实验四阻抗匹配网络理论

实验四阻抗匹配网络理论
一、实验目的
1．了解基本的阻抗匹配理论；
2．利用实验模组实际测量以了解匹配电路的特性。

二、实验原理
在高频电路设计中，阻抗匹配是很重要的一环。

从直流电路的基本理论中，我们知道若信号源的电阻与输出之负载电阻相同时，就可在输出端得到最大的功率输出。

但是在交流电路中，除了电阻，尚有电容与电感等电抗性组件，因此若要求得到最大功率输出时，除了两端的电阻相等外，还需信号源的电抗与负载的电抗互成共轭才行。

所以阻抗匹配的目的就是经由适当方法选择组件使得信号源与负载两端的电抗值成共轭关系，以便产生谐振而互相抵消，使得电路中仅存电阻性，而能得到最大功率传输。

其次，由于现成的网络组件，其阻抗值会随着频率的变化而变化，因此阻抗匹配只能适用于某一特定的频率，但是对于宽频的电路来说，所设计的电路都期望能涵盖整个频宽。

就理论而言，可借着适当方法来增加阻抗匹配的频宽范围。

如图7-1（a ）所示：输入信号经过传输以后，其输出功率与输入功率之间存在以下关系，信号的输出功率直接决定于输入阻抗与输出阻抗之比。

in
out S S in S
L L
L S S L P k k
P R V P R k R R R R V R I Pout ⋅+=
⇒=
⋅=⋅+=⋅=2
2
2
22
)1()
(
图7-1（a ）输出输入功率关系图
输出功率与阻抗比例的关系图见图7-1（b ）。

由图可知，当R L =R S 时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配状态。

图7-1（b）输出功率与阻抗比例关系图
推而广之，如图7-1（c）所示，当输入阻抗Z S与负载阻抗Z L间成为Z S=Z L*的关系时，满足广义阻抗匹配的条件。

所以，阻抗匹配电路也可以称为阻抗变换器。

当Z L=Z S*,即是[匹配]
图7-1(c) 广义[阻抗匹配]关系图
欲得到最大的功率输出，则须对电路加以阻抗匹配，阻抗匹配网络一般可分为三种：L 型、π型及T 型三种。

选用何种匹配端视情况而定，除非有特别需求，一般都是以最少的零件来完成匹配。

说到阻抗匹配，不能不介绍史密斯圆图。

为了简化反射系数的计算，P.H.Smith开发了以保角映射原理为基础的图解方法。

这种近似法使得有可能在同一个图中简单直观的显示传输线阻抗以及反射系数。

该图解方法称为Smith圆图，在实验四我们已经有过详细的介绍。

三、实验内容
实验设备:
实验步骤:
阻抗匹配模块是根据上述原理设计而成，通过测试、比较反射S11值，来验证此阻抗匹配电路是否实现匹配功能。

如果，在匹配情况下的S11值小于直接传输（无匹配）情况下的S11值，则表示此匹配电路实现了匹配功能；反之，则表示此匹配电路未能实现匹配功能1．以上匹配网络适用频率均为2010-2025MHz，校准频谱仪。

2．测试框图如下
3．测量步骤：
S测量：此模块包括两种L型匹配网络，测试模块框图如图
⑴L型匹配网络模块的11
7-2。

将频谱仪信号输出端口连接到反射电桥输入端，反射电桥输出端接待测的L型匹配网络模块，将反射电桥反射输出端接到频谱分析仪。

并将频谱分析仪之Marker 的频率标示在70 MHz，记录测量结果。

以同样方式测量此模块上另一L型匹配网络，记录测量结果。

图7-2 两种L型匹配网络
⑵П型匹配网络模块的S11测量：此模块包括两种П型匹配网络，测试模块框图如图7-3。

接线同L型匹配网络模块方式,接上П型匹配网络模块。

将频谱分析仪之Marker 的频率标示在70MHz，将测量结果绘于表2-3 中。

以同样方式测量此模块上另一П型匹配网络，记录测量结果。

图7-3 两种∏型匹配网络
(3)T型匹配网络模块的S11测量：此模块包括两种T型匹配网络，测试模块框图如图7-4。

接线同L型匹配网络模块方式,信号源中心频率不变，接上L型匹配网络模块。

将频谱分析仪之Marker 的频率标示在70MHz，记录测量结果。

以同样方式测量此模块上另一T 型匹配网络，记录测量结果。

图7-4两种T型匹配网络
(4)单端短路匹配网络模块的S11测量：测试模块框图如图7-5。

接线同L型匹配网络模块方式,接上单端短路匹配网络模块。