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阻抗变换

第14章 - 传输线

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站立的波浪在开放或短路传输线的谐振频率点处产生异常效果。当信号频率恰好1/2波或其一些匹配线的长度匹配时,源“看到”负载阻抗。

以下对图示出现在1/2和1波长频率下工作的开放式线路:

光源见开口,同半波长线末端一样。

光源见开口,同半波长线末端一样。

源看看打开,与全波长结束相同(2倍半波长线)。

源看看打开,与全波长结束相同(2倍半波长线)。

在任何一种情况下,该线在两端都有电压抗腹点,并且两端的电流节点。也就是说,线路两端存在最大电压和最小电流,这对应于开路的状态。

这种情况存在的事实两个都该线的结尾告诉我们,该线路忠实地在源端再现其终止阻抗,使得源“看到”在连接到传输线的开路,就像它直接打开一样。

如果传输线通过短路终止:在对应于1/2波长的信号频率或其一些倍数的信号频率,则源“看到”短路,并且在源之间的连接点处存在最小电压和最大电流的源极和传输线:

源看起来很短,与半波长线结束相同。

源看起来很短,与半波长线结束相同。

光源看短,与整个波长线的末端相同(2x半波长)。

光源看短,与整个波长线的末端相同(2x半波长)。

但是,如果信号频率是这样的线路谐振¼波长或其倍数,源将“看到”完全相反的终端阻抗。

也就是说,如果线路是开放式的,则源将“看到”在它连接到该行的点处的短路;如果线路短路,则源将“见”开路:(下图)

线路开放式;来源“看到”短路:在四分之三波长线(下图),在四分之三波长线(下图)。

Source Sees Seets,反映在四分之一波长线末端的开放。

Source Sees Seets,反映在四分之一波长线末端的开放。

光源看短,从四分之三波长线的末端开口反射。

光源看短,从四分之三波长线的末端开口反射。

线路短路;源“看到”开路:在四分之三波长线(下图),在三分之一波长线(下图)

光源看开,在四分之一波长线的末端从短处反射。

光源看开,在四分之一波长线的末端从短处反射。

源看出,从四分之三波长线结束的短路反映。

源看出,从四分之三波长线结束的短路反映。

在这些频率下,传输线实际上正常运行阻抗变压器,将无限阻抗转换为零阻抗,反之亦然。

当然,这只发生在谐振点导致1/4周期的驻波(线的基本,共振频率)或一些奇怪的多个(3/4,5/4,7/4,9/4。。。),但如果已知信号频率不变,这种现象可以用来匹配否则无与伦比的阻抗。

从最后一节举起示例电路,其中75Ω源连接到75Ω传输线,终止于100Ω负载阻抗。

通过香料,让我们确定在线谐振频率的传输线结束时源“看到”的阻抗:四分之一波长,半波长,四分之三波长全波长。

源见56.25 Ω从100 Ω负载在四分之一波长线的末端反射。

源见56.25 Ω从100 Ω负载在四分之一波长线的末端反射。

从半波长线的末端处,源看出100Ω反射从100Ω负载反射。

从半波长线的末端处,源看出100Ω反射从100Ω负载反射。

从四分之三波长线的末端(与四分之一波长相同),源看出56.25Ω反射从100Ω负载。

从四分之三波长线的末端(与四分之一波长相同),源看出56.25Ω反射从100Ω负载。

源看到100 Ω从100 Ω负载在全波长线的末端反射(与半波长相同)。

源看到100 Ω从100 Ω负载在全波长线的末端反射(与半波长相同)。

线路,负载和输入阻抗如何相关?

