常用微波元件

常用微波元件第一页，共五十三页，2022年，8月28日无论在哪个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;又有晶体管等有源元器件,以实现信号产生、放大、调制、变频等。微波系统也不例外地有各种无源、有源元器件,它们的功能是对微波信号进行必要的处理或变换,它们是微波系统的重要组成部分。(1)微波元器件按其变换性质可分为:线性互易元器件、线性非互易元器件以及非线性元器件三大类。(2)微波元件都是由导行系统构成的，从导行系统的种类可以分为：波导型、同轴型、微带型等等。第二页，共五十三页，2022年，8月28日线性互易元器件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,它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;非线性元器件能引起频率的改变,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。本章主要介绍一些常用元件的工作原理和基本特性第三页，共五十三页，2022年，8月28日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。将同轴线和波导终端短路，即分别成为同轴线和波导固定短路器。

实际很多情况下将短路负载做成可调的，其主要的要求为：1)保证接触处的损耗小，其反射系数的模接近12)当活塞移动时，接触损耗的变化要小。3)大功率条件下，活塞与波导(同轴导体)之间不能发生打火现象。1、短路负载6.1一端口元件一端口元件常用的有短路负载、匹配负载以及失配负载。2、短路负载的实现形式：接触式和扼流式两种(1)接触式波导接触式短路器第四页，共五十三页，2022年，8月28日同轴接触式短路器短路器的电流分布从电流分布可以看出，其在短路处的电流为最大值，相应的开路端为电流节点。优缺点：结构简单；缺点是活塞移动时接触不恒定，弹簧片会逐渐磨损，大功率时，容易发生打火现象。第五页，共五十三页，2022年，8月28日(2)扼流式波导扼流式短路器同轴扼流式短路器扼流式短路器的等效电路从等效电路可以看出，其输入阻抗第六页，共五十三页，2022年，8月28日(二)匹配负载

匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在传输系统工作于行波状态时，都要用到匹配负载。其结构：通常为一段短路波导或同轴线，其中放有吸波材料。对匹配负载的指标：（1）频率：有较宽的工作频带，（2)输入驻波比：输入驻波比小（3）功率容量：具有一定的功率容量。通常将功率容量<1W的称为低功率负载，将功率容量>1W的称为高功率负载。

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如图所示，低功率匹配负载由短路金属波导及在其内部沿电场方向放置劈型或楔型吸收片(通常由陶瓷、玻璃等薄片介质涂以金属粉末制成[将导致表面接触电阻])，为了获得好的吸收性能，通常吸收片的长度为1~2个波导波长。第八页，共五十三页，2022年，8月28日(三)失配负载失配负载(mismatchload)是既吸收一部分功率又反射一部分功率的负载。实际使用的失配负载都制作成具有一定驻波比的标准失配负载。结构：与匹配负载相同，只是波导口径的窄边b不相同。驻波比和反射系数的关系为：假设b0为标准波导的窄边尺寸，b为失配负载波导的窄边尺寸。因为反射系数的大小和导行系统的等效特性阻抗相关，因此有：第九页，共五十三页，2022年，8月28日Z0为标准波导的等效特性阻抗，Z为失配负载波导的等效特性阻抗。从而驻波比可以表示为：第十页，共五十三页，2022年，8月28日从上面的公式可以看出，对于不同的驻波比可以选择不同的失配负载波导的窄边。第十一页，共五十三页，2022年，8月28日6.2二端口元件1.无耗互易二端口网络的基本性质二端口元件等效为二端口微波网络，其散射矩阵为：第十二页，共五十三页，2022年，8月28日第十三页，共五十三页，2022年，8月28日2.连接元件连接元件的作用是将作用不同的微波元件连接成完整的系统。主要技术指标要求：插入损耗小、驻波比小，功率容量大、工作频带宽等。1)波导接头波导接头：平头接头和扼流接头平头波导接头的优点：加工方便，体积小，频带宽，主要应用于宽带波导元件和测试中。第十四页，共五十三页，2022年，8月28日扼流接头平头法兰端面切出四分之一波长深的抗流槽，槽口距波导内壁也是四分之一波长，也就是槽底距波导内表面为二分之一波长。这样即可在机械接触处造成电流波节，即使在两波导端面间略有间隙或错扭，其间仍会呈现短路电抗，达到对直流开路、对射频短路的微波耦合。扼流法兰的优点：加工简单，安装方便，功率容量大，缺点：工作频带较窄。

第十五页，共五十三页，2022年，8月28日2)同轴接头同轴线之间的连接可以使用同轴接头实现，常用的同轴接头有N型，SMA和BNC型。为了连接的需要，N型和SMA接头有阴阳之分。BNC型SMAN型第十六页，共五十三页，2022年，8月28日（二）转接元件

