电磁波第7章-1

1、第7章 微波元件7.1 引言7.2 简单元件7.3 阻抗调配器和阻抗变换器7.4 定向耦合器与功率分配器7.5 微波谐振器7.6 微波滤波器7.7 微波铁氧体元件第第7 7章章 微微 波波 元元 件件第7章 微波元件在微波系统中，微波元件是用来对信号进行各在微波系统中，微波元件是用来对信号进行各种加工和处理的。种加工和处理的。 例如对信号进行分配、衰减、隔离、定向传输、例如对信号进行分配、衰减、隔离、定向传输、相位控制、阻抗匹配与变换、波型变换、滤波等。相位控制、阻抗匹配与变换、波型变换、滤波等。它们是基于传输线的分布参数性质而制成的。它们是基于传输线的分布参数性质而制成的。7.1 7.1 引

2、引 言言第7章 微波元件7.2.1 终端器件与连接器件终端器件与连接器件7.2.2 衰减器与移相器衰减器与移相器7.2.3 波导分支结构波导分支结构7.2 7.2 简单元件简单元件第7章 微波元件1. 短路器与接头短路器与接头 短路器短路器又称短路负载，其作用是将电磁波能量又称短路负载，其作用是将电磁波能量全部反射回去。将波导或同轴线的全部反射回去。将波导或同轴线的终端终端用金属导体用金属导体全部封闭全部封闭起来即构成波导或同轴线起来即构成波导或同轴线短路器短路器。实用中。实用中的短路器都做成了可调的，称为的短路器都做成了可调的，称为短路活塞短路活塞，可用作，可用作调配器、标准可变电抗，广泛应

3、用于微波测量。调配器、标准可变电抗，广泛应用于微波测量。7.2.1 终端器件与连接器件终端器件与连接器件1. 短路器与接头短路器与接头2. 匹配负载匹配负载3. 波导的弯曲与扭转波导的弯曲与扭转短路活塞：接触式和扼流式短路活塞：接触式和扼流式第7章 微波元件图7-2-1 矩形波导接触式短路活塞物理接触点恰好位于电流波节点处，以减小物理接触点恰好位于电流波节点处，以减小损耗，避免发生打火。损耗，避免发生打火。第7章 微波元件图7-2-2 矩形波导山字形扼流式短路活塞驻波比可以做到大于驻波比可以做到大于100。但因扼流槽尺寸与工作频。但因扼流槽尺寸与工作频率有关，故有率有关，故有10%15%的带宽

4、限制。的带宽限制。第7章 微波元件图图7-2-3是两种同轴线结构的扼流活塞，是两种同轴线结构的扼流活塞， 其原其原理相同，不再重复。理相同，不再重复。图7-2-3 同轴线短路活塞第7章 微波元件接头接头用于连接传输线，也有接触式和扼流式两种。法用于连接传输线，也有接触式和扼流式两种。法兰盘结构形式有平法兰盘和扼流式法兰盘两种，如图兰盘结构形式有平法兰盘和扼流式法兰盘两种，如图7-2-4所示。所示。图7-2-4 波导接头扼流式结构的应用相当广泛扼流式结构的应用相当广泛第7章 微波元件2. 匹配负载匹配负载匹配负载匹配负载是一种能全部吸收输入功率的终端元是一种能全部吸收输入功率的终端元件，由一段终

5、端短路的波导或同轴线构成，其中放件，由一段终端短路的波导或同轴线构成，其中放有吸收微波功率的物质构成。有吸收微波功率的物质构成。 匹配负载的匹配负载的主要技术指标主要技术指标是工作带宽、输入是工作带宽、输入驻波比和功率容量。匹配负载按其功率容量可分为驻波比和功率容量。匹配负载按其功率容量可分为小功率和大功率两种。小功率和大功率两种。第7章 微波元件图7-2-5 小功率波导匹配负载这种匹配负载在这种匹配负载在10%15%带宽内可，且其驻波比带宽内可，且其驻波比低于低于1.01。第7章 微波元件图7-2-6 小功率同轴匹配负载第7章 微波元件图7-2-7 高功率波导水负载大功率匹配负载须采用大功率

6、匹配负载须采用“体体”吸收的方法。考虑到吸收的方法。考虑到热量吸收的同时，还要考虑到散热问题。热量吸收的同时，还要考虑到散热问题。第7章 微波元件图7-2-8 波导弯头3. 波导的弯曲与扭转波导的弯曲与扭转当传输线方向改变时，中间就要接入弯头，当传输线方向改变时，中间就要接入弯头， 弯头有折弯头有折角及圆弧两种。角及圆弧两种。第7章 微波元件图7-2-9 波导弯曲弧度半径弧度半径R对于对于E面弯头面弯头R1.5b，对于，对于H面弯头面弯头R1.5a第7章 微波元件图7-2-10 扭转波导有时需要改变极化方向而传输方向不变，有时需要改变极化方向而传输方向不变， 这就要用到均匀扭转这就要用到均匀扭

