第四章第三節(jié)波導RLC元件

1、4.3 波導rlc元件 與普通電路一樣，波導系統(tǒng)中需要有電阻（r）、電感（l）和電容（c）性元件，用以實現(xiàn)對傳輸信號幅值、相位的調(diào)控及對信號頻率的選擇等。 對它們的基本要求除了各自的功能外，還要求因它們的接入而引起的反射小，它們可正常工作的頻帶要寬。一匹配負載 匹配負載是一種幾乎能全部吸收輸入功率的單端口元件。 匹配負載是由一段波導和能夠吸收微波功率的材料組合而成。 它在實現(xiàn)系統(tǒng)某一部分呈現(xiàn)行波狀態(tài)的同時，并可吸收無用的或漏泄的信號。比如定向耦合器的隔離端就要接用匹配負載，環(huán)流器的非輸入輸出端也要接匹配負載。在微波測量系統(tǒng)中，也經(jīng)常需要匹配負載建立系統(tǒng)的行波狀態(tài)。1 工作原理 一般在一段終端短

2、路的波導內(nèi)放置一塊或幾塊劈形吸收片, 用以實現(xiàn)小功率匹配負載, 吸收片通常由介質(zhì)片（如陶瓷、膠木片等）涂以金屬碎末或炭木制成。 當吸收片平行地放置在波導中電場最強處, 在電場作用下吸收片強烈吸收微波能量, 使其反射變小。2 各種匹配負載 劈尖的長度越長吸收效果越好, 匹配性能越好, 劈尖長度一般取/2的整數(shù)倍。 如圖 (a)所示; 當功率較大時可以在短路波導內(nèi)放置鍥形吸收體, 或在波導外側(cè)加裝散熱片以利于散熱, 如圖 (b)、(c)所示; 當功率很大時, 還可采用水負載， 如圖 (d)所示, 由流動的水將熱量帶走。 同軸線匹配負載是由在同軸線內(nèi)外導體間放置的圓錐形或階梯形吸收體而構(gòu)成的, 如圖

3、 (e)、 (f)所示。 微帶匹配負載一般用半圓形的電阻作為吸收體, 如圖 (g)所示, 這種負載不僅頻帶寬，而且功率容量大。 3 失配負載 失配負載既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率, 而且一般制成一定大小駐波的標準失配負載, 主要用于微波測量。 失配負載和匹配負載的制作相似, 只是尺寸略微改變了一下, 使之和原傳輸系統(tǒng)失配。 舉例 比如波導失配負載，就是將匹配負載的波導窄邊b制作成與標準波導窄邊b0不一樣, 使之有一定的反射。 例如: 3 cm的波段標準波導bj-100的窄邊為10.16 mm, 若要求駐波比為1.1和1.2, 則失配負載的窄邊分別為9.236 mm和8.407 mm

4、。 二 衰減器 在微波系統(tǒng)中，衰減器用來在一定范圍內(nèi)調(diào)整微波信號的幅值（或功率電平），它是通過對傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘柈a(chǎn)生一定量值的衰減而實現(xiàn)。 以其衰減量固定不變或可在一定范圍內(nèi)調(diào)變而分為固定衰減器和可變衰減器。 衰減器依其工作原理，可分為吸收式衰減器、截止波導衰減器和極化衰減器等三種類型。1吸收式衰減器 吸收式衰減器是在一段波導內(nèi)，置放與傳輸模的電場方向平行的吸收片，用以吸收部分信號功率而實現(xiàn)衰減。 因為波導中的傳輸模場量幅值在波導橫向的分布是不均勻的，所以移動吸收片在波導中的位置，或上下或左右，都可以改變衰減量的大小而作為可變衰減器。 也可以改變吸收片插入波導的面積（如對于矩形截面波導的te10

