微波技術(shù)與天線第三章3.1

微波技術(shù)與天線編著曹祥玉高軍

曾越勝楊芳2024/1/141高等學(xué)校信息工程類專業(yè)規(guī)劃教材西安電子科技大學(xué)出版社Http://2024/1/142任何一個(gè)微波系統(tǒng)都是用傳輸線把各種有源和無(wú)源微波元件按照特定的規(guī)則連接而成的。2024/1/143無(wú)源器件2024/1/144有源器件2024/1/145第三章無(wú)源微波元件2024/1/146本章內(nèi)容波導(dǎo)中的電抗元件微帶電路中的不連續(xù)性微波連接元件和終端元件定向耦合器及微波分路元件常用微波濾波器介紹微波諧振器第三章無(wú)源微波元件2024/1/1473.1波導(dǎo)中的電抗元件微波元件的分類:一、按傳輸線型式：波導(dǎo)型、同軸型和微帶型等;二、按功能：連接元件、終端元件、匹配元件、衰減元件、相移元件、分路元件、波型變換元件、濾波元件等。電抗元件主要包括儲(chǔ)存電能的電容器和儲(chǔ)存磁能的電感器。在傳輸線理論中，所有電抗元件都可以用短截線去等效，但在波導(dǎo)系統(tǒng)中，短截線的尺寸過于龐大，加工和連接不方便，在許多應(yīng)用中，波導(dǎo)中的電抗元件一般用膜片、銷釘和螺釘?shù)热?gòu)成。第三章無(wú)源微波元件2024/1/1483.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.1.電容膜片adbjBY0Y0集中電場(chǎng)儲(chǔ)存電能第三章無(wú)源微波元件2024/1/1493.1波導(dǎo)中的電抗元件電納的近似計(jì)算公式為:adb其中，λ是波導(dǎo)波長(zhǎng)，Y0是波導(dǎo)特性導(dǎo)納。jBY0Y03.1.1.電容膜片第三章無(wú)源微波元件2024/1/14103.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.2.電感膜片adb集中磁場(chǎng)儲(chǔ)存磁能jXY0Y0第三章無(wú)源微波元件2024/1/14113.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.2.電感膜片對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電感膜片的歸一化電納的近似計(jì)算公式為：adb考慮到膜片的厚度，公式變?yōu)椋旱谌聼o(wú)源微波元件2024/1/14123.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.3.諧振窗在橫向金屬膜片上開有一個(gè)小窗,故稱為諧振窗。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14133.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.3.諧振窗在單模傳輸條件下，實(shí)際波導(dǎo)的歸一化阻抗為：當(dāng)電磁波通過窗口時(shí)，可以把窗口看成是縮小了的波導(dǎo)，此時(shí)：根據(jù)匹配條件，要使波長(zhǎng)為λ的電磁波無(wú)反射地通過窗口，必須：注意：諧振窗不一定是矩形，可以是圓形、橢圓形、甚至是啞鈴型。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14143.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.4.銷釘銷釘是波導(dǎo)系統(tǒng)中經(jīng)常用到的調(diào)配元件，大部分的銷釘都作為固定感性元件使用，也有呈容性特點(diǎn)的銷釘。在矩形波導(dǎo)中采用一根或多根垂直(軸線平行于電場(chǎng))對(duì)穿波導(dǎo)寬壁的金屬圓棒,稱為電感銷釘.在矩形波導(dǎo)中采用一根或多根平行(軸線垂直于電場(chǎng))對(duì)穿波導(dǎo)寬壁的金屬圓棒,稱為電容銷釘.為什么？類似于電感膜片同學(xué)們自己等效第三章無(wú)源微波元件2024/1/14153.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.4.銷釘其電納的計(jì)算式近似為：電感銷釘?shù)碾娂{與銷釘?shù)拇旨?xì)有關(guān)，銷釘越粗電感越小，電納越大。在電導(dǎo)中，往往采用多根銷釘并聯(lián)，以減少電抗，增加電納。對(duì)于容性銷釘情況會(huì)怎么樣呢？第三章無(wú)源微波元件2024/1/14163.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.5.螺釘螺釘插入波導(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。由于膜片和銷釘屬于固定器件，不易進(jìn)行調(diào)整，使用不便。螺釘是低功率波導(dǎo)設(shè)備中經(jīng)常使用的可調(diào)配元件。在矩形波導(dǎo)寬邊中插入螺釘可將其近似等效為一個(gè)可調(diào)的并聯(lián)電抗元件。螺釘插入的深度為λ/4時(shí)，電感量和電容量相等。螺釘成為串聯(lián)諧振電路。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14173.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.5.螺釘由于波導(dǎo)尺寸的限制，螺釘插入的深度不會(huì)太大，因?yàn)榇嬖趽舸┑膯栴}，所以一般情況下，螺釘在波導(dǎo)中所起的作用為可調(diào)電容。螺釘直徑越大，電容越大。在實(shí)際中，一般不需用近似的公式去計(jì)算螺釘?shù)刃У碾娙葜?，只是發(fā)揮它電納值的可調(diào)性。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14183.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.6.波導(dǎo)中的T型接頭

