第8章常用微波元件

第8章常用微波元件分类：线性互易元件，线性非互易元件，非线性元件。按导形系统结构：波导型、同轴线型、带状线型和微带线型等。按作用：连接元件，变换元件，分支元件，终端元件，移相器和衰减器，定向耦合器，滤波器等。8.1单口元件

One-PortElement完成特殊功能的网络称为元件(Element)。在习惯上，我们常采用网络理论来分析元件。单口元件，是向外只有一个端口，作为负载来应用。常用的有短路负载、匹配负载和失配负载。作为网络单口元件只须用一个反射系数ΓL来表示。图单口元件

一、短路负载-短路器固定式：用金属板把波导或同轴线终端封闭起来；可移动式：用以短路的金属板可沿波导或同轴线的轴向移动。分为接触式和非接触式。

短路活塞要移动，太紧的配合会使移动不方便，间隙Δ又会造成不理想短路。因此，间隙Δ和理想短路构成了设计的主要矛盾。

接触式短路器金属短路板可移动，要求它与波导内壁有良好接触。工艺要求高，长期磨损会性能下降，很少被采用。在短路活塞端块的两个宽边上有切槽，并形成许多细小的弹性片(如磷青铜、镀银或镀铜的优质弹性钢片等)，使接触更加密切。弹性片长度应等于四分之一波导波长，使短路活塞与波导或同轴线的接触点在电流节点处，减少接触电阻产生的损耗。当活塞移动时，接触不稳定，大功率情况下还可能产生火花现象。非接触式短路器哑铃式短路器：在一段标准矩形波导中，安置两个或多个直径为D的圆柱形金属活塞，活塞之间用金属细杆连接起来。每节活塞与矩形波导构成了一段长度为l1的外矩内圆的同轴线，它的特性阻抗Zc1较低；而直径为d长为l2的金属连杆与矩形波导也构成了一段外矩内圆的同轴线，它的特性阻抗Zc2较高。具有两个活塞的哑铃短路器的等效电路：设通过短路活塞漏到其后面的功率全被损耗性的材料吸收，而无反射波(相当于在活塞后面接有与矩形波导波型阻抗相等的匹配负载）根据四分之一阻抗变换器的公式知：从端面c向右看去的输入阻抗为：从端面b向右看去的输入阻抗为：从端面a向右看去的输入阻抗为：Zc1和Zc3与Zc2相比要小得多，所以(Zin)a是很小的量，即哑铃活塞的输入端面可近似为一个等效的短路面。上述分析忽略了不连续性影响，并有近似。二、匹配负载

匹配负载，其功能是吸收功率。作为标准测量元件性能，构成无(实际上是小)反射系统。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的。根据传输线的类型：波导式，同轴线式，带状线式和微带线式等。技术指标：工作频带、输入驻波比、和功率容量。一般输入驻波比1.1～1.015之间。微波测量设备大功率发射设备的负载或大功率计的高频头功率小功率匹配负载

中功率匹配负载

大功率水负载频带宽带匹配负载

窄带匹配负载材料木材、石墨、羰基铁、吸收负载三、失配负载失配负载是既吸收一部分功率又反射一部分功率的负载。实用中的失配负载都做成标准失配负载，具有某一固定驻波比。常用于微波测量中做标准终端负载。8.2双口元件

Two-PortElement

双口元件是在微波中应用最多的一种元件，按功能分类如下图所示。双口元件方向变换信号变换波形变换连接元件，拐角，扭转移相器，衰减器，滤波器同轴波导转换，方圆转换与单口元件相似，双口元件一般采用网络理论进行分析。但是，在这里值得指出：元件的网络参数本身还是需要用场论方法求得，或者实际测量得到。从这个意义上讲，场论是问题的内部本质，而网络则是问题的外部特性。一、双口网络的S参数已经知道，双口网络可以用S参数加以表示。

