微波技术11-常用微波元件

1、常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件波导型同轴型微带型微波元件常用微波元件常用微波元件 一端口元件对外只有一个物理端口，其功能一般是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。端的负载。三种负载类型，其端口的反射系数分别表现为：三种负载类型，其端口的反射系数分别表现为：l匹配负载匹配负载= 0 = 0 l短路负载短路负载=l失配负载失配负载| =| =常数。常数。 单端口元件单端口元件baba je常用微波元件常用微波元件对短路活塞的主要要求是：对短路活塞的主要要求是：保证接触

2、处的损耗小，其反射系数模应接近保证接触处的损耗小，其反射系数模应接近1 1；当活塞移动时，接触损耗的变化要小；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。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阻抗为:短路器的输入端反射系数为短路器的输入端反射系数为:in00ZjZ tgjZ tg l20001100011jininZZjZ tgZjtgSeZZjZ tgZjtg 常用微波元件常用微波元件短路负载短路负载-短路活塞短路活塞 这表明短路器的输入端反射系数的模应等于这表明短路

3、器的输入端反射系数的模应等于1 1，而相角是可变的。，而相角是可变的。 常用微波元件常用微波元件 在结构上，短路活塞可做成接触式在结构上，短路活塞可做成接触式(左图）和扼流式左图）和扼流式（右图）两种（右图）两种: 扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞太长。太长。 为了减小长度可以采用下图所示山字形和为了减小长度可以采用下图所示山字形和S S形扼流活形扼流活塞。缺点是频带窄，一般只能做到塞。缺点是频带窄，一般只能做到101015%15%的带宽。的带宽。 常用微波元件常用微波元件 低功率波导匹配负载一般为一段终端短路的波导，低功率波导匹配负

4、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：楔形吸收体，如图所示：波导型波导型常用微波元件常用微波元件 同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥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：形或者阶梯型吸收体，如图所示：同轴型同轴型常用微波元件常用微波元件 高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。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（如石墨和水泥混合物）或吸收物体可以是固体（如石墨和水泥混合物）或液体（通常用水）。液体（通常用水）。常用微波元件常用微波元件

5、高功率型高功率型常用微波元件常用微波元件大功率水冷匹配负载大功率水冷匹配负载00ZZZZ 常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件)b(000bbbZZS或二端口元件二端口元件b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2a1 端口端口1的电压入射波的电压入射波 S11 端口端口1的反射系数的反射系数a2 端口端口2的电压入射波的电压入射波 S22 端口端口2的反射系数的反射系数b1 端口端口1的电压出射波的电压出射波 S12 反向传输系数（增益）反向传输系数（增益）b2 端口端口2的电压出射波的电压出射波 S21 正向传输正向传输系数（增益）系数（增益）a1b1a2b2S1

6、1S22S21 S12常用微波元件常用微波元件 22211211SSSSS常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件 其主要指标要求是接触损耗小、驻波比小、功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。率容量大、工作频带宽。 波导连接方法分波导连接方法分和和两种。它们两种。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。是借助于焊在待连接元件波导端口上的法兰盘来实现的。法兰盘结构形式分法兰盘结构形式分和和盘盘两种，如两种，如图所示。图所示。功率容量大功率容量大,频带窄频带窄平接头平接头扼流接头扼流接头扭波导扭波导常用微波元件常用微波元件E弯弯H弯弯常用微波元件常用

7、微波元件匹配元件匹配元件 匹配元件的种类很多，这里只介绍膜片，销钉和螺钉匹匹配元件的种类很多，这里只介绍膜片，销钉和螺钉匹配器。配器。 波导中的膜片是垂直于波导管轴放置的薄金属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。片，有对称和不对称之分。 膜片是波导中常用的匹配元件，一般在调匹配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。需用对称膜片。 膜片匹配的原理是膜片匹配的原理是利用膜片产生的反射来利用膜片产生的反射来抵消由于负载不匹配所产生的反射波抵消由于负载不匹配所产生的反射波

