第五章微波元件.ppt

1、第五章微波元件简介。微波元件通常是指能够控制导向电磁波的模式、极化方向、振幅、相位和频率的装置。它的各种控制功能是通过设备的边界条件(形状和尺寸)和介质的变化(不均匀或不连续)来实现的。也就是说，微波传输线(波导和微带线)是微波元件的基础，因此微波元件也称为不规则波导，它与传输线一起构成微波系统。2.分析方法分析微波元件的工作原理并确定其参数。严格的方法是分析内部电磁场结构。由于它的不均匀性，很难解决。因此，网络的外部特性被用来描述微波元件，它们等效于相应的电路，因此没有必要求解内部场分量。3.微波元件的分类：(1)有源或无源；(2)端口数量：一个端口、两个端口、三个端口和四个端口；(3)变换

2、性质：a .线性互易元件：特性：满足互易定理，在不改变信号频率的情况下对信号进行线性变换：匹配负载、短路活塞、微波电桥和定向耦合器b .但仍在线性区域工作：各种磁化铁氧体元件，如隔离器、环行器等。c .非线性元件的特性：信号的非线性变换，可引起微波频率的变化，并可通过电磁控制改变元件的特性参数：探测器、混频器和电磁快控元件等。(4)根据用途：匹配连接元件、配电元件等。匹配负载匹配负载是连接到传输系统终端的单端口微波元件，可以吸收几乎所有的入射波功率而不发生反射，因此当需要在传输系统中建立行波状态时，总是使用匹配负载。匹配负载根据其功率容量可分为低功率和高功率。图5-1各种匹配负载、5-2匹配负

3、载和低功率波导匹配负载由带有短路端子的波导和安装在波导中的吸收器组成。波导匹配负载结构示意图。当功率较小时，可以在波导中放置一个或几个楔形吸收板，如图5-1(a)所示；当功率较高时，可在短路波导管内放置一个楔形吸收器，或在波导管外安装一个散热器以利于散热，如图5-1(b)和(c)所示；当功率很高时，也可以加载水，如图5-1(d)所示，热量被流动的水带走。同轴线匹配负载由放置在同轴线内外导体之间的锥形或阶梯形吸收器组成，如图5-1(e)和(f)所示。通常，微带匹配负载使用半圆形电阻作为吸收器。如图5 1(g)所示，该负载不仅具有宽频带，而且具有大功率容量。1.低功率匹配负载图5-1(a)显示了典

4、型的H10波导低功率匹配负载，它是一个楔形吸收板。它平行于矩形波导H10波电场最强的电场方向放置(平行于窄边和宽边的中心线)，能强烈吸收H10波的功率。吸收片通常由薄玻璃片制成，其表面涂有金属电阻膜或碳膜。为了得到一个好的匹配，人们把吸水片的末端做成楔形。原则上，当楔形投影的长度是波导波长一半的整数倍时，可以实现良好的匹配。为了在宽频带中有更好的匹配，在条件允许的情况下，楔形物的尺寸应尽可能选择得长。这种小功率吸收器可以匹配负载，在10-15%的频带内，一般可以达到1.01-1.05的驻波比匹配度，允许耗散的平均功率一般为瓦特级。2.高功率匹配负载由于由吸收片制成的匹配负载在其表面上的非常薄的

5、电阻膜中吸收微波功率，它是“表面”吸收，因此它不能承受高功率。必须采用“整体”吸收的方法来匹配大功率负载，并应考虑散热。2.大功率匹配负载图5-2显示了两种常用的结构示意图它的底部是圆柱形的，其直径与矩形波导窄边的直径相似。底部连接有两根玻璃管，分别作为进水管和出水管，用于通水吸收微波能量，带走产生的热量。“外壳”的末端是锥形的，形成一个逐渐过渡的部分，以便于匹配。(微波能穿透玻璃，水是微波的良好吸收体。参考微波炉的加热原理)，图5-2(b)显示了“倾斜水管”的水负载，其通常用于毫米波和短厘米波段，具有小的波导尺寸。在这种方法中，在H10波导宽壁中心线的最强电场处倾斜插入一根玻璃管，将流动的水

6、引入其中以吸收微波功率并带走产生的热量。玻璃管的倾斜插入也是为了缓慢改变过渡以改善匹配。通常，当倾角约为10时，可以获得更好的匹配。实测结果表明，水负荷的驻波比约为1.05-1.20，平均功率可达数百瓦至数十千瓦。5-3短路活塞和防电流结构的作用：所有的电磁波能量被反射回来，形成一个可移动的短路面。在理想情况下，驻波比是无限的，但实际上它可以达到100170。1.接触短路活塞(P92，图53)为了保持活塞与输电线路内壁的良好接触并平稳移动，梳状接触片通常由固定在活塞上的弹性磷青铜片制成，以保持与输电系统内壁的良好弹性接触。由于短路面是电压节点和电流波腹，因此在短路面附近存在较大的高频电流。当大