7、转第7章 微波元件7.2.2 衰减器与移相器衰减器与移相器吸收式衰减器吸收式衰减器2. 截止式衰减器截止式衰减器3. 旋转极化衰减器旋转极化衰减器4. 移相器移相器第7章 微波元件图7-2-11 矩形波导吸收式衰减器1、衰减器：吸收式衰减、截止式衰减、旋转式极化衰、衰减器：吸收式衰减、截止式衰减、旋转式极化衰减器减器第7章 微波元件图7-2-12 截止式衰减器 当当c时，波不能在波导中传输，处于时，波不能在波导中传输，处于截止状态，这种波导称为截止波导。此时波的振幅在截止状态，这种波导称为截止波导。此时波的振幅在波导中按波导中按ez衰减，且无相位变化。衰减，且无相位变化。第7章 微波元件图7-

8、2-13 旋转极化衰减器第7章 微波元件4. 移相器移相器理想的移相器应该是一个衰减为零、相移量可变的二理想的移相器应该是一个衰减为零、相移量可变的二端口网络，其散射矩阵为端口网络，其散射矩阵为其中，其中，为相移常数；为相移常数； l为移相器移相作用部分长度。为移相器移相作用部分长度。可见改变移相量有两种方法：可见改变移相量有两种方法：(1) 改变传输线的长度改变传输线的长度l，可以改变相移。，可以改变相移。 (2) 改变传输线的相位常数，也可以改变相移。改变传输线的相位常数，也可以改变相移。 0ee0llS结构：将衰减器的吸收片换成低损耗介质片结构：将衰减器的吸收片换成低损耗介质片(如石英、

9、聚四如石英、聚四氟乙烯等氟乙烯等)便成为介质片可调移相器。便成为介质片可调移相器。第7章 微波元件 1. E-T分支分支 2. H-T分支分支3. 双双T分支及魔分支及魔T7.2.3 波导分支结构波导分支结构第7章 微波元件结构特点为主波导的两臂结构特点为主波导的两臂1、2以分支臂以分支臂4(称为电臂称为电臂)为几何为几何对称。对称。图7-2-14 E-T分支分支第7章 微波元件图7-2-17 H-T分支分支第7章 微波元件图7-2-20 波导双波导双T第7章 微波元件7.2.3 波导分支结构（主模波导分支结构（主模TE10波波）1. E-T分支分支图7-2-14 E-T分支分支第7章 微波元

10、件图7-2-15 E-T分支各臂输入与输出情况第7章 微波元件 E-T传输特性：传输特性：当从当从4端口输入时，端口输入时，1与与2端口将有等幅端口将有等幅反相反相的输出。的输出。当当1与与2端口将有等幅反相的输入时，端口将有等幅反相的输入时，4端口输出端口输出和。和。当当1与与2端口将有等幅同相的输入时，端口将有等幅同相的输入时，4端口输出端口输出差。差。当从当从1端口输入时，端口输入时，4与与2端口将有等幅端口将有等幅同相同相的输出。的输出。当从当从2端口输入时，端口输入时，4与与1端口将有等幅端口将有等幅同相同相的输出。的输出。第7章 微波元件2. H-T分支分支图7-2-17 H-T分

11、支第7章 微波元件图7-2-18 H-T分支各臂输入输出情况第7章 微波元件H-T传输特性：传输特性： (1) 当波由当波由3臂输入时，臂输入时，1、2两臂有等幅两臂有等幅同相同相输出，即输出，即S13=S23。 (2) 当波由当波由1、2两臂等幅同相输入时，则在两臂等幅同相输入时，则在3臂有臂有“和和”输出。输出。(3) 当波由当波由1、2两臂等幅反相输入时，则在两臂等幅反相输入时，则在3臂有臂有“差差”输出。输出。(4) 当波由当波由1臂输入时，则在臂输入时，则在2、3臂有等幅臂有等幅同相同相输出，即输出，即S21=S31。 (5)当波由当波由2臂输入时，则在臂输入时，则在1、3两臂有等幅

12、两臂有等幅同相同相输出，输出，即即S12=S32。第7章 微波元件图7-2-20 波导双T3. 双双T分支及魔分支及魔T主波导为主波导为1、2臂，臂，3为为H面分支臂，面分支臂，4为为E面分支臂，几何对称面为面分支臂，几何对称面为T。第7章 微波元件 双双T分支的一些重要特性：分支的一些重要特性：波由波由3臂输入时，臂输入时，1、2两臂有等幅两臂有等幅同相同相的输出，即的输出，即S13=S23。(2) 波由波由4臂输入时，臂输入时，1、2两臂有等幅两臂有等幅反相反相的输出，即的输出，即S14=S24(E-T接头的特性接头的特性)。(3) 波由波由1、2两臂等幅两臂等幅同同相输入时，相输入时，3