一个简单的方程联系线阻抗(Z0.),负载阻抗(Z负载)和输入阻抗(z输入)对于以奇数谐波运行的无与伦比的传输线:

基本频率方程

该原理的一个实际应用是将300 Ω负载匹配到频率为50 MHz的75 Ω信号源。所有我们需要做的是计算适当的传输线阻抗(Z0.)和长度,使刚好四分之一的波在50mhz的频率上“停留”在这条线上。

首先,计算线路阻抗:取75 Ω我们希望源“看到”在传输线的源端,乘以300 Ω负载电阻,我们得到一个数字22500。取22500的平方根得到特性线阻抗150Ω。

现在,为了计算必要的线路长度:假设电缆的速度系数是0.85,用每秒186,000英里的光速计算,传播速度将是每秒158,100英里。

采取这种速度并除以信号频率,使我们波长为0.003162英里,或16.695英尺。由于我们只需要四分之一的电缆来支撑四分之一波,因此必要的电缆长度为4.1738英尺。

这是电路的示意图,显示了我们即将运行的Spice分析的节点号:(下图)

150Ω传输线的四分之一波段匹配75Ω源至300Ω负载。

150Ω传输线的四分之一波段匹配75Ω源至300Ω负载。

我们可以根据从开始到结束的时间延迟来指定SPICE中的电缆长度。由于频率是50mhz,信号周期将是其倒数,或20纳秒(20纳秒)。其中四分之一的时间(5 ns)是四分之一波长长的传输线的延时:

传输线V1 1 0 AC 1 SIN RSOURCE 1 2 75 T1 2 0 3 0 Z0 = 150 TD = 5N Rload 3 0 300 .C LIN 1 50MEG 50MEG .print AC V(1,2)V(1)V(2)v(3).end
频率v(1,2) v(1) v(2) v(3) 5.000E+07 5.000E-01 1.000E+00 5.000E-01 1.000E+00

在50 MHz的频率下,我们的1伏信号源在串联75Ω阻抗(V(1,2))上落在其串联75Ω阻抗(V(1,2))上的一半,其电压的另一半在传输线的输入端子上(V(2))。

这意味着该源“认为”它正在供电75 Ω负载。

然而,实际负载阻抗接收完整的1伏,如V(3)的1.000图所示。沿75Ω滴下0.5伏,源耗散3.333兆瓦的电源:根据最大功率传输定理,指示阻抗的完美匹配,源耗散3.333兆瓦的功率:相同。

1/4波长,150Ω,传输线段已成功匹配300Ω负载到75Ω源。

当然,请记住,这仅适用于50 MHz及其奇数谐波。对于任何其他信号频率接收匹配阻抗的相同益处,必须相应地将150Ω线相应地延长或缩短,使其正好是1/4波长长。

奇怪的是,同样的线路也可以将75 Ω负载匹配到300 Ω源,这说明了这种阻抗转换现象在原理上与传统的双绕组变压器有根本的不同:

传输线v1 1 0 ac 1 sin源1 2 300 t1 2 0 30 z0=150 td=5n rload 30 75 .ac lin 1 50meg 50meg .print ac v(1,2) v(1) v(2) v(3) .end
FREQ V(1,2)V(1)V(2)V(3)5.000E + 07 5.000E-01 1.000E + 00 5.000E-01 2.500E-01

Here, we see the 1-volt source voltage equally split between the 300 Ω source impedance (v(1,2)) and the line’s input (v(2)), indicating that the load “appears” as a 300 Ω impedance from the source’s perspective where it connects to the transmission line.

在电源的300 Ω内部阻抗上,这个0.5伏的下降产生833.33µW的功率图,与75 Ω负载上的0.25伏相同,如图v(3)所示。再一次,电源和负载的阻抗值被传输线段匹配。

这种阻抗匹配技术通常用于匹配无线电发射机系统中的传输线和天线的不同阻抗值,因为发射器的频率通常是众所周知的并且不变。

使用阻抗“变压器”1/4波长在长度中使用最短导体长度提供阻抗匹配。(下图)

四分之一波150Ω传输线部分匹配75Ω线至300Ω天线。

四分之一波150Ω传输线部分匹配75Ω线至300Ω天线。

审查:

  • 有驻波的传输线可以用来匹配不同的阻抗值,如果工作在正确的频率(ies)。
  • 当以与传输线的驻波相对应的频率相对应的频率操作时,阻抗变换所需的线路的特性阻抗必须等于源阻抗的产品的平方根和负载阻抗。