第5章微波元器件

1、 1. 终端负载元件终端负载元件 (1) 短路负载短路负载 短路负载是实现微波系统短路的器件短路负载是实现微波系统短路的器件, 对金属波导最方便的对金属波导最方便的短路负载是在波导终端接上一块金属片。短路负载是在波导终端接上一块金属片。 但在实际微波系统中往往需要改变终端短路面的位置但在实际微波系统中往往需要改变终端短路面的位置, 即需即需要一种可移动的短路面要一种可移动的短路面, 这就是短路活塞。这就是短路活塞。 短路活塞可分为接触式短路活塞和扼流式短路活塞两种短路活塞可分为接触式短路活塞和扼流式短路活塞两种, 前前者已不太常用者已不太常用, 下面介绍一下扼流式短路活塞。下面介绍一下扼流式短

2、路活塞。5.1 连接匹配元件连接匹配元件 应用于同轴线和波导的扼流式短路活塞如图应用于同轴线和波导的扼流式短路活塞如图5-1(a)、(b)所示所示, 它们的有效短路面不在活塞和系统内壁直接接触处它们的有效短路面不在活塞和系统内壁直接接触处, 而向波源方而向波源方向移动向移动g/2的距离。的距离。 这种结构是由两段不同等效特性阻抗的这种结构是由两段不同等效特性阻抗的g/4变换段构成变换段构成, 其工作原理可用如图其工作原理可用如图 5-1(c)所示的等效电路来表示所示的等效电路来表示, 其中其中cd段段相当于相当于g/4终端短路的传输线终端短路的传输线, bc段相当于段相当于g/4终端开路的传输

3、终端开路的传输线线, 两段传输线之间串有电阻两段传输线之间串有电阻Rk, 它是接触电阻它是接触电阻, 由等效电路不由等效电路不难证明难证明ab面上的输入阻抗为面上的输入阻抗为: Zab=0, 即即ab面上等效为短路面上等效为短路, 于于是当活塞移动时实现了短路面的移动。是当活塞移动时实现了短路面的移动。 扼流短路活塞的优点是损耗小扼流短路活塞的优点是损耗小, 而且驻波比可以大于而且驻波比可以大于100, 但这种活塞频带较窄但这种活塞频带较窄, 一般只有一般只有10%15%的带宽。的带宽。 如图如图5-1(d)所示的是同轴所示的是同轴S型扼流短路活塞，它具有宽带型扼流短路活塞，它具有宽带特性。特

4、性。 (2) 匹配负载匹配负载 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。 对波导来说对波导来说, 一般在一段终端短路的波导内放置一块或几块一般在一段终端短路的波导内放置一块或几块劈形吸收片劈形吸收片, 用以实现小功率匹配负载用以实现小功率匹配负载, 吸收片通常由介质片（如吸收片通常由介质片（如陶瓷、胶木片等）涂以金属碎末或炭木制成。陶瓷、胶木片等）涂以金属碎末或炭木制成。 当吸收片平行地放置在波导中电场最强处当吸收片平行地放置在波导中电场最强处, 在电场作用下吸在电场作用下吸收片强烈吸收微波能量收片强烈吸收微波能量, 使其反射变小。使

5、其反射变小。 劈尖的长度越长吸收效果越好劈尖的长度越长吸收效果越好, 匹配性能越好匹配性能越好, 劈尖长度一般劈尖长度一般取取g/2的整数倍。的整数倍。 如图如图 5 - 2(a)所示所示; 当功率较大时可以在短路波导内放置锲形吸收体当功率较大时可以在短路波导内放置锲形吸收体, 或在波导或在波导外侧加装散热片以利于散热外侧加装散热片以利于散热, 如图如图5-2(b)、(c)所示所示; 当功率很大时当功率很大时, 还可采用水负载，如图还可采用水负载，如图5-2(d)所示所示, 由流动的由流动的水将热量带走。水将热量带走。 同轴线匹配负载是由在同轴线内外导体间放置的圆锥形或阶同轴线匹配负载是由在同

6、轴线内外导体间放置的圆锥形或阶梯型吸收体而构成的，如图梯型吸收体而构成的，如图5-2(e)、(f)所示。所示。 微带匹配负载一般用半圆形的电阻作为吸收体，如图微带匹配负载一般用半圆形的电阻作为吸收体，如图5-2(g)所示，这种负载不仅频带宽，而且功率容量大。所示，这种负载不仅频带宽，而且功率容量大。 (3) 失配负载失配负载 失配负载既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率失配负载既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率, 而而且一般制成一定大小驻波的标准失配负载且一般制成一定大小驻波的标准失配负载, 主要用于微波测量。主要用于微波测量。 失配负载和匹配负载的制作相似失配负载和匹配负载的制作相

7、似, 只是尺寸略微改变了一下只是尺寸略微改变了一下, 使之和原传输系统失配。使之和原传输系统失配。 比如波导失配负载，就是将匹配负载的波导窄边比如波导失配负载，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不一样不一样, 使之有一定的反射。使之有一定的反射。 设驻波比为设驻波比为, 则有：则有： 例如例如: 3 cm的波段标准波导的波段标准波导BJ-100的窄边为的窄边为10.16 mm, 若要求若要求驻波比为驻波比为1.1和和1.2, 则失配负载的窄边分别为则失配负载的窄边分别为9.236 mm和和8.407 mm。)(00bbbb或(5-1-1) 2. 微波连接元件

