微波技術(shù)與天線劉學(xué)觀第5.1節(jié)

1、第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線匹配匹配 （兩個基本概念）（兩個基本概念）n端口接負(fù)載匹配端口接負(fù)載匹配： 網(wǎng)絡(luò)某端口外接均勻傳輸線是匹配狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)某端口外接均勻傳輸線是匹配狀態(tài)的，對于，對于該端口必有該端口必有 0ia 散射矩陣散射矩陣S的各參數(shù)是建立在端口接匹配負(fù)載基礎(chǔ)上的反的各參數(shù)是建立在端口接匹配負(fù)載基礎(chǔ)上的反射系數(shù)或傳輸系數(shù)射系數(shù)或傳輸系數(shù)。第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線n端口匹配：端口匹配： 網(wǎng)絡(luò)端口參考面上無反射波網(wǎng)絡(luò)端口參考面上無反射波，對于該端口必有對于該端口必有 0ib 1. 網(wǎng)絡(luò)第網(wǎng)絡(luò)第i口匹配，指的是其他各口均接匹配負(fù)載口匹配，指的是其他各

2、口均接匹配負(fù)載時，該口的反射系數(shù)為零，即時，該口的反射系數(shù)為零，即 Sii =0。2. 網(wǎng)絡(luò)完全匹配，是指所有端口都達(dá)到匹配，即網(wǎng)絡(luò)完全匹配，是指所有端口都達(dá)到匹配，即 Sjj = 0 （j= 1，2，3 N )第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線S矩陣的性質(zhì)矩陣的性質(zhì)（1 1）互易網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)）互易網(wǎng)絡(luò)性質(zhì) jiijSS ),3 , 2 , 1,(jiNji或?qū)懽鳎夯驅(qū)懽鳎?SST（2）無耗網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)無耗網(wǎng)絡(luò)性質(zhì) ISS（3）對稱網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)對稱網(wǎng)絡(luò)性質(zhì) jjiiSS 幺正特性幺正特性存在完全匹配的存在完全匹配的 線性無耗互易線性無耗互易 二口網(wǎng)絡(luò)，四口網(wǎng)絡(luò)；二口網(wǎng)絡(luò)，四口網(wǎng)絡(luò)；不存在完全匹

3、配的不存在完全匹配的 線性無耗互易線性無耗互易 三口網(wǎng)絡(luò)。三口網(wǎng)絡(luò)。第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線第五章第五章 微波元器件微波元器件 任何頻段工作的電子設(shè)備，都需要各種功能的元器件，任何頻段工作的電子設(shè)備，都需要各種功能的元器件，既有如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路等既有如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路等無源元器件，以實現(xiàn)信號匹配、分配、濾波等功能；又有無源元器件，以實現(xiàn)信號匹配、分配、濾波等功能；又有晶體管等有源元器件，實現(xiàn)信號產(chǎn)生、放大、調(diào)制、變頻晶體管等有源元器件，實現(xiàn)信號產(chǎn)生、放大、調(diào)制、變頻等功能。等功能。有源器件有源器件(主動器件主動器件)：

4、在模擬和數(shù)字電路中施以外界信號，可以改變自在模擬和數(shù)字電路中施以外界信號，可以改變自已本身的基本特性已本身的基本特性。二極管、三極管、。二極管、三極管、IC、晶振、傳感器都是有源的。、晶振、傳感器都是有源的。無源器件無源器件 (被動器件被動器件)：在模擬和數(shù)字電路中施以外界信號，不會改變自在模擬和數(shù)字電路中施以外界信號，不會改變自已本身的基本特性已本身的基本特性。電阻、電容、電感、連接器等都是無源的。電阻、電容、電感、連接器等都是無源的 。 在微波系統(tǒng)中，實現(xiàn)對微波信號的產(chǎn)生、放大、變頻、在微波系統(tǒng)中，實現(xiàn)對微波信號的產(chǎn)生、放大、變頻、匹配、分配、濾波等功能的部件，統(tǒng)稱為微波元器件。匹配、分配

5、、濾波等功能的部件，統(tǒng)稱為微波元器件。第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線微波元器件按其變換性質(zhì)可分為三大類微波元器件按其變換性質(zhì)可分為三大類:線性互易元器件線性互易元器件(linear reciprocal devices)只對微波信號只對微波信號進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性并滿足互易定理進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性并滿足互易定理，主要，主要包括：各種包括：各種微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件濾波器件及微波諧振器件等；等；線性非互易元器件線性非互易元器件(linear nonreciprocal devices)主要

