無源射頻微波元件

5―2波導中的電抗元件

一電容膜片在波導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寬壁尺寸相同的窄長窗孔,如圖5―2―1(a)和(b)所示。

圖5―2―1

當波導寬壁上的軸向電流到達膜片時,要流進膜片。而電流到達膜片窗口時,傳導電流被截斷,在窗孔的邊緣上積聚電荷而進行充放電,因此兩膜片間就有電場的變化,而儲存電能。這相當于在橫截面處并接一個電容器,故這種膜片稱為電容膜片,其等效電路如圖5―2―1(c)所示。

二電感膜片圖5―2―2給出矩形波導中的電感膜片及其等效電路。當在波導橫向插進該膜片以后,使波導寬壁上的軸向電流產生分流,于是在膜片的附近必然會產生磁場,并集中一部分磁能,因此這種膜片為電感膜片。圖5―2―2

三諧振窗圖5―2―3給出了諧振窗的結構示意圖和等效電路。即在橫向金屬膜片上開有一個小窗,故稱為諧振窗。圖5―2―3

四銷釘在矩形波導中采用一根或多根垂直對穿波導寬壁的金屬圓棒,稱為電感銷釘,其結構和等效電路如圖5―2―4所示。電感銷釘?shù)碾娂{與銷釘?shù)拇旨毤案鶖?shù)有關,銷釘愈粗,電感電納愈大;根數(shù)愈多,電納愈大。圖5―2―4

五螺釘膜片和銷釘在波導內的位置和尺寸不容易調整,故只能作固定電抗元件使用。崐而螺釘插入波導的深度可以調節(jié),電納的性質和大小也隨之改變,使用方便,是小功率微波設備中常采用的調諧和匹配元件。

當螺釘插入波導較淺時,一方面和電容膜片一樣,會集中電場具有容性電納的性質;另一方面波導寬壁的軸向電流會流進螺釘從而產生磁場,故又具有感性電納的性質。但由于螺釘插入波導的深度較淺,故總的作用是容性電納占優(yōu)勢,故可調螺釘?shù)牡刃щ娐窞椴⒔右粋€可變電容器,如圖5―2―5所示。圖5―2―5

六波導的T形接頭在微波系統(tǒng)中,常需要把一路的電磁能量變?yōu)槎坊蚋嗦?則就要用到波導的T形接頭。矩形波導中常用的T形接頭有E―T接頭和H―T接頭兩種,分別如圖5―2―6(a)和(b)所示。其中E―T接頭的分支波導寬面與主波導中TE10模的電場所在平面平行;H―T接頭的分支波導的寬面與主波導中TE10模的磁場所在平面平行。下面分別討論兩種接頭的工作特性。

圖5―2―61.E―T接頭我們把主波導的兩臂分別稱①和②端口,分支臂稱為③端口,這種E―T接頭具有下列特性:(1)當TE-10模信號從①端口輸入時,則②和③端口有同相輸出。

(2)當TE-10模信號從②端口輸入時,則①和③端口有同相輸出。

(3)當TE-10模信號從③端口輸入時,則①和②端口有反相輸出。

(4)當TE-10模信號從①和②端口同相輸入時,則③端口輸出最小;

當信號從①和②端口等幅同相輸入時,則③端口無輸出。對稱面為電場波腹點。

(5)當TE-10模信號從①和②端口反相輸入時,則③端口有輸出;當信號從①和②端口等幅反相輸入時,則③端口有最大輸出。且對稱面為電場的波節(jié)點。

E―T接頭的工作特性如圖5―2―7所示,(圖中為電力線)。由波導管壁的縱向電因此E―T接頭的等效電路相當于在傳輸中串接一個阻抗。如果在E分支中加一個可調的短路活塞,上下改變活塞的位置就可改變串接電抗的大小,如圖5―2―8所示。圖5―2―7圖5―2―7圖5―2―82.H―T接頭同樣我們把主波導兩個臂分別稱為①和②端口,分支稱為③端口,且用“…”黑點表示電力線出紙面,而用“×××”表示電力線穿入紙面,其工作特性如圖5―2―9所示。即有:(1)當信號自①端口輸入時,則②和③端口有同相輸出。