8、微波连接元件 微波连接元件是二端口互易元件微波连接元件是二端口互易元件, 主要包括主要包括: 波导接头、衰减波导接头、衰减器、相移器、转换接头。器、相移器、转换接头。 (1) 波导接头波导接头 波导管一般采用法兰盘连接波导管一般采用法兰盘连接, 可分为平法兰接头和扼流法兰可分为平法兰接头和扼流法兰接头接头, 分别如图分别如图 5-3(a)、 (b)所示。所示。 平法兰接头的特点是平法兰接头的特点是: 加工方便加工方便, 体积小体积小, 频带宽频带宽, 其驻波比可其驻波比可以做到以做到1.002以下以下, 但要求接触表面光洁度较高。但要求接触表面光洁度较高。 扼流法兰接头由一个刻有扼流槽的法兰和

9、一个平法兰对接而扼流法兰接头由一个刻有扼流槽的法兰和一个平法兰对接而成成, 扼流法兰接头的特点是扼流法兰接头的特点是: 功率容量大功率容量大, 接触表面光洁度要求不接触表面光洁度要求不高高, 但工作频带较窄但工作频带较窄, 驻波比的典型值是驻波比的典型值是1.02。 因此，平接头常用低功率、宽频带场合，而扼流接头一般用因此，平接头常用低功率、宽频带场合，而扼流接头一般用于高功率、窄频带场合。于高功率、窄频带场合。 波导连接头除了法兰接头之外波导连接头除了法兰接头之外, 还有各种扭转和弯曲元件还有各种扭转和弯曲元件(如如图图 5-4 所示所示)以满足不同的需要。以满足不同的需要。 当需要改变电磁

10、波的极化方向而不改变其传输方向时，用波当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，用波导扭转元件导扭转元件; 当需要改变电磁波的方向时，可用波导弯曲。当需要改变电磁波的方向时，可用波导弯曲。 波导弯曲可分为波导弯曲可分为E面弯曲和面弯曲和H面弯曲。面弯曲。 为了使反射最小为了使反射最小, 扭转长度应为扭转长度应为(2n+1)g/4, E面波导弯曲的曲面波导弯曲的曲率半径应满足率半径应满足R1.5b, H面弯曲的曲率半径应满足面弯曲的曲率半径应满足R1.5a。 (2) 衰减元件和相移元件衰减元件和相移元件 衰减元件和相移元件用来改变导行系统中电磁波的幅度和相衰减元件和相移元件用来改变导行系统

11、中电磁波的幅度和相位。位。 对于理想的衰减器，其散射矩阵应为对于理想的衰减器，其散射矩阵应为: 而理想相移元件的散射矩阵应为而理想相移元件的散射矩阵应为:(5-1-2)0ee0llS(5-1-3)0ee0jjS 衰减器的种类很多衰减器的种类很多, 最常用的是吸收式衰减器最常用的是吸收式衰减器, 它是在一段它是在一段矩形波导中平行于电场方向放置吸收片而构成矩形波导中平行于电场方向放置吸收片而构成, 有固定式和可变有固定式和可变式两种，式两种， 分别如图分别如图5-5(a)、 (b)所示。所示。 一般吸收片由胶木板表面涂覆石墨或在玻璃片上蒸发一层厚一般吸收片由胶木板表面涂覆石墨或在玻璃片上蒸发一层

12、厚的电阻膜组成的电阻膜组成, 一般两端为尖劈形，以减小反射。一般两端为尖劈形，以减小反射。 由矩形波导由矩形波导TE10模的电场分布可知模的电场分布可知, 波导宽边中心位置电场波导宽边中心位置电场最强最强, 逐渐向两边减小到零逐渐向两边减小到零, 因此因此, 当吸收片沿波导横向移动时当吸收片沿波导横向移动时, 就就可改变其衰减量。可改变其衰减量。 将衰减器的吸收片换成介电常数将衰减器的吸收片换成介电常数r1的无耗介质片时的无耗介质片时, 就构就构成了移相器成了移相器, 这是因为电磁波通过一段长波为这是因为电磁波通过一段长波为l的无耗传输系统后的无耗传输系统后相位变化为：相位变化为： 其中：其中

13、：g为波导波长为波导波长, 在波导中改变介质片位置，在波导中改变介质片位置， 会改变波会改变波导波长导波长, 从而实现相位的改变。从而实现相位的改变。 g2l(5-1-4) (3) 转换接头转换接头 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。 在这一类转换器的设计中，一方面要保证形状转换时阻抗在这一类转换器的设计中，一方面要保证形状转换时阻抗的匹配，以保证信号有效传送；另一方面要保证工作模式的转的匹配，以保证信号有效传送；另一方面要保证工作模式的转换。换。 另一类转换器是极化转换器另一类转换器是极化转换器, 由于在雷达通信和

14、电子干扰由于在雷达通信和电子干扰中经常用到圆极化波中经常用到圆极化波, 而微波传输系统往往是线极化的而微波传输系统往往是线极化的, 为此需为此需要进行极化转换要进行极化转换, 这就需要极化转换器。这就需要极化转换器。 由电磁场理论可知由电磁场理论可知, 一个圆极化波可以分解为在空间互相一个圆极化波可以分解为在空间互相垂直、相位相差垂直、相位相差90而幅度相等的两个线极化波而幅度相等的两个线极化波; 另一方面另一方面, 一个线极化波也可以分解为在空间互相垂直、一个线极化波也可以分解为在空间互相垂直、大小相等、相位相同的两个线极化波大小相等、相位相同的两个线极化波, 只要设法将其中一个分只要设法将

15、其中一个分量产生附加量产生附加90相移相移, 再合成起来便是一个圆极化波了。再合成起来便是一个圆极化波了。 常用的线常用的线-圆极化转换器有两种：多螺钉极化转换器和介质圆极化转换器有两种：多螺钉极化转换器和介质极化转换器极化转换器(如图如图5-6)。 这两种结构都是慢波结构这两种结构都是慢波结构, 其相速要比空心圆波导小。其相速要比空心圆波导小。 如果变换器输入端输入的是线极化波如果变换器输入端输入的是线极化波, 其其TE11模的电场与慢模的电场与慢波结构所在平面成波结构所在平面成45角角, 这个线极化分量将分解为垂直和平行这个线极化分量将分解为垂直和平行于慢波结构所在平面的两个分量于慢波结构

