第5章微波元件

第5章微波元件7.1波导中的电抗元件

电抗性微波元件在微波系统中起着类似于低频电路中L、C及其组合元件的作用。利用在传输线中插入某种元件，由于不连续性而激起的高次模所呈现的不同特性来构成一个相当于集总参数的电感或电容。电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中磁场和存储磁能的元件；电容器是指能够集中电场和存储电能的元件。1.电容膜片矩形波导中的电容膜片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容膜片电容膜片处的场分布及等效电路TE10波的电场在膜片附近较为集中，故等效电路呈容性电纳b’越小，窗口面积越小，相对电纳越大。当b’=0时，膜片上的窗口消失，成为一短路片，其相对电纳值为无穷大2.电感膜片矩形波导中的电感膜片zyx当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，于是在膜片的附近必然会产生磁场，并存储一部分磁能TE10波的磁场在膜片附近较为集中，故等效电路呈感性电纳电感膜片电感膜片处的场分布及等效电路窗口宽度a’越小，等效的相对电纳越大；当a’=0时，窗口消失，膜片成为一短路片，则相对电纳值为无穷大。3.谐振窗谐振窗及等效电路当工作频率等于谐振频率时，信号无反射地通过谐振窗，为匹配状态4.销钉一根或多根垂直对穿波导宽壁的金属圆棒单销钉三销钉棒越粗，相对电纳越大。同样直径的电感棒，根数越多，相对电纳越大。销钉的根数越多，几何尺寸越大，所引起的高次模就越多，高次模所储存的磁场就越大，其等效感性电纳也就越大将销钉看作是具有一定宽度和厚度的窄条电感膜片。5.调谐螺钉被普遍采用的调谐和匹配元件宽壁调谐螺钉一方面,与电容膜片一样，其附近高次模的电场较为集中，具有容性电纳；另一方面，波导宽壁上的轴向电流要流入螺钉，产生附加磁场，具有电感量。但当插入深度h较浅时，电感量较小，容抗占优势，总的作用等效为一个电容。(通常）当窄壁螺钉插入较浅时，主要是TE10模的磁力线受“挤压”而使螺钉处的磁能比原先集中，故螺钉主要呈感性；随着螺钉插入深度的增加，呈容性7.2微波连接元件(一)接头-将相同传输线连接起来对接头的基本要求是: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。平接头波导接头（法兰）体积小，工作频带宽机械加工要求高抗流接头波导接头（法兰）抗流槽1,2处于半波长短路线的输入端，阻抗为0，电接触良好7.2.2转接元件作用：将不同类型的传输线或元件连接起来。不仅要考虑阻抗匹配,而且还应该考虑模式的变换

同轴线尺寸变换器

1.传输线尺寸变换器连接特性阻抗相同，尺寸不同的两个同轴线交界处尺寸发生突变，相当于在传输线上并联一个电容，电容在突变处引起反射在交界处采用锥形过度可以有效降低反射

单节阶梯阻抗变换器（λ/4阻抗变化器）只能在中心频率处匹配λ--f2.阶梯阻抗变换器连接特性阻抗不同，尺寸不同的两个同轴线多节λ/4阻抗变换器渐变式阻抗变换器（特性阻抗连续变化）作用：能降低驻波比（减小反射）增加频带宽度3.同轴线―波导转接器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模为了要使同轴线与波导相匹配,要调节同轴线的内导体插入波导的深度h,偏心距d及短路活塞位置l连接同轴线与波导天线4.矩形波导―圆波导模式变换器采用波导横截面的逐渐变化来达到模式的变换矩形波导TE10模变换到圆波导TE11模的变换器TE10→TE01模式变换器7.4终接元件(一)全匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在传输系统中建立行波状态时,都要用到匹配负载吸收体吸收体一般为碳化硅薄膜，镍铬合金薄膜，铂金薄膜等吸收体应放置在电场强度最大的位置吸收体长为几个波长(二)短路负载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。可调短路活塞:短路面可以移动的短路负载。波导型的短路活塞同轴型的短路活塞抗流式短路活塞7.3分支元件-将一路电磁能量分为两路或更多路常用的矩形波导分支有E面分支、H面分支、双T接头及魔T等。此外，还有同轴线分支、微带线分支等。E-T接头H-T接头分支波导位于主波导的宽壁上，且分支宽面与主波导内的主模TE10波的电场平面平行，这种分支的形状像“T”字，故习惯上称之为E-T接头(1)当TE-10模信号从①端口输入时,则②和③端口有同相输出。(2)当TE-10模信号从②端口输入时,则①和③端口有同相输出。

