常用波導器件參考模板

1、常用波導器件 基礎知識  1.駐波測量線測量線又叫駐波測量儀(StandingWave Detecktor)，是用來測量波導中駐波分布規(guī)律的儀器。駐波測量線可分為兩類：一類是電場測量，另一類是磁場測量，目前廣泛應用的是第一類。應用電場測量原理設計的駐波測量線的結構如圖3-22所示。它的主要組成都分有：一段開槽波導、探頭裝置(包括探針、檢波晶體、調諧活塞)、探頭移動機構和位置測量裝置等。開槽部位應恰在矩形波導寬壁中心線上，開槽要足夠窄(一般為2.5-3.5mm適宜)，有幾個半波長的長度，槽的兩端成楔形或漸變線形。探針插入槽中深度可調。沿槽可移動的探針與波導中的波靠電場耦合。由

2、于探針與電場平行，電場的變化在探針上感應的電動勢（其大小正比于該處場強）經(jīng)晶體二極管檢波，檢波電流流過指示器回到同軸探頭外導體成一閉合回路，指示器讀數(shù)表示出沿槽線分布的場強大小。由平行于槽的標尺讀數(shù)表示出場強大小的位置，從而測得駐波比，駐波相位，波導波長。指示器一般用光標檢流計、微安表或選頻放大器。若用選頻放大器，可直接讀出駐波比，但必須注意這時的微波訊號源要加方波調制，并且注意晶體檢波律，使輸至晶體的訊號電平保持在平方律檢波范圍內，否則測出的駐波比將失去意義。1 / 21為了提高測量的靈敏度，在測量前需要調節(jié)同軸探頭中的調諧活塞及探針深度，消除由于探針插入開槽波導引起的不匹配，使檢波晶體輸出

3、最大：將探針置于駐波腹點，調節(jié)調諧活塞及探針插入深度(一般取窄邊b的510適宜)，使指示器的指針偏轉在滿刻度附近(若指示器指針偏轉較小，則需增大微波輸出功率)。調節(jié)微波系統(tǒng)匹配，須將探針置于駐波極小點或極大點處，采用把調大或把調小的方法進行調配。如果把探針放在極小點處，調節(jié)接在測量線終端的調配器，使探針的輸出功率稍微增大(不要增大太多，否則會發(fā)生假象波形移動，這時極小點功率并不增大)，然后左右移動探針，看看極小點功率是否真正增大。這樣反復調節(jié)調配器，使極小點功率逐漸增大，直至達到最佳匹配狀態(tài)(駐波比s1)。 2.全匹配負載全匹配負載一般作成波導段的形式，其終端短接，并包含有一些安置在

4、電場平面內的吸收片。把片子做成特殊的劈形狀來實現(xiàn)它們與波導間的匹配(如圖3-23)。這樣就保證了由沒有吸收材料的波導向有吸收器的波導逐漸過渡。片子的材料是涂覆有金屬的碎末(例如鉑金)薄層的電介質(玻璃，瓷膠紙板等)，或者用炭層涂覆，表面電阻的大小根據(jù)匹配條件用實驗方法選擇。對于波導吸收器，直流測量的表面電阻的最佳值為數(shù)百歐姆。斜面的長度用實驗方法確定，使其聾盡可能寬的頻帶內能得到最小駐波比，通常劈的長度等于或大于半波長。 3.可變衰減器衰減器是用來衰減微波的功率電平，也可以作為負載與信號源間的去耦元件。由于波導管內各處微波電場強弱不同，因而改變衰減片在波導管中所處的位置，即可得到不同

5、的衰減量。衰減片是由玻璃葉片(或其他介質片)噴涂鎳鉻合金(或石墨)的電阻性薄層制成。在矩形波導中，吸收式衰減器的結構如圖3-24所示。矩形波導中的波電場沿y方向線極化，將一兩端修尖的衰減片放入波導，平行于y-z平面(見圖3-24（a）)。若介質片處在波導寬壁中央(Ey最大)，在介質片的導電薄膜內激勵起的高頻電流最大，因而歐姆損耗最大，于是對微波功率的衰減也最大。當介質片接近波導側壁時(比如x=0處)，則=0，則導電薄膜內將不會激起高頻電流，因而微波功率不被吸收，衰減量最小(近于零)。為了改變這個有損耗的介質片在波導中的x向位置，采用兩個金屬桿帶動介質片沿軸移動，因為細金屬桿與電場正交，故不會在

