用Smith圆图设计匹配网络圆图设计匹配网络2.Smith圆图圆图2.Smith圆图圆图l特殊变换分析开路线变换 为了获得纯感性或容性电抗，必须沿为了获得纯感性或容性电抗，

14、必须沿r=0r=0的圆工作，从的圆工作，从起始点起始点=1=1顺时针方向旋转。顺时针方向旋转。容性电抗容性电抗感性电抗感性电抗cjXLjX1011cotinzjdj C Z 201cotinj LzjdZ 1011cotdarcnCZ201cotLdarcnZ2.Smith圆图圆图l特殊变换分析开路线变换 通过开路传输线制造容性和感性电抗通过开路传输线制造容性和感性电抗2.Smith圆图圆图l特殊变换分析短路线变换 为了获得纯感性或容性电抗，必须沿为了获得纯感性或容性电抗，必须沿r=0r=0的圆工作，从的圆工作，从起始点起始点=-1=-1顺时针方向旋转。顺时针方向旋转。容性电抗容性电抗感性电抗

15、感性电抗cjXLjX1011taninzjdj C Z201taninj LzjdZ1011arctandnCZ201arctanLdnZ2.Smith圆图圆图l特殊变换分析短路线变换 通过短路传输线实现容性和感性电抗通过短路传输线实现容性和感性电抗2.Smith圆图圆图l导纳变换 11indzrjxd 0111ininindYyYzd 11jjeded由归一化阻抗表达式经过倒置，可得由归一化阻抗表达式经过倒置，可得在归一化输入阻抗表达式中用在归一化输入阻抗表达式中用-1=exp(-j-1=exp(-j*pi)pi)乘以反射系数，乘以反射系数，等效于在复平面上旋转等效于在复平面上旋转18018

16、02.Smith圆图圆图l导纳圆图 将阻抗将阻抗SmithSmith圆图旋转圆图旋转180180，得到导纳，得到导纳SmithSmith圆图。圆图。000RGrgZ GZY000XBxbZ BZY2.Smith圆图圆图l导纳圆图叠加图形：ZY-Smith圆图 ZY-SmithZY-Smith圆图，把圆图，把Z-SmithZ-Smith圆图和圆图和Y-SmithY-Smith圆图叠合在一个图形上圆图叠合在一个图形上2.Smith圆图圆图lR和L元件的并联 0inLLZygjL2.Smith圆图圆图lR和C元件的并联 0inLLygjZC2.Smith圆图圆图lR和L元件的串联 0inLLzrjL

17、 Z2.Smith圆图圆图lR和C元件的串联 01inLLzrjCZ其它圆图其它圆图lSchimdt(施密特）圆图 将极坐标表示的将极坐标表示的 映射到用矩坐标表示的映射到用矩坐标表示的z=r+jxz=r+jx或或y=g+jby=g+jb平面，即在平面，即在z z平面或平面或y y平面上画出等平面上画出等 线及等线及等 线，即线，即SchimdtSchimdt圆图。圆图。应用应用SchimdtSchimdt圆图进行阻抗或导纳求和运算比较方便。圆图进行阻抗或导纳求和运算比较方便。je 其它圆图其它圆图lCarter(卡特）圆图 将极坐标表示的将极坐标表示的 映射到映射到 ，则成为，则成为CarterCarter圆图圆图,即在即在 平面上画出等平面上画出等 线及等线及等 线线,由等模值阻抗由等模值阻抗圆和等辐角阻抗圆构成圆和等辐角阻抗圆构成CarterCarter圆图。圆图。jzz ejeujv z传输线圆图的基本应用传输线圆图的基本应用 l给定阻抗或导纳求驻波比和驻波最小点位置，或反给定阻抗或导纳求驻波比和驻波最小点位置，或反之；之；l给定阻抗或导纳求反射系数，或反之；给定阻抗或导纳求反射系数，或反之；l求沿线的阻抗或导纳变换关系；求沿线的阻抗或导纳变换关系；l给定阻抗求导纳，或反之；给定阻抗求导纳，或反之；l阻抗求和、差或导纳求和、差。阻抗求和、差或导纳求和、差。