《電磁場(chǎng)、微波技術(shù)與天線》課件-第7章

第7章微波元件7.1引言7.2簡(jiǎn)單元件7.3阻抗調(diào)配器和阻抗變換器7.4定向耦合器與功率分配器7.5微波諧振器7.6微波濾波器7.7微波鐵氧體元件

7.1引言

在微波系統(tǒng)中,微波元件是用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種加工和處理的。例如對(duì)信號(hào)進(jìn)行分配、衰減、隔離、定向傳輸、相位控制、阻抗匹配與變換、波型變換、濾波等。

低頻電路中的基本元件是電阻、電容和電感,它們屬于集總參數(shù)元件。如同第4章所述,在微波波段,這類元件寄生參數(shù)的影響不能再忽略,它們甚至?xí)耆淖冊(cè)倕?shù)元件的性質(zhì)。因此在微波波段,必須使用與集總參數(shù)元件完全不同的元件,它們是基于傳輸線的分布參數(shù)性質(zhì)而制成的。

微波元件的種類繁多,而且處于不斷發(fā)展中,不可能也沒(méi)必要對(duì)所有微波元件都進(jìn)行討論。故在本章中,我們僅介紹一些常用元件,并著重定性分析元件的工作原理與基本特性。

7.2簡(jiǎn)單元件

7.2.1終端器件與連接器件1.短路器與接頭短路器又稱短路負(fù)載,其作用是將電磁波能量全部反射回去。將波導(dǎo)或同軸線的終端用金屬導(dǎo)體全部封閉起來(lái)即構(gòu)成波導(dǎo)或同軸線短路器。實(shí)用中的短路器都做成了可調(diào)的,稱為短路活塞,可用作調(diào)配器、標(biāo)準(zhǔn)可變電抗,廣泛應(yīng)用于微波測(cè)量。

對(duì)短路活塞的主要要求是:

①提供良好的有效短路面,使其反射系數(shù)的模盡可能接近1;

②當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí),物理接觸面產(chǎn)生的接觸損耗變化要小;

③大功率運(yùn)用時(shí),活塞與波導(dǎo)壁(或同軸線內(nèi)外導(dǎo)體壁)間不發(fā)生打火現(xiàn)象。

圖7-2-1是矩形波導(dǎo)接觸式短路活塞結(jié)構(gòu)示意圖。為使活塞與傳輸線內(nèi)壁保持良好的接觸而又能平滑地移動(dòng),一般均采用固定在活塞上富有彈性的磷青銅片做成梳形的接觸片。彈簧片長(zhǎng)度為λ/4,其中λ為工作中心頻率波長(zhǎng),這樣短路面是電壓波節(jié)(電流波腹)點(diǎn),經(jīng)過(guò)λ/4變換,物理接觸點(diǎn)恰好位于電流波節(jié)點(diǎn)處,以減小損耗,避免發(fā)生打火。圖7-2-1矩形波導(dǎo)接觸式短路活塞

圖7-2-2是采用扼流裝置的波導(dǎo)短路活塞結(jié)構(gòu)示意圖,圖中cf段相當(dāng)于終端短路的λg/4線,使bc段相當(dāng)于終端開(kāi)路的λg/4線。于是,雖然a、b點(diǎn)在機(jī)械上并不接觸,但λg/2重復(fù)性使活塞在ab處形成一個(gè)有效的短路面,而物理接觸點(diǎn)因?yàn)棣薵/4變換性而使其接觸電阻Rk正好在電流波節(jié)de處,使損耗可以減小到最小。由于活塞與波導(dǎo)壁沒(méi)有接觸,無(wú)摩擦,移動(dòng)平穩(wěn),同時(shí)活塞的加工精度要求不高,這種活塞的駐波比可以做到大于100。但因扼流槽尺寸與工作頻率有關(guān),故有10%~15%的帶寬限制。圖7-2-2矩形波導(dǎo)山字形扼流式短路活塞

圖7-2-3是兩種同軸線結(jié)構(gòu)的扼流活塞,其原理相同,不再重復(fù)。圖7-2-3同軸線短路活塞

接頭用于連接傳輸線,也有接觸式和扼流式兩種。它們借助于焊在被連接波導(dǎo)端口上的法蘭盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)形式有平法蘭盤(pán)和扼流式法蘭盤(pán)兩種,如圖7-2-4所示。圖7-2-4波導(dǎo)接頭

