内蒙古工业大学信息工程学院
实 验 报 告
课程名称：微波技术
实验名称：阻抗匹配网络的设计
实验类型： 验证性■ 综合性□设计性□
实验室名称：通信与控制基础实验室
成绩：
实验日期：2014年月日
实验三、阻抗匹配网络的设计
一、 实验目的
1. 理解阻抗匹配原理，重点掌握单支节阻抗匹配器的应用；
2. 熟悉阻抗圆图在阻抗测量中的应用；
3. 学会用阻抗匹配器对失配元件进行调配。
二、 设计要求
1. 在给定负载情况下，利用单支节匹配器法设计阻抗匹配网络，实现无反射匹配；
2. 结合阻抗圆图，验证设计结果，并得出结论。
三、 实验原理
1. 阻抗测量
在微波测量技术中，阻抗测量占有很重要的地位。微波元件的阻抗是微波系统匹配设计的依据, 也是研究复杂微波结构的微波网络中确定等效电路参数的依据。阻抗测量不仅应用于微波器件特性阻抗的研究及微波系统的阻抗匹配，同时也是一些复杂测量（如微波网路参量的测量）的基础。因而微波阻抗测量是一项非常重要的测量。
由波导理论可知波导中的电磁场不是均匀分布的，因而不可能像双线传输线那样用行波电压（或电场强度）对行波电流（或磁场强度）之比，来规定出一个只决定于传输线本身尺寸的特性阻抗。波导的等效阻抗值因定义方法不同而不同，因而一般并不进行阻抗绝对值的测量。经常遇到的实际问题是电磁波在负载与传输线不匹配的传输系统上传播而产生的问题，在这一类问题中仅需知道被测元件的归一化阻抗。阻抗测量的方法很多，但应用较为广泛的方法是测量线法。
根据传输线理论，传输线上任一点的归一化阻抗为：
在电压最小点，即L=Lmin时，有1
，代入上式可解得归一化负载阻抗为：
即阻抗测量就归结为对上述三个参量的测量。
2. 确定驻波最小点位置Lmin的测量原理
由于测量线标尺的两端点不是延伸到线体的两端口，直接测量输入端口到第一个电压最小点的距离L min 是不可能的，但根据阻抗分布的g/2重复性原理，在传输线上每隔ng/2
处的阻抗相等，所以只要找到与待测阻抗相等的面作为等效参考面即可，这就是在测量中常采用的方法“等效截面法”。实际测量过程如图3-1所示。
首先将待测元件接在测量线的输出端，其驻波分布图形如图 3-1（a）中所示，元件的输入参考面（如图中TE截面）与第一个驻波最小点 D1 的距离为Dmin，用测量线测出其输入驻波系数ρ，记录波节点在测量线上的位置D min(D min= ng/2+Lmin) ，然后取下待测元
件，将测量线短接，这时在测量线中测得与Dmin 相邻的驻波节位置DT，如图3-1(b) 所示。从图中可以看出，因为 DT 是测量线终端短路时的驻波波节位置，所以它离终端的距离必为ng/2，根据ng/2 阻抗变换原理。DT 点的输入阻抗应等于终端所接的待测器件的阻抗。DT 参考面则被称为测量线终端的“等效参考面”。这样在测量线上的Dmin 和DT 之间的距离即为所要求的输入参考面到第一最小点的距离Lmin。如图（C）所示，（图中实线表示终端接被测元件时的驻波图形，虚线表示终端短路时的驻波图形）。
图3-1 等效面法测量Lmin的原理图
负载阻抗可由Smith 圆图进行求解。在查Smith 圆图时必须注意，如果DT在Dmin 的右边，查图时要按逆时针方向转（即转向负载），反之如DT 在Dmin 的左边，则按顺时针方向转（即向信号源）。利用圆图求输入阻抗的具体过程如图（3-2）所示。我们知道无耗传输线接任意负载时，沿线输入阻抗的变化轨迹是一个圆，称为等ρ圆。而波节点的输入阻抗是一个纯电阻，其轨迹为图中“0-1轴线”。因此，等ρ线圆与“0-1”轴线交点 A 即为驻波节点阻抗值，所以，当驻波节点与等效参考面DT 的距离Lmin 已知时，就可以按已知输入阻抗求负载阻抗的方法，求出被测器件的阻抗。这时只需从A 点出发，沿着等ρ圆逆时针方向（即朝负载方向）转过 Lmin/ λ