16、所在平面的两个分量Eu和和Ev, 它们在空间互相垂直它们在空间互相垂直, 且都是主模且都是主模TE11, 只要螺钉数足够多或介质板足够长只要螺钉数足够多或介质板足够长, 就可以使平就可以使平行分量产生附加行分量产生附加 90的相位滞后。的相位滞后。 于是，在极化转换器的输出端两个分量合成的结果便是一于是，在极化转换器的输出端两个分量合成的结果便是一个圆极化波。个圆极化波。 至于是左极化还是右极化，要根据极化转换器输入端的线至于是左极化还是右极化，要根据极化转换器输入端的线极化方向与慢波平面之间的夹角确定。极化方向与慢波平面之间的夹角确定。 3. 阻抗匹配元件阻抗匹配元件 (1) 螺钉调配器螺钉

17、调配器 螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件, 它是它是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配元件在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配元件, 如图如图5-7所示。所示。 图图 57 波导中的螺钉及其等效电路波导中的螺钉及其等效电路 螺钉深度的不同等效为不同的电抗元件螺钉深度的不同等效为不同的电抗元件, 使用时为了避免波使用时为了避免波导短路击穿导短路击穿, 螺钉都设计成容性螺钉都设计成容性, 即螺钉旋入波导中的深度应小即螺钉旋入波导中的深度应小于于3b/4(b为波导窄边尺寸为波导窄边尺寸)。 由第由第1章的支节调配原理可知：多个相距一定距离的螺

18、钉可章的支节调配原理可知：多个相距一定距离的螺钉可构成螺钉阻抗调配器构成螺钉阻抗调配器, 不同的是这里支节用容性螺钉来代替。不同的是这里支节用容性螺钉来代替。 螺钉调配器可分为单螺钉、螺钉调配器可分为单螺钉、 双螺钉、双螺钉、 三螺钉和四螺钉四种。三螺钉和四螺钉四种。 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, 如图如图 5-8(a)所示所示; 双螺钉调配器是在矩形波导中相距双螺钉调配器是在矩形波导中相距g/8、g/4或或3g/8 等距离等距离的两个螺钉构成的的两个螺钉构成的, 如图如图5-8(b)所示。所示。 双螺钉调配器有匹配盲区

19、双螺钉调配器有匹配盲区, 故有时采用三螺钉调配器。故有时采用三螺钉调配器。 其工作原理在此不再赘述。其工作原理在此不再赘述。 由于螺钉调配器的螺钉间距与工作波长直接相关由于螺钉调配器的螺钉间距与工作波长直接相关, 因此螺钉因此螺钉调配器是窄频带的。调配器是窄频带的。 (2) 多阶梯阻抗变换器多阶梯阻抗变换器 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；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，即但严格说来只有在特定频率上才满足匹配条件，即/4阻抗阻抗变换器的工作频带是很窄的。变换器的工作频带是很窄的。 要使变换器在较宽的工作频带内

20、仍可实现匹配要使变换器在较宽的工作频带内仍可实现匹配, 必须用多阶必须用多阶梯阻抗变换器梯阻抗变换器, 图图5-9 所示分别为波导、同轴线、微带的多阶梯阻所示分别为波导、同轴线、微带的多阶梯阻抗变换器。抗变换器。图图59 各种多阶梯阻抗变换器各种多阶梯阻抗变换器图图510 多阶梯阻抗变换器的等效电路多阶梯阻抗变换器的等效电路图图59 各种多阶梯阻抗变换器各种多阶梯阻抗变换器它们都可等效为如图它们都可等效为如图 5-10 所示的电路。所示的电路。 设变换器共有设变换器共有N节，参考面分别为节，参考面分别为T0, T1, T2, , TN共共(N+1)个个, 如果参考面上局部电压反射系数对称选取如

21、果参考面上局部电压反射系数对称选取, 即取：即取： 则输入参考面则输入参考面T0上总电压反射系数上总电压反射系数为：为：(5-1-5)22110NNN)2cos(cose2)ee ()ee (e)ee()e(eeee10j)2( j)2( j1jj0j)1(2j1212j02j)1(2j14j22j10NNNNNNNNNNjNNNNNN(5-1-6) 当当0, 1, 等值给定时等值给定时, 上式右端为余弦函数上式右端为余弦函数cos的多项式的多项式, 满足满足|=0的的cos有很多解有很多解, 亦即有许多亦即有许多g使使|=0。 这就是说，在许多工作频率上都能实现阻抗匹配这就是说，在许多工作频

22、率上都能实现阻抗匹配, 从而拓宽从而拓宽了频带。了频带。 显然显然, 阶梯级数越多阶梯级数越多, 频带越宽。频带越宽。 于是反射系数模值为：于是反射系数模值为： |=|0cosN+1cos(N-2)+|(5-1-7) (3) 渐变型阻抗变换器渐变型阻抗变换器 由前面分析可知由前面分析可知, 只要增加阶梯的级数就可以增加工作带宽只要增加阶梯的级数就可以增加工作带宽, 但增加了阶梯级数但增加了阶梯级数, 变换器的总长度也要增加变换器的总长度也要增加, 尺寸会过大尺寸会过大, 结构结构设计就更加困难设计就更加困难, 因此产生了渐变线代替多阶梯。因此产生了渐变线代替多阶梯。 设渐变线总长度为设渐变线总

