《微波技术基础第23次课》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微波技术基础第23次课（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、詹铭周 副教授 电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼C305 电话：61831021 电邮：,S参数（Scatter-Parameter),Scattering Matrix） 常用微波元件 1端口 负载和谐振器 2端口（多端口的下次课内容） 无源、无耗、互易、对称2端口网络的性质 波导接头、弯头 匹配元件（匹配网络） 衰减/移相 波型变换（同一传输线的模式变换器，不同传输线的过渡） 波导的激励方式重要,S参数（S-Parameter）,网络参量分为： 电路参量：把端口的模式电压和模式电流之关系用Z、Y、A联系起来: 微波频段，模式电压电流是抽象的、不可测的，且有的网络不存在Z、Y
2、参数； 波参量：基于“波”定义的网络参数“波参量”可测VSWR、lmin、P等描绘网络实际的工作特性； S、T,在微波技术中，最为重要,各参量之间可互推,事实上，1957年柯林等人出版的微波工程里面就有了S参数的描述，但是未做深入的分析，也没有推到S矩阵。 推广工作是由Dr. Kaneyuki Kurokawa 完成的。 His March 1965 IEEE paper entitled Power Waves and the Scattering Matrix, makes Kurokawa the first to popularize the concept of S-paramete
3、rs. S-parameter区别了微波工程师与普通的电子工程师。可见其重要性,S参数（S-Parameter）,引入新参量,传输线理论中的电压电流波：,S参数（S-Parameter）,称a，b为归一化入射波和归一化散射波； S（Scatter）表示波遇到不连续性而向各个端口发生散射。 在端口面上设置参考面AA,用矩阵记为,S 称为散射矩阵， 阶数为nn,第8章 常用微波元件,互易性、对称性 幺正性幅度关系、相位关系(P212),无耗网络，功率守恒无耗N口网络散射矩阵的任意一列与其自身列的共轭之积为1，与其他列的共轭之积为0,散射矩阵的矩阵元定义如下： 即是除了端口 i 接波源外，其余所有端
4、口接匹配负载时，端口i的电压反射系数。 即是端口 j 接波源外，其余所有端口接匹配负载时，从端口i到端口j的电压传输系数。 由于反射系数和传输系数是微波波段易于测量的量，因此采用S矩阵研究微波网络问题更为方便。,，,，,第8章 常用微波元件,端口1和2处,Transmitted b2,Reflected b1,Incident a1,Smith 圆图 器件反射与阻抗参数的描述, ,.2,.4,.6,.8,1.0,等电抗圆,等电阻圆,Smith Chart 圆图上 一点位置反映对应的阻抗(R+jx)和反射(模和相位),等反射系数圆 半径: 反射大小 相角: 反射相位,G,L,Z = 0,=,18
5、0,O,1,(短路点),Z =,L,=,0,O,1,G,(开路点),Z = Zo,L,=,0,G,大电阻区,小电阻区,电感区,电容区,Z=R+jx,S-参数,S参数的定义:,S22 = b2 / a2 | a1 = 0,S12 = b1 / a2 | a1 = 0,S21 = b2 / a1 | a2 = 0,S11 = b1 / a1 | a2 = 0,ax“ 和 “bx“ 在相同的频率上进行测量.,S-参数 总结,S参数定义与入射与反射波参量（a，b）比值相关。在进行S参数测量时，入射与反射波参量应同一频率下测量得到。 S参数可完整表达网络的反射与传输特性 S参数没有量纲 S参数的测量应基
6、于统一的系统特征阻抗,例1,例二,可用作移动参考面,微波系统微波无源电路有源电路 基 低频集总参数的电容、电感和电阻等 本 微波按端口分：一端口、二端口、三端口、四端口 元 按功能分：匹配负载、短路负载、调配器、连 件 接器、滤波器、功分器、定向耦合 器、魔T、铁氧体器件等。 微波网络参数散射矩阵或 S矩阵，在微波频段应用最为广泛，相当于低频中的Z和Y。,第8章 常用微波元件,第8章 常用微波元件,8.1 一端口元件 一端口元件对外只有一个物理端口，其功能一般是对确定 频率微波信号产生谐振以及作为微波传输系统末端的负载。 对应于上述三种负载类型， 其端口的反射系数分别表 现为： 短路负载= 匹
7、配负载= 0 失配负载| =常数。,短路负载-短路器 对短路活塞的主要要求是： 保证接触处的损耗小，其反射系数模应接近1；频带宽； 当活塞移动时，接触损耗的变化要小； 大功率运用时，活塞与波导壁（或者同轴线的内外导体 壁）间不应发生打火现象。 短路器的输入阻抗为: 短路器的输入端反射系数为:,第8章 常用微波元件,这表明短路器的输入端反射系数的模应等于1，而相角是可变的。在结构上，短路活塞可做成接触式(左图）和扼流式（右图）两种:,第8章 常用微波元件,上图所示的扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺 点是活塞太长。为了减小长度可以采用下图所示山字形 和S形扼流活塞。缺点是频带窄，一般只能做到