(2)當信號自③端口輸入時,則①和②端口同相輸出。

(3)當信號自①和②端口同相輸入時,則③端口有最大輸出,此時,③端口對稱面處在電場駐波腹點。

(4)當信息自①和②端口反相輸入時,③端口輸出最小,此時,③端口對稱面處在電場駐波節(jié)點。當①和②端口等幅反相輸入時,則③端口輸出為零。

H―T接頭與E―T接頭情況不同,主波導寬壁電流被分支分流,因此H―T接頭的H臂相當于并接在傳輸線中的電抗,同樣調節(jié)H臂中的短路活塞的位置就可改變并接電抗的大小。如圖5―2―10所示。圖5―2―10

5―3微波連接元件和終接元件

一連接元件在微波技術中,把相同傳輸線連接在一起的裝置統(tǒng)稱為接頭。常用的接頭有同軸接頭和波導接頭兩種。把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置稱為轉接元件,崐又稱為轉換器或模式變換器。最常用的有同軸線和波導同軸線和微帶線波導和微帶線間的轉接元件。(一)接頭對接頭的基本要求是:連接點接觸可靠;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;電磁能量不會泄漏到接頭外面;而且結構要牢靠,裝拆方便,容易加工等。下面以矩形波導接頭(又稱法蘭)為例,加以簡單說明。波導接頭有平接頭和抗流接頭兩種。分別如圖5―3―1(a)和(b)所示。圖5―3―1(二)轉接元件微波傳輸線形式很多,相應的轉接元件也多。在將不同類型的傳輸線或元件連接時,不僅要考慮阻抗匹配,而且還應該考慮模式的變換。下面介紹幾種轉接元件。1.同軸線―波導轉接器連接同軸線與波導的元件,稱為同軸線―波導轉接器,其結構如圖5―3―2所示。它將同軸線的一端加信號,另一端的內導體伸入矩形波導內,則同軸線中TEM模就會激勵起矩形波導中TE10模,反之亦然。這樣實現(xiàn)了模式變換。為了要使同軸線與波導相匹配,要調節(jié)同軸線的內導體插入波導的深度h,偏心距d及短路活塞位置l。

圖5―3―22.波導―微帶轉接器由于矩形波導的等效阻抗通常在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,常在波導和微帶線之間加一段脊波導過渡段來實現(xiàn)阻抗匹配。圖5―3―3(a)和(b)分別表示脊波導高度是漸變和階梯變化的過渡段的轉接器。圖5―3―33.同軸線―微帶轉接器圖5―3―4(a)和(b)表示常用的同軸線與微帶的轉接器的結構示意圖。將同軸線的內導體向外延伸一小段(長度約為1~2mm)與微帶線中心導帶搭接,同軸線的外導體與微帶線的接地平面相連的外殼通過法蘭相連,這種接頭根據報導,在10GHz以下的頻率范圍內,可得到小于1.15的駐波比,在一般工程中應用得到滿意的結果。圖5―3―44.矩形波導―圓波導模式變換器矩形波導―圓波導模式變換器,大多采用波導橫截面的逐漸變化來達到模式的變換。圖5―3―5給出了矩形波導中TE10模變換到圓波導中TE11模的變換器,即

H10→H11模式變換器,這種變換器主要用于微波鐵氧體器件,可變衰減器及可變相移器中。圖5―3―6給出了一種典型的H10→H01模式變換器的結構示意圖。由于圓波導中H01模損耗低,可作遠距離傳輸線,常用這種變換器將矩形波導的元器件與圓波導元器件相連。圖5―3―6