抗 L。 g的距离到达B 点，则 B 点所代表的阻抗就是被测器件的归一化阻
图3-2 用阻抗圆图计算负载阻抗
3. 匹配负载法测定膜片的电纳
图3-3 膜片
在波导中放置如图3-3 所示的开有窗口的全金属片称为膜片，当膜片的厚度满足δ
精度取决于匹配负载的匹配性能。
4. 阻抗匹配
阻抗匹配技术不仅广泛地应用在微波传输系统中，用以获得良好的工作性能及传输效率，如传输效率高，系统能传输的功率容量最大，微波源工作也较稳定等，而且对于微波测量，也是十分重要的，它直接关系到测量数据的准确度，在精密测量中，往往对阻抗匹配提出很高的要求，电压反射系数由公式：
可知，当ZL ≠Zc 时，即阻抗不匹配，就会产生反射，所以掌握匹配的原理和技巧，对
分析和解决微波技术中的实际问题具有十分重要的意义。
图3-4 调配原理图解
在小功率时构成微波匹配源的最简单的办法是在信号源的输出端口接一个衰减器或一个隔离器，使负载反射的波通过衰减进入信号源后的二次反射已微不足道，可以忽略。匹配的基本原理是利用一个调配器，使它产生的附加反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等，而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射从而达到匹配。阻抗匹配的装置与方法很多，可以根据不同的场合要求灵活选用。对于固定的负载，通常可以在系统中接入
隔离器（主要用于源端匹配）、膜片、销钉、谐振窗等以达到匹配目的；而在负载变动的情况下，可接入单螺钉调配器，EH阻抗调配器，短截线等类型的调配器，这里仅介绍实验室常用的单螺钉调配器法。
在单螺钉调配器中，一段开槽波导段宽边中心装置一个位置可移动的螺钉，而螺钉伸入波导里的深度可调，就构成可移动的单螺钉调配器，它是利用螺钉产生适当的电纳达到匹配目的，其调配原理由图3-4 说明。设系统终端的归一化导纳为L,在圆图上处于位置A 点，
移动单螺钉，现在要找到这样一个位置，在这个位置参考面上，向负载端看入的输入导纳为
在圆图上相当于从A 点沿等ρ圆移动距离d 到等ρ圆与 1 = G 圆的交点 B（图上 B点导纳值为 1 ± j），在这个位置上改变螺钉深度，在螺钉插入深度 t
四、 实验装置
YM1123标准信号发生器，GX2B小功率计，YM3892选频放大器，TC2b波导型测量线，（TS7厘米波导精密衰减器，PX16直读式频率计），BD20-A三厘米波导系统，负载，单螺钉调配器，探头若干。
五、 实验内容
1. 测量线连接后接匹配负载。调整测试系统，用频率计测量并记录工作频率（9.7GHz）；
2. 匹配负载法测量“膜片+匹配负载”总导纳，最后求出其膜片本身的归一化导纳；
（a） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用交叉读数法测量测量线标尺中间部位的一个驻波波节位置Dmin，记录测得的数据。（b） 用直接法（或等指示度法）测量其驻波系数ρ。（c） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用交叉读数法测量测量线相邻的右边（或左边）波节点位置DT，并另找一个与DT 相邻的波节点，以确定波导波长λg 。 （d） 根据实验原理，用圆图和公式两种方法处理数据，求出膜片的归一化电纳，分析实验结果。