平接頭具有加工方便、體積小、頻帶寬的優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是若機(jī)械接觸不好,則電接觸不良,易引起功率反射和泄漏,大功率時(shí)還會(huì)發(fā)生打火。扼流式接頭的優(yōu)點(diǎn)是安裝方便,可防止微波功率從連接處的隙縫中漏出;缺點(diǎn)是頻帶較窄。

2.匹配負(fù)載

匹配負(fù)載是一種能全部吸收輸入功率的終端元件,由一段終端短路的波導(dǎo)或同軸線構(gòu)成,其中放有吸收微波功率的物質(zhì)。匹配負(fù)載是應(yīng)用最廣泛的微波元件之一,它在微波測(cè)量中常用作匹配標(biāo)準(zhǔn),在調(diào)整儀器和發(fā)射機(jī)時(shí),可作為等效天線用。

小功率波導(dǎo)匹配負(fù)載如圖7-2-5所示,在一段終端短路的波導(dǎo)段中垂直于波導(dǎo)寬面的中心位置放置一吸收片。吸收片是用玻璃、陶瓷或膠木等介質(zhì)做基片,上面涂敷金屬粉末、石墨粉或真空噴鍍鎳鉻合金等電阻性材料。吸收片與電場(chǎng)力線平行,電場(chǎng)通過(guò)時(shí)在電阻膜片上感應(yīng)起電流,從而將吸收的微波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｎ掌拈L(zhǎng)度一般為幾個(gè)λg,做成尖劈形以減小反射。這種匹配負(fù)載在10%~15%帶寬內(nèi)可做到駐波比低于1.01。圖7-2-5小功率波導(dǎo)匹配負(fù)載

小功率同軸線匹配負(fù)載如圖7-2-6所示,它是通過(guò)在同軸內(nèi)外導(dǎo)體之間放入圓錐形或階梯形吸收體構(gòu)成的。圖7-2-6小功率同軸線匹配負(fù)載

大功率匹配負(fù)載須采用“體”吸收的方法?？紤]到熱量吸收的同時(shí),還要考慮到散熱問(wèn)題。吸收物體可以是固體(如石墨和水泥混合物)或液體(通常采用水)。大功率匹配負(fù)載常采用“水負(fù)載”,利用流動(dòng)的水作為微波吸收物質(zhì)。水是一種很好的微波吸收材料,其損耗角正切很大,能強(qiáng)烈地吸收微波功率。水的比熱很大,在流動(dòng)的情況下,可以耗散很大的功率,故適宜作為大功率微波吸收材料。圖7-2-7給出了大功率波導(dǎo)水負(fù)載示意圖,它是在波導(dǎo)終端安置劈形玻璃容器,其內(nèi)通以水,吸收微波功率。流進(jìn)的水吸收微波功率后溫度升高,根據(jù)水的流量和進(jìn)出水的溫度差可測(cè)量微波功率值。圖7-2-7大功率波導(dǎo)水負(fù)載

3.波導(dǎo)的彎曲與扭轉(zhuǎn)

當(dāng)傳輸線方向改變時(shí),中間就要接入彎頭,彎頭有折角及圓弧兩種。

按窄壁彎折(在電場(chǎng)平面彎折)的折角彎頭稱為E面彎頭,同樣的,可按寬壁彎折(在磁場(chǎng)平面彎折)稱為H面彎頭,如圖7-2-8所示。對(duì)于這兩種彎頭,主要是選擇折角尺寸d,使工作波段內(nèi)得到最佳匹配。對(duì)于3cm標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo),E面彎頭d=0.86b,而H面彎頭d=0.93圖7-2-8波導(dǎo)彎頭

如果波導(dǎo)采取緩慢變形就形成圓弧彎頭,如圖7-2-9所示。它同樣可分E面彎頭和H面彎頭兩種形式。其圓弧要求并不嚴(yán)格,一般所用弧度半徑R對(duì)于E面彎頭R≥1.5b,對(duì)于H面彎頭R≥1.5a。圖7-2-9波導(dǎo)彎曲