6、桿中激勵起高頻電流，因而不改變波導中場的分布。衰減片也可以做成刀形，由矩形波導寬壁中央插入見圖3-24(b)，改變其插入深度，改變衰減量。衰減量常以分貝(dB)為單位計算，以dB為單位的傳輸衰減定義為(3-45)式中表示入射功率，A表示傳輸功率。X波段BD-20-2型吸收式可變衰減器的可變范圍約為0.6-30dB，有的衰減量可達0-50dB。 4隔離器隔離器是一種不可逆的衰減器，在正方向(或需要傳輸?shù)姆较蛏?它的衰減量(或插入損耗)很小，約0.ldB左右，反方向的衰減量則很大，達幾十dB，兩個方向的衰減量之比為隔離度。若在微波源后面加隔離器，它對輸出功率的衰減量很小，但對于負載反射回

7、來的反射波衰減量很大。這樣，可以避免因負載變化使微波源的頻率及輸出功率發(fā)生變化，即在微波源和負載間起到隔離作用。微波隔離器一般由鐵氧體材料做成，因工作原理不同分為兩大類，一類是諧振式，另一類是場移式的，前者用于中功率和大功率方面，后者應用在小功率方面。實驗室多用場移式隔離器，原理如下：場移式隔離器結構如圖3-25（a）所示。在波導中平行于窄邊壁而距這窄邊壁一定距離處放置一片鐵氧體(它的右側面上有一衰減片)，波導外面有一“U”形永久磁鐵，提供鐵氧體一恒定磁場H。這樣，原來在空波導里傳輸?shù)牟ㄐ?，發(fā)生了一個移動，場型發(fā)生了變化，即出現(xiàn)了場移。場移具有不可逆性，就是這個鐵氧體對兩個方向傳輸?shù)牟ㄐ退a(chǎn)生

8、的場移作用不同，例如在波導里，它對一個方向傳輸?shù)牟ㄐ陀信懦獾淖饔?。對另一方面的則有吸引的作用(見圖3-25(b)。這是由于加恒定磁場的鐵氧體對橫向圓極化微波磁場表現(xiàn)出的高頻磁導率的不可逆性引起的。鐵氧體是一種亞鐵磁性物質，電阻率很高，性狀似陶瓷。它在常溫下具有自發(fā)磁化，自發(fā)磁化的磁矩M在外場H中便繞H進動，于是有一個垂直于H的圓極化的磁矩分量m存在著(見圖3-26)。m的進動頻率隨|H|的增大而增加(，為旋磁比)。如有一橫向圓極化微波場同時作用于這個鐵氧體，實驗和理論分析都證明鐵氧體的高頻磁化的頻率響應特性與這個固有的進動的存在有密切的關系，大致說來其性質是，在圓極化微波磁場作用下，若極化方向

9、與m圓極化方向一致(相對H為右旋波或正圓偏振波)，則鐵氧體對于這種微波磁場有共振特性，即在微波磁場頻率等于m進動頻率時()，高頻導磁率在這個H值兩邊變號(達到極大值)，在較低磁場的某一H值之下，會過零值(見圖3-27(a)，若極化方向與m極化方向相反(相對H為左旋波或負圓偏振波，則m對微波磁場沒有明顯響應，總是略大于1隨H變化十分徐緩(見圖3-27(b)。假若我們把鐵氧體放在圓極化波所在的位置，并令H小一些，亦即工作在低場區(qū)()，這樣鐵氧體對右旋波將提供負的導磁率(圖3-27中的場移區(qū))，對左旋波則提供正的導磁率。如果鐵氧體片的位置、厚薄、外加恒磁場H配合恰當，兩個方向傳輸?shù)牟梢宰兂扇鐖D3-

10、25(b)所示樣子。圖中，正向傳輸?shù)牟ㄊ怯倚?，是負的，電磁場在鐵氧體里傳輸比在空氣里傳輸要困難，于是被“排擠”出去，圖中所示的電場，它在鐵氧體的右表面電場強度為零，衰減片不衰減，最大值排向右邊。圖中正向指進紙面(見圖3-26)；圖中所示的反向傳輸?shù)牟ㄊ亲笮?，是正的，電磁場在鐵氧體里傳輸比在空氣里傳輸要容易，于是被“吸引”進去，電場強度的最大值被吸引到了鐵氧體的右表面，衰減片產(chǎn)生衰減，衰減量可大到20-30dB。 5定向耦合器定向耦合器是一種有方向性的耦合功率的微波器件。它是將主波導中入射行波或反射行波的部分功率耦合至輔波導，作為功率監(jiān)視或頻率監(jiān)視等用。定向耦合器有許多種，為說明基