3. 用单螺钉调配器进行调配
方法（I ），用单螺钉调配器调配“膜片+匹配负载” （a） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用直接法（或等指示度法）测量其驻波系数ρ1。 （b） 测量线后换接上接有匹配负载的单
螺钉调配器，调节螺钉深度，使其驻波系数仍等于ρ1。（c） 保持单螺钉调配器的螺钉深度
及其位置不变，测量线后依次接上单螺钉调配器，“膜片+匹配负载”，移动单螺钉调配器的螺钉位置，使其驻波系数ρ
六、 系统连接图
七、 数据整理
测量线连接后接匹配负载。调整测试系统，用频率计测量并记录工作频率（9.7GHz），读数为9.370 GHz。Dmin=116.10mmρ=1.12DT1=138.66mm
λg=2（138.66-116.10）=44.92mm
圆图法：Z=0.75-j0.32
公式法：Z=0.77-j0.28
用单螺钉调配器进行调配
ρ1=1.12
调节螺钉深度为d=8.06mm
移动单螺钉调配器的螺钉位置L=5.0cm
八、 思考与讨论
1. 测量阻抗时，驻波节点的位置DT 如何确定？为什么能用测等效参考面阻抗的方法确定待测阻抗？
接待测元件,找到一个驻波最小点Dmin,取下待测元件,测量线短接,找与Dmin相邻的驻波位置既为Dt,因为阻抗分布具有0.5λg重复性.
2. 测量膜片电纳时，为什么后面要接匹配负载？
接匹配负载时,从膜片左端看的归一化输入导纳Y=1+jB,从而得膜片归一化电纳,其精度决定于匹配负载的匹配特性。
3. 为什么要进行阻抗匹配？在微波测试系统中，调配器调到什么情况时，传输到负载的功率最大？若传输负载的功率为3dB ，则测得的驻波系数应为何值？
阻抗匹配可使系统获得良好的工作性能及传输特性
内蒙古工业大学信息工程学院
实 验 报 告
课程名称：微波技术
实验名称：阻抗匹配网络的设计
实验类型： 验证性■ 综合性□设计性□
实验室名称：通信与控制基础实验室
成绩：
实验日期：2014年月日
实验三、阻抗匹配网络的设计
一、 实验目的
1. 理解阻抗匹配原理，重点掌握单支节阻抗匹配器的应用；
2. 熟悉阻抗圆图在阻抗测量中的应用；
3. 学会用阻抗匹配器对失配元件进行调配。
二、 设计要求
1. 在给定负载情况下，利用单支节匹配器法设计阻抗匹配网络，实现无反射匹配；
2. 结合阻抗圆图，验证设计结果，并得出结论。
三、 实验原理
1. 阻抗测量
在微波测量技术中，阻抗测量占有很重要的地位。微波元件的阻抗是微波系统匹配设计的依据, 也是研究复杂微波结构的微波网络中确定等效电路参数的依据。阻抗测量不仅应用于微波器件特性阻抗的研究及微波系统的阻抗匹配，同时也是一些复杂测量（如微波网路参量的测量）的基础。因而微波阻抗测量是一项非常重要的测量。
由波导理论可知波导中的电磁场不是均匀分布的，因而不可能像双线传输线那样用行波电压（或电场强度）对行波电流（或磁场强度）之比，来规定出一个只决定于传输线本身尺寸的特性阻抗。波导的等效阻抗值因定义方法不同而不同，因而一般并不进行阻抗绝对值的测量。经常遇到的实际问题是电磁波在负载与传输线不匹配的传输系统上传播而产生的问题，在这一类问题中仅需知道被测元件的归一化阻抗。阻抗测量的方法很多，但应用较为广泛的方法是测量线法。
根据传输线理论，传输线上任一点的归一化阻抗为：
在电压最小点，即L=Lmin时，有1
，代入上式可解得归一化负载阻抗为：
