《微波技術(shù)與天線》課件第3章

第3章無源微波元件3.1波導(dǎo)中的電抗元件3.2微帶電路中的不連續(xù)性3.3連接元件和終接元件3.4衰減器和相移器3.5定向耦合器3.6微波分路元件3.7微波濾波器3.8微波諧振器本章小結(jié)第一篇微波技術(shù)3.1波導(dǎo)中的電抗元件3.1.1波導(dǎo)中的膜片在矩形波導(dǎo)的橫截面上垂直于縱向插入很薄的金屬片，就可以形成波導(dǎo)中的電抗元件。由于金屬片必須非常薄，一般把它稱為波導(dǎo)中的金屬膜片。矩形波導(dǎo)中的金屬膜片主要有兩類，一類為電容膜片，另外一類為電感膜片。膜片可以是對稱的，也可以是不對稱的。如圖3.1-1所示。圖3.1-1波導(dǎo)中的膜片

1.電容膜片電容膜片的結(jié)構(gòu)及其等效電路如圖3.1-2所示。矩形波導(dǎo)傳輸?shù)闹髂Ｊ荰E10模，為了滿足導(dǎo)體表面的邊界條件，一定會在金屬膜片附近激勵出高次模，這些高次模在單模傳輸條件下會被截止，即高次模只能存在于膜片附近。圖3.1-2矩形波導(dǎo)中的電容膜片及其等效電路由于膜片使橫向結(jié)構(gòu)在y方向發(fā)生不連續(xù)，在x方向連續(xù)，而主模TE10模的場強只有y方向的分量，因而與TE10

模疊加后能滿足邊界條件的高次模在y方向應(yīng)該存在變化。在矩形波導(dǎo)場結(jié)構(gòu)中,TM模的場結(jié)構(gòu)近似具有上述特性。從圖3.1-3可以看出，TM12模的場結(jié)構(gòu)與TE10模的場結(jié)構(gòu)疊加，可以近似滿足導(dǎo)體表面切向電場為零的邊界條件。因此，在矩形波導(dǎo)添加電容膜片后，膜片的不連續(xù)性必然在其周圍激勵出TMmn的高次模，截止的TMmn模也具有能量，理論和實踐都證明截止的這種波形電場能比磁場能占優(yōu)，截止的高次模不能在波導(dǎo)中傳輸，它只是儲存在膜片周圍。這種結(jié)構(gòu)的膜片能儲存凈電場能，具有電容的性質(zhì)。圖3.1-3矩形波導(dǎo)添加電容膜片后的場結(jié)構(gòu)可以近似用TE10和TM12的場結(jié)構(gòu)疊加得到從電路理論的角度分析，該不連續(xù)膜片等效為一個集總參數(shù)的電容元件，可以用一個容納jB表示，如圖3.1-2(d)所示，此電納引起的反射系數(shù)如下：(3.1-1)也就是說，可以通過測量膜片引起的反射系數(shù)從電路的角度證明該膜片是呈容性的。電容膜片的電納可以用準(zhǔn)靜態(tài)法和變分法等計算，對稱結(jié)構(gòu)的電容膜片的歸一化電納近似計算公式為(3.1-2)(3.1-3)上述公式是假定膜片厚度為零得到的結(jié)果，如果考慮膜片厚度t，上式需要修正，其修正值Δ為

2.電感膜片電感膜片的結(jié)構(gòu)及其等效電路如圖3.1-4所示。電感膜片與電容膜片一樣，也有對稱、不對稱和單片等類型。電感膜片放在波導(dǎo)中，它之所以等效為一個電感元件，可以從兩個方面進行分析。由矩形波導(dǎo)電流分布可知，上、下寬邊是通過位移電流連續(xù)的，在上、下兩個寬邊之間添加的電感膜片上一定有上下貫通的傳導(dǎo)電流，如圖3.1-4(c)所示，膜片上的傳導(dǎo)電流必然會在其周圍產(chǎn)生磁場，膜片周圍有磁場則必然儲存磁能。圖3.1-4矩形波導(dǎo)中的電感膜片及其等效電路從“場”的角度觀察，TE10

模傳輸?shù)侥て車鷷r，為滿足膜片周圍的邊界條件，必然會產(chǎn)生高次模，高次模與TE10模的場疊加滿足金屬導(dǎo)體表面切向電場為零的邊界條件。在單模傳輸條件下，高次模在波導(dǎo)內(nèi)是被截止的，它只能存在于膜片周圍，此時膜片給波導(dǎo)帶來的不連續(xù)性是沿著x軸方向，電場強在y軸方向是連續(xù)的，與TE10模疊加能滿足金屬膜片邊界條件的高次模是TEm0，如圖3.1-5所示。圖3.1-5矩形波導(dǎo)添加電感膜片后的場結(jié)構(gòu)可以近似用TE10和TE30的場結(jié)構(gòu)疊加得到對稱結(jié)構(gòu)的電感膜片的歸一化電納的近似計算公式如下：(3.1-4)考慮到膜片的厚度的影響，可以用下式進行計算：(3.1-5)