6、是主要是指指鐵氧體器件鐵氧體器件，它的，它的散射矩陣不對稱散射矩陣不對稱，但仍工作在線性，但仍工作在線性區(qū)域，主要包括：區(qū)域，主要包括：隔離器、環(huán)行器隔離器、環(huán)行器等；等；非線性器件非線性器件(nonlinear devices)能引起頻率的改變，從而能引起頻率的改變，從而實現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻實現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻等，主要包括等，主要包括微波電子管、微波微波電子管、微波晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場效應(yīng)管及微波電真空晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場效應(yīng)管及微波電真空器件器件等。等。第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 5.1 連接匹配元件連接匹配元件 5.2 功率

7、分配元件功率分配元件 5.3 微波諧振器件微波諧振器件 5.4 微波鐵氧體器件微波鐵氧體器件 第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線5.1 連接匹配元件連接匹配元件 微波連接匹配元件包括微波連接匹配元件包括三大類三大類:終端負(fù)載元件終端負(fù)載元件(terminal load devices)是是連接在傳輸系統(tǒng)連接在傳輸系統(tǒng)終端實現(xiàn)終端短路、匹配或標(biāo)準(zhǔn)失配終端實現(xiàn)終端短路、匹配或標(biāo)準(zhǔn)失配等功能的元件；等功能的元件；微波連接元件微波連接元件(microwave connector)是是將作用不同的兩將作用不同的兩個微波系統(tǒng)按一定要求連接起來個微波系統(tǒng)按一定要求連接起來，主要包括：，主要包括：

8、波導(dǎo)接頭、波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器及轉(zhuǎn)換接頭衰減器、相移器及轉(zhuǎn)換接頭等；等；阻抗匹配元器件阻抗匹配元器件(impedance matched devices)是用于是用于調(diào)調(diào)整傳輸系統(tǒng)與終端之間阻抗匹配整傳輸系統(tǒng)與終端之間阻抗匹配的器件，主要包括的器件，主要包括螺釘螺釘調(diào)配器、多階梯阻抗變換器及漸變型變換器調(diào)配器、多階梯阻抗變換器及漸變型變換器等。等。 第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線1. 終端負(fù)載元件終端負(fù)載元件; ; (1) 短路負(fù)載短路負(fù)載 (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波導(dǎo)的扼流波導(dǎo)的扼流式短路活塞

9、式短路活塞同軸線扼流式同軸線扼流式短路活塞短路活塞優(yōu)點：損耗小，優(yōu)點：損耗小，駐波比可以做到駐波比可以做到大于大于100100缺點：頻帶較窄缺點：頻帶較窄第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線匹配負(fù)載是一種幾乎能全部吸收輸入功率的單端口元件匹配負(fù)載是一種幾乎能全部吸收輸入功率的單端口元件 短路波導(dǎo)內(nèi)放短路波導(dǎo)內(nèi)放置鍥形吸收體置鍥形吸收體 或在波導(dǎo)外側(cè)加裝或在波導(dǎo)外側(cè)加裝散熱片以利于散熱散熱片以利于散熱 對波導(dǎo)來說，小功率匹配負(fù)載一般在一段對波導(dǎo)來說，小功率匹配負(fù)載一般在一段終端短路的波導(dǎo)內(nèi)終端短路的波導(dǎo)內(nèi)放置放置一塊或幾塊一塊或幾塊劈形吸收片劈形吸收片。當(dāng)吸收片平行地放置在波導(dǎo)中電場最

10、強(qiáng)處，當(dāng)吸收片平行地放置在波導(dǎo)中電場最強(qiáng)處，吸收片強(qiáng)烈吸收微波能量，其反射變小，吸收片強(qiáng)烈吸收微波能量，其反射變小，劈尖的長度越長吸收效果越劈尖的長度越長吸收效果越好，匹配性能越好，劈尖長度一般取好，匹配性能越好，劈尖長度一般取 g/2的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。劈形吸收片劈形吸收片劈形玻璃容器劈形玻璃容器當(dāng)當(dāng)功率功率很大時采用很大時采用水負(fù)載水負(fù)載 (2)匹配負(fù)載匹配負(fù)載(matched load)當(dāng)功率較大時當(dāng)功率較大時第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線(3)失配負(fù)載失配負(fù)載(mismatch load) 失配負(fù)載既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率，而且一失配負(fù)載既吸收一部分微波

