微波技术与天线 第5章

第五章微波元器件

任何频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件，既有如电容、电感、电阻、滤波器、分配器、谐振回路等无源元器件，以实现信号匹配、分配、滤波等功能；又有晶体管等有源元器件，实现信号产生、放大、调制、变频等功能。

在微波系统中，实现对微波信号的产生、放大、变频、匹配、分配、滤波等功能的部件，统称为微波元器件。微波元器件按其变换性质可分为三大类:线性互易元器件(linearreciprocaldevices)只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性并满足互易定理，主要包括：各种微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件等；线性非互易元器件(linearnonreciprocaldevices)主要是指铁氧体器件，它的散射矩阵不对称，但仍工作在线性区域，主要包括：隔离器、环行器等；非线性器件(nonlineardevices)能引起频率的改变，从而实现放大、调制、变频等，主要包括微波电子管、微波晶体管、微波固态谐振器、微波场效应管及微波电真空器件等。5.1连接匹配元件

微波连接匹配元件包括三大类:终端负载元件(terminalloaddevices)是连接在传输系统终端实现终端短路、匹配或失配等功能的元件；微波连接元件(microwaveconnector)是将作用不同的两个微波系统按一定要求连接起来，主要包括：波导接头、衰减器、相移器及转换接头等；阻抗匹配元器件(impedancematcheddevices)是用于调整传输系统与终端之间阻抗匹配的器件，主要包括螺钉调配器、多阶梯阻抗变换器及渐变型变换器等。1.

终端负载元件（单口元件）;

(1)

短路负载

(shortcircuitload)g/4g/4g/4波导短路活塞同轴线短路活塞有效短路面

短路负载又称为短路器,它的作用是将电磁能量全部反射回去。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。实际中的短路器都是做成可以移动的，这种短路负载又称为可调短路活塞。

有效短路面匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的元件。波导内放置锲形吸收体

或在波导外侧加装散热片以利于散热

对波导来说，小功率匹配负载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。当吸收片平行地放置在波导中电场最强处，吸收片强烈吸收微波能量，其反射变小，劈尖的长度越长吸收效果越好，匹配性能越好，劈尖长度一般取g/2的整数倍。劈形吸收片劈形玻璃容器当功率很大时采用水负载

(2)匹配负载(matchedload)当功率较大时微带匹配负载用半圆形电阻作为吸收体,特点是频带宽而且功率容量也大

同轴线锥型匹配负载

同轴线梯形匹配负载

(3)失配负载(mismatchload)

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。失配负载和匹配负载的制作相似，只是略微改变一下尺寸，使之和原传输系统失配。2.微波连接元件

微波连接元件是二端口互易元件，主要包括：波导接头、衰减器、相移器和转换接头。连接点接触可靠;不引起电磁波的反射,输入驻波比尽可能小,一般在1.2以下;工作频带要宽;电磁能量不会泄漏到接头外面;而且结构要牢靠,装拆方便,容易加工等。

(1)波导接头(waveguideconnector)

平法兰扼流法兰

平法兰特点：加工方便、体积小、频带宽，其驻波比可以做到1.002以下，但要求接触表面光洁度较高。常用于低功率、宽频带场合。

扼流法兰特点：功率容量大，接触表面光洁度要求不高，但工作频带较窄，驻波比的典型值是1.02。一般用于高功率、窄频带场合。

波导连接头除了法兰接头之外，还有各种扭转(twist)和弯曲(bend)元件，从而改变电磁波方向。1、衰减器：

同轴线衰减器

可调波导衰减器吸波材料片

作用：根据需要，减小所传输信号的幅度。

原理：用吸波材料吸收一定的电磁能量来实现衰减。(2)衰减元件和相移元件2、移相器：

原理：电磁波在不同介质中具有不同的相移常数。因此改变电磁波经过的介质就可以改变其相移量。

作用：可以人为地改变传输电磁波的相位。低损耗介质片l

当将衰减器的衰减片换成介电常数r>1的低耗介质片时，就构成了移相器功率分配网络天线阵元移相器源

应用举例：用于相控阵天线中，要求每个天线阵元辐射相位不同的电磁波。移相器的相移量1.同轴线―波导转接器它将同轴线的一端加信号,另一端的内导体伸入矩形波导内,则同轴线中TEM模就会激励起矩形波导中TE10模,反之亦然。这样实现了模式变换。(3)转换接头(switchingconnector)