3.諧振窗諧振窗的結(jié)構(gòu)如圖3.1-6所示。在微波系統(tǒng)中，如果把波導(dǎo)和真空器件相連接，則經(jīng)常要用到諧振窗這種元件。諧振窗也可以作為波導(dǎo)濾波器的諧振單元。若簡單分析，則可以把諧振窗看成是電感膜片和電容膜片的組合。對于給定頻率f，當(dāng)電場的儲能和磁場的儲能相等時，發(fā)生諧振，此時并聯(lián)導(dǎo)納為零，信號將無反射地通過諧振窗。在失諧狀態(tài)，諧振窗可能會呈容性，也可能會呈感性。圖3.1-6矩形波導(dǎo)諧振窗及其等效電路在單模傳輸條件下，實際波導(dǎo)等效的歸一化阻抗為當(dāng)電磁波通過窗口時，可以把窗口看成是縮小尺寸的波導(dǎo)，此時，等效的歸一化阻抗為根據(jù)匹配條件，要使波長為λ的電磁波無反射地通過窗口，匹配條件為(3.1-6)3.1.2波導(dǎo)中的銷釘和螺釘銷釘是波導(dǎo)微波系統(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，當(dāng)然也有呈容性的銷釘。螺釘是波導(dǎo)電抗元件中的一種可調(diào)電抗元件，它經(jīng)常用在波導(dǎo)系統(tǒng)的匹配電路中，有時也用于諧振腔的調(diào)諧。圖3.1-7波導(dǎo)中的銷釘及其等效電路感性銷釘?shù)妮S線平行于電場，容性銷釘?shù)妮S線垂直于電場，其結(jié)構(gòu)圖和等效電路如圖3.1-7所示。感性銷釘貫穿上下底板，上下底板電流通過銷釘流過，銷釘周圍集中磁場呈電感效應(yīng)。其計算近似公式為(3.1-7)容性銷釘在其附近激發(fā)與它垂直的法向電場，在電容銷釘周圍儲存電能，相當(dāng)于一個集總參數(shù)的電容。由于容性銷釘能使波導(dǎo)系統(tǒng)傳輸?shù)墓β嗜萘拷档停蚨趯嶋H應(yīng)用中較少使用。容性銷釘?shù)臍w一化電納等效為(3.1-8)

在螺釘插入波導(dǎo)時，它和電容膜片一樣集中電場具有電容的性質(zhì)，同時波導(dǎo)寬邊的縱向電流進入螺釘而產(chǎn)生磁場，它也具有一定的電感量。在螺釘插入較淺時，容抗占優(yōu)，螺釘成為一個可調(diào)電容器，如圖3.1-8(b)所示。隨著螺釘?shù)纳钊耄姼辛亢碗娙萘客瑫r增加，但是電感量的增加較電容量快，在螺釘插入波導(dǎo)長度約為λ/4時，容抗和感抗相等，螺釘成為串聯(lián)諧振回路，如圖3.1-8(c)所示。隨著螺釘?shù)牟迦肷疃壤^續(xù)增加，感抗大于容抗，螺釘成為一個可調(diào)電感，如圖3.1-8(d)所示。圖3.1-8矩形波導(dǎo)可調(diào)螺釘及其等效電路3.1.3波導(dǎo)中的T形接頭矩形波導(dǎo)中的T形接頭有兩種，一種是ET接頭，另一種是HT接頭，其結(jié)構(gòu)如圖3.1-9所示，其中，ET分支接頭的寬面與主波導(dǎo)中TE10模的電場方向平行，如圖3.1-9(a)所示。圖3.1-9(b)是HT分支接頭，分支波導(dǎo)的寬面與主波導(dǎo)中TE10模的磁場方向平行。圖3.1-9矩形波導(dǎo)T形接頭由于可逆無耗三端口不能實現(xiàn)三個端口同時匹配，故波導(dǎo)T形接頭一般不用來作分路元件，而是利用其分支作串聯(lián)阻抗或并聯(lián)阻抗使用，下面分別討論這兩種接頭的工作特性。圖3.1-10ET接頭中的電力線