(3)当TE-10模信号从③端口输入时,则①和②端口有反相输出。(4)当TE-10模信号从①和②端口同相输入时,则③端口输出最小;(5)当TE-10模信号从①和②端口反相输入时,则③端口有输出;当信号从①和②端口等幅反相输入时,则③端口有最大输出E―T接头的等效电路相当于在传输中串接一个阻抗如果在E分支中加一个可调的短路活塞,上下改变活塞的位置就可改变串接电抗的大小波导H面分支的分支波导位于主波导的窄壁上，且分支宽面与主波导内的主模TE10波的磁场平面平行(1)当信号自①端口输入时,则②和③端口有同相输出。(2)当信号自③端口输入时,则①和②端口同相输出。

(3)当信号自①和②端口同相输入时,则③端口有最大输出,此时,③端口对称面处在电场驻波腹点。

(4)当信息自①和②端口反相输入时,③端口输出最小,此时,③端口对称面处在电场驻波节点。当①和②端口等幅反相输入时,则③端口输出为零。H―T接头的H臂相当于并接在传输线中的电抗调节H臂中的短路活塞的位置就可改变并接电抗的大小3.双T接头将E-T和H-T两种分支合为一体E臂（隔离臂）H臂（隔离臂）平分臂平分臂特性：(1)E臂输入，两主臂“1”、“2”等幅反相输出，H臂无输出。E臂（隔离臂）H臂（隔离臂）平分臂平分臂(2)H臂输入，两主臂“1”、“2”等幅同相输出，E臂无输出。E臂（隔离臂）H臂（隔离臂）平分臂平分臂(3)主臂“1”、“2”等幅反相输入，E臂输出，H臂无输出。E臂（隔离臂）H臂（隔离臂）平分臂平分臂(4)主臂“1”、“2”等幅同相输入，H臂输出，E臂无输出。普通的双T接头,由于连接处结构突变,即使双T各臂均接匹配负载,接头处也会产生反射,为了要消除反射,通常在接头处加入匹配元件(如螺钉，膜片或锥体),就可得到匹配的双T-魔T（理想的3dB定向耦合器）它具有下列重要特性:对口隔离，邻口具有3dB耦合量的定向耦合器A功率比B功率大一倍时，

10lgA／B＝10lg2＝3dBdB是功率增益的单位，表示一个相对值

魔T具有以下三个重要特性(1)匹配特性:在理想情况下,它的四个端口是完全匹配的,只要①和②端口能调到匹配,③和④端口一定匹配。即S11=S22=S33=S44=0。(2)隔离特性:当E和H臂具有隔离特性时,则①和②端口也具有隔离特性S12=S21=S34=S43=0

。E臂（隔离臂）H臂（隔离臂）平分臂平分臂(3)平分特性:当信号自E臂输入时,则反相等分给①和②端口,即S13=-S23;当信号自H臂输入时,同相等分给①和②端口,即S14=S24;可逆性：当信号自①端口输入时,则同相等分给③和④端口,即S31=S41;当信号自②端口输入时,则反相等分给③和④端口,即S32=-S42。7.5衰减器和移相器衰减器:1.吸收衰减器