7、电流流过触点时，不仅会造成很大的损耗，而且容易引起点火。因此，弹簧片向前延伸1/4波长，使得接触点位于电流节点附近，减少了接触损耗，并且不容易发生点火。接触式短路活塞的特点：优点：结构简单，加工容易，驻波比大于50。缺点：存在机械接触，易磨损，限制使用寿命，多用于不需要经常调整的地方(如地震检波器)。第二，逆流短路活塞的接触活塞上流动的高频电流的“电接触”(P92图54)是通过弹性片与传动系统内壁之间的机械接触点实现的。防流短路活塞不同，它将电接触和机械接触分开，在一定条件下，即使机械接触不良，也能保证良好的电接触。优点：无机械接触，磨损小，使用寿命长，大功率时不易着火。缺点：工作频带窄(采用

8、1/4波长阻抗变换)，其他防流短路活塞、突山形和S形扼流短路活塞、短路装置、校准短路活塞等微波测量应有精确的定位刻度，用游标或螺旋千分尺。防流接头和防流轴承功能：防流结构不仅可用于短路活塞，还可用于其它需要良好电接触但不能实现或避免机械接触的地方，防流结构还可用于防止微波功率泄漏。1.矩形波导管防流接头(防流法兰)(P94，图56)，其功能：在两个波导管的端面之间形成良好的电接触。特别是当两个波导管之间的直接机械接触由于某种原因不能实现时(例如，两个波导管需要与DC绝缘)，通过采用这种逆流连接，可以防止微波功率从接头处的间隙泄漏。优点：平整度要求不高，安装偏差不太大；功率容量大，接头处的驻波比

9、可达1.02。缺点：工作频带窄(采用波长关系)，所以矩形波导的连接除了一些特殊情况外，通常采用直接精密机械接触。矩形波导直接精密接头(图(a)中的平法兰接头):的优点是易于加工，体积小，频带宽，驻波比可达1.002。2。防流轴承的功能(P95图57):当特点：它由两条长度为四分之一波长的同心同轴线组成。轴和波导管壁之间没有接触，但是留下了间隙ab。然而，当这种抗流轴承工作时，ab可以等效为短路，因此它具有良好的电接触，并能保证没有电力泄漏或损失。防流结构的基本原理：利用等效传输线的概念，特别是四分之一波长传输线的阻抗变换原理，合理布置防流部件。在电压节点处设置高频电流流动且需要良好电接触的地方

10、，以获得等效短路。同时，在电流节点处设置可能发生损耗或漏电的地方，可以避免损耗和漏电。衰减器和移相器是插入传输系统的双端口元件，但它们有不同的功能。衰减器的作用是使通过它的微波产生一定的衰减。固定衰减器称为固定衰减器，可调衰减器称为可调衰减器。移相器的作用是使微波能量不衰减地通过，但产生一定量的相移，可以调节。首先，在详细讨论衰减器和移相器之前，我们简单分析了一般二端口网络的传输特性，找出二端口网络的衰减和相移与网络参数之间的关系。了解这种关系不仅有助于确定衰减器和移相器的特性参数，而且有助于今后讨论阻抗变换器等双端口微波器件。衰减：当输出端与匹配负载相连时，输入端的输入功率与输出端的输出功率

11、之比。相移：当输出端连接到匹配负载时，输入端的输入相位和输出端的输出相位之间的差值。双端口网络的衰减可由两个原因引起：一是网络损耗引起的衰减，它吸收了通过波的功率，称为“吸收衰减”；另一种是由网络输入端的波反射引起的，由此引起的衰减称为“反射衰减”。有两种衰减器与这两种衰减器相对应：吸收衰减器和反射衰减器，这两种衰减器将在下面分别介绍。2.吸收衰减器(1)横向移动衰减器法：它是在矩形波导中放置一个平行于电场方向的吸收片而形成的，有固定和可调两种类型，分别如图5-9(a)和(b)所示。图5显示了9个吸收衰减器，图(b)显示了固定吸收衰减器。此时，吸收片的位置是固定的，因此其衰减是固定的。固定衰减

