第8章常用微波元件

第8章常用微波元件分類：線性互易元件，線性非互易元件，非線性元件。按導(dǎo)形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：波導(dǎo)型、同軸線型、帶狀線型和微帶線型等。按作用：連接元件，變換元件，分支元件，終端元件，移相器和衰減器，定向耦合器，濾波器等。8.1單口元件

One-PortElement完成特殊功能的網(wǎng)絡(luò)稱為元件(Element)。在習(xí)慣上，我們常采用網(wǎng)絡(luò)理論來(lái)分析元件。單口元件，是向外只有一個(gè)端口，作為負(fù)載來(lái)應(yīng)用。常用的有短路負(fù)載、匹配負(fù)載和失配負(fù)載。作為網(wǎng)絡(luò)單口元件只須用一個(gè)反射系數(shù)ΓL來(lái)表示。圖單口元件

一、短路負(fù)載-短路器固定式：用金屬板把波導(dǎo)或同軸線終端封閉起來(lái)；可移動(dòng)式：用以短路的金屬板可沿波導(dǎo)或同軸線的軸向移動(dòng)。分為接觸式和非接觸式。

短路活塞要移動(dòng)，太緊的配合會(huì)使移動(dòng)不方便，間隙Δ又會(huì)造成不理想短路。因此，間隙Δ和理想短路構(gòu)成了設(shè)計(jì)的主要矛盾。

接觸式短路器金屬短路板可移動(dòng)，要求它與波導(dǎo)內(nèi)壁有良好接觸。工藝要求高，長(zhǎng)期磨損會(huì)性能下降，很少被采用。在短路活塞端塊的兩個(gè)寬邊上有切槽，并形成許多細(xì)小的彈性片(如磷青銅、鍍銀或鍍銅的優(yōu)質(zhì)彈性鋼片等)，使接觸更加密切。彈性片長(zhǎng)度應(yīng)等于四分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)，使短路活塞與波導(dǎo)或同軸線的接觸點(diǎn)在電流節(jié)點(diǎn)處，減少接觸電阻產(chǎn)生的損耗。當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)，接觸不穩(wěn)定，大功率情況下還可能產(chǎn)生火花現(xiàn)象。非接觸式短路器啞鈴式短路器：在一段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)中，安置兩個(gè)或多個(gè)直徑為D的圓柱形金屬活塞，活塞之間用金屬細(xì)桿連接起來(lái)。每節(jié)活塞與矩形波導(dǎo)構(gòu)成了一段長(zhǎng)度為l1的外矩內(nèi)圓的同軸線，它的特性阻抗Zc1較低；而直徑為d長(zhǎng)為l2的金屬連桿與矩形波導(dǎo)也構(gòu)成了一段外矩內(nèi)圓的同軸線，它的特性阻抗Zc2較高。具有兩個(gè)活塞的啞鈴短路器的等效電路：設(shè)通過(guò)短路活塞漏到其后面的功率全被損耗性的材料吸收，而無(wú)反射波(相當(dāng)于在活塞后面接有與矩形波導(dǎo)波型阻抗相等的匹配負(fù)載）根據(jù)四分之一阻抗變換器的公式知：從端面c向右看去的輸入阻抗為：從端面b向右看去的輸入阻抗為：從端面a向右看去的輸入阻抗為：Zc1和Zc3與Zc2相比要小得多，所以(Zin)a是很小的量，即啞鈴活塞的輸入端面可近似為一個(gè)等效的短路面。上述分析忽略了不連續(xù)性影響，并有近似。二、匹配負(fù)載

匹配負(fù)載，其功能是吸收功率。作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量元件性能，構(gòu)成無(wú)(實(shí)際上是小)反射系統(tǒng)。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的。根據(jù)傳輸線的類型：波導(dǎo)式，同軸線式，帶狀線式和微帶線式等。技術(shù)指標(biāo)：工作頻帶、輸入駐波比、和功率容量。一般輸入駐波比1.1～1.015之間。微波測(cè)量設(shè)備大功率發(fā)射設(shè)備的負(fù)載或大功率計(jì)的高頻頭功率小功率匹配負(fù)載