圖7-2-10扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)

7.2.2衰減器與移相器

衰減器和移相器都是二端口器件,廣泛應(yīng)用于微波技術(shù)中。前者用來(lái)改變傳輸系統(tǒng)中電磁波場(chǎng)強(qiáng)的幅度,常用作電平調(diào)節(jié)和去耦作用;后者用以改變相位,常用于相位測(cè)量和負(fù)載特性測(cè)量。兩者的結(jié)構(gòu)都可以做成固定式和可調(diào)式,如果將其結(jié)合在一起使用,則可以調(diào)節(jié)傳輸線的傳輸常數(shù)γ。

二端口微波網(wǎng)絡(luò)的插入衰減量有兩部分:一是有耗網(wǎng)絡(luò)的吸收衰減;二是由網(wǎng)絡(luò)與傳輸線的不匹配產(chǎn)生的反射衰減或截止衰減。因此,按衰減原理,衰減器可分為吸收式和截止式兩種。衰減器的指標(biāo)有插入損耗、最大衰減量、駐波比及帶寬。

1.吸收式衰減器

如圖7-2-11所示,它是內(nèi)含吸收片的一段波導(dǎo)。吸收片的平面與電力線平行,其對(duì)微波能的吸收作用與匹配負(fù)載中吸收片的作用相似。為了減小衰減器輸入和輸出端的反射,可以將薄片做成斜面形狀(劈形)。圖7-2-11矩形波導(dǎo)吸收式衰減器

2.截止式衰減器

由第5章微波傳輸線所講述的內(nèi)容可知,當(dāng)λ>λc時(shí),波不能在波導(dǎo)中傳輸,處于截止?fàn)顟B(tài),這種波導(dǎo)稱為截止波導(dǎo)。此時(shí)波的振幅在波導(dǎo)中按e-αz衰減,且無(wú)相位變化。根據(jù)這一特性,可將截止波導(dǎo)作為衰減器。由第5章知

上式說(shuō)明,衰減常數(shù)僅與λc有關(guān)而與頻率無(wú)關(guān),具有寬頻帶特性。

截止式衰減器結(jié)構(gòu)如圖7-2-12所示,其輸入輸出部分是同軸線,而起衰減作用的是一圓波導(dǎo)。圓波導(dǎo)的工作模式是TE○11模,其截止波長(zhǎng)λc

=3.41R,R為圓波導(dǎo)的半徑。若選擇工作波長(zhǎng)大于圓波導(dǎo)中TE○11模的截止波長(zhǎng),則圓波導(dǎo)處于截止工作狀態(tài),其中的場(chǎng)將按e-αz規(guī)律衰減。這種衰減器的衰減量為

其中,LA(0)是起始衰減量,α近似恒定,因此LA與l成正比,可以對(duì)l進(jìn)行精確定標(biāo)。這種衰減器可作為精密衰減器,成為國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。圖7-2-12截止式衰減器

3.旋轉(zhuǎn)極化衰減器

旋轉(zhuǎn)式極化衰減器如圖7-2-13所示,它是由三段波導(dǎo)段構(gòu)成的。兩端是矩圓和圓矩過(guò)渡波導(dǎo),里面放一塊很薄的吸收片,其方向平行于矩形波導(dǎo)的寬邊,這兩段保持不動(dòng);中間工作于TE○11波的圓波導(dǎo)可繞軸旋轉(zhuǎn),其中也放置一塊很薄的吸收片,并隨圓波導(dǎo)一起旋轉(zhuǎn)。圖7-2-13旋轉(zhuǎn)極化衰減器

其工作過(guò)程為:

由矩形波導(dǎo)輸入的TE□10波,經(jīng)矩圓過(guò)渡波導(dǎo)轉(zhuǎn)換成圓波導(dǎo)中的TE○11模,由于電場(chǎng)E1的極化方向垂直于吸收片1,故能量不被吸收地進(jìn)入圓波導(dǎo)段。當(dāng)圓波導(dǎo)中的吸收片2相對(duì)于水平面旋轉(zhuǎn)一個(gè)θ角時(shí),可將電場(chǎng)E1分解成與吸收片2垂直的E⊥分量和與吸收片2平行的E∥分量,其大小分別為E⊥=E1cosθ,E∥=E1sinθ。其中,E⊥分量不受衰減地通過(guò),而E∥分量將被吸收。當(dāng)E⊥分量傳輸至圓矩波導(dǎo)段時(shí),再次分解為垂直分量E'⊥和平行分量E'∥。E'⊥無(wú)衰減地通過(guò),其大小為E'⊥=E⊥cosθ=E1cos2θ。