ET接頭中的電力線如圖3.1-10所示。從電力線的分布可見：

(a)圖：當(dāng)TE10信號從③端輸入時，①端和②端有等幅反相輸出；

(b)圖：當(dāng)信號從①端和②端等幅反相輸入時，③端有最大輸出，對稱面是電場的波節(jié)點；

(c)圖：當(dāng)信號從①端和②端等幅同相輸入時，③端無輸出，對稱面為電場波腹點。圖3.1-11ET分支等效電路對波導(dǎo)寬壁的縱向電流而言，ET分支相當(dāng)于串聯(lián)在主波導(dǎo)上，因此，ET接頭的等效電路相當(dāng)于在傳輸線中串聯(lián)一阻抗，如圖3.1-11所示。如果在ET分支中加一個可調(diào)短路活塞，改變活塞的位置就可改變串聯(lián)阻抗的大小。

HT接頭中的電力線如圖3.1-12所示。從電力線的分布可見：

(a)圖：當(dāng)信號從③端輸入時，①端和②端有等幅同相輸出；

(b)圖：當(dāng)信號從①端和②端等幅同相輸入時，③端有最大輸出，且對稱面為電場的波腹節(jié)點；

(c)圖：當(dāng)信號從①端和②端等幅反相輸入時，③端輸出為零，對稱面為電場波節(jié)點。對波導(dǎo)寬壁的縱向電流而言，HT分支相當(dāng)于并聯(lián)在主波導(dǎo)上，因此，HT接頭的等效電路相當(dāng)于在傳輸線中并聯(lián)一阻抗，如圖3.1-12(c)所示。調(diào)節(jié)HT分支短路活塞的位置，就可改變并聯(lián)阻抗的大小。圖3.1-12HT接頭中的電力線及等效電路3.2微帶電路中的不連續(xù)性3.2.1微帶開路端當(dāng)微帶線的導(dǎo)帶突然中斷會使末端聚積電荷產(chǎn)生電場的邊緣效應(yīng)，這種邊緣效應(yīng)的影響可以用一個集總參數(shù)的電容等效。而集總參數(shù)電容又可以用一段理想的開路線來等效，如圖3.2-1所示。圖3.2-1微帶線開路端及其等效電路等效開路線的長度le可用下式計算：(3.2-1)3.2.2串聯(lián)間隙微帶串聯(lián)間隔的結(jié)構(gòu)如圖3.2-2所示。串聯(lián)間隔適用于微帶隔直電路、端耦合濾波器以及諧振腔的耦合電路等，可用圖3.2-2所示的π形電路來等效，其等效參數(shù)為(3.2-2)圖3.2-2微帶線串聯(lián)間隙及其等效電路3.2.3匹配拐角為了改變電磁波傳輸方向，必須將微帶線的導(dǎo)帶彎折，其中直角拐彎在微帶電路中應(yīng)用較多，為了不使它引起很大的反射，通常采用匹配拐角。對于50Ω微帶線，把拐角外邊切成45°斜角，其目的就是為了減小拐角處的分布電容。對于等寬微帶拐角，拐角斜邊的長度一般約等于1.6倍導(dǎo)帶寬度，如圖3.2-3(a)所示。如果拐角兩邊微帶線尺寸不等，可按圖3.2-3(b)所示的尺寸進行設(shè)計，圖中x1=0.565W1,x2=0.565W2。圖3.2-3微帶線直角匹配拐角3.2.4階梯由于微帶線寬度的突變而形成階梯。微帶線階梯在微帶阻抗變換器及微波濾波器中得到廣泛應(yīng)用。階梯不連續(xù)性同樣會激勵高次模，這些高次模的作用可用電感和電容元件來等效。兩種不同介質(zhì)基片連接形成的微帶階梯及其等效網(wǎng)絡(luò)如圖3.2-4所示。圖3.2-4微帶線階梯及其等效電路(3.2-3)對于εr≤10，1.5≤≤10，有(3.2-4)對于εr=9.6，3.5≤≤10，有等效電感的計算方法如下：(3.2-5)式中(3.2-6)3.2.5T形接頭微帶線的T形接頭在微帶電路中具有廣泛應(yīng)用，例如，在并聯(lián)短截線調(diào)配器、分支濾波器和分支電橋中經(jīng)常用到T形接頭。兩種不同介質(zhì)基片連接構(gòu)成的微帶T形接頭及等效網(wǎng)絡(luò)如圖3.2-5所示。等效電路參數(shù)在εr=9.9，Z01=50Ω，25Ω≤Z02≤100Ω時，有(3.2-7)圖3.2-5微帶線T形接頭及其等效電路(3.2-8)當(dāng)0.5≤，≤2.0時，有當(dāng)1≤≤2，0.5≤≤2時，有(3.2-9)(3.2-10)其中，L2與分支長度有關(guān)；是以Wi為寬度的單位長度微帶電感，i=1,23.3連接元件和終接元件3.3.1波導(dǎo)抗流接頭矩形波導(dǎo)抗流接頭的結(jié)構(gòu)如圖3.3-1所示。兩段矩形波導(dǎo)由法蘭盤連接，左邊波導(dǎo)的法蘭盤上開有一個圓槽，槽的內(nèi)表面構(gòu)成終端短路的同軸線；另外，使槽到波導(dǎo)口間的端面較法蘭盤平面凹進去一個很小的距離d，與左邊法蘭盤相接而形成一徑向線。圖3.3-1矩形波導(dǎo)抗流接頭另外，旋轉(zhuǎn)接頭又稱旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它是雷達天饋系統(tǒng)中一個重要的部件，結(jié)構(gòu)形式可以是同軸線型或圓波導(dǎo)型。工作模式分別為TEM模和TM01模，它們在橫截面上的場分布具有軸對稱的特點。圖3.3-2同軸旋轉(zhuǎn)接頭3.3.2波型變換器在微波系統(tǒng)中，不同類型的傳輸線相連接時，經(jīng)常需要波型變換器。最常用的是同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器、同軸—微帶轉(zhuǎn)接器以及波導(dǎo)—微帶轉(zhuǎn)接器。分析轉(zhuǎn)接器時，將涉及到不同傳輸線間的波型轉(zhuǎn)換和阻抗匹配的問題，這里以典型的同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器為例，從阻抗匹配的角度作簡單介紹。圖3.3-3探針型同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器圖3.3-4線圓極化變換器3.3.3終接元件傳輸線終端所接元件稱為終接元件或終端負載，常用的終接元件有匹配負載和短路負載兩種。匹配負載是將所有的電磁能量全部吸收，而短路元件是將所有的電磁能量全部反射回去。