二終接元件

常用的終接元件有匹配負載和短路器兩種。匹配負載和短路器都屬于一端口的網絡,但它們的功能絕然不同,匹配負載是將所有的電磁能量全部吸收而無反射(ρ=1,Γ=0);而短路負載是將所有的電磁能量全部反射回去,一點能量也不吸收(ρ=∞,Γ=1)下面分別討論之。(一)全匹配負載全匹配負載是接在傳輸系統(tǒng)終端的單端口微波元件,它能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。因此當需要在傳輸系統(tǒng)中建立行波狀態(tài)時,都要用到匹配負載。對匹配負載的基本要求是:有較寬的工作頻帶,輸入駐波比小和一定的功率容量。圖5―3―7給出了兩種全匹配負載的結構示意圖。

圖5―3―7(二)短路負載短路負載又稱為短路器,它的作用是將電磁能量全部反射回去。將同軸線和波導終端短路,即分別成為同軸線和波導固定短路器。在某些微波系統(tǒng)和微波測量儀器中,常采用短路面可以移動的短路負載。這種短路負載稱為可調短路活塞。

對短路活塞的基本要求是:保證接觸處的損耗要小,并有良好的電接觸,使其反射系數(shù)的模接近于1;傳輸大功率時保證接觸處不發(fā)生跳火現(xiàn)象。短路活塞按傳輸線形式分有同軸線型和波導型兩種,按其結構分有接觸式和抗流式兩種。但由于接觸式活塞在活塞移動時,接觸不穩(wěn)定,彈簧片又會逐漸磨損,在大功率時還會發(fā)生跳火現(xiàn)象,故接觸式活塞很少采用。

圖5―3―8給出了兩個典型的抗流活塞。其中(a)為波導型的短路活塞,圖(b)為同軸型的短路活塞。這種結構采用兩段不同特性阻抗的λp/4變換器構成。其中一段為λp/4的短路線,另一段為λp/4的開路線,兩段線串聯(lián)起來能使活塞在ab面處形成一個有效的短路面,以保證電接觸良好;如圖(c)所示。但抗流活塞的尺寸和工作波長有關,因此頻帶比較窄,一般只有10~15%的帶寬。

圖5―3―8

圖5―3―8

5―5阻抗調配器和阻抗變換器

阻抗調配器和阻抗變換器是微波系統(tǒng)中的基本元件,在微波系統(tǒng)中經常會遇到反射問題,例如,負載阻抗與傳輸線的特性阻抗不相等;相同類型而不同特性阻抗的傳輸線相連接;不同類型的傳輸線相連接;傳輸線中接入一些必要的器件等均會引起電磁波的反射。這些反射波的存在會影響微波系統(tǒng)正常工作;使負載得不到最大功率;功率容量和效率都會降低;在大功率時還會出現(xiàn)打火現(xiàn)象;在微波測量系統(tǒng)中又會影響測量精度。因此必須消除這些反射波。

消除反射波的方法很多,但不外乎在傳輸線中插入可調的電抗元件或阻抗變換元件,產生新的反射波來抵消原來的反射波,從而達到匹配。為了匹配而插入的網絡稱為阻抗匹配網絡。阻抗匹配網絡有兩種:一種是阻抗調配器,即匹配網絡中的元件參數(shù)是可以調節(jié)的,設計方法采用圖解法,即用Smith圓圖來確定阻抗調配網絡中各個電抗元件的參數(shù);另一種是阻抗變換器,利用網絡綜合法,設計出滿足一定技術指標的阻抗匹配網絡,一旦根據需要設計好以后,不能任意改變。

一阻抗調配器阻抗調配器常用來匹配傳輸線特性阻抗和負載(或信號源)阻抗不等的情況。阻抗調配器可分分支調配器和螺釘調配器,前者可調的電抗元件是用改變分支線的長度來實現(xiàn)的,常用于平行雙線和同軸線傳輸系統(tǒng)中;后者可調電抗元件是可調螺釘,常用于波導中。