在将不同类型的传输线或元件连接时，不仅要考虑阻抗匹配，而且还应该考虑模式的变换。

1、同轴线波导转换器

连接同轴线与波导的元件，称为同轴线波导转换器，其结构如图所示。2、波导微带转接器

通常在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。

同轴线波导

波导微带

第十七页，共五十三页，2022年，8月28日(2)拐角、弯曲和扭转元件同轴线微带

3、同轴线微带转接器微波系统中为了改变电磁波传播的方向，需要采用拐角和弯曲元件；当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向的时候，需要用到扭转元件。技术指标：反射应尽可能的小、工作频带尽可能的宽，功率容量。第十八页，共五十三页，2022年，8月28日改变传播方向的拐角、弯曲波导元件改变极化方向的扭转波导元件第十九页，共五十三页，2022年，8月28日3、匹配元件(1)膜片

波导中的膜片是垂直于波导管轴的金属片，有对称和不对称之分。一般在调谐的时候采用不对称膜片结构，而当负载输出要求对称输出的时候，则需要对称膜片。膜片可分成感性膜片、容性膜片。膜片实现匹配的原理：利用膜片产生的反射波来抵消负载不匹配而产生的反射波(注意是相差造成的抵消)1、电感膜片：如图所示的膜片波导中传输的TE10模的磁场在膜片处集中，得到加强，呈电感性。称为电感膜片。

电感膜片及其等效电路第二十页，共五十三页，2022年，8月28日当膜片的厚度可以忽略的时候，膜片的归一化电纳近似表示为：2、电容膜片：如图所示的膜片波导中传输的TE10模的电场在膜片处集中，得到加强，呈电容性，称为电容膜片。当膜片的厚度可以忽略的时候，膜片的归一化电纳近似表示为：

电容膜片及其等效电路第二十一页，共五十三页，2022年，8月28日3、谐振窗当感性膜片和容性膜片组合在一起，如图所示，即构成所谓的谐振窗。其等效电路相当于并联谐振回路，针对于某个频率，将产生谐振，从而使得电磁波无衰减的通过。平行耦合带线的奇偶模电场线分布

谐振窗的材料：玻璃、聚四氟乙烯、陶瓷片，金属片等等。第二十二页，共五十三页，2022年，8月28日(2)、销钉销钉是垂直于波导宽边的金属圆棒。如图所示，在波导中其电感作用，常用于构成波导滤波器。第二十三页，共五十三页，2022年，8月28日销钉的相对电纳和棒的粗细有关，棒越细，电感量越大，其相对电纳越小，同样粗细的棒，根数越多，相对电纳越大。置于a/2处的单根销钉相对电纳的近似值可以通过下面的式子来求：(3)、螺钉调配器用膜片和销钉匹配时，膜片和销钉在波导中的位置固定后就不容易再进行调整，如果电路的性能仍然不佳，则需要使用螺钉调配器(简称调谐螺钉)进行调整。其结构如图所示为了避免和波导短路和击穿，通常调谐螺钉呈容性，即作为可变电容使用。对应的插入波导的深度应该小于0.75b，螺钉分为单调谐螺钉，双调谐螺钉，三调谐螺钉等等。第二十四页，共五十三页，2022年，8月28日4衰减器和移相器衰减器和移相器均属于二端口网络。衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减；移相器的作用:对通过它的微波信号产生一定的相移，微波能量可无衰减地通过。衰减器和移相器联合使用，可以调节导行系统中的电磁波的传播常数。一、衰减器理想的衰减器应是只有衰减而无相移(相移量为0)的二端口网络，其散射矩阵为:衰减器的衰减量表示为：

第二十五页，共五十三页，2022年，8月28日在波导内放入与电场方向平行的吸收片，当微波能量通过吸收片时，将吸收一部分能量而产生衰减，这种衰减器称为吸收衰减器，如图所示。

(1)吸收式衰减器第二十六页，共五十三页，2022年，8月28日二、移相器

移相器是对电磁波只产生一定的相移而不产生能量衰减的微波元件，它是一个无反射、无衰减的二端口网络，其散射矩阵为：其中移相器的相移量为：

因此，可变移相器与可变衰减器在结构形式上完全相似，所不同的是：衰减器使用的是衰减片，而移相器使用的是介质片。第二十七页，共五十三页，2022年，8月28日6.3三端口元件即具有三个端口波导、微带、同轴接头的器件，如功率分配器，环形器等等。1、无耗三端口网络的性质第二十八页，共五十三页，2022年，8月28日第二十九页，共五十三页，2022年，8月28日第三十页，共五十三页，2022年，8月28日上述散射参数矩阵[ST]和[SR]不同，表示的是非互易无耗三端口网络为一个理想的环形器，对应的功率流的方向不同。第三十一页，共五十三页，2022年，8月28日第三十二页，共五十三页，2022年，8月28日2.三端口功率分配/合成元件通常有E-T、H-T以及电阻性功率分配器和wilkinson功率分配器1)T型接头