1.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，它幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。全匹配負載在微波測量中常用做匹配標(biāo)準(zhǔn)，在調(diào)整發(fā)射機時常用做等效天線。圖3.3-5矩形波導(dǎo)匹配負載如圖3.3-6所示為同軸線匹配負載，它是在同軸線內(nèi)、外導(dǎo)體之間放入圓錐形或階梯形吸收體構(gòu)成的。圖3.3-6同軸線匹配負載

2.短路負載短路負載又稱短路器，其作用是將電磁能量全部反射回去。將波導(dǎo)或同軸線的終端短路(用金屬導(dǎo)體全部封閉起來)即構(gòu)成波導(dǎo)或同軸線短路器，實用中的短路器都是做成可調(diào)的，稱之為可調(diào)短路活塞。圖3.3-7短路活塞3.4衰減器和相移器衰減器和相移器分別是用來改變傳輸線中電磁波的幅度和相位的器件，它們聯(lián)合使用可以調(diào)節(jié)傳輸線中電磁波的傳播常數(shù)γ，因此，衰減器和相移器是基本微波元件。衰減器和相移器的結(jié)構(gòu)可以是固定式，也可以是可變式。一般情況下，在設(shè)計衰減器時并不苛求其相位關(guān)系，而在設(shè)計相移器時要求引入盡量小的附加衰減。理想的衰減器應(yīng)該是一個相移為零、衰減量可變的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為理想的相移器應(yīng)是一個具有單位振幅、相移量可變的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為衰減器的種類很多，使用最多的是吸收式衰減器。它是在一段矩形波導(dǎo)中平行于電力線方向放置衰減片而構(gòu)成的。衰減片的位置可以調(diào)節(jié)，如圖3.4-1所示，衰減片位于波導(dǎo)中央時衰減量最大。衰減片一般由膠布板表面涂石墨或在玻璃片上蒸發(fā)很薄的電阻膜做成的。為了消除反射，衰減片兩端通常做成漸變形。圖3.4-1吸收式波導(dǎo)衰減器由θ=βl可知，利用改變傳輸線的相移因數(shù)β可以改變相移，而相移常數(shù)與成正比。因此將圖3.4-1所示衰減器的衰減片換成介質(zhì)片便可構(gòu)成可調(diào)相移器。3.5定向耦合器定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件。根據(jù)四端口網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)可知，無耗可逆四端口網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)完全匹配，且為一理想定向耦合器。實際的定向耦合器是由耦合機構(gòu)聯(lián)系在一起的兩對傳輸線構(gòu)成的，如圖3.5-1所示，①-③為一條傳輸線，稱為主線，②-④為另一條傳輸線，稱為副線。耦合機構(gòu)的形式各種各樣，一般為孔(或插槽)、分支波導(dǎo)、耦合線段等。圖3.5-1定向耦合器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用的定向耦合器的性能指標(biāo)如下：