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2.波导―微带转接器由于矩形波导的等效阻抗通常在300Ω400Ω之间,而微带线特性阻抗一般为50Ω;而且矩形波导的高度b又比微带线衬底高度h大得多,因此两种传输线不能直接相接,常在波导和微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。2023/2/43.同轴线―微带转接器将同轴线的内导体向外延伸一小段(长度约为12mm)与微带线中心导带搭接,同轴线的外导体与微带线的接地平面相连的外壳相连,这种接头根据报导,在10GHz以下的频率范围内,可得到小于1.15的驻波比,在一般工程中应用得到满意的结果。3.阻抗匹配元件

(1)螺钉调配器(bolttuner)

使用时为了避免波导短路击穿，螺钉都设计成容性，即螺钉旋入波导中的深度应小于3b/4。

螺钉不同的深度等效为不同的电抗元件

螺钉调配器可分为单螺钉、双螺钉、三螺钉和四螺钉调配器。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的。

（2）多阶梯阻抗变换器(multi-ladderimpedancechanger)

在第1章中我们已经知道用λ/4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，若要使变换器在较宽的工作频带内仍可实现匹配，必须用多阶梯阻抗变换器。波导形同轴形微带形（3）渐变型阻抗变换器(gradedmodelimpedancechanger)

增加阶梯的级数就可以增加工作带宽，但增加了阶梯级数，变换器的总长度也要增加，尺寸会过大，另一方面结构设计越困难，因此提出用渐变线代替多阶梯。

渐变线：其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线的特性阻抗变换到另一条传输线的特性阻抗。Zl5.2功率分配元器件

在微波系统中，往往需将一路微波功率按比例分成几路，这就是功率分配问题。实现上述功能的元件称为功率分配元器件(powerdivider)，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。1、定向耦合器3412

同向耦合输入端口隔离端口耦合端口直通端口3412

反向耦合直通端口耦合端口输入端口隔离端口

作用：从主传输线中取出一些电磁能量并向设定的方向传输。可以用来监视功率、频率和频谱;把功率进行分配和合成;又可以测量反射系数和功率,等等。①②是一条传输系统，称为主线③④为一条传输系统，称为副线（1）、波导定向耦合器

双孔定向耦合器（窄频带）341212343412123N

多孔定向耦合器（频带较宽）耦合端口3微波同相叠加，隔离口4反向抵消

单孔定向耦合器

理想状态下，隔离端口应当没有输出，但实际上仍有一定输出，因此应在隔离端口接匹配负载，吸收这一部分功率。吸波材料

定向耦合器实例（2）微带定向耦合器

平行耦合线定向耦合器距离较近的微带线之间都有能量耦合。锯齿形定向耦合器提高性能主线副线锯齿形定向耦合器实例

微带双分支定向耦合器3214ABCD1输入，2、3输出，相位差90度；

4为隔离端口，无输出；微带双分支定向耦合器实例2.功率分配器(powerdivider)

将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器。按输出功率比例不同，可分为等功率分配器和不等功率分配器。在结构上，大功率往往采用同轴线，而中小功率常采用微带线。

（1）微带功率分配器：Y形分支T形分支微带天线阵微带天线阵元微带线功分器实例一分二一分三主要特性：

3端口输入：1、2等幅、反相输出，4端口无输出；

4端口输入：1、2等幅、同相输出，3端口无输出；

1、2端口均有输入：3端口输出差信号，4端口输出和信号；

3、4端口相互隔离；1、2端口相互隔离；

（2）微带环形电桥（微带魔T）1243微带环形电桥实例3.波导分支器(waveguidebranchcircuit)

将微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器。1)E面T型分支当微波信号从端口③输入时，平均地分给端口①②，但两端口是等幅反相的；当信号从端口①②反相激励时，则在端口③合成输出最大；而当同相激励端口①②时，端口③将无输出。结构

等效电路

2)H面T型分支

当微波信号从端口③输入时，平均地分给端口①②，这两端口得到是等幅同相的波；当在端口①②同相激励时，则在端口③合成输出最大，而当反相激励时端口③将无输出。3)匹配双T或魔T(magic-Tcircuit)

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。H臂或和臂E臂或差臂

魔T具有对口隔离，邻口3dB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。

十字定向耦合器定向耦合器

魔T双Ｔ

5.3微波谐振器件

在低频电路中，谐振回路是一种基本元件，它是由电感L和电容C串联或并联而成，在振荡器中作为振荡回路用以控制振荡器的频率；在放大器中用作谐振回路；在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。在微波频率上，也有上述功能的器件，这就是微波谐振器件(microwaveresonators)。