12、器通常用作微波系统中的去耦元件。所谓“去耦”是指消除由信号源引起的二次反射波。二次反射波的存在会导致信号源的工作状态不稳定，因此需要去耦元件。图(a)显示了可调吸收衰减器。吸收片由涂在胶木板表面的石墨或蒸发在玻璃片上的厚电阻膜组成，其两端通常为楔形以减少反射。从矩形波导H10模的电场分布可以看出，电场在波导宽边的中心最强，在两边逐渐减小到零。因此，当吸收体沿波导横向移动时，其衰减可以改变。这种衰减器的最小衰减为0分贝，最大衰减为30-50分贝。通过调节机构改变吸收器的位置，从而可以连续调节衰减器的衰减。(2)旋转衰减器(P98图510)方法：该衰减器的主体是一个带有吸收片的圆形波导管，吸收片固

13、定在圆形波导管内，可以随圆形波导管一起旋转。圆形波导的两端分别通过方圆过渡波导与输入和输出H10波导相连，过渡波导中还有一个平行于矩形波导宽壁的固定吸收片。因为衰减可以通过旋转中间的圆形波导部分来调节，所以这种衰减器被称为旋转衰减器。，第三章。截止衰减器(P99图511)方法：截止衰减器是在传输线中插入一小段横向尺寸较小的同轴传输线，使电磁波在这条短传输线中以截止状态传输，即电磁波通过这条传输线后，微波能量迅速衰减，衰减量可以通过控制截止传输线的长度来调节，如图所示。图511截止衰减器及其衰减曲线四。移相器功能：当波通过时，会产生相移，但不会造成衰减。已知相移：通常要求移相器的相移是可调的，所

14、以常用的移相器都是可调移相器。从上面的公式可以看出，有两种方法可以改变相移：(1)改变传输系统的长度l。可以看出，任何能够改变传输系统长度的机构都可以制成可调移相器。(2)改变传输系统中的介质参数使相位常数发生变化。最常见的移相器就是用这种方法制造的。带介质片的可调移相器是最常见的移相器，其结构与图5-9所示的可调衰减器相同，只是吸收片改为低损耗介质片(如应时、高铝瓷、聚四氟乙烯等)。)。当电磁波通过时，它的损耗很小，所以信号基本上没有减弱，所以它的衰减可以完全忽略。如果介质片所在位置的电场很强，将对通过的电磁波产生较大的影响，导致较大的相移；相反，如果电介质片所在位置的电场较弱，相移将较小。

15、可以看出，通过调节机构调节介质片的位置，可以完成调节相移的任务。经过适当校准后，可以在调节机构的刻度盘上读出移相器的相移。55金属隔膜和螺钉1。矩形波导中的金属膜片是在波导的横截面上设置有一定形状窗口的金属片。根据其结构与矩形波导中H10模场分布的关系，膜片可分为电容型和电感型。在终端匹配的情况下，从到右边的输入导纳是Y2=Ye。根据传输线的导纳转换公式，可以得出从T1到右边的输入导纳应在dg以下)，上述公式可以近似写成分母实数，然后省略(d)2项，Y1近似为、上述公式表明T1的等效负载由两部分组成：实数部分叶代表右边的匹配波导；虚部jB是纯电纳，代表相连的隔膜。电纳的归一化值是(5-2)。根

16、据叶和叶之间的相对值，可以判断膜片是电容性的还是电感性的。根据定义，空波导的等效导纳是图5-6(a)所示的膜片和图5-12(b)所示的膜片的等效导纳。通过比较上述三个公式和(5-2)，将发现图5-6(a)中所示的膜片的等效导纳叶烨是正的，这表明图5-6(a)是负的。图5-6(b)所示膜片的等效导纳叶烨是负的，它可以等效于与传输线并联的电感，所以人们称图5-6(b)所示的金属膜片为电感膜片。这两种膜片的等效电路如图5-12所示。共振窗，f0=c/0，常用于超高频真空装置、气体放电装置和波导管。例如，有时需要在不影响波传输的情况下将波导分成真空和非真空区域，因此波导的两个部分可以用带有小窗口的金属片分开，并且窗口可以用低损耗介质(例如聚四氟乙烯、陶瓷片、玻璃和云母片等)密封。)。有时，为了膨胀或密封波导管，也可以采用这种结构。此外，可以通过使用谐振窗口来构造微波滤波器。3.拧入矩形波导管，图5.15拧入波导管及其等效电路。当拧入小dd0时，磁场能量占主导地位，并产生尖叫因为：a)波长与元素的大小相似，会产生很大的辐射；b)高微波频率将导致组件和导线的巨大皮肤损耗；趋肤效应：也称为趋肤效应，当高频交流电通过导体时，电流将集中在导体表面，而不是均匀分布在整个导体的横截面积。c)所用组件太小，难以制造。(3)在低频谐振时，电场能量存储在电容器中，