2.截止衰减器

3.极化衰减器1.吸收式衰减器吸收式衰减器结构和工作原理在一段矩形波导中，垂直于宽壁沿纵向放一块两端做成尖劈形(以减小反射)的介质片，片上涂有电阻膜片以构成吸收片。由于吸收片与矩形波导中TE10模的电场平行，故其片上将有电流J=σE流过，于是一部分能量将在电阻膜上转化为热能，构成衰减。吸收式衰减器沿纵向放一块两端做成尖劈形(以减小反射)的介质片，片上涂有电阻膜片构成吸收片zyx吸收式衰减器可变衰减器的工作原理：TE10波的电场沿波导宽边的分布是中间强，两边弱，于是吸收片位于波导中间时衰减最大，移向窄壁时衰减最小吸收式衰减器移动吸收片位置的支撑杆可用细介质棒做成，若吸收片较长需用两根杆支撑时，杆距常取λp/4的奇数倍，目的是使两根介质棒产生的反射波在波导输入口处反相而抵消。支撑杆另一种矩形波导吸收式可变衰减器是沿波导宽壁纵向开槽的，槽中插入吸收片，片与TE10模的电场平行。这种衰减器的衰减量随吸收片插入深度的不同而改变大小。吸收式衰减器的衰减量与吸收片的位置及频率之间没有一个简单的数学关系，必须用功率计或标准衰减器进行点频定标，从而获得刻度—衰减量曲线2.截止式衰减器截止式衰减器的主体是一段处于截止状态的圆波导。选择圆波导的半径应满足截止条件所有模式都被截止截止衰减器具有如下特点：

(1)衰减量与移动距离l之间成线性关系，并且衰减系数可由有关公式算出，因此这种衰减器也可作为衰减量的标准。

(2)当λc<<λ时，衰减系数α很大，移动不太长的一段距离，就可得到很大的衰减量。截止衰减器具有如下特点：

(3)由于截止圆波导中不存在吸收性材料，故其衰减不是由于损耗而是由于反射所引起的，所以截止式衰减器属于反射式衰减器一类。

(4)由于圆波导输入、输出端反射都很大，因此无论对输入同轴线还是输出同轴线而言都是严重失配的。为了改善其输入端的匹配，在输入同轴线的终端接以匹配负载；为了改善其输出端的匹配，在小环上装有一个电阻，使其阻值R=Z0。经如此改善后的输入、输出同轴线几乎都接近匹配。在需要获得很大衰减量或者要求衰减调节范围很宽时可采用截止式衰减器。输入接以匹配负载输出端小环上装有一个电阻3.极化衰减器在圆波导中置入可旋转的吸收片，改变衰减量的大小电场垂直于吸收片时吸收最小，电场平行于吸收片时吸收量大二移相器-能改变电磁波相位的装置移相器原理：1.改变传输线的长度l2.改变相位常数（在波导中放入可移动的介质片）改变波的相速vp或相波长λp均匀传输线上相距为l的两点之间的相位差为：横向移动介质片移相器由于矩形波导中TE10波的电场沿波导宽边是按正弦分布的，所以介质片对电磁波相移常数的影响将随位置而变：处于宽边中央时影响最大，处于两侧边时影响最小。横向移动介质片移相器缺点：1.相移量与片的移动距离不成线性关系；

2.采用机械传动方式改变介质片的位置，很难做出相移的精确刻度,即相移精度不高横向移动介质片移相器介质片的两端做成尖劈渐变形，以减小片反射；支撑介质片的两根小棒间距取为λp/4的奇数倍，使由两小棒引起的反射相互抵消。可变移相器和可变吸收式衰减器的结构型式完全一样不同的是：衰减器的介质片上涂有损耗材料（相当于电阻，产生热能损耗）移相器的介质片上不涂损耗材料，而采用低损耗的介质材料，如聚四氟乙烯等7.6定向耦合器用来监视功率频率和频谱;把功率进行分配和合成;构成雷达天线的收发开关平衡混频器和测量电桥;又可以利用定向耦合器来测量反射系数和功率

--耦合器的应用微带分支定向耦合器波导单孔定向耦合器平行耦合线定向耦合器波导匹配双T波导多孔定向耦合器微带混合环定向耦合器可等效为四端口网络当功率由端口(1)输入时，一部分功率从直通端口(2)输出；还有一部分功率耦合到副线中，利用各分波的场矢量叠加或波程差，设法使耦合到副线中的波在其中一端口同相叠加形成耦合口，而在另一端口反相抵消形成隔离口。一定向耦合器的技术指标(一)耦合度C耦合度C定义为输入端口的输入功率P1和耦合端口的输出功率P3之比的分贝数即耦合度又可表示为由此可见耦合度的分贝数愈大，耦合愈弱。把耦合度为0~10dB称为强耦合定向耦合器;把耦合度为10~20dB称为中等耦合定向耦合器;把大于20dB的耦合度称为弱耦合定向耦合器。