如图所示，T型接头是一种最简单的功率分配、合成器件。其可以用任何的导行系统来实现。有互易、无耗网络的性质，可以知道其不可能实现三个端口同时匹配。第三十三页，共五十三页，2022年，8月28日无耗T型接头的传输线模型接头处存在与不连续性相关的边缘场和高次模，因而在接头附近有储能，用集总电纳B表示。如图所示，为了使功率分配器的输入阻抗和传输线的特性阻抗Z0匹配，因此有第三十四页，共五十三页，2022年，8月28日

对于无耗传输线，传输线的特性阻抗为实数。如果等效的集总电纳为0，则上面的式子可以写为：

而实际的情况其电纳不会为0，这里的0值可以通过加入和B特性相反的电抗性调谐元件来抵消，即B为感抗，加容性调谐元件；B为容抗，加感性调谐元件。由于接头处的电压相等，因此可以通过选择不同的输出分支线的特性阻抗来确定端口的输出功率，即不同的功率分配比。如果输入端口匹配，对应的输出端口将不会匹配，可以通过阻抗变换器来实现端口匹配。第三十五页，共五十三页，2022年，8月28日

例子：如图所示的无耗T形接头功率分配器，要求输入功率以2：1比例分配，求输出线的特性阻抗以及输出端口的反射系数。第三十六页，共五十三页，2022年，8月28日第三十七页，共五十三页，2022年，8月28日3.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(即T形分支，简称单T),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。图5-22E-T分支结构及等效电路(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。第三十八页，共五十三页，2022年，8月28日当微波信号从端口“③”输入时,平均地分给端口“①、②”,但两端口是等幅反相的;当信号从端口“①、②”反相激励时,则在端口“③”合成输出最大;而当同相激励端口“①、②”时,端口“③”将无输出。由此可得E-T分支的［S］参数为第三十九页，共五十三页，2022年，8月28日(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,可见H-T分支相当于并联于主波导的分支线。当微波信号从端口“③”输入时,平均地分给端口“①、②”,这两端口得到的是等幅同相的TE10波;当在端口“①、②”同相激励时,端口“③”合成输出最大,而当反相激励时端口“③”将无输出。H-T分支的散射矩阵为：图5-23H-T分支结构及等效电路第四十页，共五十三页，2022年，8月28日第四十一页，共五十三页，2022年，8月28日3)电阻性功率分配器

根据三端口网络的性质，当网络含有有耗元件的时候，可以将所有端口实现匹配。如图所示，其端口均接Z0的特性阻抗，从接头看，其端口阻抗Z为：等分三端口电阻性功率分配器第四十二页，共五十三页，2022年，8月28日第四十三页，共五十三页，2022年，8月28日第四十四页，共五十三页，2022年，8月28日Wilkinson微带功分器T型接头的确定是三个端口不能同时做到匹配，输出端口之间没有任何隔离，电阻性功率分配可以实现三个端口完全匹配，但是输出端口之间仍然达不到隔离要求，由三端口的网络特性可以知道，有耗元件能实现端口完全匹配且输出端口之间具有隔离。功率分配器中大功率微波功分器采用波导或同轴线结构，中小功率则采用带状线或微带线结构即(Wilkinson功率分配器)。右图是微带三端口功分器原理图。信号由1端口(所接传输线的特性阻抗为Z0)输入，分别经过特性阻抗为Z02、Z03的两段微带线从2和3端口输出，负载电阻分别为R2及R3。两段传输线在中心频率时电长度均为

=/2，它们之间没有耦合。微带三端口功分器原理图第四十五页，共五十三页，2022年，8月28日功分器应满足下列条件：2端口与3端口的输出功率比可为任意指定值；1端口无反射；2端口与3端口的输出电压等幅、同相。

由于2端口、3端口的输出功率与输出电压的关系分别为：如由条件(1)要求输出功率比为：第四十六页，共五十三页，2022年，8月28日按条件(3)，由上式可得若取，则有由条件(2)，即1端口无反射，所以要求由Zin2与Zin3并联而成的总输入阻抗等于Z0。如图由于在中心频率处电刻度

=/2，Zin2=Z022/R2，Zin3=Z032/R3为纯电阻，则端口1的输入导纳为：如以输入电阻表示功率比,则：可解得：第四十七页，共五十三页，2022年，8月28日6.4四端口元件四端口元件中在微波电路中应用得最多的为定向耦合器元件1.无耗互易四端口网络的基本性质无耗互易四端口网络的散射矩阵可以表示为：约定端口1为输入端口，其他的端口分别为输出端口，耦合端口或隔离端口。第四十八页，共五十三页，2022年，8月28日1).无耗互易四端口网络可以完全匹配，且为一理想定向耦合器第四十九页，共五十三页，2022年，8月28日一、定向耦合器的技术指标

定向耦合器一般属于四端口网络，它有输入端、直通端、耦合端和隔离端，分别对应右图所示的1、2、3和4端口