即阻抗测量就归结为对上述三个参量的测量。
2. 确定驻波最小点位置Lmin的测量原理
由于测量线标尺的两端点不是延伸到线体的两端口，直接测量输入端口到第一个电压最小点的距离L min 是不可能的，但根据阻抗分布的g/2重复性原理，在传输线上每隔ng/2
处的阻抗相等，所以只要找到与待测阻抗相等的面作为等效参考面即可，这就是在测量中常采用的方法“等效截面法”。实际测量过程如图3-1所示。
首先将待测元件接在测量线的输出端，其驻波分布图形如图 3-1（a）中所示，元件的输入参考面（如图中TE截面）与第一个驻波最小点 D1 的距离为Dmin，用测量线测出其输入驻波系数ρ，记录波节点在测量线上的位置D min(D min= ng/2+Lmin) ，然后取下待测元
件，将测量线短接，这时在测量线中测得与Dmin 相邻的驻波节位置DT，如图3-1(b) 所示。从图中可以看出，因为 DT 是测量线终端短路时的驻波波节位置，所以它离终端的距离必为ng/2，根据ng/2 阻抗变换原理。DT 点的输入阻抗应等于终端所接的待测器件的阻抗。DT 参考面则被称为测量线终端的“等效参考面”。这样在测量线上的Dmin 和DT 之间的距离即为所要求的输入参考面到第一最小点的距离Lmin。如图（C）所示，（图中实线表示终端接被测元件时的驻波图形，虚线表示终端短路时的驻波图形）。
图3-1 等效面法测量Lmin的原理图
负载阻抗可由Smith 圆图进行求解。在查Smith 圆图时必须注意，如果DT在Dmin 的右边，查图时要按逆时针方向转（即转向负载），反之如DT 在Dmin 的左边，则按顺时针方向转（即向信号源）。利用圆图求输入阻抗的具体过程如图（3-2）所示。我们知道无耗传输线接任意负载时，沿线输入阻抗的变化轨迹是一个圆，称为等ρ圆。而波节点的输入阻抗是一个纯电阻，其轨迹为图中“0-1轴线”。因此，等ρ线圆与“0-1”轴线交点 A 即为驻波节点阻抗值，所以，当驻波节点与等效参考面DT 的距离Lmin 已知时，就可以按已知输入阻抗求负载阻抗的方法，求出被测器件的阻抗。这时只需从A 点出发，沿着等ρ圆逆时针方向（即朝负载方向）转过 Lmin/ λ
抗 L。 g的距离到达B 点，则 B 点所代表的阻抗就是被测器件的归一化阻
图3-2 用阻抗圆图计算负载阻抗
3. 匹配负载法测定膜片的电纳
图3-3 膜片
在波导中放置如图3-3 所示的开有窗口的全金属片称为膜片，当膜片的厚度满足δ
精度取决于匹配负载的匹配性能。
4. 阻抗匹配
阻抗匹配技术不仅广泛地应用在微波传输系统中，用以获得良好的工作性能及传输效率，如传输效率高，系统能传输的功率容量最大，微波源工作也较稳定等，而且对于微波测量，也是十分重要的，它直接关系到测量数据的准确度，在精密测量中，往往对阻抗匹配提出很高的要求，电压反射系数由公式：
可知，当ZL ≠Zc 时，即阻抗不匹配，就会产生反射，所以掌握匹配的原理和技巧，对
分析和解决微波技术中的实际问题具有十分重要的意义。
图3-4 调配原理图解
在小功率时构成微波匹配源的最简单的办法是在信号源的输出端口接一个衰减器或一个隔离器，使负载反射的波通过衰减进入信号源后的二次反射已微不足道，可以忽略。匹配的基本原理是利用一个调配器，使它产生的附加反射波，其幅度和失配元件产生的反射波幅度相等，而相位相反，从而抵消失配元件在系统中引起的反射从而达到匹配。阻抗匹配的装置与方法很多，可以根据不同的场合要求灵活选用。对于固定的负载，通常可以在系统中接入