13、臂有臂有“和和”的输出，的输出，4臂无输出，即臂无输出，即S43=0。 (4) 波由波由1、2两臂等幅两臂等幅反反相输入时，相输入时，3臂有臂有“和和”的输出，的输出，4臂无输出，即臂无输出，即S34=0。 (5) 根据双接头结构的对称性，又有根据双接头结构的对称性，又有S11=S22。(1) (6) 由互易性，又有由互易性，又有S12=S21，S13=S31，S23=S32， S34=S43，S14=S41。第7章 微波元件图7-2-21 魔T(匹配双T)一旦一旦3、4两臂人为地调好匹配，则两臂人为地调好匹配，则1、2两臂将自动达两臂将自动达到匹配，这种匹配的双接头，通常称为到匹配，这种匹配

14、的双接头，通常称为“魔魔”，第7章 微波元件由以上分析可得出匹配双的三个重要特性，如下所由以上分析可得出匹配双的三个重要特性，如下所示：示： (1) 功率的平分性。相邻两端口有功率的平分性。相邻两端口有3 dB的耦合量，即由的耦合量，即由1端口端口1输入的功率，由输入的功率，由3、4两端口平分输出（两端口平分输出（S13=S14）；由）；由3端口输入的功率，由端口输入的功率，由1、2两端口等幅同相平分输出两端口等幅同相平分输出S13=S23；由由4端口输入的功率，由端口输入的功率，由1、2两端口等幅反相平分输出两端口等幅反相平分输出S14=- S24 ；(2) 对口隔离性。对口隔离性。1端口与

15、端口与2端口，端口，3端口与端口与4端口互相隔端口互相隔离，即离，即S12=S21=S34=S43=0；(3) 自动匹配性。如果自动匹配性。如果3端口与端口与4端口匹配，则端口匹配，则1端口与端口与2端口自动获得匹配，即端口自动获得匹配，即S11=S22=S33=S44=0。第7章 微波元件于是得魔T的S矩阵为： 001100112110021100S第7章 微波元件7.3.1 微波电抗元件微波电抗元件1. 膜片与螺钉膜片与螺钉1) 电容膜片电容膜片平行波导平行波导宽边宽边放置的金属膜片。放置的金属膜片。7.3 7.3 阻抗调配器和阻抗变换器阻抗调配器和阻抗变换器图7-3-1 电容膜片第7章

16、微波元件2) 电感膜片电感膜片平行窄边放置的金属膜片平行窄边放置的金属膜片图7-3-2 电感膜片第7章 微波元件将电容性膜片和电感性膜片组合起来，则其等效电路是电感与电容的并联，可对某一频率发生谐振，因而称之为谐振窗。图7-3-3 谐振窗及等效电路第7章 微波元件图7-3-4 天线收发开关示意图第7章 微波元件如图如图7-3-4所示为雷达中天线收发开关的示意图。在两所示为雷达中天线收发开关的示意图。在两个谐振窗间的密闭空间充以容易电离的气体，当雷达发射个谐振窗间的密闭空间充以容易电离的气体，当雷达发射的功率的功率Pr到达谐振窗到达谐振窗1时，因气体电离使谐振窗口成为一短时，因气体电离使谐振窗口

17、成为一短路面，波将被反射而不进入接收机；当工作于接收状态时，路面，波将被反射而不进入接收机；当工作于接收状态时，由于功率小，不足以使气体电离，接收的信号将无反射地由于功率小，不足以使气体电离，接收的信号将无反射地穿过谐振窗口而传送到接收机。穿过谐振窗口而传送到接收机。第7章 微波元件3) 螺钉与销钉螺钉与销钉当在矩形波导宽边中央插入金属螺钉当在矩形波导宽边中央插入金属螺钉图7-3-5 调谐螺钉及其等效电路第7章 微波元件2. 并联短截线并联短截线由长线理论知道，长度为l的短路短线，其输入端的阻抗为Zin=jZ0 tanl。当0l/4时，Zin为感抗，如果短路短线长度很小， l(一般选用l/8)

18、，其输入阻抗可近似为故l的短路短线可以等效为一个并联电感， 其电感值为。in000jtanjjpZ lZZlZlv0pZ lLv第7章 微波元件同样，长度为l(l)开路短线可近似等效为一个并联电容，其电容值为。0pY lLv图7-3-6 带状线(微带线)短截线示意图及等效电路第7章 微波元件3. 高低阻抗线高低阻抗线由第6章习题6-11知, 长度为l、 特性阻抗为Z0的均匀无耗传输线段可以等效为T型电路；也可以等效为型电路，如图7-3-7所示。图7-3-7 传输线段及其等效电路第7章 微波元件7.3.2 阻抗调配器阻抗调配器 阻抗调配器一般采用并联电纳的方式实现，其调配原阻抗调配器一般采用并联电纳的方式实现，其调配原理就是第理就是第4章中讲述的支节匹配。章中讲述的支节匹配。为克服匹配死区的不利影响，多采用三支节匹配