由于功率正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方,故衰減量為

可見(jiàn),其衰減量只與旋轉(zhuǎn)角θ有關(guān),而θ可以精確定標(biāo),故這種衰減器可作為衰減量標(biāo)準(zhǔn)的精密衰減器。

4.移相器

理想的移相器應(yīng)該是一個(gè)衰減為零、相移量可變的二端口網(wǎng)絡(luò),其散射矩陣為

其中,β為相移常數(shù);l為移相器移相作用部分長(zhǎng)度。

可見(jiàn)改變移相量有兩種方法:

(1)改變傳輸線的長(zhǎng)度l,可以改變相移。例如在波導(dǎo)寬邊中心加一個(gè)或幾個(gè)螺釘即構(gòu)成螺釘移相器,因?yàn)樗喈?dāng)于改變了波導(dǎo)的等效長(zhǎng)度。

(2)改變傳輸線的相位常數(shù),也可以改變相移。因?yàn)榻橘|(zhì)片所在處的高頻電場(chǎng)越強(qiáng),它對(duì)通過(guò)波的影響就越大,相移就越大。所以將圖7-2-11或圖7-2-13中衰減器的吸收片換成低損耗介質(zhì)片(如石英、聚四氟乙烯等)便成為介質(zhì)片可調(diào)移相器,故通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變介質(zhì)在波導(dǎo)中的位置,可以改變相移。移相器有各種各樣的結(jié)構(gòu),在這里不再一一列舉。

7.2.3波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)

波導(dǎo)的T形分支和雙T接頭用來(lái)將微波能量分配到不同的波導(dǎo)支路。這種電路在雷達(dá)設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。

1.ET分支

如圖7-2-14所示,分支在波導(dǎo)的寬邊上,且與TE10波的Ey分量平行,故也稱為E面分支。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為主波導(dǎo)的兩臂1、2以分支臂4(稱為電臂)為幾何對(duì)稱。圖7-2-14ET分支

當(dāng)TE10波從4端口輸入時(shí),1與2端口將有等幅反相的輸出,其電場(chǎng)力線的分布如圖7-2-15(a)所示。同理可得圖7-2-15(b)、(c)的力線分布圖。圖7-2-15ET分支各臂輸入與輸出情況

應(yīng)當(dāng)注意到:①當(dāng)TE10波從4端口臂輸入時(shí),幾何對(duì)稱面為電場(chǎng)力線的反對(duì)稱面,因此1臂與2臂的電特性相對(duì)于對(duì)稱面是反對(duì)稱的;②幾何對(duì)稱面上的駐波狀況是與各分支的輸出情況相對(duì)應(yīng)的。

由于E－T分支是由波導(dǎo)的寬邊分支出來(lái)的,主波導(dǎo)寬邊上的壁面電流與分支臂上寬邊壁面電流是連續(xù)的。因此,如果傳輸TE10波的主波導(dǎo)用雙線等效,則分支臂就等效為一個(gè)串聯(lián)雙線,可用一個(gè)電抗表示,如圖7-2-16所示。

如果將分支臂4用短路活塞代替,改變短路活塞的位置l,就可實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)電抗jX大小的改變。圖7-2-16ET分支等效電路

2.H－T分支

分支是在主波導(dǎo)的窄壁面上,且與TE10波的磁力線所在平面平行,故也稱為H面分支,如圖7-2-17所示。一般標(biāo)主波導(dǎo)的兩臂為1和2,分支臂為3。圖7-2-17HT分支

因經(jīng)分支臂中心的幾何對(duì)稱面是3臂TE10波電場(chǎng)的偶對(duì)稱面,因此容易得出下面的結(jié)果:

(1)當(dāng)波由3臂輸入時(shí),1、2兩臂有等幅同相輸出,如圖7-2-18(a)所示,即S13=S23。

(2)當(dāng)波由1、2兩臂等幅同相輸入時(shí),則在3臂有“和”輸出,如圖7-2-18(b)所示。

(3)當(dāng)波由1、2兩臂等幅反相輸入時(shí),則在3臂有“差”輸出,如圖7-2-18(c)所示。

(4)當(dāng)波由1臂輸入時(shí),則在2、3臂有等幅同相輸出,即S21=S31;當(dāng)波由2臂輸入時(shí),則在1、3兩臂有等幅同相輸出,即S12=S32。圖7-2-18HT分支各臂輸入輸出情況

H面分支的等效電路相當(dāng)于一個(gè)具有并聯(lián)分支的傳輸線,如圖7-2-19所示。圖7-2-19HT分支等效電路

3.雙T分支及魔T

雙T分支由E－T和H－T接頭組合而成,如圖7-2-20所示。其四個(gè)端口的代號(hào)與E－T和H－T的代號(hào)相同即主波導(dǎo)為1、2臂,3為H面分支臂,4為E面分支臂,幾何對(duì)稱面為T(mén)。圖7-2-20波導(dǎo)雙T

由E－T和H－T分支的特性可以得出雙T分支的一些重要特性,如下所示:

(1)波由3臂輸入時(shí),1、2兩臂有等幅同相的輸出,即S13=S23。

(2)波由4臂輸入時(shí),1、2兩臂有等幅反相的輸出,即S14=-S24(E－T接頭的特性)。

(3)波由1、2兩臂等幅同相輸入時(shí),3臂有“和”的輸出,4臂無(wú)輸出,即S43=0。

(4)根據(jù)雙T接頭結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,又有S11=S22。

(5)由互易性,又有S12=S21,S13=S31,S23=S32,S34=S43,S14=S41。

需要注意的是,得到上述結(jié)論的重要前提條件是其余各端口接匹配負(fù)載。即使如此,由于在E－T和H－T重疊處結(jié)構(gòu)的突變性,從3臂和4臂輸入的波仍存在反射。為了消除或減輕反射,可在匯合處放置匹配元件,使之產(chǎn)生一個(gè)附加的反射以抵消原來(lái)的反射波,從而實(shí)現(xiàn)匹配。一旦3、4兩臂人為地調(diào)好匹配,則1、2兩臂將自動(dòng)達(dá)到匹配,這種匹配的雙T接頭,通常稱為“魔T”,如圖7-2-21所示。圖7-2-21魔T(匹配雙T)

此時(shí),由于匹配雙T的3、4兩臂調(diào)到匹配,則S33=S44=0;由[S]的么正性可得

由以上分析可得出匹配雙T的三個(gè)重要特性,如下所示:

(1)功率的平分性。魔T相鄰兩端口有3dB的耦合量,即由1端口輸入的功率,由3、4兩端口平分輸出;由3端口輸入的功率,由1、2兩端口平分輸出;

(2)對(duì)口隔離性。1端口與2端口,3端口與4端口互相隔離,即S12=S21=S34=S43=0;S

(3)自動(dòng)匹配性。如果3端口與4端口匹配,則1端口與2端口自動(dòng)獲得匹配,即S11=S22=S33=S44=0。

7.3阻抗調(diào)配器和阻抗變換器

在微波波段,實(shí)現(xiàn)阻抗變換元件是由傳輸線組成的,它有兩種主要類型:一是阻抗調(diào)配器,主要是利用電抗元件,特點(diǎn)是工作頻帶較寬,缺點(diǎn)是要有調(diào)諧裝置以適應(yīng)不同的頻率,因而體積較大;二是阻抗變換器,利用λ/4變換性,它不要求調(diào)諧,且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便,結(jié)構(gòu)緊湊,在微波匹配電路中獲得了廣泛的應(yīng)用。

7.3.1微波電抗元件

1.膜片與螺釘

波導(dǎo)中的膜片是垂直于波導(dǎo)管軸放置的薄金屬片,有對(duì)稱和不對(duì)稱兩種。膜片是波導(dǎo)中常用的匹配元件。一般在調(diào)匹配時(shí)多用不對(duì)稱膜片;而當(dāng)負(fù)載要求對(duì)稱輸出時(shí),則需要對(duì)稱膜片。