(1)耦合度C：副線耦合輸出功率P4o(設(shè)④為耦合輸出端，②為隔離端)與主線輸入功率P1i之比的分貝數(shù)，即(3.5-1)

(2)隔離度I：輸入功率P1i與副線隔離端的功率P2o

之比的分貝數(shù)，即(3.5-2)反映定向耦合器隔離度的指標(biāo)有時也用定向性D，它的定義為副線耦合輸出功率P4o與隔離端功率P2o之比的分貝數(shù)，即(3.5-3)圖3.5-2孔陣定向耦合器圖3.5-3波導(dǎo)定向耦合器3.5.1分支定向耦合器分支定向耦合器是由主線、副線及若干耦合分支線組成的。圖3.5-4(a)為微帶雙分支定向耦合器，圖3.5-4(b)為波導(dǎo)雙分支定向耦合器。分支線長度及其間距等于λg0/4，λg0為中心頻率對應(yīng)的相波長。圖3.5-4雙分支定向耦合器

1.分支定向耦合器的耦合端與隔離端雙分支定向耦合器的基本工作原理如下：假定信號電壓由端口①經(jīng)A點輸入，那么到達D點的電壓是兩路電壓疊加的結(jié)果，一路由A到D，路程為λg0/4，另一路沿A→B→C→D，路程為3λg0/4，二者的路程差為λg0/2，對應(yīng)的相位差為π。如果適當(dāng)選擇各段傳輸線的歸一化特性導(dǎo)納或阻抗值a1、a2及b，使這兩路電壓的幅度相等，則二者相互抵消，使端口④成為隔離端。

2.定向耦合器的耦合度由于上面已經(jīng)采用a、b表示歸一化的特性導(dǎo)納，下面分別用表示第n個端口的歸一化輸出電壓，用表示第n個端口歸一化輸入電壓。給定耦合度C(絕對值)，微帶分支定向耦合器各線段的歸一化導(dǎo)納值可由下列公式計算：(3.5-4)(3.5-5)式中，耦合端輸出電壓，可由耦合度C計算從而(3.5-6)不難證明，理想的3分貝分支定向耦合器的散射參量矩陣為(3.5-7)3.5.2平行耦合線定向耦合器平行耦合線定向耦合器的早期形式有平行雙線結(jié)構(gòu)和同軸線結(jié)構(gòu)，后來逐步發(fā)展為帶狀線和微帶線結(jié)構(gòu)。圖3.5-5是微帶平行耦合線定向耦合器的導(dǎo)帶的平面電路結(jié)構(gòu)示意圖。同軸線和帶狀線定向耦合器是TEM波傳輸線定向耦合器的主要形式。圖3.5-5微帶平行耦合線定向耦合器的導(dǎo)帶的平面電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.5-6(a)所示為耦合平行雙線，①-②為主線，③-④為副線。功率自端口①輸入，當(dāng)端口②接匹配負載時，主線任一位置上的電壓和電流是同相的。令i1為主線上某處的電流瞬時值，e1為該處的電壓瞬時值。它們的方向如圖3.5-6(a)所示，現(xiàn)取主、副線上一微分段dz來分析主、副線之間的電磁耦合作用，如圖3.5-6(b)所示。圖3.5-6平行耦合線定向耦合器分析示意圖(3.5-8)假定主線上電流瞬時值i1增大，則通過副線的兩根導(dǎo)線間的磁通就增加，增加的磁通方向是垂直進入紙面的。據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，這增加的磁通必將在副線中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，它的方向如圖3.5-6所示，其大小為主、副線之間除了磁耦合之外還有電耦合，下面來看看電耦合作用。由于i1與e1二者同相，當(dāng)i1增大時e1也增大。假定主線與副線之間單位長度的耦合電容為Cm，那么當(dāng)e1增大時，必將通過Cmdz在副線中產(chǎn)生電流diC，它的大小為(3.5-9)由于耦合微帶線定向耦合器的磁耦合作用強，為了提高這種定向耦合器的性能，必須增強耦合微帶線之間的電耦合。其方法有多種，現(xiàn)簡單介紹四種方法。第一種方法是介質(zhì)覆蓋法，如圖3.5-7(a)所示，在耦合器導(dǎo)帶上方用介質(zhì)覆蓋，介質(zhì)材料與介質(zhì)基片相同，介質(zhì)層的厚度為T≈h。覆蓋介質(zhì)可以使部分填充媒質(zhì)近似地成為均勻填充媒質(zhì)，以增強電耦合。第二種方法是耦合縫采用鋸齒結(jié)構(gòu)，如圖3.5-7(b)所示，鋸齒的尺寸由實驗確定。第三種方法是在耦合區(qū)的兩端接入集總參數(shù)電容進行補償，如圖3.5-7(c)所示。第四種方法是采用如圖3.5-7(d)所示的交指式耦合結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能使主、副線之間的耦合電容Cm增大。圖3.5-7改善微帶平行耦合線定向耦合器性能的措施3.6微波分路元件3.6.1波導(dǎo)雙T和魔T接頭波導(dǎo)ET和HT接頭由于無法實現(xiàn)三端同時匹配，因此一般不用做分路元件而配以短路活塞構(gòu)成短路支節(jié)作為調(diào)配元件使用。作為波導(dǎo)的分路元件通常使用雙T接頭。圖3.6-1波導(dǎo)雙T接頭由具有共同對稱平面的ET和HT接頭結(jié)合在一起就構(gòu)成了雙T接頭，如圖3.6-1所示，通常稱圖中的4臂為E臂，3臂為H臂，1與2臂為平分臂或側(cè)臂，由ET和HT接頭的特性可知，雙T接頭具有如下特性：

