微波技术与天线刘学观 第5.1节

1、第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线匹配匹配 （两个基本概念）（两个基本概念）n端口接负载匹配端口接负载匹配： 网络某端口外接均匀传输线是匹配状态的网络某端口外接均匀传输线是匹配状态的，对于，对于该端口必有该端口必有 0ia 散射矩阵散射矩阵S的各参数是建立在端口接匹配负载基础上的反的各参数是建立在端口接匹配负载基础上的反射系数或传输系数射系数或传输系数。第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线n端口匹配：端口匹配： 网络端口参考面上无反射波网络端口参考面上无反射波，对于该端口必有对于该端口必有 0ib 1. 网络第网络第i口匹配，指的是其他各口均接匹配负载口匹配，指的是其他各

2、口均接匹配负载时，该口的反射系数为零，即时，该口的反射系数为零，即 Sii =0。2. 网络完全匹配，是指所有端口都达到匹配，即网络完全匹配，是指所有端口都达到匹配，即 Sjj = 0 （j= 1，2，3 N )第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线S矩阵的性质矩阵的性质（1 1）互易网络性质）互易网络性质 jiijSS ),3 , 2 , 1,(jiNji或写作：或写作： SST（2）无耗网络性质无耗网络性质 ISS（3）对称网络性质对称网络性质 jjiiSS 幺正特性幺正特性存在完全匹配的存在完全匹配的 线性无耗互易线性无耗互易 二口网络，四口网络；二口网络，四口网络；不存在完全匹

3、配的不存在完全匹配的 线性无耗互易线性无耗互易 三口网络。三口网络。第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线第五章第五章 微波元器件微波元器件 任何频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件，任何频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件，既有如电容、电感、电阻、滤波器、分配器、谐振回路等既有如电容、电感、电阻、滤波器、分配器、谐振回路等无源元器件，以实现信号匹配、分配、滤波等功能；又有无源元器件，以实现信号匹配、分配、滤波等功能；又有晶体管等有源元器件，实现信号产生、放大、调制、变频晶体管等有源元器件，实现信号产生、放大、调制、变频等功能。等功能。有源器件有源器件(主动器件主动器件)：

4、在模拟和数字电路中施以外界信号，可以改变自在模拟和数字电路中施以外界信号，可以改变自已本身的基本特性已本身的基本特性。二极管、三极管、。二极管、三极管、IC、晶振、传感器都是有源的。、晶振、传感器都是有源的。无源器件无源器件 (被动器件被动器件)：在模拟和数字电路中施以外界信号，不会改变自在模拟和数字电路中施以外界信号，不会改变自已本身的基本特性已本身的基本特性。电阻、电容、电感、连接器等都是无源的。电阻、电容、电感、连接器等都是无源的 。 在微波系统中，实现对微波信号的产生、放大、变频、在微波系统中，实现对微波信号的产生、放大、变频、匹配、分配、滤波等功能的部件，统称为微波元器件。匹配、分配

5、、滤波等功能的部件，统称为微波元器件。第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线微波元器件按其变换性质可分为三大类微波元器件按其变换性质可分为三大类:线性互易元器件线性互易元器件(linear reciprocal devices)只对微波信号只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性并满足互易定理进行线性变换而不改变频率特性并满足互易定理，主要，主要包括：各种包括：各种微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件滤波器件及微波谐振器件等；等；线性非互易元器件线性非互易元器件(linear nonreciprocal devices)主要

6、是主要是指指铁氧体器件铁氧体器件，它的，它的散射矩阵不对称散射矩阵不对称，但仍工作在线性，但仍工作在线性区域，主要包括：区域，主要包括：隔离器、环行器隔离器、环行器等；等；非线性器件非线性器件(nonlinear devices)能引起频率的改变，从而能引起频率的改变，从而实现放大、调制、变频实现放大、调制、变频等，主要包括等，主要包括微波电子管、微波微波电子管、微波晶体管、微波固态谐振器、微波场效应管及微波电真空晶体管、微波固态谐振器、微波场效应管及微波电真空器件器件等。等。第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线本章主要内容本章主要内容 5.1 连接匹配元件连接匹配元件 5.2 功率

