微波技术基础

第四章微波元件§4.1阻抗元件及匹配负载§4.2矩形波导T形分支第四章微波元件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。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。

第四章微波元件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。微波元器件品种繁多,而且随着技术的进步不断出现新的元器件,因此不能一一列举,本章将简要介绍一些常用的微波元件。§4.1阻抗元件及阻抗匹配一.电阻元件

1.匹配负载匹配负载是一种几乎能全部吸收入射功率的单端口元件，即不会产生反射波，匹配负载的输入驻波比，一般都在1.1~1.015之间。匹配负载是由一段传输线与能够吸收微波功率的材料组合而成，根据传输线不同分为多种。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劈形吸收片,用以实现小功率匹配负载,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。当吸收片平行地放置在波导中电场最强处,在电场作用下吸收片强烈吸收微波能量,使其反射变小。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λg/2的整数倍，如图所示。§4.1阻抗元件及阻抗匹配2.吸收式衰减器衰减器是用来改变传输信号的幅度的微波元件。对于衰减器，除要求具有一定的衰减量，并对其工作频率范围、驻波比、功率容量以及结构尺寸都有一定要求。矩形波导中常用的衰减器就是如图所示的吸收式衰减器。收片由胶木板表面涂覆石墨或在玻璃片上蒸发一层厚的电阻膜组成,一般两端为尖劈形，以减小反射。由矩形波导TE10模的电场分布可知,波导宽边中心位置电场最强,逐渐向两边减小到零,因此,当吸收片沿波导横向移动时,就可改变其衰减量，恰在波导中间时衰减量最大。§4.1阻抗元件及阻抗匹配二.电抗元件传输线中的不均匀性可以用来构成微波电抗性元件。

1.膜片所谓膜片就是一个导电性能良好的金属薄片，其厚度远小于波导波长，又远大于电磁波的趋肤深度。膜片有两类：一类是容性膜片；另一类是感性膜片。①容性膜片§4.1阻抗元件及阻抗匹配如图所示，它是被放置在与矩形波导轴线相垂直的分为上、下两个部分的金属膜片。波导中放置了容性膜片，等效于并联了一个等效电容C。理由：波导内由于膜片的加入而产生结构上的不连续性，使该处的电场更加集中，在其附近存储了电能，其作用相当于一个储存电能的电容器。容性膜片的等效电纳近似计算式为：缺点：电压集中，易被击穿，应用不变。§4.1阻抗元件及阻抗匹配②感性膜片如图所示，它是被放置在与矩形波导轴线相垂直的分为左、右两个部分的金属膜片。波导中放置了容性膜片，等效于并联了一个等效电感L。理由：波导宽壁内表面上的轴向电流抵达膜片时，膜片上就有电流流过，并在其附近产生了磁场，聚集了磁能，因此膜§4.1阻抗元件及阻抗匹配片的作用就相当于一个储存磁能的电感器。感性膜片的等效电纳近似计算式为：优点：功率容量大。§4.1阻抗元件及阻抗匹配2.销钉销钉是一种电抗性元件，它是用很细的金属圆杆贯穿矩形波导的横截面，如图所示，它是固定的。

当销钉上有电流通过时，便在周围产生了磁场，其作用和等效电路均与电感性膜片相似，呈感性电抗。销钉的直径越大，电抗越小；直径越小，电抗越大。显然，销钉数量越多，电抗就越小。§4.1阻抗元件及阻抗匹配3.螺钉螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件,它是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配元件,如图所示。§4.1阻抗元件及阻抗匹配

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(b为波导窄边尺寸)。螺钉的直径越大，等效电容越大；反之电容越小。此外，螺钉位于波导宽壁中心线处时，等效电容最大。由第一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,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、双螺钉、三螺钉。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，双螺钉调配器是在矩形波导中相距λg/8、λg/4或3λg/8等距离的两个螺钉构成的。双螺钉调配器有匹配盲区,故有时采用三螺钉调配器。§4.2矩形波导T形分支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。一.单T分支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。§4.2矩形波导T形分支当微波信号从端口“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；当同相激励端口“①、②”时,端口“③”将无输出。§4.2矩形波导T形分支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所示,可见,H-T分支相当于并联于主波导的分支线。§4.2矩形波导T形分支当微波信号从端口“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;当反相激励时端口“③”将无输出。二.双T分支

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,如图所示。§4.2矩形波导T形分支它有以下特征:四个端口完全匹配;端口“①、②”对称,即它们的反射系数相等;当端口“③”输入,端口“①、②”有等幅同相波输出,端口“④”隔离;当端口“④”输入,端口“①、②”有等幅反相波输出,端口“③”隔离;当端口“①”或“②”输入时,端口“③、④”等分输出而对应端口“②”或“①”隔离;当端口“①、②”同时加入信号,端口“③”输出两信