5、模，可在波導寬壁面中心的縱槽內(nèi)插入可調(diào)變插入深度的吸收片）來作成可變衰減器。 可變衰減器的衰減量，可通過理論計算和實驗來標定，并標示于其調(diào)節(jié)機構(gòu)上。 吸收式衰減器的吸收片，也都作成尖劈或緩變曲線形的邊界形狀， 這一方面是考慮到漸變過渡以減小衰減器引起的反射， 另一方面則是考慮其調(diào)整機構(gòu)的刻度變化與衰減量之間的關(guān)系（線性關(guān)系或?qū)?shù)關(guān)系等）。2 截止波導衰減器 截止波導衰減器則是利用波導處于截止狀態(tài)時，截止場量沿波導縱向呈指數(shù)率衰減的特性。 圖4-14是一主體為一段處于截止狀態(tài)的圓截面波導的截止式衰減器的結(jié)構(gòu)簡化示意圖。工作原理 選擇這段圓截面波導的截面半徑滿足截止條件，在滿足上式條件下，圓截面波

6、導中所有高次模也自然是全部截止了。 rc41. 32222121ccmnrpcc2122zerfzrf, 截止波導衰減器的輸出同軸線通過小環(huán)與圓波導作磁耦合，圓波導中的截止場激勵小環(huán)從而使一部分信號功率進入同軸線中輸出。 設置調(diào)節(jié)機構(gòu)使輸出同軸線（及小環(huán)）沿波導軸線方向可作縱向移動，這樣便可調(diào)節(jié)輸出量而達到可變衰減的目的。 衰減器的定量刻度 )(686. 8)0(lg20)0(,lg10lg10lg10lg102010011dbllelerfrfppppppppllllll截止波導衰減器的衰減量分貝數(shù)與移動距離之間呈線性關(guān)系。特點 當截止波長遠遠小于工作波長時，衰減常數(shù)值很大，這樣移動距離不要

7、很大便可獲得很大的衰減量。 由于此種衰減器中衰減不是靠吸收物質(zhì)的損耗所至，而是因反射而引起，這樣其輸入和輸出端的反射都很大，因而在實際使用的截止波導衰減器中還需采取匹配措施。 3 旋轉(zhuǎn)極化式可變衰減器 由兩個矩形截面波導和圓截面波導轉(zhuǎn)接器（俗稱方圓轉(zhuǎn)接器），與一段可連同內(nèi)置吸收片一同轉(zhuǎn)動的圓截面波導構(gòu)成。在兩個方圓轉(zhuǎn)接器中也各固定一與矩形截面波導寬壁面平行的吸收片（網(wǎng)）。工作原理 輸入的矩形截面波導中的te10模，經(jīng)方圓轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)換為圓截面波導中的te11模，其電場與吸收網(wǎng)1垂直而不產(chǎn)生衰減，其量值e1 。 信號進入到圓截面波導后，若圓截面波導連同吸收網(wǎng)2相對于起始水平位置右旋一角度，e1平行于

8、吸收網(wǎng)2平面的分量被吸收掉，垂直于網(wǎng)2平面的分量無衰減通過,其量值e3 。 此進入到輸出端的方圓轉(zhuǎn)接器后，其平行于吸收網(wǎng)3平面的分量被吸收掉，而垂直于網(wǎng)3平面的分量無衰減通過，并轉(zhuǎn)換為矩形截面波導中的te10模輸出，其量值e2。 定量分析31221211422coscoscos110lg10lg10lgcos40lg|cos|()eeeeepelpedb 三 電抗元件 微波系統(tǒng)中的電抗元件，其構(gòu)成原理都是利用微波傳輸線的結(jié)構(gòu)、形狀及尺寸的不連續(xù)性來實現(xiàn)的。 電抗元件包括能夠集中和儲存磁場能量的電感性元件，和能夠集中和儲存電場能量的電容性元件。 以下選擇其中典型和常用者介紹。 1膜片、銷釘和螺釘