中功率匹配負(fù)載

大功率水負(fù)載頻帶寬帶匹配負(fù)載

窄帶匹配負(fù)載材料木材、石墨、羰基鐵、吸收負(fù)載三、失配負(fù)載失配負(fù)載是既吸收一部分功率又反射一部分功率的負(fù)載。實(shí)用中的失配負(fù)載都做成標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載，具有某一固定駐波比。常用于微波測(cè)量中做標(biāo)準(zhǔn)終端負(fù)載。8.2雙口元件

Two-PortElement

雙口元件是在微波中應(yīng)用最多的一種元件，按功能分類如下圖所示。雙口元件方向變換信號(hào)變換波形變換連接元件，拐角，扭轉(zhuǎn)移相器，衰減器，濾波器同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，方圓轉(zhuǎn)換與單口元件相似，雙口元件一般采用網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析。但是，在這里值得指出：元件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)本身還是需要用場(chǎng)論方法求得，或者實(shí)際測(cè)量得到。從這個(gè)意義上講，場(chǎng)論是問(wèn)題的內(nèi)部本質(zhì)，而網(wǎng)絡(luò)則是問(wèn)題的外部特性。一、雙口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)已經(jīng)知道，雙口網(wǎng)絡(luò)可以用S參數(shù)加以表示。

無(wú)耗，互易網(wǎng)絡(luò)［S］+［S］=［I］

展開可得具體寫為上式中第一個(gè)稱為振幅條件，第二個(gè)稱為相位條件。性質(zhì)：一端口匹配，另一端口自動(dòng)匹配；若網(wǎng)絡(luò)完全匹配，則完全傳輸相角只有兩個(gè)獨(dú)立。

方向變換元件包括連接元件、拐角、扭波導(dǎo)，見(jiàn)圖所示。二、方向變換元件

方向變換元件將作用不同的微波元件連接成完整系統(tǒng)三、傳輸線尺寸變換元件

特性阻抗相同但尺寸不同的傳輸線之間的連接問(wèn)題。例子：特性阻抗相同尺寸不同的同軸線連接。(a)直接對(duì)接交界處尺寸突變會(huì)使電場(chǎng)產(chǎn)生變形，即激勵(lì)起了非傳輸型的高次模；相當(dāng)于并聯(lián)了一個(gè)電容jb。若由連接處向兩邊看去是匹配的，則當(dāng)b很小時(shí)，不連續(xù)性越大，頻率越高，失配也越嚴(yán)重，會(huì)降低功率容量。(b)移位補(bǔ)償結(jié)構(gòu)將內(nèi)外導(dǎo)體的突變處沿軸線錯(cuò)開一段距離l。處于l段內(nèi)的這段同軸線的單位長(zhǎng)度的電感為：l段同軸線單位長(zhǎng)度電容為：當(dāng)l比工作波長(zhǎng)小得多時(shí)，該段線可等效為一個(gè)串聯(lián)電感，把l段兩端的不連續(xù)處的影響用C1和C2等效。網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗近似為：選擇l的長(zhǎng)度，使之近似等于l兩端同軸線的特性阻抗，就能在較寬的頻帶內(nèi)使原來(lái)的兩根同軸線連接之后近似地實(shí)現(xiàn)匹配。(c)錐形過(guò)渡段為使過(guò)渡段內(nèi)的特性阻抗等于左右兩段的值，并保持不變，要求過(guò)渡段內(nèi)外導(dǎo)體的錐面共頂點(diǎn)，兩錐形的底部處于同一平面內(nèi)，即交界處仍有不連續(xù)電容影響，可以通過(guò)減小錐角降低。其它：四、階梯式阻抗變換元件

