微波技術(shù)基礎(chǔ)

第四章微波元件§4.1阻抗元件及匹配負(fù)載§4.2矩形波導(dǎo)T形分支第四章微波元件無(wú)論在哪個(gè)頻段工作的電子設(shè)備,都需要各種功能的元器件,既有如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路等無(wú)源元器件,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配、分配、濾波等;又有晶體管等有源元器件,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生、放大、調(diào)制、變頻等。微波系統(tǒng)也不例外地有各種無(wú)源、有源元器件,它們的功能是對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行必要的處理或變換,它們是微波系統(tǒng)的重要組成部分。微波元器件按其變換性質(zhì)可分為線性互易元器件、線性非互易元器件以及非線性元器件三大類(lèi)。

第四章微波元件線性互易元器件只對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性，并滿足互易定理,它主要包括各種微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件等;

線性非互易元器件主要是指鐵氧體器件,它的散射矩陣不對(duì)稱(chēng),但仍工作在線性區(qū)域,主要包括隔離器、環(huán)行器等;

非線性元器件能引起頻率的改變,從而實(shí)現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻等,主要包括微波電子管、微波晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場(chǎng)效應(yīng)管及微波電真空器件等。微波元器件品種繁多,而且隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷出現(xiàn)新的元器件,因此不能一一列舉,本章將簡(jiǎn)要介紹一些常用的微波元件。§4.1阻抗元件及阻抗匹配一.電阻元件

1.匹配負(fù)載匹配負(fù)載是一種幾乎能全部吸收入射功率的單端口元件，即不會(huì)產(chǎn)生反射波，匹配負(fù)載的輸入駐波比，一般都在1.1~1.015之間。匹配負(fù)載是由一段傳輸線與能夠吸收微波功率的材料組合而成，根據(jù)傳輸線不同分為多種。對(duì)波導(dǎo)來(lái)說(shuō),一般在一段終端短路的波導(dǎo)內(nèi)放置一塊或幾塊劈形吸收片,用以實(shí)現(xiàn)小功率匹配負(fù)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(dāng)吸收片平行地放置在波導(dǎo)中電場(chǎng)最強(qiáng)處,在電場(chǎng)作用下吸收片強(qiáng)烈吸收微波能量,使其反射變小。劈尖的長(zhǎng)度越長(zhǎng)吸收效果越好,匹配性能越好,劈尖長(zhǎng)度一般取λg/2的整數(shù)倍，如圖所示。§4.1阻抗元件及阻抗匹配2.吸收式衰減器衰減器是用來(lái)改變傳輸信號(hào)的幅度的微波元件。對(duì)于衰減器，除要求具有一定的衰減量，并對(duì)其工作頻率范圍、駐波比、功率容量以及結(jié)構(gòu)尺寸都有一定要求。矩形波導(dǎo)中常用的衰減器就是如圖所示的吸收式衰減器。收片由膠木板表面涂覆石墨或在玻璃片上蒸發(fā)一層厚的電阻膜組成,一般兩端為尖劈形，以減小反射。由矩形波導(dǎo)TE10模的電場(chǎng)分布可知,波導(dǎo)寬邊中心位置電場(chǎng)最強(qiáng),逐漸向兩邊減小到零,因此,當(dāng)吸收片沿波導(dǎo)橫向移動(dòng)時(shí),就可改變其衰減量，恰在波導(dǎo)中間時(shí)衰減量最大。§4.1阻抗元件及阻抗匹配二.電抗元件傳輸線中的不均勻性可以用來(lái)構(gòu)成微波電抗性元件。

1.膜片所謂膜片就是一個(gè)導(dǎo)電性能良好的金屬薄片，其厚度遠(yuǎn)小于波導(dǎo)波長(zhǎng)，又遠(yuǎn)大于電磁波的趨膚深度。膜片有兩類(lèi)：一類(lèi)是容性膜片；另一類(lèi)是感性膜片。①容性膜片§4.1阻抗元件及阻抗匹配如圖所示，它是被放置在與矩形波導(dǎo)軸線相垂直的分為上、下兩個(gè)部分的金屬膜片。波導(dǎo)中放置了容性膜片，等效于并聯(lián)了一個(gè)等效電容C。理由：波導(dǎo)內(nèi)由于膜片的加入而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性，使該處的電場(chǎng)更加集中，在其附近存儲(chǔ)了電能，其作用相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)存電能的電容器。容性膜片的等效電納近似計(jì)算式為：缺點(diǎn)：電壓集中，易被擊穿，應(yīng)用不變。§4.1阻抗元件及阻抗匹配②感性膜片如圖所示，它是被放置在與矩形波導(dǎo)軸線相垂直的分為左、右兩個(gè)部分的金屬膜片。波導(dǎo)中放置了容性膜片，等效于并聯(lián)了一個(gè)等效電感L。理由：波導(dǎo)寬壁內(nèi)表面上的軸向電流抵達(dá)膜片時(shí)，膜片上就有電流流過(guò)，并在其附近產(chǎn)生了磁場(chǎng)，聚集了磁能，因此膜§4.1阻抗元件及阻抗匹配片的作用就相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)存磁能的電感器。感性膜片的等效電納近似計(jì)算式為：優(yōu)點(diǎn)：功率容量大?！?.1阻抗元件及阻抗匹配2.銷(xiāo)釘銷(xiāo)釘是一種電抗性元件，它是用很細(xì)的金屬圓桿貫穿矩形波導(dǎo)的橫截面，如圖所示，它是固定的。

