双支节匹配

在进行负载导纳时,如果用单支节匹配,实际工程中在接入新的负载时,需要反复调整匹配支节的插入位置 ,非常不方便,因此才引入了「双支节匹配」。双支节匹配在 个并联一个短路支线,如图所示

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第一个支线插入位置距离负载 ,两支线插入位置之间距离为 可取 ,但是不能取 ,否则两支线作用相当于单支线了。

在双枝节匹配中,匹配枝节的接入位置 是不变的,只需要控制支节长度 即可。

求解

为了让传输线匹配,从 最后到负载,一步步思考。记最终匹配后的输入导纳为 ,则根据匹配条件有

其中 为忽略支节 时,负载和 支路在 分支处表现出来的归一化输入导纳,而 表示支路 单独在 分支处表现出来的归一化输入导纳。显然要求有关系

其中,让 是容易做到的,只需要调整 支路的长度 即可。

但是如何保证匹配前的主线导纳实部恰好为 1 呢?这就是 支路的调节了。

解析法

记负载和 支路在 处表现出来的归一化输入导纳为 ,,则利用输入阻抗公式变形得到 经过 的阻抗变换后变成了

记不考虑 支节时,负载在 的的归一化输入导纳为 ,则接入短路支节的并联导纳关系为

其中归一化输入导纳 同样是负载导纳经过 的阻抗变换后得到的,可以利用输入阻抗公式变形得到

由于 已知,因此可以算出 。如果利用 表示出 ,则经过 变换后,根据约束 ,可以求出 的值。根据 ,可以求出 的值。

因此解析法的求解过程表示为,先求出 的值

然后表示出

经过 变换后

根据约束 ,可以求出 的值。

根据 ,可以求出 的值。

需要注意的是,在 中,这是一个关于 的一元二次方程,因此可能出现没有解的情况。称这种现象为「死区」或「盲区」。

圆图法

设想一下,假如 支路之间的距离为 ,若要 实部为 1,则意味着 Smith 圆图上必定坐落在 的圆上。而为了满足此条件,向负载端逆时针旋转 后得到的所谓「负载和 支路在 分支处表现出来的归一化输入导纳 」,应该也坐落在某个将 向负载端逆时针旋转 后得到的圆上,称之为「辅助圆」,如下图中,辅助圆就是原来的 逆时针旋转 90 度得到的圆。

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因此现在匹配条件变成,只要让 坐落在辅助圆上,就可以实现匹配。而 支路的目的就是将一个任意负载导纳匹配到辅助圆上。假设不考虑支线 ,在 处向负载看去得到的归一化输入导纳为

换而言之,原来的负载导纳 经过 阻抗变换后变成 。为了实现匹配, 支路需要将 变成 ,使之坐落在辅助圆上。由于短路支路只提供电抗部分,因此通过调节 支路长度 ,可以让 在同一个等 圆上。换而言之, 圆与辅助圆的交点就是希望求得的

在大多数情况下,这两个圆有两个交点 ,因此双支节问题同样有两个解。

为例。 是匹配成功的一个后得到的所谓「负载和 支路在 分支处表现出来的归一化输入导纳 」,将其在等反射系数圆上朝源端顺时针旋转 ,即 后得到其对应的 ,显然这个点坐落在 上。通过调整 支路长度 即可将其顺着 一直转到原点,从而实现匹配。

以上的过程可以总结为,首先对距离负载 处的输入阻抗 使用一个长为 的短路支路进行匹配,使匹配完的结果 落在辅助圆上,然后将 向源端顺时针旋转 后,应该落在 圆上。最后使用一个长为 的短路支路 进行匹配,使匹配完的 顺着 转到原点。

需要注意的是,在使用 支路进行第一步匹配时如果 的电导很小,即电导圆是一个在右边的很小的圆,如下图

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那么无论如何调整 支路来旋转,都无法与辅助圆形成交点,出现没有解的情况。称这种现象为「死区」或「盲区」。

对于辅助圆和电阻圆要相交,则要求构成的的直角三角形满足

解得 。由于电阻圆半径 ,解得

例题

归一化负载导纳为 ,要求进行双枝节匹配。固定

解析法:

本题直接将 支路并联到了负载两端。设 支路与负载并联后的归一化导纳为

向源端经过 的阻抗变换后得到的 必须满足实部为一。向源端进行 阻抗变换可用公式表示为

,其中 ,经过

求得

注意到原来的 ,因此相减就可以确定出 支路所带来的额外电纳

解出 。根据短路支路的阻抗变换公式可以得到

分别代入 可以得到 。解下来尝试求 支节参数。在 处有

其中

代入 得到

因此再根据 可以求出

然后推导死区问题。对于

此式不一定总是有解的。具体来说

要求 ,否则无解。因此导出非死区要求

方法二,史密斯圆图法。

首先根据负载画出 的圆,与 逆时针旋转 得到的辅助圆交点,读出两个交点分别为

对应枝节电纳分别 ,这两个电纳圆可以在图中画出,在图中读出其与 的交点,分别为为

对应到短路枝节,向源端,即顺时针旋转电长度,从 0.25 旋转到 0.444,旋转了

然后再将两个 向源端旋转 得到

对应枝节电纳分别 ,这两个电纳圆可以在图中画出,在图中读出其与 的交点,分别为为 ,所需要旋转的长度分别为

例 2

利用双株短路支线对传输线(主线)进行匹配,设第一支线(靠近负载)距终端负载为 ,支线长度为 ,第二支线(远离负载)与第一支线相距为 ,支线长度为 ,负载阻抗为 。设,主线和支线的特性阻抗均为 ,两个支线与主线并联,求

解析法:归一化负载阻抗

归一化输入阻抗为

代入 得到

然后该点处的归一化输入导纳为

,其中 ,则经过 的阻抗变换后得到 后,为了满足匹配条件,应满足

解出

因此 。根据公式 可以解出

然后再讨论 支路。为了满足匹配条件,要求

分别代入 得到

根据公式 可以解出

图解法:首先求出 处看负载的归一化输入导纳

在 Smith 圆图上画出等电导圆 ,与辅助圆相交。读出两个交点分别为

得到 支路导纳为

在 Smith 圆图上分别找出这两个等电纳圆与 的交点,读数分别为 0.386 和 0.114,因此两个 分别为

然后将两个 向源端顺时针旋转 ,得到两个点

得到 支路导纳为

在 Smith 圆图上分别找出这两个等电纳圆与 的交点,读数分别为 0.4 和 0.194,因此两个 分别为

例 3

利用双株短路支线对传输线(主线)进行匹配,设第一支线(靠近负载)距终端负载为 ,支线长度为 ,第二支线(远离负载)与第一支线相距为 ,支线长度为 ,负载阻抗为 。设 ,在 处短路支线 和主线并联,在 处短路支线 和主线串联,求 ,主线和支线特性阻抗均为

解析法:归一化负载阻抗

归一化输入阻抗为

代入 得到

然后该点处的归一化输入导纳为

,其中 ,则经过 的阻抗变换。为了满足匹配条件,应满足

解出

因此 。根据公式 可以解出

然后再讨论 支路。与其他题目不同,这里是将短路支节进行了串联,因此计算的应该是「电抗相加为零」而不是「电纳相加为零」。为了满足匹配条件,要求

分别代入 得到

根据公式 可以解出

图解法:由于这题 P 支路并联,但 Q 支路串联,如果用逆向思维,在使用 Q 支路进行串联匹配的时候,对应在 Smith 圆图上使用的肯定是阻抗点而非一般习惯上的导纳点。

由于 ,因此辅助圆为一个 逆时针旋转到上半平面的圆。但是由于 P 支路使用的是并联而非串联,因此不能使用阻抗点而需要使用导纳点。根据 Smith 圆图性质,从导纳点到阻抗点需要旋转 180 度,因此在导纳的语境下,辅助圆实际上是一个下半平面的圆,在求解 P 支路并联的时候,交的辅助圆也是这个下半平面圆。

首先求出 处看负载的归一化输入导纳

在 Smith 圆图上画出等电导圆 ,与辅助圆相交。此时的辅助圆此时是在下半平面的。两个交点分别为

相减得到 支路导纳为

在 Smith 圆图上分别找出这两个等电纳圆与 的交点,读数分别为 0.007 和 0.141,因此两个 分别为

然后将两个导纳点 先在 Smith 圆图上翻转 180 度得到阻抗点 ,然后再向源端顺时针旋转 ,得到两个阻抗点

得到 支路电抗为

在 Smith 圆图上分别找出这两个等电抗圆与 的交点,读数分别为 0.178 和 0.289,因此两个 分别为