第5章 常用微波元件

第五章微波元件

轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)

——等效電路法第五章微波元件5-1引

言

微波元件功能：對微波信號進行各種變換一、按傳輸線型式劃分二、按功能（應(yīng)用角度）劃分連接元件、終端元件、匹配元件、衰減元件、相移元件、分配元件、濾波元件、波型變換元件第五章微波元件三、按互易角度劃分互易元件、非互易元件四、按與低頻對應(yīng)角度劃分電抗元件、電阻元件、連接元件、分支元件、鐵氧體元件五、按端口數(shù)劃分單端口元件、二端口元件、三端口元件、四端口元件微波元件微波網(wǎng)絡(luò)等效電路法

第五章微波元件5-2波導(dǎo)中的電抗元件電感器：能夠集中磁場和存儲磁能的元件電容器：能夠集中電場和存儲電能的元件一、電容膜片Capacitiveiris在矩形波導(dǎo)的橫向放置一塊金屬膜片，在其上對稱或不對稱之處開一個與波導(dǎo)寬壁尺寸相同的窄長窗口。電納近似計算公式電抗元件：利用微波傳輸線中結(jié)構(gòu)尺寸的不連續(xù)性組成對稱不對稱第五章微波元件在波導(dǎo)窄壁上放置金屬膜片后，會使波導(dǎo)寬壁上的電流產(chǎn)生分流，于是在膜片的附近會產(chǎn)生磁場，并存儲一部分磁能。二、電感膜片Inductiveiris

電納近似計算公式對稱不對稱第五章微波元件三、

諧振窗Resonantwindow在橫向金屬膜片上開設(shè)一個小窗，稱為諧振窗。

四、銷釘Post在矩形波導(dǎo)中插入一根或多根垂直對穿波導(dǎo)壁的金屬圓棒

（一）電感銷釘（二）電容銷釘工作頻率=諧振頻率，匹配工作頻率<諧振頻率，諧振窗具感性工作頻率>諧振頻率，諧振窗具容性第五章微波元件五、螺釘Screwer

螺釘插入波導(dǎo)的深度可以調(diào)節(jié)，電納的性質(zhì)和大小可隨之改變，使用方便，是小功率微波設(shè)備中常采用的調(diào)諧和匹配元件。電容電感串聯(lián)諧振第五章微波元件六、波導(dǎo)的T型接頭Tjunction將一路電磁能量變成二路或更多

（一）E—T接頭（總與反相聯(lián)系）1、口輸入，、均有輸出2、口輸入，、均有輸出3、口輸入，、等幅反相輸出4、、等幅同相輸入，口無輸出5、、等幅反相輸入，口輸出最大第五章微波元件（二）H—T接頭（總與同相聯(lián)系）1、口輸入，、均有輸出2、口輸入，、均有輸出3、口輸入，、等幅同相輸出3、、等幅同相輸入，口輸出最大4、、等幅反相輸入，口無輸出第五章微波元件（三）T型接頭的S參數(shù)1、S矩陣2、互易性3、對稱性4、S矩陣僅有5個獨立參數(shù)H—T接頭E—T接頭第五章微波元件5、互易又無耗（么正性）對稱展開得第五章微波元件（四）功率合成（分配）器1、E—T接頭2、H—T接頭口輸入，、等幅反相輸出（分路）、等幅反相輸入，口輸出最大（合成）口輸入，、等幅同相輸出（分路）、等幅同相輸入，口輸出最大（合成）第五章微波元件5-3連接元件和終端負(fù)載一、連接元件

接頭：把相同類型傳輸線連接在一起的裝置。轉(zhuǎn)接元件：把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置。（一）接頭（法蘭盤）（a）平接頭（b）抗流接頭（真正短路）結(jié)論：

1、2物理上無接觸，但Zin=0，把Rk置于電流波節(jié)，

雖有電阻影響卻不大第五章微波元件（二）轉(zhuǎn)接元件

1、同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器2、波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)接器波導(dǎo)(Ze=400-500Ω)