(一)分支阻抗調配器分支阻抗調配器按分支的多少可分單支節(jié)雙支節(jié)及多支節(jié)調配器。單支節(jié)調配器的工作原理在第二章的2―6節(jié)已討論過,這里不再復述。

2―6節(jié)曾指出,單支節(jié)調配器的最大優(yōu)點是結構簡單。但它是通過調節(jié)支節(jié)線的插入位置和支節(jié)線的長度來實現(xiàn)匹配的,在同軸線中支節(jié)的長度,可應用短路活塞很易改變,但分支線插入位置很難改變,因此單支節(jié)調配器的應用受到一定的限制。1.雙支節(jié)調配器圖5―5―1給出了同軸線雙支節(jié)調配器的結構示意圖,兩支節(jié)同軸線并接于主同軸線中,兩支節(jié)線的間距為d,兩支節(jié)的長度l1和l2用短路活塞來改變,以崐提供所需要的純電納。(二)螺釘調配器在雙線,同軸線和微帶線傳輸系統(tǒng)中,并接電納用分支來實現(xiàn),在波導系統(tǒng)內并接電納用螺釘插入波導來實現(xiàn),調節(jié)螺釘插入波導的深度,可以改變并聯(lián)電納的大小和性質,在一般情況下,螺釘插入的深度比較淺,即螺釘只能提供一個容性電納。

螺釘調配器又可分為單螺釘雙螺釘和四螺釘調配器,其調配原理和分支調配器基本相同,唯一的差別是分支調配器中各分支能提供的電納范圍為∞~∞的任何電納,而螺釘調配器中螺釘只能提供0~∞范圍內的容性電納。因此螺釘調配器的“死區(qū)”范圍相應增加,如圖5―5―3(b)所示。

二阻抗變換器當負載阻抗和傳輸線特性阻抗不等,或二段特性阻抗不同的傳輸線相連接時均會產生反射,除用上面的阻抗調配器來實現(xiàn)阻抗匹配外,還可以用阻抗變換器來達到匹配。只要在兩段所需要匹配的傳輸線之間,插入一段或多段傳輸線段,崐就能完成不同阻抗之間的變換,以獲得良好匹配,故稱為阻抗變換器。(一)單節(jié)阻抗變換器第二章的2―6節(jié)曾經討論了在兩段特性阻抗分別為Z01和Z02的傳輸線中間,加一段長度等于λp/4特性阻抗為的傳輸線段,可使阻抗達到匹配。這種原理和方法適用于所有的傳輸線。對于矩形波導同樣也適用,使兩段等效阻抗不等的波導獲得匹配。即在等效阻抗分別為Ze1和Ze2的兩段波導中間串接一段長度為λp/4,其等效阻抗為(5―5―4)的波導段即可達到阻抗匹配。

(二)多節(jié)λ/4階梯阻抗變換器特性阻抗不等的兩段傳輸線相接,由于連接處的阻抗不匹配而引起反射波,而且它只有一個連接面,無法產生另一個反射波與原來反射波抵消。當中間加了一段λ/4阻抗變換段以后,又增加了一個連接面,這樣兩個連接面均會產生反射,而且由于兩個連接面之間有λ/4的距離,使兩個反射波到達輸入端時相位恰好相反,如果控制λ/4阻抗變換器的橫向尺寸,使兩個連接面所產生的反射波在輸入端等幅反相而抵消,從而達到匹配。

但因只有兩個連接面,因此只能對一個頻率達到匹配。而且由于只有一段λ/4阻抗變換器,當要匹配兩段特性阻抗相差比較大的傳輸線時,顯然兩個連接面處不連續(xù)電容比較大,從而影響阻抗匹配性能。這就啟發(fā)我們采用多節(jié)λ/4阻抗變換器,形狀像階梯故稱為階梯阻抗變換器,如圖5―5―6所示。圖5―5―6