11、本原理，僅舉在波導寬邊(H面)開雙孔的定向耦合器為例(結構如圖3-28所示)。A、B兩孔相隔(為中心頻率的波導波長)。由1端入射的電磁波到達4端有兩個路徑(分別通過A孔和B孔)，這兩路電磁波的場幅度相同，程差為半波長，所以相位相反迭加以后為零，即4端無輸出(4端接全匹配負載)。當由1端輸入到3端時，通過A孔和B孔兩路波的振幅相等路程也相同，因而到達3端時同相位，總的幅度為兩路幅度之和，這就實現(xiàn)了波的定向傳輸。 定向耦合器的主要技術指標是耦合度k，其定義為：當電磁波由主波導1端輸入而其余三端口(2、3、4)均匹配時，主波導輸入功率P1與輔波導3端口輸出功率P3之比，并以dB為單位，即(

12、3-46) 如果希望百分之一的功率輸送到輔波導正方向去，則k=20dB。 6晶體檢波器微波檢波系統(tǒng)采用半導體點接觸二極管（稱微波二極管），外殼為高頻鋁瓷管，形狀象子彈(也有別的形狀的)，結構如圖3-29(a)所示。晶體檢波器就是一段波導和裝在其中的微波二極管，結構如圖3-29(b)所示。將微波二極管(檢波晶體)插入波導寬壁中心，使它對波導兩寬壁間的感應電壓(與該處電場強度成正比)進行檢波。為了獲得大的檢波信號輸出，調節(jié)后部的短路活塞位置，使它與晶體間的距離約等于，使晶體處于電場最大(駐波波腹)處。有的晶體檢波器，前方裝有三螺釘調配器，以便使它后面與輸入波導相匹配，提高檢波效

13、率。由于檢波晶體上的電壓V與微波中的電場E成正比，檢流電流i與E的關系為 (3-47)式中k是一比例常數(shù)，n是大于1小于2的一個數(shù)，當E較小時,n2，這是晶體的平方律區(qū)域；當E較大時，n1，這是晶體的線性律區(qū)域。在平方律區(qū)域，晶體的檢波電流與晶體接受的微波功率成正比。 7調配器調配器是用來使它后面的微波部件調成匹配。匹配就是使微波能完全進入而一點也不能反射回來。常用的調配器是單螺調配器和三螺調配器。單螺調配器的結構如圖3-30(a)所示。在波導寬邊中央開一條縱向小槽，插入一個小螺釘，改變螺釘?shù)牟迦肷疃燃把夭鄣奈恢?，就相當于可調至任何所需的電抗。當插入深度l</4時，它表現(xiàn)為一個

14、等效并聯(lián)電容，當插入深度l>/4時，它呈現(xiàn)一個等效并聯(lián)電感，大約在l為/4時發(fā)生串聯(lián)型諧振，波導成為短路。實際應用上，螺釘?shù)牟迦肷疃炔灰^諧振位置圖3-30(a)中，若沿槽插入三個小螺釘，則構成三螺調配器。以上兩種僅用于功率不很大的情況。雙T接頭調配器的結構如圖3-30(b)所示。它是由雙T接頭(E-HT形接頭)構成的。在接頭的H臂和E臂內各接有可動的短路活塞。改變短路活塞在臂中的位置，便可以使系統(tǒng)獲得匹配。由于這種匹配器不妨害系統(tǒng)的功率傳輸和結構上有某些機械的與電的對稱性，因而具有以下優(yōu)點：(1)可以使用在高功率傳輸系統(tǒng)(尤其在毫米波波段)。(2)有較寬的頻帶。(3)有很寬的駐波匹配

15、范圍。雙T接頭調配器調節(jié)方法：在駐波不太大的情況下，先調諧E臂活塞。使駐波減至最小，然后再調諧H臂活塞，就可以得到近似的匹配(駐波比s<1.10)。如果駐波較大，則需要反復調諧E臂和H臂的活塞，才能使駐波比降低到很小程度(s<1.02)。  8.E-T接頭E-T接頭(見圖3-31(a)是指支臂E的寬面與主臂(2、3)中TE10波的電場平行，也就是分支波導的寬面位于主臂電場向量E平面的方向上。其傳輸特性是當2、3兩端接匹配負載時，微波功率從1端輸入，平分地傳到2、3端，且在2端和3端的波相位相反。這可由E面T中電場，的傳播情況圖3-3l(b)看出，當從E臂送進波時，它將沿E