8、常用微波元件常用微波元件 电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中磁场和存储磁能的元件；而电容器是指能够集中电场和存磁场和存储磁能的元件；而电容器是指能够集中电场和存储电能的元件。储电能的元件。 电容膜片及其等效电路电纳的近似计算公式为电纳的近似计算公式为 04ln csc2gbdBYb常用微波元件常用微波元件 矩形波导中的电感膜片及其等效电路如图所示。当在波导窄壁上矩形波导中的电感膜片及其等效电路如图所示。当在波导窄壁上放置金属膜片后，会使波导宽壁上的电流产生分流，于是在膜片的附放置金属膜片后，会使波导宽壁上的电流产生分流，于是在膜片的附近

9、必然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜片。近必然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜片。电感膜片电感膜片 20ctg2gdBYaa 电感膜片及其等效电路电感膜片及其等效电路 电感膜片电纳的近似计算公式为电感膜片电纳的近似计算公式为常用微波元件常用微波元件谐振窗谐振窗 矩形波导谐振膜片的应用矩形波导谐振膜片的应用波导滤波器波导滤波器常用微波元件常用微波元件阶梯阻抗变换器阶梯阻抗变换器矩形波导谐振膜片的应用矩形波导谐振膜片的应用常用微波元件常用微波元件 它在波导中起电感作用，可用作匹配元件和谐振元件，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

10、波器。常用于构成波导滤波器。 常用微波元件常用微波元件 销钉的相对感纳与棒的粗细有关，棒越细，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，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。根数越多，相对电纳越大。 置于置于a a/2/2处的单销钉相对电纳的近似式为处的单销钉相对电纳的近似式为1022ln()2gBabYar 常用微波元件常用微波元件 螺钉调配器调整较为方便。螺钉是低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功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件。件。常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件 衰

11、减和相移元件分别用来改变导行系统中电磁场的幅度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。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。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：衰减量可变的二端口网络，其散射矩阵为： 00alaleSe常用微波元件常用微波元件衰减与相移元件衰减与相移元件 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

12、量可变的二端口网络，其中，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：散射矩阵为：吸收式衰减器结构变移相器吸收式衰减器结构变移相器 00jjeeS常用微波元件常用微波元件 Seejj00常用微波元件常用微波元件波型变换元件波型变换元件 （1 1）探针激励探针激励常用微波元件常用微波元件（2 2）环激励）环激励（3 3）孔或缝激励）孔或缝激励常用微波元件常用微波元件 通过波导截面形状的逐渐变形，可将原波导中的模式转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。换成另一种波导中所需要的模式。 矩形波导矩形波导TETE1010模转换成圆波导模转换成圆波导T

13、ETE1111模的方模的方 - - 圆过渡圆过渡 常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件在微波技术中常用作分路元件或功率分配器在微波技术中常用作分路元件或功率分配器/ /合成器：合成器：常用微波元件常用微波元件任意三端口网络的散射矩阵为任意三端口网络的散射矩阵为若元件是互易的，有若元件是互易的，有 333231232121131211SSSSSSSSSSjiSSjiij常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件 性质性质1：无耗互易三端口网络不可能完全匹配，无耗互易三端口网络不可能完全匹配，即三个端口不可能同时都匹配。即三个端口不可能同时都匹配。 T010001100SR001

14、100010S和和 波导环形器波导环形器可以控制电磁波沿某一环形方可以控制电磁波沿某一环形方向传输，在微波系统中主要用于单向传输能量，向传输，在微波系统中主要用于单向传输能量，这种单向传输性能用于微波设备的级与级、级与这种单向传输性能用于微波设备的级与级、级与系统之间就能使它们各自独立工作、互相隔离。系统之间就能使它们各自独立工作、互相隔离。 常用微波元件常用微波元件性质性质3 3：无耗互易三端口网络的任意两个端口可无耗互易三端口网络的任意两个端口可以实现匹配以实现匹配。 常用微波元件常用微波元件03223 SST T形接头形接头 对于无耗形接头，可用传输线型来表示：对于无耗形接头，可用传输线

15、型来表示： 00201111ZZZjBYin常用微波元件常用微波元件矩形波导矩形波导T T形接头形接头 矩形波导工作在主模矩形波导工作在主模TETE1010，分，分E-TE-T和和H-TH-T接头：接头： H-TH-T接头接头E-TE-T接头接头常用微波元件常用微波元件左图说明：左图说明： 信号从信号从1 1臂输入时，主波导臂输入时，主波导2 2、3 3臂中距臂中距1 1臂等距离的臂等距离的T2T2、T3T3处为等幅处为等幅反向输出。反向输出。 当当T2T2、T3T3处有等幅反相信号输入时，则二者在处有等幅反相信号输入时，则二者在1 1臂内同向叠加输出。臂内同向叠加输出。常用微波元件常用微波元