7、分配元件功率分配元件 5.3 微波谐振器件微波谐振器件 5.4 微波铁氧体器件微波铁氧体器件 第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线5.1 连接匹配元件连接匹配元件 微波连接匹配元件包括微波连接匹配元件包括三大类三大类:终端负载元件终端负载元件(terminal load devices)是是连接在传输系统连接在传输系统终端实现终端短路、匹配或标准失配终端实现终端短路、匹配或标准失配等功能的元件；等功能的元件；微波连接元件微波连接元件(microwave connector)是是将作用不同的两将作用不同的两个微波系统按一定要求连接起来个微波系统按一定要求连接起来，主要包括：，主要包括：

8、波导接头、波导接头、衰减器、相移器及转换接头衰减器、相移器及转换接头等；等；阻抗匹配元器件阻抗匹配元器件(impedance matched devices)是用于是用于调调整传输系统与终端之间阻抗匹配整传输系统与终端之间阻抗匹配的器件，主要包括的器件，主要包括螺钉螺钉调配器、多阶梯阻抗变换器及渐变型变换器调配器、多阶梯阻抗变换器及渐变型变换器等。等。 第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线1. 终端负载元件终端负载元件; ; (1) 短路负载短路负载 (short circuit load)主要有短路片和短路活塞主要有短路片和短路活塞 g/4g/4g/4波导的扼流波导的扼流式短路活塞

9、式短路活塞同轴线扼流式同轴线扼流式短路活塞短路活塞优点：损耗小，优点：损耗小，驻波比可以做到驻波比可以做到大于大于100100缺点：频带较窄缺点：频带较窄第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件 短路波导内放短路波导内放置锲形吸收体置锲形吸收体 或在波导外侧加装或在波导外侧加装散热片以利于散热散热片以利于散热 对波导来说，小功率匹配负载一般在一段对波导来说，小功率匹配负载一般在一段终端短路的波导内终端短路的波导内放置放置一块或几块一块或几块劈形吸收片劈形吸收片。当吸收片平行地放置在波导中电场最

10、强处，当吸收片平行地放置在波导中电场最强处，吸收片强烈吸收微波能量，其反射变小，吸收片强烈吸收微波能量，其反射变小，劈尖的长度越长吸收效果越劈尖的长度越长吸收效果越好，匹配性能越好，劈尖长度一般取好，匹配性能越好，劈尖长度一般取 g/2的整数倍。的整数倍。劈形吸收片劈形吸收片劈形玻璃容器劈形玻璃容器当当功率功率很大时采用很大时采用水负载水负载 (2)匹配负载匹配负载(matched load)当功率较大时当功率较大时第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线(3)失配负载失配负载(mismatch load) 失配负载既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率，而且一失配负载既吸收一部分微波

11、功率又反射一部分微波功率，而且一般般制成一定大小驻波的标准失配负载，主要用于微波测量制成一定大小驻波的标准失配负载，主要用于微波测量。失配负。失配负载和匹配负载的制作相似，只是略微改变一下尺寸，使之和原传输载和匹配负载的制作相似，只是略微改变一下尺寸，使之和原传输系统失配。如波导失配负载就是将匹配负载的波导窄边系统失配。如波导失配负载就是将匹配负载的波导窄边b制作成与制作成与标准波导窄边标准波导窄边b0不一样，使之有一定的反射。设驻波比为不一样，使之有一定的反射。设驻波比为 ，则有：，则有： 同轴线匹配负载同轴线匹配负载 微带匹配负载用微带匹配负载用半圆形半圆形电阻电阻作为吸收体作为吸收体,

12、,频带宽频带宽而且功率容量也大而且功率容量也大 )(00bbbb或第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线2.微波连接元件微波连接元件 微波连接元件是二端口互易元件，主要包括：波导接头、衰减微波连接元件是二端口互易元件，主要包括：波导接头、衰减器、相移器和转换接头。器、相移器和转换接头。(1)波导接头波导接头(waveguide connector) 平法兰平法兰扼流法兰扼流法兰 平法兰特点：加工方便、体积小、频带宽，其驻波比可以做到平法兰特点：加工方便、体积小、频带宽，其驻波比可以做到1.002以下，但要求接触表面光洁度较高。以下，但要求接触表面光洁度较高。常用常用于于低功率、宽频带场