无耗，互易网络［S］+［S］=［I］

展开可得具体写为上式中第一个称为振幅条件，第二个称为相位条件。性质：一端口匹配，另一端口自动匹配；若网络完全匹配，则完全传输相角只有两个独立。

方向变换元件包括连接元件、拐角、扭波导，见图所示。二、方向变换元件

方向变换元件将作用不同的微波元件连接成完整系统三、传输线尺寸变换元件

特性阻抗相同但尺寸不同的传输线之间的连接问题。例子：特性阻抗相同尺寸不同的同轴线连接。(a)直接对接交界处尺寸突变会使电场产生变形，即激励起了非传输型的高次模；相当于并联了一个电容jb。若由连接处向两边看去是匹配的，则当b很小时，不连续性越大，频率越高，失配也越严重，会降低功率容量。(b)移位补偿结构将内外导体的突变处沿轴线错开一段距离l。处于l段内的这段同轴线的单位长度的电感为：l段同轴线单位长度电容为：当l比工作波长小得多时，该段线可等效为一个串联电感，把l段两端的不连续处的影响用C1和C2等效。网络的特性阻抗近似为：选择l的长度，使之近似等于l两端同轴线的特性阻抗，就能在较宽的频带内使原来的两根同轴线连接之后近似地实现匹配。(c)锥形过渡段为使过渡段内的特性阻抗等于左右两段的值，并保持不变，要求过渡段内外导体的锥面共顶点，两锥形的底部处于同一平面内，即交界处仍有不连续电容影响，可以通过减小锥角降低。其它：四、阶梯式阻抗变换元件

阶梯式阻抗变化器：由两个特性阻抗不同的传输线之间插入一段或多段不同特性阻抗的传输线，适当选取其长度、特性阻抗的值和节(段)数，就可以在一定带宽内使驻波比低于某个给定的值。四分之一波长阻抗变换器（可用于TEM传输线，也可用于工作在单模的波导）变换段的特性阻抗为应用同轴线四分之一阻抗变换器Z0线和Z2线内导体的外直径d0=d2，但外导体的内直径不等，可选变换段内导体的外直径d1=d0=d2，外导体的内直径D1可由Z1的值确定。Z0线和Z2线内外导体的尺寸都不等，可先按要求选定变化段的一项（内或外）的尺寸，然后由Z1确定另一项的尺寸。d1介于d0和d2之间的尺寸，D1介于D0和D2之间。矩形波导四分之一阻抗变换器TE10模的波导波长变换段的长度为等效阻抗：与b/a有关，也与波长有关。只有当两个波导的宽壁的内尺寸相等时，其等效阻抗的比值才等于两者的窄壁内尺寸之比，且与频率无关，即为单纯的阻抗变换。五、信号变换元件1．膜片（匹配元件）膜片可分成感性膜片、容性膜片和谐振窗。容性膜片一压缩电场

感性膜片一压缩磁场

根据要求，容性膜片区域把电场压缩而使，感性膜片区域把磁场压缩使，它们都可成为匹配元件。谐振窗谐振窗可以看作是感性膜片和容性膜片的结合，它对某一特定频率产生谐振，电磁波可以无反射地通过，构成无反射元件。其等效电路相当于并联谐振回路。

2.相移器和衰减器相移器和衰减器是最基本的两种元件，它们可以起调节相移和衰减的作用。在波导中放置介质片(陶瓷、硅酸盐玻璃等材料)制成，如作为衰减器这表面涂以金属粉末，石墨粉等电阻性材料。极化衰减器

