第5章 常用微波元件

第五章微波元件

转化为网络

——等效电路法第五章微波元件5-1引

言

微波元件功能：对微波信号进行各种变换一、按传输线型式划分二、按功能（应用角度）划分连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、相移元件、分配元件、滤波元件、波型变换元件第五章微波元件三、按互易角度划分互易元件、非互易元件四、按与低频对应角度划分电抗元件、电阻元件、连接元件、分支元件、铁氧体元件五、按端口数划分单端口元件、二端口元件、三端口元件、四端口元件微波元件微波网络等效电路法

第五章微波元件5-2波导中的电抗元件电感器：能够集中磁场和存储磁能的元件电容器：能够集中电场和存储电能的元件一、电容膜片Capacitiveiris在矩形波导的横向放置一块金属膜片，在其上对称或不对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口。电纳近似计算公式电抗元件：利用微波传输线中结构尺寸的不连续性组成对称不对称第五章微波元件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，于是在膜片的附近会产生磁场，并存储一部分磁能。二、电感膜片Inductiveiris

电纳近似计算公式对称不对称第五章微波元件三、

谐振窗Resonantwindow在横向金属膜片上开设一个小窗，称为谐振窗。

四、销钉Post在矩形波导中插入一根或多根垂直对穿波导壁的金属圆棒

（一）电感销钉（二）电容销钉工作频率=谐振频率，匹配工作频率<谐振频率，谐振窗具感性工作频率>谐振频率，谐振窗具容性第五章微波元件五、螺钉Screwer

螺钉插入波导的深度可以调节，电纳的性质和大小可随之改变，使用方便，是小功率微波设备中常采用的调谐和匹配元件。电容电感串联谐振第五章微波元件六、波导的T型接头Tjunction将一路电磁能量变成二路或更多

（一）E—T接头（总与反相联系）1、口输入，、均有输出2、口输入，、均有输出3、口输入，、等幅反相输出4、、等幅同相输入，口无输出5、、等幅反相输入，口输出最大第五章微波元件（二）H—T接头（总与同相联系）1、口输入，、均有输出2、口输入，、均有输出3、口输入，、等幅同相输出3、、等幅同相输入，口输出最大4、、等幅反相输入，口无输出第五章微波元件（三）T型接头的S参数1、S矩阵2、互易性3、对称性4、S矩阵仅有5个独立参数H—T接头E—T接头第五章微波元件5、互易又无耗（么正性）对称展开得第五章微波元件（四）功率合成（分配）器1、E—T接头2、H—T接头口输入，、等幅反相输出（分路）、等幅反相输入，口输出最大（合成）口输入，、等幅同相输出（分路）、等幅同相输入，口输出最大（合成）第五章微波元件5-3连接元件和终端负载一、连接元件

接头：把相同类型传输线连接在一起的装置。转接元件：把不同类型的传输线连接在一起的装置。（一）接头（法兰盘）（a）平接头（b）抗流接头（真正短路）结论：

1、2物理上无接触，但Zin=0，把Rk置于电流波节，

虽有电阻影响却不大第五章微波元件（二）转接元件

1、同轴线波导转换器2、波导微带转接器波导(Ze=400-500Ω)

微带线(Z0=50Ω)中间加脊波导过渡段实现阻抗匹配第五章微波元件3、

同轴线微带转接器同轴线内导体直径的选取

与微带线的特性阻抗有关通常使内导体直径等于微带线中心导带宽度4、矩形波导圆波导模式变换器大多采用波导横截面的逐渐变化来达到模式的变换

第五章微波元件（三）弯头

1、E面90o弯2、H面90o弯3、扭折第五章微波元件二、终端负载

传输线终端所接元件（一）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，都要用到匹配负载对匹配负载的基本要求（1）有较宽的工作频带（2)输入驻波比小（3）有一定的功率容量第五章微波元件(二）短路负载

作用：将电磁能量全部反射回去1、接触式2、抗流式（1）波导型（2）同轴型第五章微波元件5-4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对通过它的微波能量产生衰减移相器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一、衰减器理想的衰减器是只有衰减而无相移的二端口网络衰减器的衰减量表示为：dB第五章微波元件衰减器在原理上可以分为吸收式和截止式两种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（一）吸收式1、横移式2、刀型第五章微波元件3、旋转极化式方圆过渡可旋转圆波导圆方过渡PinPout内置水平吸收片１内置随圆波导一同旋转的吸收片内置水平吸收片２定义：1、可变吸收片的垂直线与真正垂直线的夹角为θ