階梯式阻抗變化器：由兩個(gè)特性阻抗不同的傳輸線之間插入一段或多段不同特性阻抗的傳輸線，適當(dāng)選取其長(zhǎng)度、特性阻抗的值和節(jié)(段)數(shù)，就可以在一定帶寬內(nèi)使駐波比低于某個(gè)給定的值。四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器（可用于TEM傳輸線，也可用于工作在單模的波導(dǎo)）變換段的特性阻抗為應(yīng)用同軸線四分之一阻抗變換器Z0線和Z2線內(nèi)導(dǎo)體的外直徑d0=d2，但外導(dǎo)體的內(nèi)直徑不等，可選變換段內(nèi)導(dǎo)體的外直徑d1=d0=d2，外導(dǎo)體的內(nèi)直徑D1可由Z1的值確定。Z0線和Z2線內(nèi)外導(dǎo)體的尺寸都不等，可先按要求選定變化段的一項(xiàng)（內(nèi)或外）的尺寸，然后由Z1確定另一項(xiàng)的尺寸。d1介于d0和d2之間的尺寸，D1介于D0和D2之間。矩形波導(dǎo)四分之一阻抗變換器TE10模的波導(dǎo)波長(zhǎng)變換段的長(zhǎng)度為等效阻抗：與b/a有關(guān)，也與波長(zhǎng)有關(guān)。只有當(dāng)兩個(gè)波導(dǎo)的寬壁的內(nèi)尺寸相等時(shí)，其等效阻抗的比值才等于兩者的窄壁內(nèi)尺寸之比，且與頻率無(wú)關(guān)，即為單純的阻抗變換。五、信號(hào)變換元件1．膜片（匹配元件）膜片可分成感性膜片、容性膜片和諧振窗。容性膜片一壓縮電場(chǎng)

感性膜片一壓縮磁場(chǎng)

根據(jù)要求，容性膜片區(qū)域把電場(chǎng)壓縮而使，感性膜片區(qū)域把磁場(chǎng)壓縮使，它們都可成為匹配元件。諧振窗諧振窗可以看作是感性膜片和容性膜片的結(jié)合，它對(duì)某一特定頻率產(chǎn)生諧振，電磁波可以無(wú)反射地通過(guò)，構(gòu)成無(wú)反射元件。其等效電路相當(dāng)于并聯(lián)諧振回路。

2.相移器和衰減器相移器和衰減器是最基本的兩種元件，它們可以起調(diào)節(jié)相移和衰減的作用。在波導(dǎo)中放置介質(zhì)片(陶瓷、硅酸鹽玻璃等材料)制成，如作為衰減器這表面涂以金屬粉末，石墨粉等電阻性材料。極化衰減器

特別要提及的是圓波導(dǎo)(采用TE11模)極化衰減器，它利用高損耗材料的吸收片，將其中一種極化吸收掉。如圖所示，它專門吸收u向極化波。

因此全部變換可寫成極化衰減器分析框圖我們可以用網(wǎng)絡(luò)給出完整的分析(輸入v輸出都是y向極化)。也即具體問(wèn)題中Exin=0，則有一般做到e-al→0，這時(shí)衰減這是極化衰減器的最基本的公式。y模式

u模式v模式maxL=8.686al＞50dB

極化衰減器的最大優(yōu)點(diǎn)是與頻率無(wú)關(guān)，所以它是寬帶器件。

3.鐵氧體隔離器鐵氧體隔離器也稱單向器。當(dāng)

=90°時(shí)理論衰減為∞，實(shí)際上注意：這是一種非互易網(wǎng)絡(luò)S12≠S21。一般正向衰減＜0.5dB，反向衰減＞20dB。使用隔離器可以把負(fù)載由于不匹配造成的反射波在經(jīng)過(guò)隔離器時(shí)被吸收掉，而不再返回信號(hào)源，使信號(hào)源穩(wěn)定地工作。分為：法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器、諧振吸收式隔離器和場(chǎng)移式隔離器。六、波型變換元件典型的是同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換。為了提高轉(zhuǎn)換效率，可調(diào)節(jié)探針深度和短路活塞位置。

同軸線的外導(dǎo)體與矩形波導(dǎo)的寬壁連在一起，內(nèi)導(dǎo)體的延伸部分(探針)插入波導(dǎo)中，形成一個(gè)小輻射天線，在波導(dǎo)中激勵(lì)出TE10模的電磁波。為使能量單向傳播，在波導(dǎo)中距探針l處裝置了一個(gè)可調(diào)短路活塞。矩形波導(dǎo)-圓形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器8.3多口元件Multi-PortElement