16、臂向下傳播其電場遇到接頭時將彎曲，再往下傳播時，電力線被主波導的底面截斷，使往2臂的電力線方向向下，往3臂電力線方向向上，波的功率將平分給2、3兩臂，而電場方向相反，亦即反相。根據(jù)互易原理，如果在主波導兩端2、3同時輸入等幅反相的電磁波，則在E臂中它們的電場是同相而相加的，即E臂輸出最大反之，如在主波導 2、3兩端同時輸入等幅同相的電磁波，則E臂中的電場是反向而相減的。如2、3兩臂負載阻抗相等， 則E臂的輸出為零。它的等效電路是兩根雙線的串聯(lián)，如圖3-31(c)所示。E-T接頭的用處是作為功率分配器。 9H-T接頭H-T接頭(見圖3-32(a)是指支臂H的寬面與主臂(2、3)中磁場平

17、行，也就是分支波導的寬面位于磁場H平面上。其傳輸特性是，當2、3端接匹配負載時，微波從1端輸入，平分地傳到2、3端，且在2端和3端的波相位相同。當從H臂輸入波時，電場傳播情況如圖3-32(b)所示。電場用小圓點代表，即電力線與紙面垂直，當電場到連結接頭時，它們的排列將擴成為曲線，越向前傳播，它們的排列將愈彎而分給2、3兩臂。波的功率平均分配給2、3兩臂，電場方向相同，即彼此同相。它的等效電路是雙根雙明線的并聯(lián)見圖3-32(c)，H-T接頭的用處是作為功率分配器。  10匹配魔T將E-T和H-T分支在共同對稱面上組合在一起就構成匹配魔T(又稱雙T接頭)。結構如圖3-33(a)

18、所示。由于電場E和磁場H總是相互垂直的，所以它們之間并不產(chǎn)生相互作用.魔T的等效電路如圖3-33(b)所示.它的特征是：(1)E臂(4臂)輸入，2、3兩臂平均輸出，并反相，H臂無輸出。(2)H臂(1臂)輸入，2、3臂平均輸出，并同相，E臂無輸出。(3)反向臂之間(H臂和E臂，2臂和3臂)彼此隔離。為表征一個魔T的質量，我們引進“隔離比”L，以分貝(dB)表示，(3-48)此處P2是某一端的輸入功率；P1是反向臂(或相對臂)的功率輸出。一般魔T的H臂(1臂)和E臂(4臂)的隔離比達25-45dB，2-3臂隔離比亦在20dB以上。反射式波譜議的微波橋路就是采用魔T，如圖3-33(c)所示。70年代

19、以來為了簡便起見，便多采用環(huán)行器取代魔T，相比之下，環(huán)行器的隔離度要更高些。  1l.環(huán)行器微波環(huán)行器的種類很多，現(xiàn)僅舉一種波導三端Y環(huán)行器(見圖3-34)，它是一只波導“H”平面的“Y”接頭(或稱“Y”結)，結中心放一個鐵氧體圓柱(它可以是三角形或其他形狀)，“Y”結的外邊有一個“U”形的永磁鐵提供恒定磁場，在適當?shù)暮愦艌鲎饔孟?，鐵氧體能促使高頻磁場彎曲，并直接單向傳輸至另一相鄰的端口，即當微波自端1進入時只到端2，不到端3，端2進入時只到端3不到端1，端3進入時只到端1不到端2。如用這種環(huán)行器代替圖3-33(c)中的魔T，則可省去匹配負載。 環(huán)行器有兩個技術指標：一個是

20、插入損耗，另一個是隔離度L。如果自1臂輸入的功率為，從2臂輸出的功率為，則插入損耗為：(3-49)插入損耗越小越好，通?？勺龅?.2dB以下。隔離度是輸入1臂的功率與漏至3臂的功率之比，即(3-50)隔離度越大越好，一般總是在30dB以上。  12諧振腔頻率高達微波頻段時，集中參數(shù)的電感與電容巳失去了意義，就不能再用普通的諧振電路，而要采用由金屬導體圍成的、封閉的，且有一定幾何形狀的空間作為微波頻段的諧振回路，稱為諧振腔。常用的諧振腔有矩形諧振腔和圓柱形諧振腔(見圖3-35)。諧振腔與波導管的耦合是在腔與波導公共壁上開小孔(叫耦合孔)作為耦合元件。通過式諧振腔前后都開孔(有二個耦合孔