2、可变吸收片与真正垂直线的夹角（1）原理第五章微波元件优点：可用角度自定标A，无需其他标准定标（2）衰减量最后输出电场衰减量缺点：结构复杂第五章微波元件（二）截止式

在传输线中插入一小段横向尺寸较小的传输线段，使电磁波经过这段传输线后微波能量很快衰减（β=0），控制截止传输线的长度，就可以调节衰减量的大小（1）原理有耗截止时第五章微波元件（2）衰减量电场衰减量优点：可用长度自定标l缺点：起始衰减A0大（20dB）第五章微波元件二、移相器对电磁波只产生一定的相移，是一个无反射、无衰减的二端口网络相移量改变相位的方法：改变l或改变p（1）原理（2）介质移相器1、横移式（尖劈式、阶梯式）2、旋转式第五章微波元件5-5阻抗变换器作用：消除不良反射现象，获得良好的匹配。一、阻抗调配器由可调电抗元件改变分支线长度实现1、单支节2、双支节3、三支节（一）分支阻抗调配器（双线、Coax、E—T、H—T）（二）螺钉调配器（波导系统）电抗元件：可调螺钉1、单螺钉2、双螺钉3、三螺钉晶体检波器第五章微波元件（一）单节阻抗变换器

二、阻抗变换器在负载和传输线之间插入一段或多段传输线段缺点：1、频带窄2、Zl、Z0差距大时，尺寸突变大，不连续电容大第五章微波元件（二）多节阶梯阻抗变换器（三）渐变线阻抗变换器

n节有（n+1）个阶梯，产生（n+1）个反射波到输入端产生叠加效果在某些频率上全部（部分）抵消，形成匹配在较宽的频带内有较小的反射系数第五章微波元件5-6定向耦合器（D.C）应用：1、监视功率、频率、频谱2、功率分配、合成3、混频器、测量电桥4、测量反射波分类第五章微波元件（a）微带分支定向耦合器（b）波导单孔定向耦合器（c）平行耦合线定向耦合器（d）波导匹配双T（e）波导多孔定向耦合器（f）微带混合环第五章微波元件一、定向耦合器的技术指标

输入端直通端耦合端隔离端（一）

耦合度C耦合度越大，耦合越弱（dB）四端口网络可逆四端口网络（dB）第五章微波元件（二）隔离度D有时用方向性来表示耦合器的隔离性能（dB）（dB）理想情况下，P4=0，隔离度为无限大。实际上由于设计或加工制作不完善，常有极小部分功率从隔离端输出，使隔离度不再为无限大。实际应用中常给定最小值。第五章微波元件（三）输入驻波比

将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载时输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比（四）频带宽度耦合度、隔离度(或方向性)及输入驻波比都满足指标要求时定向耦合器的工作频带宽度，简称工作带宽。第五章微波元件二、波导型定向耦合器

（b）多孔定向耦合器通过在主、副波导间公共壁上的耦合孔将主波导中的电磁能量耦合到副波导中，并具有一定的方向性。副波导各端口输出功率的大小，决定于耦合孔的大小、形状和位置（a）宽壁斜交单孔耦合器（c）十字孔定向耦合器第五章微波元件在两个波导的公共窄壁上开有形状、尺寸完全相同、相距p/4的两个耦合孔口输入，大部分从口输出缝A、B两孔耦合（Hz）出小功率信号至副波导

口同相叠加口反相抵消（一）双孔定向耦合器（窄壁耦合）结论：口同相叠加有耦合输出口反相抵消无耦合输出第五章微波元件（二）单缝（孔）定向耦合器（宽壁单十字缝耦合）1、分析垂直缝主波导副波导口2、分析水平缝主波导副波导口口接匹配负载口口第五章微波元件三、双T和魔T（MagicT）（一）双T=（E-T）+（H-T）1、双T性质（1）口输入，、等幅反相输出，口输出为0（2）口输入，、等幅同相输出，口输出为0（3）、等幅同相输入，口无输出，口有输出（4）、等幅反相输入，口有输出，口无输出、平分臂、隔离臂第五章微波元件2、双T散射矩阵可逆无耗四端口网络（互易、对称）第五章微波元件（二）MagicT（匹配双T）（1）匹配特性：在理想情况下，四个端口完全匹配只要、口匹配，、口一定匹配（2）隔离特性：当、口具有隔离特性时S34=S43=0