16、件E-T特性分析特性分析 当在当在2 2、3 3臂的臂的T2T2、T3T3处输入等幅同相信号时，二者在处输入等幅同相信号时，二者在1 1臂臂中反向抵消而不能从中反向抵消而不能从1 1臂输出，只能在臂输出，只能在2 2、3 3臂中形成驻波。臂中形成驻波。常用微波元件常用微波元件E-T特性分析特性分析H-TH-T特性分析特性分析常用微波元件常用微波元件 如上图当信号从分支如上图当信号从分支4臂输入时，臂输入时， 2、3臂的臂的T2、T3处处信号等幅同相输出；信号等幅同相输出； 2、3臂的臂的T2、T3处输入等幅同相信号时，二者在处输入等幅同相信号时，二者在4臂同臂同相叠加输出。相叠加输出。 当当2

17、 2、3 3臂的臂的T2T2、T3T3处输入等幅反相信号时，处输入等幅反相信号时，二者在二者在4 4臂反相抵消，臂反相抵消，4 4臂无输出。臂无输出。常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件E-T特性：主臂特性：主臂 输入，支臂臂输入，支臂臂 、臂等幅反相输出；臂等幅反相输出；H-T特性：主臂特性：主臂输入，支臂臂输入，支臂臂 、 臂等幅同相输出。臂等幅同相输出。常用微波元件常用微波元件H-T分支分支功率分配设计结构功率分配设计结构调节膜片位置调节膜片位置x得到不同的得到不同的功率分配功率分配矩形波导对称矩形波导对称Y Y分支结构及其等效电路图如图所示，分为分支结构及其等效电路图如图所

18、示，分为E E面分支和面分支和H H面分支；前者为串联分支，后者为并联分支。面分支；前者为串联分支，后者为并联分支。 E-YE-Y分支分支H-YH-Y分支分支常用微波元件常用微波元件对称对称Y分支分支 分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当的分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当的选择高度和就可以得到任意的功率分配比。选择高度和就可以得到任意的功率分配比。 常用微波元件常用微波元件 假如三端口分配器含有有耗元件，便可以做到所有端口假如三端口分配器含有有耗元件，便可以做到所有端口匹配，而二个输出端口则不可能完全隔离。匹配，而二个输出端口则不可能完全隔离。威尔金森功率分配器威尔金森

19、功率分配器常用微波元件常用微波元件电阻性功率分配器电阻性功率分配器设计公式设计公式 为功率分配比为功率分配比 2030322020300111KZZKZK ZZKKRZKK232PKP常用微波元件常用微波元件四端口元件四端口元件定向耦合器定向耦合器性质性质1:1:无耗互易四端口网络可以完全匹配，而为一理无耗互易四端口网络可以完全匹配，而为一理 想定向耦合器。想定向耦合器。性质性质2:2:有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四 个端口均匹配，即是说四个端口匹配是定向耦合的充个端口均匹配，即是说四个端口匹配是定向耦合的充 分条件，而不是必要条件。分条件，而

20、不是必要条件。性质性质3:3:有二个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口有二个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口 电路必然为一理想定向耦合器，且其余两个端口亦匹电路必然为一理想定向耦合器，且其余两个端口亦匹 配并相互隔离。配并相互隔离。常用微波元件常用微波元件 耦合度：耦合度： 定向性：定向性： 12313110lg10lgPCPS3410lgPDdBP常用微波元件常用微波元件隔离度：隔离度：有：有：（1 1）BetheBethe孔耦合器孔耦合器 BetheBethe孔耦合器是一种单孔耦合器。为获得定向性，该单孔耦合器是一种单孔耦合器。为获得定向性，该单孔需开在两个矩形波导的公共宽壁上，如图所示