在微波系統(tǒng)中,常需要把一路的電磁能量變?yōu)槎坊蚋嗦?則就要用到波導(dǎo)的T形接頭。

矩形波導(dǎo)中常用的T形接頭有E―T接頭和H―T接頭兩種,分別如圖(a)和(b)所示。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14193.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.6.波導(dǎo)中的T型接頭1.E-T接頭③①②把主波導(dǎo)的兩臂分別稱①和②端口,且①和②對(duì)稱；分支臂稱為③端口。E―T接頭具有下列特性:①當(dāng)TE10模信號(hào)從③端口輸入時(shí),則①和②端口等幅反相輸出。②當(dāng)TE10模信號(hào)從①和②端口等幅同相輸入時(shí),則③端口無(wú)輸出;③當(dāng)TE10模信號(hào)從①和②端口等幅反相輸入時(shí),則③端口輸出最大。E-T接頭的寬面與主波導(dǎo)中TE10模的電場(chǎng)平行。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14203.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.6.波導(dǎo)中的T型接頭③①②③輸入①和②端口等幅反相輸出①和②端口等幅同相輸入③無(wú)輸出①和②端口等幅反相輸入③有輸出第三章無(wú)源微波元件2024/1/14213.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.6.波導(dǎo)中的T型接頭ET分支相當(dāng)于一串聯(lián)分支第三章無(wú)源微波元件2024/1/14223.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.6.波導(dǎo)中的T型接頭2.H-T接頭①②④E-T接頭的寬面與主波導(dǎo)中TE10模的電場(chǎng)平行。同樣把主波導(dǎo)兩個(gè)臂分別稱為①和②端口,①和②端口對(duì)稱；分支稱為④端口,其工作特性:

當(dāng)TE10模信號(hào)從④端口輸入時(shí),則①和②端口等幅同相輸出。

當(dāng)TE10模信號(hào)從①和②端口等幅同相輸入時(shí),則④端口有輸出;

當(dāng)TE10模信號(hào)從①和②端口等幅反相輸入時(shí),則④端口無(wú)輸出。

第三章無(wú)源微波元件2024/1/14233.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.6.波導(dǎo)中的T型接頭④④輸入①和②端口等幅同相輸出④①和②端口等幅同相輸入④有輸出④①和②端口等幅反相輸入④無(wú)輸出第三章無(wú)源微波元件2024/1/14243.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.6.波導(dǎo)中的T型接頭H―T接頭與E―T接頭情況不同,主波導(dǎo)寬壁電流被分支分流,因此H―T接頭的H臂相當(dāng)于并接在傳輸線中的電抗,同樣調(diào)節(jié)H臂中的短路活塞的位置就可改變并接電抗的大小。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14253.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.2.1連接元件

接頭：在微波技術(shù)中,把相同傳輸線連接在一起的裝置。

常用的接頭有同軸接頭和波導(dǎo)接頭兩種。轉(zhuǎn)接元件（轉(zhuǎn)換器或模式變換器）：把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置。最常用的有同軸線和波導(dǎo)、同軸線和微帶線、波導(dǎo)和微帶線間的轉(zhuǎn)接元件。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14263.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件一、

接頭

對(duì)接頭的基本要求是:

3.2.1連接元件連接點(diǎn)接觸可靠;不引起電磁波的反射,輸入駐波比盡可能小,一般在1.2以下;工作頻帶要寬;電磁能量不會(huì)泄漏到接頭外面;而且結(jié)構(gòu)要牢靠,裝拆方便,容易加工等。

第三章無(wú)源微波元件2024/1/14273.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件波導(dǎo)接頭有平接頭和抗流接頭兩種。3.2.1連接元件平法蘭平接頭平法蘭實(shí)物圖第三章無(wú)源微波元件2024/1/14283.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.2.1連接元件抗流法蘭機(jī)械上不接觸，但電氣上接觸第三章無(wú)源微波元件2024/1/14293.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件在將不同類型的傳輸線或元件連接時(shí),不僅要考慮阻抗匹配,而且還應(yīng)該考慮模式的變換。3.2.2轉(zhuǎn)接元件1.同軸線―波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器它將同軸線的一端加信號(hào),另一端的內(nèi)導(dǎo)體伸入矩形波導(dǎo)內(nèi),則同軸線中TEM模就會(huì)激勵(lì)起矩形波導(dǎo)中TE10模,反之亦然。這樣實(shí)現(xiàn)了模式變換。為了要使同軸線與波導(dǎo)相匹配,要調(diào)節(jié)同軸線的內(nèi)導(dǎo)體插入波導(dǎo)的深度h,偏心距d。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14303.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件2.波導(dǎo)―微帶轉(zhuǎn)接器3.2.2轉(zhuǎn)接元件由于矩形波導(dǎo)的等效阻抗通常在300Ω