圖5―5―75―6定向耦合器

定向耦合器在微波技術中有著廣泛的應用,如用來監(jiān)視功率頻率和頻譜;把功率進行分配和合成;構成雷達天線的收發(fā)開關平衡混頻器和測量電橋;又可以利用定向耦合器來測量反射系數(shù)和功率,等等。

定向耦合器的種類很多。按傳輸線類型來分有波導同軸線帶狀線和微帶線定向耦合器;按耦合方式來分有單孔耦合多孔耦合連續(xù)耦合和平行線耦合定向耦合器;按耦合輸出的方向來分有同向耦合器和反向耦合器;按輸出的相位來分有90°定向耦合器和180°定向耦合器;按耦合的強弱來分有強耦合中等耦合和弱耦合定向耦合器。圖5―6―1給出了幾種定向耦合器的結構示意圖,其中圖(a)為微帶分支定向耦合器,圖(b)為波導單孔定向耦合器,圖(c)為平行耦合線定向耦合器,圖(d)為波導匹配雙T,圖(e)為波導多孔定向耦合器,圖(f)為微帶混合環(huán)。

圖5―6―1

一定向耦合器的技術指標定向耦合器是一個四端口網絡,它有輸入端口直通端口耦合端口和隔離端口,分別對應如圖5―6―2所示的①②③和④端口。

定向耦合器的主要技術指標有耦合度定向性輸入駐波比和工作帶寬。

(一)耦合度C

耦合度C定義為輸入端口的輸入功率P1和耦合端口的輸出功率P3之比的分貝數(shù)即(5―6―1)

由于定向耦合器是個可逆四端口網絡,因此耦合度又可表示為

(5―6―2)

由此可見耦合度的分貝數(shù)愈大耦合愈弱。通常把耦合度為0~10dB的定向耦合器稱為強耦合定向耦合器;把耦合度為10~20dB的定向耦合器稱為中等耦合定向耦合器;把大于20dB的耦合度的定向耦合器稱為弱耦合定向耦合器。

(二)定向性D

在理想情況下,隔離端口應沒有輸出功率,但由于受設計公式和制造的精度的限制,使隔離端口尚有一些功率輸出。通常采用耦合端口和隔離端口的輸出功率之比的分貝數(shù)來表示定向耦合器的定向傳輸性能,稱為定向性D,即

(5―6―3)

上式表明,D愈大,隔離端口輸出愈小,定向性愈好。在理想情況下,P4=0,即D=∞,實用中我們常對定向性提出一個最小值Dmin。

(三)輸入駐波比ρ

將定向耦合器除輸入端口外,其余各端口均接上匹配負載時,輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比。此時,網絡的輸入端的反射系數(shù)即為網絡的散射參量S11,故有

(5―6―4)(四)工作頻帶寬度滿足定向耦合器以上四個指標的頻率范圍,即為工作頻帶寬度,簡稱工作帶寬。二波導型定向耦合器大多數(shù)波導定向耦合器的耦合都是通過在主副波導的公共壁上的耦合孔來實現(xiàn)的。通過耦合孔將主波導中的電磁能量耦合到副波導中,并具有一定的方向性。副波導各端口的輸出功率的大小,決定于耦合孔的大小形狀和位置。圖5―6―3

最簡單的雙孔定向耦合器,是在兩個波導的公共窄壁上開有形狀尺寸完全相同相距d為λp0/4的兩個耦合孔,如圖5―6―4(a)所示。在波導窄壁b/2處,取一個水平縱截面,如(b)所示。下面說明這種定向耦合器的工作原理。

圖5―6―4

當TE10模從主波導①端口輸入向②端口傳輸時,主波導中Hz分量就會通過兩個耦合孔耦合到副波導中并分別向③和④端口傳輸。到③端口的耦合波是通過