21、孔需开在两个矩形波导的公共宽壁上，如图所示 114410lg20lgPISdBP IDC dB常用微波元件常用微波元件小孔可用电和磁偶极矩构成的等效源来代小孔可用电和磁偶极矩构成的等效源来代替，调节两个等效源的相对振幅可以消除在隔离端口方向替，调节两个等效源的相对振幅可以消除在隔离端口方向的辐射，而增强在耦合端口方向的辐射，从而获得理想的的辐射，而增强在耦合端口方向的辐射，从而获得理想的 定向性。定向性。 常用微波元件常用微波元件 单孔耦合器的缺点是频带窄。宽频带应用时可采用多单孔耦合器的缺点是频带窄。宽频带应用时可采用多孔耦合器。孔耦合器。 以双孔耦合器为例说明工作原理以双孔耦合器为例说明工

22、作原理 设波导由端口输入，大部分波向端口传输，一部分波通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距/4，结果在端口方向的波相位同相而增强，在端口方向则因相位反相而相互抵消。常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件 分支线耦合器的特性是：分支线耦合器的特性是：当所有端口匹配时，由端口当所有端口匹配时，由端口输入的输入的功率在端口功率在端口和和之间平分且有之间平分且有9090相位差，端口相位差，端口无输出（隔离无输出（隔离端口）。其端口）。其S S矩阵为矩阵为 01000111002010jjSjj常用微波元件常用微波元件（5 5）180180混合电桥混合电桥该图为混合环该图为混合环1.5TEM

23、1.5TEM线（带状线或微带线）并联连接而成。线（带状线或微带线）并联连接而成。 信号由端口信号由端口输入时，端口输入时，端口和和等幅同相输出，等幅同相输出，端口端口无输出；信号由端口无输出；信号由端口输入时，端口输入时，端口和和等幅反相输出，端口等幅反相输出，端口无输出。当用作功率合无输出。当用作功率合成器时，信号同时加于端口成器时，信号同时加于端口和和，则端口，则端口输输出出“和和”信号，端口信号，端口输出输出“差差”信号。信号。 常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件波导匹配魔波导匹配魔T001100111 110021100S定义：用完全相同的电抗元件以周期性间隔加载的导行定

24、义：用完全相同的电抗元件以周期性间隔加载的导行系统称为微波周期结构。系统称为微波周期结构。 所有的周期结构都具有如下共性：所有的周期结构都具有如下共性：类似于滤波器的带通和带阻特性；类似于滤波器的带通和带阻特性；周期结构上的导波为慢波，其相速度比未加载线的相周期结构上的导波为慢波，其相速度比未加载线的相 速度要慢。速度要慢。常用微波元件常用微波元件 将系统移动周期长度的整数倍时，它与移动前的结将系统移动周期长度的整数倍时，它与移动前的结构完全重合。此时，在给定的稳态频率下，对于系统沿构完全重合。此时，在给定的稳态频率下，对于系统沿其中某个特定传输波型，它在某截面处的场与相隔周期长其中某个特定传

25、输波型，它在某截面处的场与相隔周期长度整数倍处的场仅仅相差一个复数常数。度整数倍处的场仅仅相差一个复数常数。福罗奎定理可用电场矢量表示成：福罗奎定理可用电场矢量表示成： （1 1）其周期与周期结构的空间周期相同，记作其周期与周期结构的空间周期相同，记作L L，即有，即有 （2 2）00, , ,j tztE x y z tEx y e00, ,( , ,)Ex y zE x y zmL常用微波元件常用微波元件福罗奎（福罗奎（Floquet）定理）定理设设E1和和E2是相隔为是相隔为mL的两个截面上的场，的两个截面上的场，m为整数。则为整数。则010( , , )j tzEE x y z e位置

26、位置1：0()20( , ,)j tz mLEE x y zmL e位置位置2：021mLEE e由（由（2）式，可得）式，可得E0(x,y,z)是空间周期函数，应用付氏级数按周期是空间周期函数，应用付氏级数按周期L展开，有展开，有2()00( , , )( , )j nzLnnEx y zEx y e根据正交性原理可求出级数的系数根据正交性原理可求出级数的系数E0n(x,y)为为112()001( , )( , , )z Lj nzLnzE x yE x y z edzL02()0( , , , )( , )j tjnzLnnE x y z tEx y e因此因此考虑无耗，则考虑无耗，则02