23、长度为L, 特性阻抗为特性阻抗为Z(z), 并建立如图并建立如图 5-11所示所示坐标：坐标：图图 511 渐变型阻抗变换器渐变型阻抗变换器 渐 变 线 上 任 意 微 分 段渐 变 线 上 任 意 微 分 段 z z + z , 对 应 的 输 入 阻 抗 为对 应 的 输 入 阻 抗 为Zin(z)Zin(z)+Zin(z), 由传输线理论得：由传输线理论得：)tan()()( j)()tan()(j)()()()(inininininzzZzZzZzzZzZzZzZzZ(5-1-8a) 式中式中,为渐变线的相移常数。为渐变线的相移常数。 当当z0时时, tanzz, 代入上式可得：代入上

24、式可得：)()()(j1)(j)()()(inininininzzzzzzzzzZzZzZzZ(5-1-8b)忽略高阶无穷小量忽略高阶无穷小量, 并整理可得：并整理可得：若令电压反射系数为若令电压反射系数为(z), 则：则：)()()(jd)(2ininzZzZzZzzdZ(5-1-9)()()()(ininzZZzZzZz(5-1-10)()()(j1)(j)()()(inininininzzzzzzzzzZzZzZzZ(5-1-8b) 代入式代入式(5-1-9)并经整理可得关于并经整理可得关于(z)的非线性方程：的非线性方程：0d)(lnd)(1 21)(2 jd)(d2zzZzzzz(5

25、-1-11) 当渐变线变化较缓时当渐变线变化较缓时, 近似认为近似认为1-2(z)1, 则可得关于则可得关于(z)的的线性方程：线性方程：其通解为：其通解为： 故渐变线输入端反射系数为：故渐变线输入端反射系数为：0d2)(lnd)(j2d)(dzzZzzz(5-1-12)zzzZzzzded)(lnd21e)(2j2j(5-1-13)zzzZzLLLded)(lnd21e2j22jin(5-1-14)0d)(lnd)(1 21)(2 jd)(d2zzZzzzz(5-1-11) 这样，当渐变线特性阻抗这样，当渐变线特性阻抗Z(z)给定后给定后, 由式由式(5-1-14)就可求得渐就可求得渐变线输

26、入端电压反射系数。变线输入端电压反射系数。 通常渐变线特性阻抗随距离变化的规律有：指数型、三角函通常渐变线特性阻抗随距离变化的规律有：指数型、三角函数型及切比雪夫型数型及切比雪夫型, 下面就来介绍指数型渐变线的特性下面就来介绍指数型渐变线的特性, 其特性阻其特性阻抗满足：抗满足： 可见当可见当 时，时，Z(z)=Z0, 而当而当 时，时，Z(z)=Zl, 于是有：于是有：2Lz2Lz 010ln21exp)(ZZLzZzZ(5-1-15)01ln1d)(lndZZLzzZ(5-1-16)两边取模得：两边取模得：输入端反射系数为：输入端反射系数为：012j2201jlnsin21deln21eZ

27、ZLLzZZLzLLLin(5-1-17)01inlnsin21ZZLL(5-1-18) 图图5-12 给出了给出了|in|与与L的关系曲线。的关系曲线。 由图可见由图可见, 当渐变线长度一定时当渐变线长度一定时, |in|随频率的变化而变。随频率的变化而变。 越小越小, L越大越大, |in|越小越小; 极限情况下极限情况下0, 则则|in|0, 这说明这说明指数渐变线阻抗变换器工作频带无上限指数渐变线阻抗变换器工作频带无上限, 而频带下限取决于而频带下限取决于|in|的容许值。的容许值。 在射频与微波无线系统中，往往需将一路微波功率在一在射频与微波无线系统中，往往需将一路微波功率在一定频段

28、内按比例分成几路，这就是功率分配问题。定频段内按比例分成几路，这就是功率分配问题。 将功率分成几路的器件称为功率分配元器件，主要包括：将功率分成几路的器件称为功率分配元器件，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。 还有将几个不同窄频段的信号合成一路宽频信号或将几还有将几个不同窄频段的信号合成一路宽频信号或将几路窄频信号合成一路宽频信号的器件称为合路器或多工器。路窄频信号合成一路宽频信号的器件称为合路器或多工器。 这些器件一般都是线性多端口互易网络，因此可用微波这些器件一般都是线性多端口互易网络，因此可用微波网络理论进行分析。网络理论进

29、行分析。 1. 定向耦合器定向耦合器 定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件, 它是由它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的, 如图如图5-13所示。所示。 图中图中“、 ”是一条传输系统是一条传输系统, 称为主线；称为主线； “、”为另一条传输系统为另一条传输系统, 称为副线。称为副线。 耦合装置的耦合方式有许多种耦合装置的耦合方式有许多种, 一般有孔、分支线、耦合线一般有孔、分支线、耦合线等等, 形成不同的定向耦合器。形成不同的定向耦合器。 图图5-13 定向耦合器的原理图定向耦合器的原理图 1)

30、 定向耦合器的性能指标定向耦合器的性能指标 定向耦合器是四端口网络定向耦合器是四端口网络, 端口端口“”为输入端为输入端, 端口端口“”为直通输出端为直通输出端, 端口端口“”为耦合输出端为耦合输出端, 端口端口“”为隔离端为隔离端, 并并设其散射矩阵为设其散射矩阵为S。 描述定向耦合器的性能指标有描述定向耦合器的性能指标有: 耦合度、隔离度、耦合度、隔离度、 定向度、定向度、输入驻波比和工作带宽。下面分别加以介绍。输入驻波比和工作带宽。下面分别加以介绍。 图图5-13 定向耦合器的原理图定向耦合器的原理图 (2) 隔离度隔离度 输入端输入端“”的输入功率的输入功率P1和隔离端和隔离端“”的输