隔离器（主要用于源端匹配）、膜片、销钉、谐振窗等以达到匹配目的；而在负载变动的情况下，可接入单螺钉调配器，EH阻抗调配器，短截线等类型的调配器，这里仅介绍实验室常用的单螺钉调配器法。
在单螺钉调配器中，一段开槽波导段宽边中心装置一个位置可移动的螺钉，而螺钉伸入波导里的深度可调，就构成可移动的单螺钉调配器，它是利用螺钉产生适当的电纳达到匹配目的，其调配原理由图3-4 说明。设系统终端的归一化导纳为L,在圆图上处于位置A 点，
移动单螺钉，现在要找到这样一个位置，在这个位置参考面上，向负载端看入的输入导纳为
在圆图上相当于从A 点沿等ρ圆移动距离d 到等ρ圆与 1 = G 圆的交点 B（图上 B点导纳值为 1 ± j），在这个位置上改变螺钉深度，在螺钉插入深度 t
四、 实验装置
YM1123标准信号发生器，GX2B小功率计，YM3892选频放大器，TC2b波导型测量线，（TS7厘米波导精密衰减器，PX16直读式频率计），BD20-A三厘米波导系统，负载，单螺钉调配器，探头若干。
五、 实验内容
1. 测量线连接后接匹配负载。调整测试系统，用频率计测量并记录工作频率（9.7GHz）；
2. 匹配负载法测量“膜片+匹配负载”总导纳，最后求出其膜片本身的归一化导纳；
（a） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用交叉读数法测量测量线标尺中间部位的一个驻波波节位置Dmin，记录测得的数据。（b） 用直接法（或等指示度法）测量其驻波系数ρ。（c） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用交叉读数法测量测量线相邻的右边（或左边）波节点位置DT，并另找一个与DT 相邻的波节点，以确定波导波长λg 。 （d） 根据实验原理，用圆图和公式两种方法处理数据，求出膜片的归一化电纳，分析实验结果。
3. 用单螺钉调配器进行调配
方法（I ），用单螺钉调配器调配“膜片+匹配负载” （a） 测量线后接“膜片+匹配负载”，用直接法（或等指示度法）测量其驻波系数ρ1。 （b） 测量线后换接上接有匹配负载的单
螺钉调配器，调节螺钉深度，使其驻波系数仍等于ρ1。（c） 保持单螺钉调配器的螺钉深度
及其位置不变，测量线后依次接上单螺钉调配器，“膜片+匹配负载”，移动单螺钉调配器的螺钉位置，使其驻波系数ρ
六、 系统连接图
七、 数据整理
测量线连接后接匹配负载。调整测试系统，用频率计测量并记录工作频率（9.7GHz），读数为9.370 GHz。Dmin=116.10mmρ=1.12DT1=138.66mm
λg=2（138.66-116.10）=44.92mm
圆图法：Z=0.75-j0.32
公式法：Z=0.77-j0.28
用单螺钉调配器进行调配
ρ1=1.12
调节螺钉深度为d=8.06mm
移动单螺钉调配器的螺钉位置L=5.0cm
八、 思考与讨论
1. 测量阻抗时，驻波节点的位置DT 如何确定？为什么能用测等效参考面阻抗的方法确定待测阻抗？
接待测元件,找到一个驻波最小点Dmin,取下待测元件,测量线短接,找与Dmin相邻的驻波位置既为Dt,因为阻抗分布具有0.5λg重复性.
2. 测量膜片电纳时，为什么后面要接匹配负载？
接匹配负载时,从膜片左端看的归一化输入导纳Y=1+jB,从而得膜片归一化电纳,其精度决定于匹配负载的匹配特性。
3. 为什么要进行阻抗匹配？在微波测试系统中，调配器调到什么情况时，传输到负载的功率最大？若传输负载的功率为3dB ，则测得的驻波系数应为何值？
阻抗匹配可使系统获得良好的工作性能及传输特性