8、1015% 的带宽,第8章 常用微波元件,匹配负载：频带宽；功率大；热稳定 低功率波导匹配负载一般为一段终端短路的波导，在其 里面沿电场方向放置一块或者数块劈形吸收片或者楔形 吸收体，如图所示：,第8章 常用微波元件,材料介绍: ECCOSORB公司,在微波工程中大量使用，比如： 微波暗室 隐形飞机 功率合成等电路中,同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥形或者阶梯 型吸收体，如图所示：,第8章 常用微波元件,微带线用电阻材料，连接于微带线上，或直接制作在基板上。,碳膜 金属氧化物（氮化钽， 50 / ） 电阻浆料烧结（LTCC）,高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。吸收物体可 以是固体（如
9、石墨和水泥混合物）或液体（通常用水）。,第8章 常用微波元件,失配负载 实用中的失配负载都是做成标准失配负载，具有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测量中作标准终端负载。 失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导口径的尺寸b不同而已。设b0为标准波导窄边尺寸，b为失配负载波导的窄边尺寸，由于,第8章 常用微波元件,则： 可见对于不同的b可以特到不同的驻波比。 典型应用： 1、开路负载，测试，校准件中使用 2、负载牵引或者源牵引中使用，实现几乎任意阻抗的调节，得到最佳负载。,第8章 常用微波元件,天线,8.2 二端口元件 无耗二端口网络的基本性质 二端口元件可以等效为二端口网络，其散射矩阵为：
10、若网络无耗，可互易，则由幺正性得到： 因此得到如下无耗互易二端口网络的基本性质： 若一个端口匹配，则另一个端口自动匹配； 若网络是完全匹配的，则必然是完全传输的或相反； S11，S22，S12的相角只有两个是独立的，已知其中 两个相角，则第三个相角便可确定。,第8章 常用微波元件,连接元件 其主要指标要求是接触损耗小、驻波比小、功率容量大 、工作频带宽。 波导接头 波导连接方法分接触连接和扼流连接两种。它们是借助 于焊在待连接元件波导端口上的法兰盘来实现的。法兰 盘结构形式分平法兰盘和扼流法兰盘两种，如图所示。,拐角、弯曲和扭转元件 当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时， 则要用到扭
11、转元件。对这些元件的要求是：引入的反射 尽可能小、工作频带宽、功率容量大。,第8章 常用微波元件,匹配元件 匹配元件的种类很多，这里只介绍膜片，销钉和螺钉匹 配器。 膜片 波导中的膜片是垂直于波导管轴放置的薄金属片，有对 称和不对称之分，如图所示。膜片是波导中常用的匹配 元件，一般在调匹配时多用不对称膜片，而当负载要求 对称输出时，则需用对称膜片。,第8章 常用微波元件,利用膜片进行匹配的原理便是利用膜片的产生的反射来 抵消由于负载不匹配所产生的反射波。,第8章 常用微波元件,薄对称电感膜片相对电纳的近似式为: 薄对称电容膜片相对电纳的近似式为: 将感性膜片和容性膜片组合在一起便得到示的谐振窗
12、。 它对某一特定频率产生谐振，电磁波可以无反射的通过。 其等效电路相当于并联谐振回路。如下图所示：,第8章 常用微波元件,销钉 它在波导中起电感作用，可用作匹配元件和谐振元件， 常用于构成波导滤波器。,第8章 常用微波元件,销钉的相对感纳与棒的粗细有关，棒越细，电感量越大， 其相对电纳越小；同样粗细的棒，根数越多，相对电纳 越大。置于a/2处的单销钉相对电纳的近似式为 螺钉调配器 螺钉调配器调整较为方便。螺钉是低功率微波装置中普遍 采用的调谐和匹配元件。,第8章 常用微波元件,实用时，为避免波导短路和击穿，通常设计螺钉成容性， 作可变电容用，螺钉旋入波导的深度应小于3b/4,b为矩形 波导窄边
13、的尺寸。,第8章 常用微波元件,衰减与相移元件 衰减和相移元件分别用来改变导行系统中电磁场的幅度 和相位，衰减器和相移器联合使用，可以调节导行系统 中电磁波的传播常数。 理想衰减器在衰减量连续可变时，相移量应固定不变。 衰减量可变的二端口网络，其散射矩阵为：,第8章 常用微波元件,理想相移器应该是一个具有单位振幅，即相位变化过程 中，其衰减量固定不变。相移量可变的二端口网络，其 散射矩阵为： 吸收式衰减器,第8章 常用微波元件,与负载制作类似，但需要部分能量通过 功分器可也实现衰减,波形变换元件重点 为了从一种导行系统元件过渡到另一种导行系统元件。 或过渡到同种导行系统的另一种元件并要求产生所需要 的工作模式，就需要采用波形变换元件。 波导激励的一般方法与装置重点考核和工程中最为重要的环节 （1）探针激励（电耦合）,第8章 常用微波元件,（2）环激励（磁耦合） （3）孔或缝激励,第8章 常用微波元件,（4）直接过渡 通过波导截面形状的逐渐变形，可将原波导中的模式转 换成另一种波导中所需要的模式。 矩形波导TE10模转换成圆波导TE11模的方 - 圆过渡,第8章 常用微波元件,