13、合低功率、宽频带场合。 扼流法兰特点：功率容量大，接触表面光洁度要求不高，但工作频扼流法兰特点：功率容量大，接触表面光洁度要求不高，但工作频带较窄，驻波比的典型值是带较窄，驻波比的典型值是1.02。一般用于高功率、窄频带场合。一般用于高功率、窄频带场合。 第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线波导连接头除了法兰接头之外，还有各种波导连接头除了法兰接头之外，还有各种扭转扭转(twist)和弯曲和弯曲(bend)元件元件以满足不同的需要。以满足不同的需要。当需要改变电磁波的方向时可用波导弯曲，为了使反射最小，扭转当需要改变电磁波的方向时可用波导弯曲，为了使反射最小，扭转长度应为长度应为(2

14、n+1) g/4，E面波导弯曲的曲率半径应满足面波导弯曲的曲率半径应满足R 1.5b，H面面弯曲的曲率半径应满足弯曲的曲率半径应满足R 1.5a。当需要改变电磁波的极化方向而不改当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时用波导扭转元件；变其传输方向时用波导扭转元件；E面弯曲面弯曲H面弯曲面弯曲R 1.5aR 1.5b第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线(2)衰减元件和相移元件衰减元件和相移元件 (attenuators and phase shifters) 衰减器的种类很多，最常用是吸收式衰减器衰减器的种类很多，最常用是吸收式衰减器沿电场方向放置衰减片沿电场方向放置衰减片吸收片

15、沿波导横向移动时就可改变其衰减量吸收片沿波导横向移动时就可改变其衰减量 当将衰减器的衰减片换成介电常数当将衰减器的衰减片换成介电常数 r1的无耗介质片时，就的无耗介质片时，就构成了移相器，其散射矩阵为构成了移相器，其散射矩阵为 0ee0llS0ee0jjS第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线(3)转换接头转换接头(switching connector) 微波从一种传输系统过渡到另一种传输系统时需要用转微波从一种传输系统过渡到另一种传输系统时需要用转换器，换器， 如第二章讨论的如第二章讨论的方圆波导转换器方圆波导转换器等传输系统的转换器，等传输系统的转换器，在这一类转换器设计中在这一

16、类转换器设计中一方面要保证形状转换时阻抗匹配一方面要保证形状转换时阻抗匹配以保证信号有效传送，另一方面要保证工作模式的转换以保证信号有效传送，另一方面要保证工作模式的转换。 另一类转换器是另一类转换器是极化转换器极化转换器，由于在雷达通信和电子干，由于在雷达通信和电子干扰中经常用到圆极化波，而微波传输系统往往是线极化的，扰中经常用到圆极化波，而微波传输系统往往是线极化的，为此需要进行极化转换，这就是极化转换器。为此需要进行极化转换，这就是极化转换器。常用的线圆极化转换器有：常用的线圆极化转换器有：多螺钉极化转换器多螺钉极化转换器 和和 介质介质极化转换器极化转换器。 第五章 微波元器件之连接匹

17、配元件微波技术与天线3. 阻抗匹配元件阻抗匹配元件 (1)螺钉调配器螺钉调配器(bolt tuner) 使用时为了避免波导短路击穿，螺钉都设计成容性，即螺钉旋入波使用时为了避免波导短路击穿，螺钉都设计成容性，即螺钉旋入波导中的深度应小于导中的深度应小于3b/4。 螺钉不同的螺钉不同的深度等效为深度等效为不同的电抗不同的电抗元件元件 螺钉调配器可分为单螺钉、双螺钉、三螺钉和四螺钉调配器。单螺螺钉调配器可分为单螺钉、双螺钉、三螺钉和四螺钉调配器。单螺钉调配器通过调整螺钉的纵向位置和深度来实现匹配的。钉调配器通过调整螺钉的纵向位置和深度来实现匹配的。 第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线（

18、2）多阶梯阻抗变换器多阶梯阻抗变换器(multi-ladder impedance changer) 在第在第1章中我们已经知道用章中我们已经知道用/4阻抗变换器可实现阻抗匹配，但严阻抗变换器可实现阻抗匹配，但严格说来只有在特定频率上才满足匹配条件，若要使变换器在较宽的工格说来只有在特定频率上才满足匹配条件，若要使变换器在较宽的工作频带内仍可实现匹配，必须用多阶梯阻抗变换器。作频带内仍可实现匹配，必须用多阶梯阻抗变换器。波导形波导形同轴形同轴形微带形微带形它们共同的它们共同的等效电路等效电路第五章 微波元器件之连接匹配元件微波技术与天线（3） 渐变型阻抗变换器渐变型阻抗变换器(graded model impedance changer) 增加阶梯的级数就可以增加工作带