當(dāng)銷(xiāo)釘上有電流通過(guò)時(shí)，便在周?chē)a(chǎn)生了磁場(chǎng)，其作用和等效電路均與電感性膜片相似，呈感性電抗。銷(xiāo)釘?shù)闹睆皆酱螅娍乖叫。恢睆皆叫?，電抗越大。顯然，銷(xiāo)釘數(shù)量越多，電抗就越小。§4.1阻抗元件及阻抗匹配3.螺釘螺釘是低功率微波裝置中普遍采用的調(diào)諧和匹配元件,它是在波導(dǎo)寬邊中央插入可調(diào)螺釘作為調(diào)配元件,如圖所示。§4.1阻抗元件及阻抗匹配

螺釘深度的不同等效為不同的電抗元件,使用時(shí)為了避免波導(dǎo)短路擊穿,螺釘都設(shè)計(jì)成容性,即螺釘旋入波導(dǎo)中的深度應(yīng)小于3b/4(b為波導(dǎo)窄邊尺寸)。螺釘?shù)闹睆皆酱螅刃щ娙菰酱?；反之電容越小。此外，螺釘位于波?dǎo)寬壁中心線處時(shí)，等效電容最大。由第一章的支節(jié)調(diào)配原理可知：多個(gè)相距一定距離的螺釘可構(gòu)成螺釘阻抗調(diào)配器,不同的是這里支節(jié)用容性螺釘來(lái)代替。螺釘調(diào)配器可分為單螺釘、雙螺釘、三螺釘。單螺釘調(diào)配器通過(guò)調(diào)整螺釘?shù)目v向位置和深度來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配，雙螺釘調(diào)配器是在矩形波導(dǎo)中相距λg/8、λg/4或3λg/8等距離的兩個(gè)螺釘構(gòu)成的。雙螺釘調(diào)配器有匹配盲區(qū),故有時(shí)采用三螺釘調(diào)配器?！?.2矩形波導(dǎo)T形分支將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的元件稱(chēng)為波導(dǎo)分支器,它是微波功率分配器件的一種,常用的波導(dǎo)分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配雙T。一.單T分支1.E-T分支E面T型分支器是在主波導(dǎo)寬邊面上的分支,其軸線平行于主波導(dǎo)的TE10模的電場(chǎng)方向,簡(jiǎn)稱(chēng)E-T分支。其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示,由等效電路可見(jiàn),E-T分支相當(dāng)于分支波導(dǎo)與主波導(dǎo)串聯(lián)?！?.2矩形波導(dǎo)T形分支當(dāng)微波信號(hào)從端口“③”輸入時(shí),平均地分給端口“①、②”,但兩端口是等幅反相的;當(dāng)信號(hào)從端口“①、②”反相激勵(lì)時(shí),則在端口“③”合成輸出最大；當(dāng)同相激勵(lì)端口“①、②”時(shí),端口“③”將無(wú)輸出?！?.2矩形波導(dǎo)T形分支2.H-T分支H-T分支是在主波導(dǎo)窄邊面上的分支,其軸線平行于主波導(dǎo)TE10模的磁場(chǎng)方向,其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示,可見(jiàn),H-T分支相當(dāng)于并聯(lián)于主波導(dǎo)的分支線?！?.2矩形波導(dǎo)T形分支當(dāng)微波信號(hào)從端口“③”輸入時(shí),平均地分給端口“①、②”,這兩端口得到的是等幅同相的TE10波;當(dāng)在端口“①、②”同相激勵(lì)時(shí),端口“③”合成輸出最大;當(dāng)反相激勵(lì)時(shí)端口“③”將無(wú)輸出。二.雙T分支

將E-T分支和H-T分支合并,并在接頭內(nèi)加匹配以消除各路的反射,則構(gòu)成匹配雙T,也稱(chēng)為魔T,如圖所示?！?.2矩形波導(dǎo)T形分支它有以下特征:四個(gè)端口完全匹配;端口“①、②”對(duì)稱(chēng),即它們的反射系數(shù)相等;當(dāng)端口“③”輸入,端口“①、②”有等幅同相波輸出,端口“④”隔離;當(dāng)端口“④”輸入,端口“①、②”有等幅反相波輸出,端口“③”隔離;當(dāng)端口“①”或“②”輸入時(shí),端口“③、④”等分輸出而對(duì)應(yīng)端口“②”或“①”隔離;當(dāng)端口“①、②”同時(shí)加入信號(hào),端口“③”輸出兩信