微帶線(Z0=50Ω)中間加脊波導(dǎo)過渡段實現(xiàn)阻抗匹配第五章微波元件3、

同軸線微帶轉(zhuǎn)接器同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑的選取

與微帶線的特性阻抗有關(guān)通常使內(nèi)導(dǎo)體直徑等于微帶線中心導(dǎo)帶寬度4、矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)模式變換器大多采用波導(dǎo)橫截面的逐漸變化來達(dá)到模式的變換

第五章微波元件（三）彎頭

1、E面90o彎2、H面90o彎3、扭折第五章微波元件二、終端負(fù)載

傳輸線終端所接元件（一）匹配負(fù)載匹配負(fù)載能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率當(dāng)需要在傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時，都要用到匹配負(fù)載對匹配負(fù)載的基本要求（1）有較寬的工作頻帶（2)輸入駐波比?。?）有一定的功率容量第五章微波元件(二）短路負(fù)載

作用：將電磁能量全部反射回去1、接觸式2、抗流式（1）波導(dǎo)型（2）同軸型第五章微波元件5-4衰減器和移相器衰減器和移相器均屬于二端口網(wǎng)絡(luò)衰減器對通過它的微波能量產(chǎn)生衰減移相器對通過它的微波信號產(chǎn)生一定的相移；微波能量可無衰減地通過一、衰減器理想的衰減器是只有衰減而無相移的二端口網(wǎng)絡(luò)衰減器的衰減量表示為：dB第五章微波元件衰減器在原理上可以分為吸收式和截止式兩種在波導(dǎo)內(nèi)放入與電場方向平行的吸收片，當(dāng)微波能量通過吸收片時，將吸收一部分能量而產(chǎn)生衰減（一）吸收式1、橫移式2、刀型第五章微波元件3、旋轉(zhuǎn)極化式方圓過渡可旋轉(zhuǎn)圓波導(dǎo)圓方過渡PinPout內(nèi)置水平吸收片１內(nèi)置隨圓波導(dǎo)一同旋轉(zhuǎn)的吸收片內(nèi)置水平吸收片２定義：1、可變吸收片的垂直線與真正垂直線的夾角為θ

2、可變吸收片與真正垂直線的夾角（1）原理第五章微波元件優(yōu)點：可用角度自定標(biāo)A，無需其他標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)（2）衰減量最后輸出電場衰減量缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜第五章微波元件（二）截止式

在傳輸線中插入一小段橫向尺寸較小的傳輸線段，使電磁波經(jīng)過這段傳輸線后微波能量很快衰減（β=0），控制截止傳輸線的長度，就可以調(diào)節(jié)衰減量的大小（1）原理有耗截止時第五章微波元件（2）衰減量電場衰減量優(yōu)點：可用長度自定標(biāo)l缺點：起始衰減A0大（20dB）第五章微波元件二、移相器對電磁波只產(chǎn)生一定的相移，是一個無反射、無衰減的二端口網(wǎng)絡(luò)相移量改變相位的方法：改變l或改變p（1）原理（2）介質(zhì)移相器1、橫移式（尖劈式、階梯式）2、旋轉(zhuǎn)式第五章微波元件5-5阻抗變換器作用：消除不良反射現(xiàn)象，獲得良好的匹配。一、阻抗調(diào)配器由可調(diào)電抗元件改變分支線長度實現(xiàn)1、單支節(jié)2、雙支節(jié)3、三支節(jié)（一）分支阻抗調(diào)配器（雙線、Coax、E—T、H—T）（二）螺釘調(diào)配器（波導(dǎo)系統(tǒng)）電抗元件：可調(diào)螺釘1、單螺釘2、雙螺釘3、三螺釘晶體檢波器第五章微波元件（一）單節(jié)阻抗變換器