31、出功率的输出功率P4之比之比定义为隔离度定义为隔离度, 记作记作I。 (1)耦合度耦合度 输入端输入端“”的输入功率的输入功率P1与耦合端与耦合端“”的输出功率的输出功率P3之比之比定义为耦合度，记作定义为耦合度，记作C。)dB(1lg20lg101331SPPC(5-2-1)d(1lg20lg101441BSPPI(5-2-2) (3) 定向度定向度 耦合端耦合端“”的输出功率的输出功率P3与隔离端与隔离端“”的输出功率的输出功率P4之之比定义为定向度，记作比定义为定向度，记作D。 (4) 输入驻波比输入驻波比 端口端口“、 、 ”都接匹配负载时的输入端口都接匹配负载时的输入端口“”的驻的驻

32、波比定义为输入驻波比，记作波比定义为输入驻波比，记作。 )dB(lg20lg10141343CISSPPD(5-2-3)111111SS(5-2-4) (5) 工作带宽工作带宽 工作带宽是指定向耦合器的上述工作带宽是指定向耦合器的上述C、I、D、等参数均满足要等参数均满足要求时的工作频率范围。求时的工作频率范围。 2) 波导双孔定向耦合器波导双孔定向耦合器 波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器, 主、副波主、副波导通过其公共窄壁上两个相距导通过其公共窄壁上两个相距d=(2n+1)g0/4 的小孔实现耦合。的小孔实现耦合。 其中，其中，g0是中心频

33、率所对应的波导波长是中心频率所对应的波导波长, n为正整数为正整数, 一般取一般取n=0。 耦合孔一般是圆形耦合孔一般是圆形, 也可以是其它形状。也可以是其它形状。 定向耦合器的结构如图定向耦合器的结构如图5-14(a)所示：所示：ddquuuj32j313e2e(5-2-5) 设端口设端口入射入射 波波 ，第一个小孔耦合到副波导中，第一个小孔耦合到副波导中的归一化出射波为的归一化出射波为 和和 ，q为小孔耦合系数。为小孔耦合系数。 假设小孔很小，到达第二个小孔的电磁波能量不变，只是引假设小孔很小，到达第二个小孔的电磁波能量不变，只是引起相位差，第二个小孔处耦合到副波导处的归一化出射波分别为起

34、相位差，第二个小孔处耦合到副波导处的归一化出射波分别为 和和 ，在副波导输出端口，在副波导输出端口合成的合成的归一化出射波为：归一化出射波为： 10TE) 1(1uqu41qu31djqeu42djqeu32 根据耦合器的耦合机理，根据耦合器的耦合机理，可将它画成如图可将它画成如图5-14(b)所示所示原理图。原理图。副波导输出端口副波导输出端口“”合成的归一化出射波为：合成的归一化出射波为：由此可得波导双孔定向耦合器的耦合度为：由此可得波导双孔定向耦合器的耦合度为：小圆孔耦合的耦合系数为：小圆孔耦合的耦合系数为：dddqquuuj2jj42414edcos2)e1 (e(5-2-6)(2lg

35、20lg20lg20331dBquuuC(5-2-7)32341raabq(5-2-8) 式中式中, a、b分别为矩形波导的宽边和窄边；分别为矩形波导的宽边和窄边；r为小孔的半径；为小孔的半径；是是TE10模的相移常数。模的相移常数。 波导双孔定向耦合器的定向度为：波导双孔定向耦合器的定向度为： 当工作在中心频率时当工作在中心频率时, d=/2, 此时此时D; 当偏离中心频率时当偏离中心频率时, secd具有一定的数值具有一定的数值, 此时此时D不再为无不再为无穷大。穷大。 实际上双孔耦合器即使在中心频率上实际上双孔耦合器即使在中心频率上, 其定向性也不是无穷其定向性也不是无穷大大, 而只能在

36、而只能在30dB左右。左右。 由由(5-2-9)可见，这种定向耦合器是窄带的。可见，这种定向耦合器是窄带的。ddqquuDseclg20cos22lg20lg2043(5-2-9) 总之，波导双孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而实现主总之，波导双孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而实现主波导的定向输出，在耦合口上同相叠加，在隔离口上反相抵消。波导的定向输出，在耦合口上同相叠加，在隔离口上反相抵消。 为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作频带，可采用多为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作频带，可采用多孔定向耦合器。孔定向耦合器。 3) 双分支定向耦合器双分支定向耦合器 双分支定向耦合器由双分支定向耦合器

37、由主线、副线和两条分支线主线、副线和两条分支线组成组成, 其中分支线的长度其中分支线的长度和间距均为中心波长的和间距均为中心波长的1/4, 如图如图 5 - 15 所示。所示。 设主线入口线设主线入口线“”的特性阻抗为的特性阻抗为Z1=Z0, 主线出口线主线出口线“”的特性阻抗为的特性阻抗为Z2=Z0k (k为阻抗变换比为阻抗变换比), 副线隔离端副线隔离端“”的特的特性阻抗为性阻抗为Z4=Z0, 副线耦合端副线耦合端“”的特性阻抗为的特性阻抗为Z3=Z0k, 平行连平行连接线的特性阻抗为接线的特性阻抗为Z0p, 两个分支线特性阻抗分别为两个分支线特性阻抗分别为Zt1和和Zt2。下。下面来讨论

38、双分支定向耦合器的工作原理。面来讨论双分支定向耦合器的工作原理。 假设输入电压信号从端口假设输入电压信号从端口“”经经A点输入点输入, 则到达则到达D点的信点的信号有两路号有两路, 一路是由分支线直达一路是由分支线直达, 其波行程为其波行程为g/4, 另一路由另一路由ABCD, 波行程为波行程为3g/4; 故两条路径到达的波行程差为故两条路径到达的波行程差为g/2, 相应的相位差为相应的相位差为, 即相位相反。即相位相反。 因此若选择合适的特性阻抗因此若选择合适的特性阻抗, 使到达的两路信号的振幅相等使到达的两路信号的振幅相等, 则端口则端口“”处的两路信号相互抵消处的两路信号相互抵消, 从而