9、電容膜片 在一段波導中一橫截面上，上下對稱放置金屬膜片如圖4-16a。 當波導寬壁面上縱向電流到達膜片時要流向膜片，此電流到達膜片窗口時被截斷，在膜片窗口邊緣上聚積電荷。 隨著波導導行電磁波的傳輸，壁電流及膜片窗口邊緣聚積的電荷也隨之變化（相當于交替充放電），因此上下膜片構(gòu)成了一個并接的電容。電感膜片 若膜片置于波導窄壁間如圖4-16 b，則等效一并聯(lián)電感。 其物理解釋是，由于膜片的置入使得te10模的場結(jié)構(gòu)發(fā)生局部改變，te10模的磁場（由與構(gòu)成的磁力線閉合環(huán)）平行于矩形截面波導的寬壁面，在膜片處將造成磁場的密集，這就是電感效應。 當不考慮膜片厚度的影響時，膜片寬度直接影響等效電感量。諧振窗

10、 如果在波導的一個橫截面上同時置放電容膜片和電感膜片，這就形成了一個諧振窗，它等效為與波導傳輸線并接的并聯(lián)諧振回路。 當波導傳輸信號的頻率等于窗口的諧振頻率時，與波導傳輸線并聯(lián)的導納為零，信號無反射地通過（匹配），顯然窗口具有頻率選擇性。諧振窗的諧振頻率決定于窗口尺寸。電感銷釘 在矩形截面波導中置放與波導上下寬壁面連結(jié)的金屬圓棒，如圖4-16 d，稱為電感銷釘或電感棒。 此銷釘可看作是電感膜片的變形，因此可等效為與波導傳輸線并接的電感。其電感量與棒的粗細有關(guān)，而且可以放置多根?？勺冸娍?若在矩形截面波導寬壁面中心線上裝置可調(diào)旋入深度的螺釘，就將成為與波導傳輸線并接的可變電抗。 螺釘機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡

11、單，使用方便，是小功率微波系統(tǒng)中最常用的調(diào)諧和匹配元件。 由于螺釘旋入波導內(nèi)的深度較淺因而相當于電容膜片的變形，因此螺釘相當于與波導傳輸線并接的一可變電容，如圖4-16 c。說明 關(guān)于膜片、銷釘及螺釘?shù)碾娦再|(zhì)，我們只是做了淺顯的定性說明。 它們的等效電參量與其尺寸的關(guān)系，因其邊界條件的復雜而難于得到準確的場解，工程實際中一般是采用等效電路方法和實驗標定的方法給出計算公式。2 波導和同軸短路活塞工作原理 由傳輸線理論可知，終端開路或短路的無損耗傳輸線，終端全反射，且距終端任意遠處向終端看去的輸入阻抗總是純電抗。 波導傳輸線終端開路時，因終端口徑面向外輻射電磁波而相當于有負載，不是全反射。 波導終

12、端短截時則相當于普通傳輸線的終端短路，如果短路面可移動（這就是一個機械活塞），那么從始端向終端看去的等效輸入阻抗就是一可變電抗。 硬結(jié)構(gòu)的同軸線也可以作成短路活塞結(jié)構(gòu)。應用 這種短路面可移動的短路器，在微波系統(tǒng)中特別是調(diào)匹配系統(tǒng)及測量系統(tǒng)中應用很廣泛。 比如矩形截面波導有e-t或h-t分支，若分支臂加入可調(diào)短路活塞，那么它們就相當于一段串有可變電抗或并有可變電納的傳輸線。 波導雙t分支的兩個分支臂加入可調(diào)短路活塞，則稱為e-h匹配器，可以對任意有耗負載實現(xiàn)調(diào)匹配而不存在匹配盲區(qū)。 對短路活塞的最基本要求是保證短路片與波導壁面或同軸線內(nèi)外導體的良好電接觸。 圖4-17是波導型（圖中a）和同軸型（圖中b）接觸式活塞的結(jié)構(gòu)示意圖，它把機械接觸點和短路面分開，短路面處是電流波腹，若機械接點與短路面間距為四分之一波長，則機械觸點就位于電流波節(jié)處，這樣接觸損耗就會很小。 不過接觸式短路活塞長期使用會造成機機觸點磨損而限制其使用壽命。 改進 圖4-18所示為目前廣泛使用的同軸型（圖中a）和波導型（圖中b）抗流結(jié)構(gòu)短路活塞。 這種結(jié)構(gòu)是利用兩段四分之一波長線的阻抗