则、口也具有隔离特性S12=S21=0（3）平分特性：当信号由口输入时，则反相等分给、口S13

=-S23

当信号由口输入时，则同相等分给、口S14

=S24

当信号由口输入时，则同相等分给、口S31=S41

当信号由口输入时，则反相等分给、口S32=-S421、MagicT性质S11=S22=S33=S44=0第五章微波元件2、MagicT散射矩阵3、MagicT应用（1）阻抗电桥（2）波导平衡混频器第五章微波元件四、环形电桥（定向耦合器）波导型、微带型口输入到口到口到口左路距右路距口有输出左路距右路距口有输出左路距右路距口无输出第五章微波元件5-7微波滤波器微波滤波器：分离或组合不同频率微波信号的重要器件。

分类：低通（LPF）高通（HPF）带通（BPF）带阻（BSF）第五章微波元件微波滤波器的主要技术指标（一）截止频率fc（通、阻带频率范围f1、f2）（二）通带内允许的最大衰减LAr（dB）（三）阻带内允许的最小衰减LAs（dB）微波滤波器的衰减特性（一）理想LPF（物理上不易实现）（二）巴特沃斯Buttorworth（最大平坦式）（三）切比雪夫Tchebyscheff（等起伏式）第五章微波元件低通原型Filter（一）各种Filter

都可通过低通原型Filter

求得（二）为使曲线、图表广泛使用归一化低通Filter

设计（一）频率变化到低通原型（二）查图表和曲线得到低通原型（三）求出实际Filter的归一化元件值（四）求出实际Filter的元件值（五）微波实现第五章微波元件1、串联电感微波实现（1）短路线（2）高阻抗线高阻抗线可等效为一个串联电感第五章微波元件2、并联电容（1）开路线（2）低阻抗线低阻抗线可等效为一个并联电容第五章微波元件3、微带实现（1）并联电感（2）并联电容（3）串联谐振回路（4）并联谐振回路第五章微波元件5-8微波谐振器（腔）应用：微波信号源、微波滤波器及波长计速调管、磁控管等微波电子管的重要组成部分

微波谐振器：具有储能与选频特性的微波元件可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成电磁波在其上呈驻波分布，电磁能量不能传输，只能来回振荡。类似低频电路的LC回路第五章微波元件1、LC谐振回路：电场能量C

，磁场能量L微波谐振器：电场能量和磁场能量是空间分布的；2、LC谐振回路：唯一谐振频率f0

微波谐振器：无限多个谐振频率f0

（1）传输线型谐振腔（矩形腔、圆柱腔、Coax腔）（2）非传输线型谐振腔（速调管、磁控管、行波管）（1）损耗小，Q值高，谐振阻抗高（2）结构坚固、便于加工与LC谐振回路区别分类优点第五章微波元件1、谐振波长0

谐振器中该模式的场量发生谐振时的波长描述谐振器中电磁能量振荡规律的参量。谐振时，谐振器内电场能量和磁场能量彼此相互转换参考面上总电纳为零基本参量第五章微波元件2、品质因数Q

它描述谐振器选择性的优劣和能量损耗的大小Q0空载QL有载集肤深度3、等效电导第五章微波元件(一)/4型同轴谐振腔

谐振条件或二、同轴谐振腔

第五章微波元件(二)避免开路辐射的方法1、过极限波导超越方程（图解法）2、电容加载型同轴谐振腔外导体长于内导体谐振条件无穷，多谐性加载电容越大，腔长越长第五章微波元件(三)/2型同轴谐振腔谐振条件当(b/a)=3.6时，同轴腔的品质因数Q0达最大。第五章微波元件三、矩形谐振腔矩形谐振腔由一段两端短路的矩形波导构成(一)谐振模式及其场分布最低谐振模：TE