39、实现隔离。从而实现隔离。 同样由同样由AC的两路信号为同相信号的两路信号为同相信号, 故在端口故在端口“”有耦合有耦合输出信号输出信号, 即端口即端口“”为耦合端。为耦合端。 耦合端输出信号的大小同样取决于各线的特性阻抗。耦合端输出信号的大小同样取决于各线的特性阻抗。 下面给出微带双分支定向耦合器的设计公式。下面给出微带双分支定向耦合器的设计公式。 设耦合端设耦合端“”的反射波电压为的反射波电压为|U3r|, 则该耦合器的耦合度为：则该耦合器的耦合度为：)dB(lg102r3UkC (5-2-10)各线的特性阻抗与各线的特性阻抗与|U3r|的关系式为：的关系式为：2r30p0UkZZr3p01

40、UZZtr3p02UkZZt(5-2-11) 对于耦合度为对于耦合度为3dB、阻抗变换比、阻抗变换比k=1的特殊定向耦合器的特殊定向耦合器, 称为称为3dB定向耦合器定向耦合器, 它通常用在平衡混频电路中。它通常用在平衡混频电路中。 此时：此时：002ZZP021ZZZtt21r3U（5-2-12）此时散射矩阵为：此时散射矩阵为： 分支线定向耦合器的带宽受分支线定向耦合器的带宽受g/4的限制的限制, 一般可做到一般可做到10%20%, 若要求频带更宽若要求频带更宽, 可采用多节分支耦合器。可采用多节分支耦合器。 01j021S100jj0010j10（5-2-13） 4) 平行耦合微带定向耦合

41、器平行耦合微带定向耦合器图图 5 16 平行耦合微带定向耦合器平行耦合微带定向耦合器eo00oZZZ o0e0o0e0ZZZZK 其中，其中，Z0为匹配负载阻抗为匹配负载阻抗, K为电压耦合系数。设各端口均为电压耦合系数。设各端口均接阻抗为接阻抗为Z0的负载的负载, 如图如图 5 - 16 所示所示, 根据奇偶模分析根据奇偶模分析, 则可等效则可等效为图为图 5 - 17。 端口端口“”处输入阻抗为处输入阻抗为o1e1o1e111inIIUUIUZ（5-2-14）设平行耦合微带线的奇、偶模特性阻抗分别为设平行耦合微带线的奇、偶模特性阻抗分别为Z0o和和Z0e,令令(5 -2 -15) 下面来证

42、明端口下面来证明端口“”是匹配的。是匹配的。 由图由图 5-17 知，知， 端口端口“”处的奇偶模输入阻抗为处的奇偶模输入阻抗为tantan00o00o00injZZjZZZZtanjtanj00e00e0inZZZZZZee(5 -2 -16)图图5-17平行耦合微带定向耦合器奇偶模等效电路平行耦合微带定向耦合器奇偶模等效电路将式将式(5 -2 -14)代入上式代入上式(5 -2 -16)得得tanjtanje0o0o0e0o0oinZZZZZZtanjtanjo0e0e0o0e0einZZZZZZ可见，可见，ZoinZein=Z0eZ0o=Z20 。(5 -2 -17)00oinoinIo

43、21UZZZU00einein1e21UZZZU00oino1211UZZI00eine1211UZZI由奇偶模等效电路得端口由奇偶模等效电路得端口“”的奇偶模电压和电流分别为的奇偶模电压和电流分别为(5 -2 -18)(5 -2 -19) 代入式（代入式（5 -2 -15）并利用式（）并利用式（5 -2 -17）则有）则有00einoin0einoin0oineinin2)()(ZZZZZZZZZZZ可见端口可见端口“”是匹配的是匹配的, 所以加上的电压所以加上的电压U0, 即为入射波电压即为入射波电压, 由对称性可知其余端口也是匹配的。由对称性可知其余端口也是匹配的。 由分压公式可得端口由

44、分压公式可得端口“”的合成电压为的合成电压为0o0e00o0e0o1e1o3e3321tan)( j2tan)( j2UZZZZZUUUUU(5 -2 -20)(5 -2 -21) 将式将式(5 -2 -14)代入代入, 于是有耦合端口于是有耦合端口“”输出电压与端口输出电压与端口“”输入电压之比为输入电压之比为tanj1tanj203KKUU端口的端口的和端口和端口处的合成电压分别为处的合成电压分别为U4=U4e+U4o=U2e-U2o=0022o2e22sinjcos11UKKUUU(5 -2 -22)(5 -2 -23) 可见可见, 端口端口“”有耦合输出而端口有耦合输出而端口“”为隔离

45、端为隔离端, 当工作当工作在中心频率上在中心频率上, =/2, 此时此时U3=K U0 0221jUKU 可见端口可见端口“”、 “”电压相差电压相差 90, 相应的耦合度为相应的耦合度为)dB(lg20lg2003KUUC(5 -2 -24)(5 -2 -25) 于是给定耦合度于是给定耦合度C及引出线的特性阻抗及引出线的特性阻抗Z0后后, 由式由式(5 -2 -25)求得耦合系数求得耦合系数K, 从而可确定从而可确定Z0o和和Z0e: KKZZ110o0KKZZ110e0 然后由此确定平行耦合线的尺寸。值得指出的是然后由此确定平行耦合线的尺寸。值得指出的是: 在上述在上述分析中假定了耦合线奇