11、功率又反射一部分微波功率，而且一般般制成一定大小駐波的標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載，主要用于微波測量制成一定大小駐波的標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載，主要用于微波測量。失配負(fù)。失配負(fù)載和匹配負(fù)載的制作相似，只是略微改變一下尺寸，使之和原傳輸載和匹配負(fù)載的制作相似，只是略微改變一下尺寸，使之和原傳輸系統(tǒng)失配。如波導(dǎo)失配負(fù)載就是將匹配負(fù)載的波導(dǎo)窄邊系統(tǒng)失配。如波導(dǎo)失配負(fù)載就是將匹配負(fù)載的波導(dǎo)窄邊b制作成與制作成與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)窄邊標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)窄邊b0不一樣，使之有一定的反射。設(shè)駐波比為不一樣，使之有一定的反射。設(shè)駐波比為 ，則有：，則有： 同軸線匹配負(fù)載同軸線匹配負(fù)載 微帶匹配負(fù)載用微帶匹配負(fù)載用半圓形半圓形電阻電阻作為吸收體作為吸收體,

12、,頻帶寬頻帶寬而且功率容量也大而且功率容量也大 )(00bbbb或第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線2.微波連接元件微波連接元件 微波連接元件是二端口互易元件，主要包括：波導(dǎo)接頭、衰減微波連接元件是二端口互易元件，主要包括：波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器和轉(zhuǎn)換接頭。器、相移器和轉(zhuǎn)換接頭。(1)波導(dǎo)接頭波導(dǎo)接頭(waveguide connector) 平法蘭平法蘭扼流法蘭扼流法蘭 平法蘭特點：加工方便、體積小、頻帶寬，其駐波比可以做到平法蘭特點：加工方便、體積小、頻帶寬，其駐波比可以做到1.002以下，但要求接觸表面光潔度較高。以下，但要求接觸表面光潔度較高。常用常用于于低功率、寬頻帶場

13、合低功率、寬頻帶場合。 扼流法蘭特點：功率容量大，接觸表面光潔度要求不高，但工作頻扼流法蘭特點：功率容量大，接觸表面光潔度要求不高，但工作頻帶較窄，駐波比的典型值是帶較窄，駐波比的典型值是1.02。一般用于高功率、窄頻帶場合。一般用于高功率、窄頻帶場合。 第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線波導(dǎo)連接頭除了法蘭接頭之外，還有各種波導(dǎo)連接頭除了法蘭接頭之外，還有各種扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)(twist)和彎曲和彎曲(bend)元件元件以滿足不同的需要。以滿足不同的需要。當(dāng)需要改變電磁波的方向時可用波導(dǎo)彎曲，為了使反射最小，扭轉(zhuǎn)當(dāng)需要改變電磁波的方向時可用波導(dǎo)彎曲，為了使反射最小，扭轉(zhuǎn)長度應(yīng)為長度應(yīng)為(2

14、n+1) g/4，E面波導(dǎo)彎曲的曲率半徑應(yīng)滿足面波導(dǎo)彎曲的曲率半徑應(yīng)滿足R 1.5b，H面面彎曲的曲率半徑應(yīng)滿足彎曲的曲率半徑應(yīng)滿足R 1.5a。當(dāng)需要改變電磁波的極化方向而不改當(dāng)需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向時用波導(dǎo)扭轉(zhuǎn)元件；變其傳輸方向時用波導(dǎo)扭轉(zhuǎn)元件；E面彎曲面彎曲H面彎曲面彎曲R 1.5aR 1.5b第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線(2)衰減元件和相移元件衰減元件和相移元件 (attenuators and phase shifters) 衰減器的種類很多，最常用是吸收式衰減器衰減器的種類很多，最常用是吸收式衰減器沿電場方向放置衰減片沿電場方向放置衰減片吸收片