特别要提及的是圆波导(采用TE11模)极化衰减器，它利用高损耗材料的吸收片，将其中一种极化吸收掉。如图所示，它专门吸收u向极化波。

因此全部变换可写成极化衰减器分析框图我们可以用网络给出完整的分析(输入v输出都是y向极化)。也即具体问题中Exin=0，则有一般做到e-al→0，这时衰减这是极化衰减器的最基本的公式。y模式

u模式v模式maxL=8.686al＞50dB

极化衰减器的最大优点是与频率无关，所以它是宽带器件。

3.铁氧体隔离器铁氧体隔离器也称单向器。当

=90°时理论衰减为∞，实际上注意：这是一种非互易网络S12≠S21。一般正向衰减＜0.5dB，反向衰减＞20dB。使用隔离器可以把负载由于不匹配造成的反射波在经过隔离器时被吸收掉，而不再返回信号源，使信号源稳定地工作。分为：法拉第旋转式隔离器、谐振吸收式隔离器和场移式隔离器。六、波型变换元件典型的是同轴-波导转换。为了提高转换效率，可调节探针深度和短路活塞位置。

同轴线的外导体与矩形波导的宽壁连在一起，内导体的延伸部分(探针)插入波导中，形成一个小辐射天线，在波导中激励出TE10模的电磁波。为使能量单向传播，在波导中距探针l处装置了一个可调短路活塞。矩形波导-圆形波导转换器8.3多口元件Multi-PortElement

多口网络在微波工程中承担分路(功率分配)、和差、环行、耦合等等重要功能。图多端口元件功能

一、三口网络的一般性质

1.无耗互易网络的么正性[S]+[S]=[I]具体应用互易条件有将上述矩阵展开后可分别得到两组方程，我们称之为振幅条件和相位条件。[性质］无耗互易三端口网络不可能同时匹配，即S11=S22=S33=0

［证明]采用反证法：假定S11=S22=S33=0,可知

于是在S12，S13，S23至少有两个为0，但这与振幅条件相悖，得证。

作为例子，有

2.无耗非互易三口网络［性质］无耗非互易三口网络的三个端口可以完全匹配。1.E面T和H面T—分路元件E面TH面T串接元件并接元件①端输入，②和③端功率平分，相位相反。用于和差：②和③同相等幅输入，①端无输出；②和③反相等幅输入，①端输出最大。④端输入，②和③端功率平分相位相同。用于和差：②和③端同相等幅输入，④端输出最大；②和③端反相等幅输入，④端无输出。二、三口元件

2.铁氧体环行器——环行元件理想s矩阵[解]由［S］参数定义写出而，计及这一条件即可导得写出双口网络的［S］矩阵只要

L很小，即可得到典型的隔离器。

[例1]理想环行器端口③接匹配负载，即可构成二端口隔离器。三、四口网络的一般性质

1.定向耦合网络定向耦合网络是一种常用的四端口网络，它一般规定,是无耗互易网络,每对端口相互隔离:

其中一对匹配:符合上述条件的即可称为定向耦合器，其［S］矩阵是图定向耦合器根据么正性又写出要满足左式当且仅当|S33|=|S44|=0

从相位关系得到的方程是

若选择适当的参考面使S13=S24=a

是实数，则而从上面方程能给出这样［S］矩阵是也就是说，理想的定向耦合器，主路和副路相位差90°，也称为90°定向耦合器。

2.对称定向耦合器网络我们研究一种四端全对称的定向耦合器网络，有条件于是，散射矩阵成为且由无耗的么正性条件写出把上式重新排列进一步可简化为现在我们讨论一种比较接近实际的情况，即端口①和端口②理想隔离S12＝0

则可得到对于实际的定向耦合器，S13=0和S14=0是我们所不希望的，将它们排除在讨论之外，那么，要满足上式当且仅当S11=0

且方程进一步简化为由此可得到或者说从对称定向耦合器中我们可以得到十分重要的性质：

·定向耦合器的端对隔离和端口固有反射密切相关；

·定向耦合器的主副路相差也和端对隔离密切相关；

·因此，在工程中常常采用考察输入反射和路间相差来别断这类定向耦合的质量优劣。也即对于理想的3dB桥代入上式可知|S11|≈|S12|

另一方面，由

3.3dB桥网络我们把主副路功率相等的称之为3dB网络，重新写出又可得到考虑最坏可能性，即

1=2其中，I是隔离度，定义为，可由相差确定隔度度。

图隔离度I与相差关系

1.