46、偶模相速相同分析中假定了耦合线奇偶模相速相同, 因而电长度相同因而电长度相同, 但实际但实际上微带线的奇偶模相速是不相等的上微带线的奇偶模相速是不相等的, 所以按上述方法设计出的所以按上述方法设计出的定向耦合器性能会变差。为改善性能定向耦合器性能会变差。为改善性能, 一般可取介质覆盖、一般可取介质覆盖、 耦耦合段加齿形或其它补偿措施合段加齿形或其它补偿措施, 图图 5 - 18 给出了两种补偿结构。给出了两种补偿结构。 (5 -2 -26)图图 5 18 平行耦合微带定向耦合器的补偿结构平行耦合微带定向耦合器的补偿结构 2. 功率分配器功率分配器 将一路微波功率按一定比例分成将一路微波功率按一

47、定比例分成n路输出的功率元件称为路输出的功率元件称为功率分配器。功率分配器。 按输出功率比例不同按输出功率比例不同, 可分为等功率分配器和不等功率分可分为等功率分配器和不等功率分配器。配器。 在结构上在结构上, 大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带线。线。 (1) 两路微带功率分配器两路微带功率分配器 两路微带功率分配器的平面结构如图两路微带功率分配器的平面结构如图5-19所示所示, 其中输入端口特性阻抗为其中输入端口特性阻抗为Z0, 分成的两段微带线电长度为分成的两段微带线电长度为g/4, 特性阻抗分别是特性阻抗分别是Z02和和Z03, 终端分别接

48、有电阻终端分别接有电阻R2和和R3。 功率分配器的基本要求如下：功率分配器的基本要求如下： 端口端口“”无反射无反射; 端口端口“、 ”输出电压相等且同相输出电压相等且同相; 端口端口“、 ”输出功率比值为任意指定值输出功率比值为任意指定值, 设为设为 根据以上三条有：根据以上三条有：21k0in32in111ZZZ232322212121kRURU32UU (5-2-27) 这样共有这样共有R2、R3、Z02、Z03四个参数而只有三个约束条件四个参数而只有三个约束条件, 故可任意指定其中的一个参数故可任意指定其中的一个参数, 现设现设R2=kZ0, 于是由上两式可得于是由上两式可得其它参数其

49、它参数: 由传输线理论有：由传输线理论有：22022inRZZ32033inRZZ（5-2-28）)1 (2002kkZZ32003/ )1 (kkZZkZR03（5-2-29） 实际的功率分配器终端负载往往是特性阻抗为Z0的传输线, 而不是纯电阻, 此时可用g/4阻抗变换器将其变为所需电阻, 另一方面U2、U3等幅同相, 在“、”端跨接电阻Rj, 既不影响功率分配器性能, 又可增加隔离度。于是实际功率分配器平面结构如图 5 - 20 所示, 其中Z04、Z05及Rj 由以下公式确定: kZZRZ00204kZZRZ00305kkzRj201（5-2-30）图 5-20 实际功率分配器平面结构

50、图 (2) 微带环形电桥 微带环形电桥是在波导环形电桥基础上发展起来的一种功率分配元件。 其结构原理图如图 5 - 21 所示, 它由全长为3g/2的环及与它相连的四个分支组成, 分支与环并联。 其中端口“”为输入端, 该端口无反射, 端口“、 ”等幅同相输出, 而端口“”为隔离端, 无输出。其工作原理可用类似定向耦合器的波程叠加方法进行分析。在这里不作详细分析, 只给出其特性参数应满足的条件。 图 5 21 微带环形电桥结构 设环路各段归一化特性导纳分别为a、b、c, 而四个分支的归一化特性导纳为1。则满足上述端口输入输出条件下, 各环路段的归一化特性导纳为21cba而对应的散射矩阵为 jj

51、S002100jjjj0000jj（5-2-31）（5-2-32） 3. 波导分支器波导分支器 将微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器, 它是微波功率分配器件的一种, 常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。 (1) E-T分支 E面T型分支器是在主波导宽边面上的分支, 其轴线平行于主波导的TE10模的电场方向, 简称E-T分支。其结构及等效电路如图 5 - 22 所示, 由等效电路可见, E-T分支相当于分支波导与主波导串联。 图 5 - 22E-T分支结构及等效电路 当微波信号从端口“”输入时, 平均地分给端口“、 ”, 但两端口是等幅反相的; 当信号从端口“、”

52、反相激励时, 则在端口“”合成输出最大; 而当同相激励端口“、”时, 端口“”将无输出。 由此可得E-T分支的S参数为 s21212121212102121（5-2-33） (2)H-T分支 H-T分支是在主波导窄边面上的分支, 其轴线平行于主波导TE10模的磁场方向, 其结构及等效电路如图 5 - 23 所示, 当微波信号从端口“”输入时, 平均地分给端口“、”, 这两端口得到的是等幅同相的TE10波; 当在端口“、”同相激励时, 端口“”合成输出最大, 而当反相激励时端口“”将无输出。 H-T分支的散射矩阵为（5-2-34） 02121212121212121S图 5 - 23H-T分支结

53、构及等效电路 (3) 匹配双T 将E-T分支和H-T分支合并, 并在接头内加匹配以消除各路的反射, 则构成匹配双T, 也称为魔T, 如图 5 - 24 所示。它有以下特征: 图 5 24 魔T的结构 四个端口完全匹配; 端口“、 ”对称, 即有S11=S22; 当端口“”输入, 端口“、”有等幅同相波输出, 端口“”隔离; 当端口“”输入, 端口“、 ”有等幅反相波输出, 端口“”隔离; 当端口“”或“”输入时, 端口“、”等分输出而对应端口“”或“”隔离; 当端口“、 ”同时加入信号, 端口“”输出两信号相量和的 倍, 端口“”输出两信号差的 倍。 端口“”称为魔T的H臂或和臂, 而端口“”