15、沿波導(dǎo)橫向移動時就可改變其衰減量吸收片沿波導(dǎo)橫向移動時就可改變其衰減量 當(dāng)將衰減器的衰減片換成介電常數(shù)當(dāng)將衰減器的衰減片換成介電常數(shù) r1的無耗介質(zhì)片時，就的無耗介質(zhì)片時，就構(gòu)成了移相器，其散射矩陣為構(gòu)成了移相器，其散射矩陣為 0ee0llS0ee0jjS第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線(3)轉(zhuǎn)換接頭轉(zhuǎn)換接頭(switching connector) 微波從一種傳輸系統(tǒng)過渡到另一種傳輸系統(tǒng)時需要用轉(zhuǎn)微波從一種傳輸系統(tǒng)過渡到另一種傳輸系統(tǒng)時需要用轉(zhuǎn)換器，換器， 如第二章討論的如第二章討論的方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器等傳輸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器，等傳輸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器，在這一類轉(zhuǎn)換器設(shè)計中在這一

16、類轉(zhuǎn)換器設(shè)計中一方面要保證形狀轉(zhuǎn)換時阻抗匹配一方面要保證形狀轉(zhuǎn)換時阻抗匹配以保證信號有效傳送，另一方面要保證工作模式的轉(zhuǎn)換以保證信號有效傳送，另一方面要保證工作模式的轉(zhuǎn)換。 另一類轉(zhuǎn)換器是另一類轉(zhuǎn)換器是極化轉(zhuǎn)換器極化轉(zhuǎn)換器，由于在雷達(dá)通信和電子干，由于在雷達(dá)通信和電子干擾中經(jīng)常用到圓極化波，而微波傳輸系統(tǒng)往往是線極化的，擾中經(jīng)常用到圓極化波，而微波傳輸系統(tǒng)往往是線極化的，為此需要進(jìn)行極化轉(zhuǎn)換，這就是極化轉(zhuǎn)換器。為此需要進(jìn)行極化轉(zhuǎn)換，這就是極化轉(zhuǎn)換器。常用的線圓極化轉(zhuǎn)換器有：常用的線圓極化轉(zhuǎn)換器有：多螺釘極化轉(zhuǎn)換器多螺釘極化轉(zhuǎn)換器 和和 介質(zhì)介質(zhì)極化轉(zhuǎn)換器極化轉(zhuǎn)換器。 第五章 微波元器件之連接匹

17、配元件微波技術(shù)與天線3. 阻抗匹配元件阻抗匹配元件 (1)螺釘調(diào)配器螺釘調(diào)配器(bolt tuner) 使用時為了避免波導(dǎo)短路擊穿，螺釘都設(shè)計成容性，即螺釘旋入波使用時為了避免波導(dǎo)短路擊穿，螺釘都設(shè)計成容性，即螺釘旋入波導(dǎo)中的深度應(yīng)小于導(dǎo)中的深度應(yīng)小于3b/4。 螺釘不同的螺釘不同的深度等效為深度等效為不同的電抗不同的電抗元件元件 螺釘調(diào)配器可分為單螺釘、雙螺釘、三螺釘和四螺釘調(diào)配器。單螺螺釘調(diào)配器可分為單螺釘、雙螺釘、三螺釘和四螺釘調(diào)配器。單螺釘調(diào)配器通過調(diào)整螺釘?shù)目v向位置和深度來實現(xiàn)匹配的。釘調(diào)配器通過調(diào)整螺釘?shù)目v向位置和深度來實現(xiàn)匹配的。 第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線（

18、2）多階梯阻抗變換器多階梯阻抗變換器(multi-ladder impedance changer) 在第在第1章中我們已經(jīng)知道用章中我們已經(jīng)知道用/4阻抗變換器可實現(xiàn)阻抗匹配，但嚴(yán)阻抗變換器可實現(xiàn)阻抗匹配，但嚴(yán)格說來只有在特定頻率上才滿足匹配條件，若要使變換器在較寬的工格說來只有在特定頻率上才滿足匹配條件，若要使變換器在較寬的工作頻帶內(nèi)仍可實現(xiàn)匹配，必須用多階梯阻抗變換器。作頻帶內(nèi)仍可實現(xiàn)匹配，必須用多階梯阻抗變換器。波導(dǎo)形波導(dǎo)形同軸形同軸形微帶形微帶形它們共同的它們共同的等效電路等效電路第五章 微波元器件之連接匹配元件微波技術(shù)與天線（3） 漸變型阻抗變換器漸變型阻抗變換器(graded model impedance changer) 增加階梯的級數(shù)就可以增加工作帶