二、阻抗變換器在負(fù)載和傳輸線之間插入一段或多段傳輸線段缺點：1、頻帶窄2、Zl、Z0差距大時，尺寸突變大，不連續(xù)電容大第五章微波元件（二）多節(jié)階梯阻抗變換器（三）漸變線阻抗變換器

n節(jié)有（n+1）個階梯，產(chǎn)生（n+1）個反射波到輸入端產(chǎn)生疊加效果在某些頻率上全部（部分）抵消，形成匹配在較寬的頻帶內(nèi)有較小的反射系數(shù)第五章微波元件5-6定向耦合器（D.C）應(yīng)用：1、監(jiān)視功率、頻率、頻譜2、功率分配、合成3、混頻器、測量電橋4、測量反射波分類第五章微波元件（a）微帶分支定向耦合器（b）波導(dǎo)單孔定向耦合器（c）平行耦合線定向耦合器（d）波導(dǎo)匹配雙T（e）波導(dǎo)多孔定向耦合器（f）微帶混合環(huán)第五章微波元件一、定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)

輸入端直通端耦合端隔離端（一）

耦合度C耦合度越大，耦合越弱（dB）四端口網(wǎng)絡(luò)可逆四端口網(wǎng)絡(luò)（dB）第五章微波元件（二）隔離度D有時用方向性來表示耦合器的隔離性能（dB）（dB）理想情況下，P4=0，隔離度為無限大。實際上由于設(shè)計或加工制作不完善，常有極小部分功率從隔離端輸出，使隔離度不再為無限大。實際應(yīng)用中常給定最小值。第五章微波元件（三）輸入駐波比

將定向耦合器除輸入端外，其余各端均接上匹配負(fù)載時輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比（四）頻帶寬度耦合度、隔離度(或方向性)及輸入駐波比都滿足指標(biāo)要求時定向耦合器的工作頻帶寬度，簡稱工作帶寬。第五章微波元件二、波導(dǎo)型定向耦合器

（b）多孔定向耦合器通過在主、副波導(dǎo)間公共壁上的耦合孔將主波導(dǎo)中的電磁能量耦合到副波導(dǎo)中，并具有一定的方向性。副波導(dǎo)各端口輸出功率的大小，決定于耦合孔的大小、形狀和位置（a）寬壁斜交單孔耦合器（c）十字孔定向耦合器第五章微波元件在兩個波導(dǎo)的公共窄壁上開有形狀、尺寸完全相同、相距p/4的兩個耦合孔口輸入，大部分從口輸出縫A、B兩孔耦合（Hz）出小功率信號至副波導(dǎo)

口同相疊加口反相抵消（一）雙孔定向耦合器（窄壁耦合）結(jié)論：口同相疊加有耦合輸出口反相抵消無耦合輸出第五章微波元件（二）單縫（孔）定向耦合器（寬壁單十字縫耦合）1、分析垂直縫主波導(dǎo)副波導(dǎo)口2、分析水平縫主波導(dǎo)副波導(dǎo)口口接匹配負(fù)載口口第五章微波元件三、雙T和魔T（MagicT）（一）雙T=（E-T）+（H-T）1、雙T性質(zhì)（1）口輸入，、等幅反相輸出，口輸出為0（2）口輸入，、等幅同相輸出，口輸出為0（3）、等幅同相輸入，口無輸出，口有輸出（4）、等幅反相輸入，口有輸出，口無輸出、平分臂、隔離臂第五章微波元件2、雙T散射矩陣可逆無耗四端口網(wǎng)絡(luò)（互易、對稱）第五章微波元件（二）MagicT（匹配雙T）（1）匹配特性：在理想情況下，四個端口完全匹配只要、口匹配，、口一定匹配（2）隔離特性：當(dāng)、口具有隔離特性時S34=S43=0

則、口也具有隔離特性S12=S21=0（3）平分特性：當(dāng)信號由口輸入時，則反相等分給、口S13

=-S23

當(dāng)信號由口輸入時，則同相等分給、口S14

=S24

當(dāng)信號由口輸入時，則同相等分給、口S31=S41

當(dāng)信號由口輸入時，則反相等分給、口S32=-S421、MagicT性質(zhì)S11=S22=S33=S44=0第五章微波元件2、MagicT散射矩陣3、MagicT應(yīng)用（1）阻抗電橋（2）波導(dǎo)平衡混頻器第五章微波元件四、環(huán)形電橋（定向耦合器）波導(dǎo)型、微帶型口輸入到口到口到口左路距右路距口有輸出左路距右路距口有輸出左路距右路距口無輸出第五章微波元件5-7微波濾波器微波濾波器：分離或組合不同頻率微波信號的重要器件。