54、称为魔T的E臂或差臂。 根据以上分析, 魔T各散射参数有以下关系: 2121（5-2-35）00344433241423132211SSSSSSSSS网络是无耗的, 则有 总之, 魔T具有对口隔离, 邻口 3 dB耦合及完全匹配的关系, 因此它在微波领域获得了广泛应用, 尤其用在雷达收发开关、 混频器及移相器等场合。 (5 - 2 - 37)以上两式经推导可得魔T的S矩阵为(5 - 2 - 36) ISS 011010011001011021S 在低频电路中在低频电路中, 谐振回路是一种基本元件谐振回路是一种基本元件, 它是由电感和电它是由电感和电容串联或并联而成容串联或并联而成, 在振荡器中

55、作为振荡回路，用以控制振荡器在振荡器中作为振荡回路，用以控制振荡器的频率的频率; 在放大器中用作谐振回路在放大器中用作谐振回路; 在带通或带阻滤波器中作为在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。选频元件等。 在微波频率上在微波频率上, 也有上述功能的器件也有上述功能的器件, 这就是微波谐振器件这就是微波谐振器件, 它的结构是根据微波频率的特点从它的结构是根据微波频率的特点从LC回路演变而成的。回路演变而成的。 微波谐振器一般有传输线型谐振器和非传输线谐振器两大微波谐振器一般有传输线型谐振器和非传输线谐振器两大类类, 传输线型谐振器是一段由两端短路或开路的微波导行系统构传输线型谐振器是一段由两端短路

56、或开路的微波导行系统构成的成的, 如金属空腔谐振器、如金属空腔谐振器、 同轴线谐振器和微带谐振器等同轴线谐振器和微带谐振器等, 如图如图 5 - 25 所示所示, 在实际应用中大部分采用此类谐振器。在实际应用中大部分采用此类谐振器。 图图 525 各种微波谐振器各种微波谐振器 1. 微波谐振器件的演化过程及其基本参量微波谐振器件的演化过程及其基本参量 低频电路中的低频电路中的LC回路是由平行板电容回路是由平行板电容C和电感和电感L并联构成，并联构成， 如图如图5-26(a)所示。所示。 它的谐振频率为：它的谐振频率为：LCf210(5-3-1) 当要求谐振频率越来越高时当要求谐振频率越来越高时

57、, 必须减小必须减小L和和C。 减小电容就要增大平行板距离减小电容就要增大平行板距离, 而减小电感就要减少电感线而减小电感就要减少电感线圈的匝数圈的匝数, 直到仅有一匝如图直到仅有一匝如图5-26(b)所示所示; 如果频率进一步提高如果频率进一步提高, 可以将多个单匝线圈并联以减小电感可以将多个单匝线圈并联以减小电感L, 如图如图5-26(c)所示所示; 进一步增加线圈数目进一步增加线圈数目, 以致相连成片以致相连成片, 形成一个封闭的中间凹形成一个封闭的中间凹进去的导体空腔，如图进去的导体空腔，如图5-26(d)所示所示, 这就成了重入式空腔谐振器这就成了重入式空腔谐振器; 继续把构成电容的

58、两极拉开继续把构成电容的两极拉开, 则谐振频率进一步提高则谐振频率进一步提高, 这样就这样就形成了一个圆盒子和方盒子形成了一个圆盒子和方盒子, 如图如图5-26(e)所示所示, 这也是微波空腔谐这也是微波空腔谐振器的常用形式。振器的常用形式。 集总参数谐振回路的基本参量是电感集总参数谐振回路的基本参量是电感L、电容、电容C和电阻和电阻R, 由此可导出谐振频率品质因数和谐振阻抗或导纳。由此可导出谐振频率品质因数和谐振阻抗或导纳。 但是在微波谐振器中但是在微波谐振器中, 集总参数集总参数L、R、C已失去具体意义已失去具体意义, 所以通常将谐振器频率所以通常将谐振器频率f0、品质因数、品质因数Q0和

59、等效电导和等效电导G0作为微波作为微波谐振器的三个基本参量。谐振器的三个基本参量。 (1) 谐振频率谐振频率 谐振频率谐振频率f0是微波谐振器最主要的参数。是微波谐振器最主要的参数。 对于金属空腔谐振器对于金属空腔谐振器, 可以看作一段金属波导两端短路可以看作一段金属波导两端短路, 因因此腔中的波不仅在横向呈驻波分布此腔中的波不仅在横向呈驻波分布, 而且沿纵向也呈驻波分布而且沿纵向也呈驻波分布, 所以为了满足金属波导两端短路的边界条件所以为了满足金属波导两端短路的边界条件, 腔体的长度腔体的长度l和波和波导波长导波长g应满足：应满足：于是有：于是有：由规则波导理论得：由规则波导理论得：,.)2

60、 , 1(2gppl(5-3-2)lp(5-3-3)2c2g222(5-3-4)故谐振频率为：故谐振频率为：2/12c2022lpvf 式中，式中，v为媒质中波速，为媒质中波速，c为对应模式的截止波长。为对应模式的截止波长。 可见谐振频率由振荡模式、腔体尺寸以及腔中填充介质可见谐振频率由振荡模式、腔体尺寸以及腔中填充介质(,)所确定所确定, 而且在谐振器尺寸一定的情况下而且在谐振器尺寸一定的情况下, 与振荡模式相对与振荡模式相对应有无穷多个谐振频率。应有无穷多个谐振频率。 (5-3-5) (2) 品质因数品质因数 品质因数品质因数Q0是表征微波谐振器频率选择性的重要参量是表征微波谐振器频率选择