(二)定向性D采用耦合端口和隔离端口的输出功率之比的分贝数来表示定向耦合器的定向传输性能D愈大,隔离端口输出愈小,定向性愈好。在理想情况下,P4=0,即D=∞(三)输入驻波比ρ将定向耦合器除输入端口外,其余各端口均接上匹配负载时,输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。此时,网络的输入端的反射系数即为网络的散射参量S11,故有满足定向耦合器以上四个指标的频率范围,即为工作频带宽度,简称工作带宽(四)工作频带宽度早期的混合环由波导制成，功率容量较大，宜做雷达天线收／发开关用，但体积大、笨重。微带混合环具有体积小、重量轻、加工容易等优点，在小功率微波集成平衡混频器中，它作为功率分配器获得了广泛的应用。7.6.2混合环环的全长为3λp0/2，四个分支线并联在环上，将环分为四段，与环相接的四个分支线特性导纳均等于Y0信号由端口1输入时，端口3无输出，而端口2和4有等幅、同相的信号电压输出。1234到达端口2的两路信号等幅同相，相位滞后90到达端口3的两路信号等幅反相，无输出到达端口4的两路信号等幅同相，相位滞后90S31=0,S41=S21=-0.707j1234若信号由端口2输入，则端口4无输出，端口1和3有等幅、反相的信号输出。到达端口1的两路信号等幅同相，相位滞后90到达端口3的两路信号等幅同相，相位滞后270到达端口4的两路信号等幅反相，无输出S42=0,S32=0.707j,S12=-0.707j1234若信号由端口(3)输入，则端口(1)无输出，端口(2)和(4)有等幅、反相的信号输出。到达端口1的两路信号等幅反相，无输出到达端口2的两路信号等幅同相，相位滞后270到达端口4的两路信号等幅同相，相位滞后90S13=0,S23=0.707j,S43=-0.707j1234若信号由端口4输入，则端口(1)无输出，端口(2)和(4)有等幅、反相的信号输出。到达端口1的两路信号等幅同相，相位滞后90到达端口2的两路信号等幅反相，无输出到达端口3的两路信号等幅同相，相位滞后90S24=0,S14=S34=-0.707j混合环的散射矩阵：混合环为3dB定向耦合器二波导型定向耦合器通过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。副波导各端口的输出功率的大小,决定于耦合孔的大小形状和位置单孔多孔十字孔双孔定向耦合器波导窄壁b/2处的一个水平纵截面两个孔形状尺寸完全相同，距离d为λp0/4由于两个耦合波到③端口由路程引起的相位均为-βd,故两耦合波在③端口为同相叠加而有输出,即

当两个耦合孔大小形状均相等,且耦合孔很小时,则有3端口有输出（假设d=λ/4）④端口的耦合波是通过两个耦合孔的反向耦合波的叠加,由于两耦合波在④端口因路程引起的相位差为2βd=π,故④端口为两个反向耦合波的反相叠加④端口无输出,B4=0当两个耦合孔大小形状均相等,且耦合孔很小时,则有