相当于低频中的谐振回路，具有储能、选频、稳频的功能；

用途：微波源、滤波器、选频器等等；基本概念：

特点：理论上说，有无穷多个谐振频率（多谐性）；品质因素Q值很高（几万～几十万）； Q＝ω×谐振系统谐振时的平均储能系统中每秒的能量消耗对于谐振腔而言，已经无法分出哪里是电感、哪里是电容，腔体内充满电磁场，因此只能用场的方法进行分析。

1、矩形波导谐振腔

三个整数m、n、l

的每一种组合都对应腔内的一种谐振模式，因此：有无穷多个谐振模式；（1）波导型谐振器：abl

应采用两端短路的方式；2、圆波导谐振腔la

品质因数正比于腔体积，反比于腔内壁面积，故在同样体积情况下，圆波导谐振腔比矩形谐振腔品质因数高，性能好，加工也容易，是最常用的谐振腔。

应采用两端短路的方式；（2）同轴腔谐振器：

谐振模式为TEM模式，场结构简单稳定、频带宽，应用广泛；1、两端短路同轴谐振腔：l

短路活塞可改变腔长，从而改变谐振频率短路活塞可调l()为自然数谐振频率nlnfem2

=2、一端短路另一端开路同轴谐振腔：金属盖板防辐射l

内导体可移动，用于改变谐振频率

实际结构可调l

()为自然数谐振频率nlnfem412-=微带谐振器lab线节谐振器环形谐振器圆盘形谐振器谐振条件：1、线节谐振器、缝隙谐振器：2、环形谐振器：平均周长＝5.4微波铁氧体器件

许多情况下，我们需要具有非互易性的器件。例如，在微波系统中，负载的变化对微波信号源的频率和功率输出会产生不良影响，使振荡器性能不稳定。为了解决这样的问题，最好在负载和信号源之间接入一个具有不可逆传输特性的器件。这种器件具有单向通行、反向隔离的功能，称为隔离器(isolators)。另一类非互易器件是环行器(circulators)，它具有单向循环流通功能。

在非互易器件中，非互易材料是必不可少的，微波技术中应用很广泛的非互易材料是铁氧体。铁氧体是一种黑褐色的陶瓷，最初由于其中含有铁的氧化物而得名。实际上随着材料研究的进步，后来发展的某些铁氧体并不一定含有铁元素。目前常用的有镍-锌、镍-镁、锰-镁铁氧体和钇铁石榴石（YIG）等。

特性：微波铁氧体(ferrite)的电阻率很高，比铁的电阻率大1012~1016倍，当微波频率的电磁波通过铁氧体时，导电损耗是很小的。铁氧体的相对介电常数为10-20，更重要的是，它的磁导率随外加磁场而变，即具有非线性；再加上恒定磁场以后，它在各方向上对微波磁场的磁导率是不同的，就是说各向异性的。由于这种各向异性，当电磁波从不同的方向通过磁化铁氧体时，便呈现一种非互易性(nonreciprocalproperties)

。利用这种效应，便可以做成各种非互易微波铁氧体元件。最常用的有隔离器和环行器。隔离器入射波入射波反射波AA’入射波可通过，反射波不可通过隔离器也叫反向器，它的基本特性是电磁波正向通过时几乎无衰减，反向通过时衰减很大。常用于阻抗匹配一、隔离器二、Y型结环形器铁氧体外加恒定磁场波导环形器实例

入射波到达分支口分为两路。对恒定磁场而言，一路为左旋，一路为右旋，由于铁氧体对不同旋向的波表现出不同的磁导率，电磁波将偏向磁导率高的一边，即：能量向磁导率高的一边集中。环形器用于天线收发开关：天线接收机发射机发射通路接收通路发射机、接收机之间良好隔离微波滤波器C1C3C5L2L4L6

高阻抗短线（窄线）相当于串联电感

低阻抗短线（宽线）相当于并联电容C1C3C5L2L4L6

微带电路实现方案微带低通滤波器

集总元件电路微带带通滤波器输入输出两端开路的微带段，长度均为λg/2

微带段两端开路，波导波长等于λg

的电磁波才可以在微带段上谐振并持续存在；

微带段与微带段之间有能量耦合；

输入信号中，只有谐振频率及其附近频率的信号才可以一级