(1)由E臂輸入的功率將由側(cè)臂反相等分輸出，不進入H臂。

(2)由H臂輸入的功率由側(cè)臂同相等分輸出，不進入E臂。

(3)若E臂和H臂接匹配負載，信號由兩側(cè)臂等幅同相輸入，則功率進入H臂而不進入E臂；若信號由兩側(cè)臂等幅反相輸入，則功率進入E臂而不進入H臂。若使雙T接頭的四個臂都獲得匹配，則稱為匹配雙T，或稱“魔T”，如圖3.6-2所示，其中的匹配裝置為匹配塊。綜合以上所述，可將“魔T”性歸納如下：

(1)匹配性：在理想工作狀態(tài)下，它的四個端口是完全匹配的。如果E臂和H臂同時調(diào)到匹配，則兩側(cè)臂自動獲得匹配。

(2)隔離性：從任一臂輸入的信號都不能從相對的臂輸出，只能從兩旁的臂輸出。

(3)均分性：由E臂輸入的功率反相等分輸出給兩側(cè)臂，不進入H臂；由H臂輸入的功率同相等分輸出給兩側(cè)臂，不進入E臂。圖3.6-2波導(dǎo)雙T接頭的匹配——“魔T”魔T的散射矩陣為(3.6-1)3.6.2折疊雙T接頭折疊雙T接頭可看成是“魔T”接頭的變形，分為E折雙T接頭和H折雙T接頭兩種。

E折雙T接頭是將魔T接頭的兩旁臂沿E面折彎90°而成，如圖3.6-3所示。所謂E面，是指TE10波的電場方向與傳播方向所決定的平面。其工作特點是，當(dāng)端口①、②偶模輸入(等幅同相輸入)時，E臂有輸出，H臂無輸出；當(dāng)端口①、②奇模輸入(等幅反相輸入)時，H臂有輸出，E臂無輸出。