27、()0( , , , )( , )j tjnzLnnE x y z tEx y e这里这里02nnL上述分析结构表明：上述分析结构表明：在周期结构中所传播的不是一个振在周期结构中所传播的不是一个振幅沿幅沿z为常数的正弦行波，而是一个非正弦行波，或者为常数的正弦行波，而是一个非正弦行波，或者说是一个振幅沿说是一个振幅沿z周期性变化的行波。此行波可应用傅周期性变化的行波。此行波可应用傅立叶方法分解成一系列振幅沿立叶方法分解成一系列振幅沿z为常数的正弦行波。它为常数的正弦行波。它们各自以自己的振幅和相移常数沿系统传播，其总和则们各自以自己的振幅和相移常数沿系统传播，其总和则构成周期结构系统中总的场分

28、布。构成周期结构系统中总的场分布。每一个波我们称之为一个空间谐波，每一个波我们称之为一个空间谐波，n=0为基波，其余为基波，其余称为称为n次空间谐波。其场沿横截面的分布次空间谐波。其场沿横截面的分布E0n(x,y)与与z无无关；其相移常数为关；其相移常数为 。n相速度相速度02pnnnL（慢波）（慢波）微波周期结构的应用微波周期结构的应用(1) 电磁带隙结构电磁带隙结构(EBGs)(2) 电磁慢波结构电磁慢波结构(3) 左手材料左手材料自学内容自学内容常用微波元件常用微波元件 铁氧体是由金属氧化物混合烧结而成的磁性材料。铁氧体是由金属氧化物混合烧结而成的磁性材料。其化学表示一般为其化学表示一般

29、为MOFe2O3，其中，其中M代表二价金属如：代表二价金属如：锰、镁、锌、镍、镉等或者是它们的混合物。机械性能类锰、镁、锌、镍、镉等或者是它们的混合物。机械性能类似于陶瓷，其质硬而脆。似于陶瓷，其质硬而脆。铁氧体电阻率高铁氧体电阻率高106109 cmcm，比铁高，比铁高1212倍以上倍以上铁氧体电性能铁氧体电性能近似于绝缘体，有时称非金属磁性近似于绝缘体，有时称非金属磁性材料材料铁氧体的张量磁导率为铁氧体的张量磁导率为 式中式中00010010000100 xxxyyxyyjkIjk 00022011mxx 00220mxyjkj 常用微波元件常用微波元件1.1.在铁氧体中沿恒定磁场方向传播

30、的平面波，是圆极化在铁氧体中沿恒定磁场方向传播的平面波，是圆极化 TEMTEM波；波；2.2.对于圆极化波，铁氧体的导磁率不再为张量而为标量，对于圆极化波，铁氧体的导磁率不再为张量而为标量， 这意味着磁化铁氧体媒质对圆极化波表现为各向同性，这意味着磁化铁氧体媒质对圆极化波表现为各向同性， 但导磁率的大小与圆极化波的旋转方向有关。但导磁率的大小与圆极化波的旋转方向有关。l旋磁效应旋磁效应 1.1.铁磁谐振效应铁磁谐振效应常用微波元件常用微波元件注意：注意：左旋波的旋转方向与进动方向相反，在任左旋波的旋转方向与进动方向相反，在任何频率上都无法同步，故不发生谐振。因此，铁何频率上都无法同步，故不发生

31、谐振。因此，铁磁谐振仅对右旋波而言。磁谐振仅对右旋波而言。 常用微波元件常用微波元件正旋圆极化波的相速为零，波不传播，这种现象称为铁磁谐振。正旋圆极化波的相速为零，波不传播，这种现象称为铁磁谐振。定义：线性极化波在纵向磁化铁氧体内传播过程中定义：线性极化波在纵向磁化铁氧体内传播过程中极化方极化方向向发生发生旋转旋转的效应。的效应。 产生机理：一个线性极化波可以分解为两个旋转方向相产生机理：一个线性极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波，而这两个圆极化波在纵向磁化的铁氧体反的圆极化波，而这两个圆极化波在纵向磁化的铁氧体媒质中传播的相速不同媒质中传播的相速不同( (相位常数不同相位常数不同) )，因此，传播途，因此，传播途中不同距离上两圆极化波合成的线极化波的极化方向不中不同距离上两圆极化波合成的线极化波的极化方向不同，即极化面发生了旋转。如下图所示：同，即极化面发生了旋转。如下图所示： 常用微波元件常用微波元件 由于线性极化波