21、)，反射式腔開一個孔(有一個耦合孔)。矩形諧振腔就是一段矩形波導管的兩端用金屬板封閉，金屬板上開耦合孔。諧振腔的內部場型與矩形波導相似，也存在TE型波(或H型波)和TM型波(或E型波)兩種，由于z方向被短接，多了兩個短路片，故在此方向上也形成駐波因此除了以m、n分別表示在x、y方向的駐波半波長的數(shù)目外，還以p表示各方向的半個駐波的數(shù)目故波型用符號及表示。矩形諧振腔的諧振條件為：(3-51)式（3-51）表示當腔長J恰好等于半個波導波長的整數(shù)倍時，將產(chǎn)生諧振。反射式矩形腔如圖3-35(a)所示。圓柱形諧振腔就是一段圓柱波導管的兩端用金屬板短接而成。圓柱形腔振蕩模式的 場結構與圓柱波導內傳輸?shù)牟ㄐ?/p>

22、的場結構相似，但縱向不是行波。波型也用及表示，腳標m、n、p分別表示沿半個圓周上、半徑上和腔長方向上駐波的半波個數(shù)。圖3-35(b)給出圓柱型腔的場型，此種場型中電場E是同心圓，只有分量,沒有分量和，故又稱TE波或H波，H有縱波成分，有及，但無。的腳標0表示沿甲變化零個周期，即無變化，第二腳標1表示沿r變化一個“半周期”、例如都是成圓形，它沿圓周無變化，但沿半徑有變化，在不同r時數(shù)值不一樣，有一個最大值，在r=0和至邊界時；第三個腳標1表示沿z軸變化一個“半周期”，例如兩端為零，中間有一個最大值，在這種場型內，交變磁場的最大值處在腔中心并沿z方向，為此磁共振實驗樣品放在此處。(3-51)式是諧

23、振條件，其諧振波長為(3-52)諧振頻率，c為真空中光速。(3-52)式無論對矩形腔還是圓柱腔都是適用的。但截止波長人不同，對矩形腔，=2a；圓柱腔的=1.64r(r是腔的半徑)。諧振腔在微波技術中的主要用途有二。第一是作為儲藏微波電磁能量和具有振蕩特性的振蕩回路，例如微波系統(tǒng)中常用的測量頻率的空腔波長表即屬此；第二是提供一個電場或磁場集中的區(qū)域，將樣品放在腔中微波電場或磁場最強處，以便電磁場與物質相互作用。例如在順磁共振實驗中常選用圓柱腔和矩形腔，將樣品放在腔中心微波磁場最強處。諧振腔的主要參數(shù)是品質因數(shù)Q和諧振頻率。(1)品質因數(shù)Q和普通LC振蕩回路一樣，除了諧振頻率外，諧振腔的另一個重要

24、參量是品質因數(shù)Q值，它表明諧振效率的高低。從Q值能夠知道在電磁振蕩延續(xù)過程中有多少功率消耗。相對諧振腔所儲存的能量來說，功率的消耗愈多，則諧振腔的Q值就愈低；反之，功率的消耗愈少，Q值也就愈高。作為有效的振蕩回路，諧振腔必須有足夠高的Q值。品質因數(shù)Q的一般定義是(3-53)(3-53)式中為諧振角頻率，是每秒的能量總損耗。當諧振腔與外界耦合時，能量不僅消耗在腔本身，而且也消耗在負載中(通過耦合孔耗散于負載的輻射損耗)。這樣總的能量損耗?，F(xiàn)在我們引進幾個在實際應用中經(jīng)常用到的Q值：有載Q值，它定義為(3-54)它表征諧振腔的總的損耗程度。無載Q值(或稱固有品質因數(shù))，它定義為(3-55)它表征腔

25、本身的損耗程度。耦合Q值(或稱外Q)，它定義為(3-56)它表征腔耦合到負載能量大小。由式(3-54)、(3-55)和(3-56)可以很容易得到一個重要關系(3-57)此外，為了表示諧振腔內部儲能耦合到外界負載的效果及二者間耦合的緊密程度，常引進耦合系數(shù)的概念，它被定義為(3-58)將(3-58)式代入(3-57)式中，整理后得到(3-59)當<l，即<，這時相當于在負載上消耗的功率少于腔本身消耗的功率。此時 稱為欠耦合狀態(tài)。當>I，即>，這時消耗在負載中的功率大于腔本身的功率消耗。此時稱為過耦合狀態(tài)。當=1，即=，這表明負載中和腔中消耗掉相等的功率，此時稱臨界耦合狀態(tài)。諧振腔的固有品質因數(shù)值一般都較大。矩形腔值達5000以上，圓柱腔值可達1萬以上。(2)諧振頻率及品質因數(shù)Q的測量(3-51