H折雙T接頭是將魔T接頭的兩旁臂沿H面折彎90°而成，如圖3.6-4所示。當(dāng)端口①、②偶模輸入時，H臂有輸出，E臂無輸出；當(dāng)端口①、②奇模輸入時，E臂有輸出，H臂無輸出。折疊雙T接頭的結(jié)構(gòu)緊湊，頻帶較寬，便于和外電路連接，但其性能不如魔T接頭理想。圖3.6-3E折雙T接頭圖3.6-4H折雙T接頭3.6.3混合環(huán)混合環(huán)又稱為環(huán)形電橋。早期的混合環(huán)由波導(dǎo)做成，功率容量較大，宜作雷達收發(fā)天線開關(guān)用，但體積較大，笨重。微帶混合環(huán)具有體積小、重量輕、容易加工等優(yōu)點，在小功率微波集成平衡混頻器中作為功率分配器而獲得廣泛的應(yīng)用。圖3.6-5為制作在介質(zhì)基片上的微帶混合環(huán)的幾何圖形，環(huán)的全長為，其中λg0為中心頻率f0對應(yīng)的相波長。四個分支線并連在環(huán)上，將環(huán)分為四段，各段的長度和特性導(dǎo)納值如圖3.6-5所示，與環(huán)相接的四個分支的導(dǎo)納值均等于Y0。圖3.6-5微帶混合環(huán)網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果表明，對于3dB混合環(huán)，其各線段歸一化特性導(dǎo)納值相等，其值為實際使用的微帶混合環(huán)還必須考慮對分支線連接處T形接頭電抗效應(yīng)的修正，從而最后確定出環(huán)的各段微帶線的寬度及長度等結(jié)構(gòu)尺寸。可以推出理想3dB混合環(huán)的散射矩陣為(3.6-2)3.6.4微帶功分器在微波系統(tǒng)中功率分配器的作用是：把某一路的微波輸入功率按規(guī)定比例分成兩路或多路輸出；或者應(yīng)用其逆過程，把兩路或多路微波功率疊加起來從一路輸出。在可逆網(wǎng)絡(luò)中，功率分配與功率合成這兩種相反的功能是同時具有的。圖3.6-6微帶二等分功率分配器利用網(wǎng)絡(luò)分析理論可求得二等分微帶功率分配器的設(shè)計參數(shù)如下：，，3.7微波濾波器微波濾波器是微波系統(tǒng)中用來分離或組合各種頻率成分的主要元件。按功能可將其分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和阻帶濾波器。理想濾波器的頻率特性如圖3.7-1所示。圖3.7-1四種濾波器的理想頻率響應(yīng)圖3.7-2實際低通濾波器的頻率響應(yīng)3.7.1微波低通濾波器如圖3.7-3所示為一個低通濾波器網(wǎng)絡(luò)，對于低頻，電容器的容抗很大，呈開路狀態(tài)；電感器的感抗很小，呈短路狀態(tài)，因此信號很容易通過并輸出。圖3.7-3低通濾波器網(wǎng)絡(luò)在微波波段，很少再采用集總參數(shù)元件構(gòu)成上述網(wǎng)絡(luò)，需要應(yīng)用分布參數(shù)元件。一種在低通濾波器中常用的分布參數(shù)元件是高、低阻抗傳輸線段。所謂高低阻抗傳輸線，是指傳輸線的特性阻抗的大小。如圖3.7-4所示，給出了同軸線型低通濾波器，它是由粗細跳變的同軸線內(nèi)導(dǎo)體構(gòu)成的。其等效電路與圖3.7-3所示電路相同。圖3.7-4高低阻抗傳輸線構(gòu)成的同軸線型微波低通濾波器3.7.2微波高通濾波器同軸線型高通濾波器由若干段芯線及與之并聯(lián)的短路分支線構(gòu)成，芯線段之間留有間隙并用聚四氟乙烯介質(zhì)填充，如圖3.7-5(a)所示。由于芯線段之間的間隙形成等效串聯(lián)電容，短路分支線形成等效并聯(lián)電感，可畫出它的等效電路如圖3.7-5(b)所示。顯然，該等效電路是集中參數(shù)高通濾波器的原型電路。圖3.7-5同軸線型微波高通濾波器3.7.3微波帶通濾波器波導(dǎo)型直接耦合式帶通濾波器由若干間距相等的電感膜片和調(diào)諧螺釘構(gòu)成，螺釘置于相鄰電感膜片之間且位于波導(dǎo)寬壁中央，如圖3.7-6(a)所示。其等效電路如圖3.7-6(b)所示，即相鄰電感膜片之間的空間可看成一個諧振腔，其中的膜片等效為并聯(lián)電感，螺釘?shù)刃椴⒙?lián)電容，通過調(diào)整螺釘可調(diào)整該結(jié)構(gòu)的濾波特性。諧振腔之間通過膜片的窗口直接耦合，該結(jié)構(gòu)由此得名。顯然，該等效電路是集中參數(shù)帶通濾波器的原型電路。圖3.7-6波導(dǎo)型直接耦合式微波帶通濾波器3.7.4微波帶阻濾波器微帶型分支線式微波帶阻濾波器由主線和若干并聯(lián)分支線構(gòu)成，分支線長度為λg/4，分支線間距也為λg/4，如圖3.7-7(a)所示。圖3.7-7微帶型分支線式微波帶阻濾波器3.8微波諧振器低頻無線電技術(shù)中采用LC回路產(chǎn)生電磁回蕩。在LC回路中，電場集中分布在電容器內(nèi)部，而磁場集中分布在電感線圈內(nèi)部，它們之間交替激發(fā)，形成一定頻率(f=1/2π