400Ω之間,而微帶線特性阻抗一般為50Ω;而且矩形波導(dǎo)的高度b又比微帶線襯底高度h大得多,因此兩種傳輸線不能直接相接,常在波導(dǎo)和微帶線之間加一段脊波導(dǎo)過渡段來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14313.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.同軸線―微帶轉(zhuǎn)接器3.2.2轉(zhuǎn)接元件同軸線與微帶的轉(zhuǎn)接器將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體向外延伸一小段(長(zhǎng)度約為1

2mm)與微帶線中心導(dǎo)帶搭接,同軸線的外導(dǎo)體與微帶線的接地平面相連的外殼通過法蘭相連,這種接頭根據(jù)報(bào)導(dǎo),在10GHz以下的頻率范圍內(nèi),可得到小于1.15的駐波比,在一般工程中應(yīng)用得到滿意的結(jié)果。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14323.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.2.2轉(zhuǎn)接元件4.矩形波導(dǎo)―圓波導(dǎo)模式變換器矩形波導(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(lái)達(dá)到模式的變換。矩形波導(dǎo)―圓波導(dǎo)模式變換器示意圖第三章無(wú)源微波元件2024/1/14333.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.2.2轉(zhuǎn)接元件矩形波導(dǎo)―圓波導(dǎo)模式變換器工作原理示意圖第三章無(wú)源微波元件2024/1/14343.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.2.3終接元件傳輸線終端所接的元件稱為終接元件---終端負(fù)載。常用的終接元件有匹配負(fù)載和短路器兩種。匹配負(fù)載和短路器都屬于一端口的網(wǎng)絡(luò),但它們的功能絕然不同。

匹配負(fù)載是將所有的電磁能量全部吸收而無(wú)反射(ρ=1,Γ=0);

而短路負(fù)載是將所有的電磁能量全部反射回去,一點(diǎn)能量也不吸收(ρ=∞,Γ=1)對(duì)全匹配負(fù)載的要求是：較寬的工作頻帶、較小的駐波比和一定的功率容量。

第三章無(wú)源微波元件2024/1/14353.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件全匹配負(fù)載是接在傳輸系統(tǒng)終端的單端口微波元件,它能幾乎無(wú)反射地吸收入射波的全部功率。因此當(dāng)需要在傳輸系統(tǒng)中建立行波狀態(tài)時(shí),都要用到匹配負(fù)載。

3.2.3終接元件1.全匹配負(fù)載全匹配負(fù)載在微波測(cè)量中常用作匹配標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整發(fā)射機(jī)時(shí)，常用作等效天線。

矩形波導(dǎo)匹配負(fù)載吸收片在波導(dǎo)寬邊的中央，且平行于電場(chǎng)，形狀為尖劈狀。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14363.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.2.3終接元件1.全匹配負(fù)載常用的匹配負(fù)載第三章無(wú)源微波元件2024/1/14373.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.2.3終接元件2.短路負(fù)載

短路負(fù)載又稱為短路器,它的作用是將電磁能量全部反射回去。將同軸線和波導(dǎo)終端短路,即分別成為同軸線和波導(dǎo)固定短路器。在某些微波系統(tǒng)和微波測(cè)量?jī)x器中,實(shí)際中的短路器都是做成可以移動(dòng)的，這種短路負(fù)載又稱為可調(diào)短路活塞。

對(duì)短路器的主要要求是：保證接觸外形損耗小，其反射系數(shù)應(yīng)接近于1；

當(dāng)短路負(fù)載移動(dòng)時(shí)，接觸損耗的變化要?。?/p>

大功率運(yùn)行時(shí)，短路負(fù)載不應(yīng)有打火現(xiàn)象。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14383.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.2.3終接元件分類：接觸式和抗（扼）流式（1）

接觸式彈性材料-----鈹青銅，磷青銅接觸過緊——活塞移動(dòng)困難接觸過松——增加輻射損耗甚至造成接觸點(diǎn)打火優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：接觸不穩(wěn)定

彈性變化

大功率時(shí)易產(chǎn)生打火現(xiàn)象第三章無(wú)源微波元件2024/1/14393.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.2.3終接元件（2）

扼流式優(yōu)點(diǎn)：損耗小

駐波比可以大于100缺點(diǎn)：頻帶較窄,一般只有10%~15%的帶寬同軸S型扼流短路活塞，它具有寬帶特性。第三章無(wú)源微波元件2024/1/14403.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件同軸扼流式短路器-----短路活塞優(yōu)點(diǎn)無(wú)機(jī)械接觸，無(wú)磨損電性能穩(wěn)定交流短路，直流開路，可以通過它來(lái)為微波腔體內(nèi)的有源器件提供直流偏置缺點(diǎn)工作頻帶窄機(jī)械加工難度較大，不適于在微波高頻段使用3.2.3終接元件第三章無(wú)源微波元件2024/1/14413.2微波系統(tǒng)的連接元件和終接元件3.2.4微波分路元件1.波導(dǎo)雙T接頭ETHT(1)當(dāng)信號(hào)由E臂輸入時(shí),則①和②端口等幅反相輸出,而H臂輸出為零