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不同型号矩形波导在销钉匹配器中的应用
作者：王利斌 廖小丽 刘 华 来源：《现代电子技术》2008年第07期
摘 要：匹配问题在微波技术中极其重要，也是微波系统中一个很重要的环节。利用三销钉匹配结构对连接在微波系统中的矩形波导(如BJ-26和BJ-22型)的匹配问题进行了研究和比较。将不同的销钉插入深度、端口反射系数、等效输入阻抗以及此时的矩形波导型号这些数据联系起来，形成一个对应关系。在微波系统中，调整销钉位置到固定位置可以对接有相同负载的不同型号的矩形波导实现阻抗匹配。
关键词：匹配;矩形波导;反射系数;等效阻抗 中图分类号：TP79文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2008)07-174-
Application of Different Types of Rectangular Waveguide in the Dowels Matching Unit
(Automatic Engineering College,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)
Abstract：The matching is not only an important part in microwave technique,but also a
significant aspect in the microwave system.In this paper,it researches and compares the matching of different types of rectangular waveguides on the basis of the three dowels matching unit.The purpose is to establish a coincidence relation by systemizing these data such as different depth of dowels,the reflection coefficient and the equivalent impedance at the port and the type of rectangular
waveguide.It is convenient to achieve the matching through adjusting the dowels to the fixed depth.
Keywords：matching;rectangular waveguide;reflection coefficient;equivalent impedance 1 引 言
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对于负载端连接有不同型号矩形波导的微波系统而言，传统阻抗匹配技术很难对负载做到实时、快速并且稳定的匹配，这在一定程度上限制了微波系统在很多领域的应用。
在不同微波系统中，由于终端使用的矩形波导型号可能有所不同，负载大多也不相同，这时手动调整可调销钉的位置来建立固定匹配网络的方法可信度不高。建立一种基于不同型号矩形波导的阻抗匹配系统模型，对于不同负载阻抗都可以使系统的反射系数满足工程理想值。这样就可以在很大程度上扩展微波系统的应用范围。
内实现不同负载的阻抗匹配。目
国际上对这样的阻抗匹配的研究已经起步，可以在前国内这样的研究还不是很多。 2 销钉匹配器的理论分析
销钉调配器就是在波导中插入螺钉，并利用螺钉在波导中不同位置时表现出的等效阻抗特性，使负载阻抗和传输线特性阻抗相等，从而实现匹配。具体分析过程如下：
(1) 根据传输线理论[1]，如果端口2处连接有匹配负载，即使其端口处于匹配状态，此时销钉插入深度为0、0、0，电磁波以行波状态传输，如图1所示。 图1 传输线匹配状态
(2) 调整3个销钉的插入深度，由于销钉插入深度的变化，使得其等效阻抗发生变化，系统在端口1处的阻抗不匹配，此时端口1处反射系数大于零，通过反射系数可以计算出等效输入阻抗为图2所示。
。这3个销钉的插入深度和端口1处的等效阻抗大小有一一对应的关系，如
图2 销钉插入深度变化时的端口特性
(3) 在微波系统实际工作当中，端口1连接的是负载，端口2连接的是信号源，即原端口1与端口2互换了位置。如果所接负载大小等于的匹配。
时，可以根据上述对应关系把销钉插入
深度调整到如图3所示的位置(即销钉翻转过后的位置)，即可实现端口2(微波系统中信号源端)
图3 微波系统实际工作中的端口特性
经过上面的分析，我们就可以建立起如图1所示的在端口2匹配情况下，三销钉匹配器端口1处的阻抗大小以及销钉插入深度参数二者的关系。
在引入上述思想的基础上，对微波阻抗匹配系统中的三销钉匹配器进行仿真，得到销钉不同插入深度时所对应的端口反射系数，再计算得到端口等效阻抗大小，从而可以建立销钉插入深度以及端口等效阻抗的一一对应关系。
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3 实际工作
对于使用不同型号矩形波导的微波系统中，一个比较困难的问题是如何在短时间内对连接在不同型号矩形波导负载端的不同负载进行匹配。
本文的研究目的就是获取在连接相同的负载和相同的销钉插入深度的前提下，不同型号的矩形波导和端口反射系数之间的关系。因为销钉本身在不同深度下可以等效为电容，也可以等效为电感，且其电抗大小是很难确定的，通过解析法获得销钉插入深度和销钉匹配器端口特性之间的关系是很困难的，为此我们提出了通过仿真来获取销钉插入深度和销钉匹配器端口特性之间的关系的方法。
3.1 销钉匹配器的设计及销钉的选择
在设计销钉匹配器时应该考虑下列的问题： (1) 销钉的位置要挑选得尽量靠近负载； (2) 传输线阻抗具有
周期性，故销钉之间的间距不能选择；
(3) 在销钉匹配器中，销钉直径越大，插入深度越深，等效电容也越大；反之，等效电容越小，等效电感逐渐变大。实验还证明，销钉直径越大，其频带响应越宽。
销钉匹配器的尺寸及销钉的大小需要根据工作频率范围来确定。本文研究的频率范围以2.45 GHz为中心频率，对应波长mm，b1=43.20 mm以及
BJ-22矩形波导)。销钉的直径通常选择小于
。销钉匹配器中波导内截面的尺寸为a1=86.40
，b2=54.60 mm(a1,b1和a2,b2分别对应于BJ-，我们选择销钉直径为d=20 mm；在
和
范围内选择销钉间距ΔS，这里令ΔS=λ/4=30.6 mm。
3.2 仿真模型的建立与分析
以BJ-26矩形波导为基础，在高频仿真软件HFSS中建立销钉匹配器模型。在图1所示的端口2处接有匹配负载，为此设置端口2边界条件为匹配边界(PML层)，厚度应该大于
[2]
，如图4中红色部分所示。
图4 设置了匹配边界之后的仿真模型
调整销钉插入深度，仿真得到端口1处反射系数，以50 Ω特性阻抗来计算得到此时端口1的等效输入阻抗，选择三组数据建立他们的对应关系如表1所示。 表1 BJ-26波导仿真结果对应关系