)的電磁振蕩。如果要提高諧振頻率，必須減小L和C的值，頻率提高到一定限度后，具有很小的L和C值的電感和電容不能再使電場和磁場集中在它們內(nèi)部，這時向外輻射的損耗隨頻率的提高而增大；另一方面，由于趨膚效應(yīng)，焦耳熱損耗也增大。因此，在微波波段LC回路不能有效地產(chǎn)生振蕩。在微波范圍內(nèi)，通常采用更能有效集中電磁能量的具有金屬界面的腔體或介質(zhì)柱體來構(gòu)成諧振器。兩端短路的同軸線或波導(dǎo)構(gòu)成的腔體稱為諧振腔，兩端開路的介質(zhì)波導(dǎo)稱為介質(zhì)諧振器。在兩端短路或開路的傳輸線中，電磁波以駐波的形式存在，電磁能量在這些腔體或柱體內(nèi)交替轉(zhuǎn)換。微波諧振器的主要技術(shù)指標(biāo)有諧振頻率和品質(zhì)因素。諧振器的諧振頻率由其幾何尺寸及諧振器內(nèi)的波形決定，諧振腔的品質(zhì)因素決定于腔內(nèi)介質(zhì)及腔內(nèi)壁導(dǎo)體的損耗；介質(zhì)諧振器的品質(zhì)因素主要決定于介質(zhì)損耗。3.8.1同軸諧振腔同軸諧振腔分為λ/2型、λ/4型及電容加載型三種。對于傳輸TEM波的同軸線，無填充時，可以認為其相波長λg就是工作波長λ。(3.8-1)

1.λ/2型同軸諧振腔

λ/2型同軸諧振腔由兩端短路的同軸線構(gòu)成，如圖3.8-1(a)所示。從參考面T向兩邊看去的導(dǎo)納為純電納j和j，諧振條件為圖3.8-1λ/2型同軸諧振腔諧振條件還可以用圖3.8-1(b)所示的導(dǎo)納圓圖來表示。從圓圖短路點順時針方向轉(zhuǎn)過波長數(shù)l1/λ0及l(fā)2/λ0就得到和值，λ0為諧振波長。由式(3.8-1)可知和必對稱地分布在實軸的兩側(cè)，因此有或（n=1，2，……）(3.8-2)由上式可得諧振波長λ0與腔體長度l的關(guān)系或

2.λ/4型同軸諧振腔

λ/4型同軸諧振腔由一端短路、另一端開路的同軸線構(gòu)成，如圖3.8-2(a)所示，開路端常用同軸腔的外導(dǎo)體延長形成的一段截止圓波導(dǎo)來減少輻射損耗。在圖3.8-2(b)所示的導(dǎo)納圓圖上，從短路點順時針方向轉(zhuǎn)過l2/λ0就得到，從開路點順時針方向轉(zhuǎn)過l1/λ0就得到。滿足諧振條件的諧振長度由下式導(dǎo)出:或由上式導(dǎo)出諧振波長λ0與腔體長度l的關(guān)系為(3.8-3)(n=1，2，……)或圖3.8-2λ/4型同軸諧振腔圖3.8-3電容加載型同軸諧振腔(3.8-4)

3.電容加載型同軸諧振腔電容加載型同軸諧振腔如圖3.8-3所示。同軸腔內(nèi)導(dǎo)體長度，故圖中參考面T處向右側(cè)看去的電納<0；向左側(cè)看去的電納>0，是同軸線內(nèi)導(dǎo)體端面與外導(dǎo)體短路面間的縫隙電容的導(dǎo)納。滿足諧振條件的C值由下式?jīng)Q定：3.8.2矩形諧振腔矩形諧振腔由兩端短路的矩形波導(dǎo)構(gòu)成，如圖3.8-4所示。腔體長度為l，腔的橫截面尺寸為a×b。圖3.8-4矩形諧振腔，(3.8-5)矩形腔諧振的條件和半波長同軸腔相同，諧振長度為1/2波導(dǎo)波長的整數(shù)倍，即（p=1，2…..）式中，λg0為矩形波導(dǎo)波長，它與諧振波長λ0的關(guān)系為其中，λc為矩形波導(dǎo)的截止波長。將上式代入式(3.8-5)，便得到矩形諧振腔諧振波長的一般表達式為(3.8-6)上式也是所有柱形波導(dǎo)諧振腔λ0的計算公式，其中，λc為相應(yīng)波導(dǎo)模式的截止波長，l為腔的長度。將矩形波導(dǎo)截止波長λc的表達式帶入上式，便得矩形腔諧振波長的計算公式為(3.8-7)式中，m、n、p分別表示矩形腔中的駐波場沿a、b、l分布的半駐波數(shù)。TE101模的場分布如圖3.8-5所示。圖3.8-5矩形諧振腔TE101諧振模的場分布3.8.3圓柱諧振腔長度為l的圓波導(dǎo)兩端短路就構(gòu)成了圓柱腔，如圖3.8-6所示。將式(3.8-6)中的λc用圓波導(dǎo)TM和TE模的截止波長公式代入，就得到圓柱腔TMmnp與TEmnp的諧振波長計算公式：(3.8