分類：低通（LPF）高通（HPF）帶通（BPF）帶阻（BSF）第五章微波元件微波濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)（一）截止頻率fc（通、阻帶頻率范圍f1、f2）（二）通帶內(nèi)允許的最大衰減LAr（dB）（三）阻帶內(nèi)允許的最小衰減LAs（dB）微波濾波器的衰減特性（一）理想LPF（物理上不易實現(xiàn)）（二）巴特沃斯Buttorworth（最大平坦式）（三）切比雪夫Tchebyscheff（等起伏式）第五章微波元件低通原型Filter（一）各種Filter

都可通過低通原型Filter

求得（二）為使曲線、圖表廣泛使用歸一化低通Filter

設(shè)計（一）頻率變化到低通原型（二）查圖表和曲線得到低通原型（三）求出實際Filter的歸一化元件值（四）求出實際Filter的元件值（五）微波實現(xiàn)第五章微波元件1、串聯(lián)電感微波實現(xiàn)（1）短路線（2）高阻抗線高阻抗線可等效為一個串聯(lián)電感第五章微波元件2、并聯(lián)電容（1）開路線（2）低阻抗線低阻抗線可等效為一個并聯(lián)電容第五章微波元件3、微帶實現(xiàn)（1）并聯(lián)電感（2）并聯(lián)電容（3）串聯(lián)諧振回路（4）并聯(lián)諧振回路第五章微波元件5-8微波諧振器（腔）應(yīng)用：微波信號源、微波濾波器及波長計速調(diào)管、磁控管等微波電子管的重要組成部分

微波諧振器：具有儲能與選頻特性的微波元件可由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段組成電磁波在其上呈駐波分布，電磁能量不能傳輸，只能來回振蕩。類似低頻電路的LC回路第五章微波元件1、LC諧振回路：電場能量C

，磁場能量L微波諧振器：電場能量和磁場能量是空間分布的；2、LC諧振回路：唯一諧振頻率f0

微波諧振器：無限多個諧振頻率f0

（1）傳輸線型諧振腔（矩形腔、圓柱腔、Coax腔）（2）非傳輸線型諧振腔（速調(diào)管、磁控管、行波管）（1）損耗小，Q值高，諧振阻抗高（2）結(jié)構(gòu)堅固、便于加工與LC諧振回路區(qū)別分類優(yōu)點第五章微波元件1、諧振波長0

諧振器中該模式的場量發(fā)生諧振時的波長描述諧振器中電磁能量振蕩規(guī)律的參量。諧振時，諧振器內(nèi)電場能量和磁場能量彼此相互轉(zhuǎn)換參考面上總電納為零基本參量第五章微波元件2、品質(zhì)因數(shù)Q

它描述諧振器選擇性的優(yōu)劣和能量損耗的大小Q0空載QL有載集膚深度3、等效電導(dǎo)第五章微波元件(一)/4型同軸諧振腔

諧振條件或二、同軸諧振腔

第五章微波元件(二)避免開路輻射的方法1、過極限波導(dǎo)超越方程（圖解法）2、電容加載型同軸諧振腔外導(dǎo)體長于內(nèi)導(dǎo)體諧振條件無窮，多諧性加載電容越大，腔長越長第五章微波元件(三)/2型同軸諧振腔諧振條件當(dāng)(b/a)=3.6時，同軸腔的品質(zhì)因數(shù)Q0達(dá)最大。第五章微波元件三、矩形諧振腔矩形諧振腔由一段兩端短路的矩形波導(dǎo)構(gòu)成(一)諧振模式及其場分布最低諧振模：TE