--具有理想的定向性d=λ/4双孔耦合器只有在中心频率上才能得到理想的定向性，带宽窄增加耦合孔的个数，调整耦合孔的形状，大小，间距就可以在多个频率处达到理想的定向性（多孔耦合器）分支定向耦合器分支定向耦合器是由两根平行的主传输线和若干耦合分支线组成。分支线的长度及相邻分支线之间的距离均为λp0/4。微带型双分支定向耦合器当信号自①端口输入时,经过A点分A→B→C和A→D→C两路到达C点,由于两路程相同,故两路在C点相加,使③端口有输出;①端口的输入信号经过A点分A→D和A→B→C→D两路到达D点,由于两路的路程差为λp0/2,即相位差为π,故两路在D点相抵消,使④端口无输出。7.7微波谐振器在微波波段，集中参数的LC谐振电路无法使用。LC谐振电路中谐振频率的计算公式：谐振频率越高，要求L,C越小，分布参数（分布电容，分布电感）的影响不容忽略。频率越高，回路的电磁辐射效应显著，谐振电路的品质因素降低微波谐振器功能：储能，选频应用范围：微波振荡器，放大器微波谐振器是有LC谐振回路演变而来的C减小：将电容器两极板间距拉开L减小：线圈匝数减少，直至变成一条直线多根直导线组成一个曲面多根直导线并联d微波谐振器主要有两大类:传输线型谐振器：一段两端被开路或短路的传输线。例如:矩形谐振器，圆柱谐振器，同轴谐振器,带状线谐振器和微带谐振器;非传输线型谐振器：主要用来作各种微波电子管(如速调管磁控管)的腔体7.7.1微波谐振器的基本参量(一)谐振波长λ0谐振频率是指谐振器中该模式的场发生谐振的频率。它是描写谐振器中电磁能量的振荡规律的参量，表示微波振荡器内振荡的条件谐振频率f0在谐振时,谐振器内电场能量和磁场能量自行彼此转换,故谐振器内总的电纳为零。谐振波长λ0谐振波长与谐振器尺寸和工作模式有关(二)品质因素Q0描写谐振器储能和损耗之间的关系，是表征谐振器优劣的重要指标,其定义为式中W0为谐振器中的储能;PL为谐振器中的损耗功率。

谐振器内储存电磁能量

一个周期内损耗的电磁能量

|谐振时

谐振器的损耗包括:导体损耗,介质损耗和辐射损耗,对于封闭形的谐振器,辐射损耗为零,如果假定谐振器内介质是无耗的,则谐振器的损耗只有壁电流的热损耗,故有在谐振时,电磁场的总储能为式中V为谐振器的体积;ε和μ分别为谐振器内媒质的介电常数和磁导率S为谐振器导体内壁的表面积;Rs为导体内表面电阻率;Jl为导体内表面的电流线密度;Ht为导体内表面的切向磁场。壁电流的热损耗:谐振器的品质因素的计算公式:

矩形腔圆柱腔同轴腔三矩形谐振腔当矩形波导终端短路时，电磁波将被全部反射，在波导中形成驻波。若矩形波导工作于主模，TE10波的电场仅有横向分量，短路端形成电场驻波的波节。在离短路端半个波导波长处，又形成第二个电场驻波的波节。若在此处放置一块横向短路片，仍然满足电场边界条件d

g

/2baxyz电磁波在短路端及短路片之间来回反射形成驻波短路端短路片电场驻波的波节d

g

/2baxyz金属腔中的电场及磁场在x及z方向上均形成驻波，但电场驻波及磁场驻波的时间相位差为π/2金属腔中的电场及磁场在x及z方向上均形成驻波，但电场驻波及磁场驻波的时间相位差为π/2。当电场能量达到最大值时，磁场能量为零；反之，当磁场能量达到最大值时，电场能量为零。电磁能量在电场与磁场之间不断地交换，而且无须外界输入能量一直存在，这种现象称为谐振。因此这种金属腔称为谐振腔，它可作为微波电路中的谐振器件(一)振荡模式及其场分布矩形波导中传输的模式有TE模和TM模,相应谐振腔中同样有TE振荡模和TM振荡模,分别以TEmnp和TMmnp表示之m,n和p分别表示场分量沿波导宽壁,窄壁和长度上变化的半驻波数。其中最低振荡模式为TE101矩形谐振腔的场分布矩形谐振器及TE101谐振模的场分布二）谐振波长λ及谐振频率f分别为可见，谐振波长或谐振频率不仅与谐振腔的尺寸有关，还与波导中的工作模式有关，每组（mnl）对应于一种模式。例如TE101模式代表矩形波导谐振腔工作于TE10波，腔长为半个波导波长。

带入m=1,n=0,p=1，得到当波导尺寸满足b<a<l时，TE101模的谐振波长最长，为最低振荡模式当波导尺寸b，a，d一定时，谐振波长随m,n,l变化，对应无数个谐振波长，说明矩形谐振器具有多谐性。并存在TE振荡模和TM振荡模的简并模矩形谐振腔的Q

值很高，内部为空气的铜质矩形谐振腔，当a=b=d