多口網(wǎng)絡(luò)在微波工程中承擔(dān)分路(功率分配)、和差、環(huán)行、耦合等等重要功能。圖多端口元件功能

一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)

1.無(wú)耗互易網(wǎng)絡(luò)的么正性[S]+[S]=[I]具體應(yīng)用互易條件有將上述矩陣展開后可分別得到兩組方程，我們稱之為振幅條件和相位條件。[性質(zhì)］無(wú)耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能同時(shí)匹配，即S11=S22=S33=0

［證明]采用反證法：假定S11=S22=S33=0,可知

于是在S12，S13，S23至少有兩個(gè)為0，但這與振幅條件相悖，得證。

作為例子，有

2.無(wú)耗非互易三口網(wǎng)絡(luò)［性質(zhì)］無(wú)耗非互易三口網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)端口可以完全匹配。1.E面T和H面T—分路元件E面TH面T串接元件并接元件①端輸入，②和③端功率平分，相位相反。用于和差：②和③同相等幅輸入，①端無(wú)輸出；②和③反相等幅輸入，①端輸出最大。④端輸入，②和③端功率平分相位相同。用于和差：②和③端同相等幅輸入，④端輸出最大；②和③端反相等幅輸入，④端無(wú)輸出。二、三口元件

2.鐵氧體環(huán)行器——環(huán)行元件理想s矩陣[解]由［S］參數(shù)定義寫出而，計(jì)及這一條件即可導(dǎo)得寫出雙口網(wǎng)絡(luò)的［S］矩陣只要

L很小，即可得到典型的隔離器。

[例1]理想環(huán)行器端口③接匹配負(fù)載，即可構(gòu)成二端口隔離器。三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)

1.定向耦合網(wǎng)絡(luò)定向耦合網(wǎng)絡(luò)是一種常用的四端口網(wǎng)絡(luò)，它一般規(guī)定,是無(wú)耗互易網(wǎng)絡(luò),每對(duì)端口相互隔離:

其中一對(duì)匹配:符合上述條件的即可稱為定向耦合器，其［S］矩陣是圖定向耦合器根據(jù)么正性又寫出要滿足左式當(dāng)且僅當(dāng)|S33|=|S44|=0

從相位關(guān)系得到的方程是

若選擇適當(dāng)?shù)膮⒖济媸筍13=S24=a

是實(shí)數(shù)，則而從上面方程能給出這樣［S］矩陣是也就是說(shuō)，理想的定向耦合器，主路和副路相位差90°，也稱為90°定向耦合器。

2.對(duì)稱定向耦合器網(wǎng)絡(luò)我們研究一種四端全對(duì)稱的定向耦合器網(wǎng)絡(luò)，有條件于是，散射矩陣成為且由無(wú)耗的么正性條件寫出把上式重新排列進(jìn)一步可簡(jiǎn)化為現(xiàn)在我們討論一種比較接近實(shí)際的情況，即端口①和端口②理想隔離S12＝0

則可得到對(duì)于實(shí)際的定向耦合器，S13=0和S14=0是我們所不希望的，將它們排除在討論之外，那么，要滿足上式當(dāng)且僅當(dāng)S11=0

且方程進(jìn)一步簡(jiǎn)化為由此可得到或者說(shuō)從對(duì)稱定向耦合器中我們可以得到十分重要的性質(zhì)：

·定向耦合器的端對(duì)隔離和端口固有反射密切相關(guān)；

·定向耦合器的主副路相差也和端對(duì)隔離密切相關(guān)；

·因此，在工程中常常采用考察輸入反射和路間相差來(lái)別斷這類定向耦合的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。也即對(duì)于理想的3dB橋代入上式可知|S11|≈|S12|

另一方面，由

3.3dB橋網(wǎng)絡(luò)我們把主副路功率相等的稱之為3dB網(wǎng)絡(luò)，重新寫出又可得到考慮最壞可能性，即

1=2其中，I是隔離度，定義為，可由相差確定隔度度。

圖隔離度I與相差關(guān)系

1.