1)電容膜片

如圖7-3-1(a)、(b)所示,由于波導(dǎo)寬邊的縱向電流流進(jìn)膜片而在膜片上積聚電荷,使膜片周?chē)臻g電場(chǎng)增強(qiáng),儲(chǔ)存的電能增加,因而起著電容的作用。如波導(dǎo)等效為雙線,則容性膜片就等效為一并接于雙線上的電容,如圖7-3-1(c)所示。

膜片開(kāi)窗寬b'越小,相對(duì)電納越大;當(dāng)b'=0時(shí),膜片上歸縮成短路片,相對(duì)電納值為無(wú)窮大。圖7-3-1電容膜片

2)電感膜片

如圖7-3-2(a)、(b)所示,由于膜片上的電流使膜片激勵(lì)發(fā)出新的磁場(chǎng),從而加強(qiáng)了膜片窗口里的磁場(chǎng)強(qiáng)度,因而起著電感的作用。如波導(dǎo)等效為雙線,則感性膜片就等效為一并接于雙線上的電感,如圖7-3-2(c)所示。圖7-3-2電感膜片

將電容性膜片和電感性膜片組合起來(lái),如圖7-3-3所示,則其等效電路是電感與電容的并聯(lián),可對(duì)某一頻率發(fā)生諧振,因而稱之為諧振窗。諧振時(shí),對(duì)某一固定頻率產(chǎn)生諧振,電磁波可以無(wú)反射通過(guò)。諧振窗孔的形狀可做成圓形、橢圓形、啞鈴形等并以材料密封,常用材料是玻璃、聚四氟乙烯、陶瓷片等。圖7-3-3諧振窗及等效電路

如圖7-3-4所示為雷達(dá)中天線收發(fā)開(kāi)關(guān)的示意圖。在兩個(gè)諧振窗間的密閉空間充以容易電離的氣體,當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的功率Pr到達(dá)諧振窗1時(shí),因氣體電離使諧振窗口成為一短路面,波將被反射而不進(jìn)入接收機(jī);當(dāng)工作于接收狀態(tài)時(shí),由于功率小,不足以使氣體電離,接收的信號(hào)將無(wú)反射地穿過(guò)諧振窗口而傳送到接收機(jī)。圖7-3-4天線收發(fā)開(kāi)關(guān)示意圖

3)螺釘與銷(xiāo)釘

在矩形波導(dǎo)寬邊中央插入金屬螺釘,如圖7-3-5所示,則波導(dǎo)寬面的縱向電流要流入螺釘產(chǎn)生的磁場(chǎng),產(chǎn)生電感效應(yīng);另一方面螺釘端面電荷的積累使電場(chǎng)增強(qiáng),產(chǎn)生電容效應(yīng)。故它可以等效為L(zhǎng)、C串聯(lián)回路。圖7-3-5調(diào)諧螺釘及其等效電路

在實(shí)際使用時(shí),要考慮螺釘引入的損耗以及擊穿問(wèn)題。螺釘旋入波導(dǎo)都不太深,故螺釘一般作調(diào)諧電容。螺釘?shù)娜菪噪娂{與螺釘?shù)闹睆郊靶氩▽?dǎo)的深度有關(guān),螺釘?shù)闹睆皆酱?電納越大;旋入越深,電納越大;離波導(dǎo)寬面中心越遠(yuǎn),電納越小。

當(dāng)螺釘垂直對(duì)穿波導(dǎo)寬邊時(shí),稱為“銷(xiāo)釘”,此時(shí)起主要作用的是電感。銷(xiāo)釘產(chǎn)生的電納與棒的粗細(xì)有關(guān),棒越粗,電感量越小,其電納越大;同樣尺寸的銷(xiāo)釘,根數(shù)越多,產(chǎn)生的電納越大。

2.并聯(lián)短截線

由長(zhǎng)線理論知道,長(zhǎng)度為l的短路短線,其輸入端的阻抗為Zin

=jZ0tanβl。當(dāng)0<l<λ/4時(shí),Zin為感抗,如果短路短線長(zhǎng)度很小,l?λ(一般選用l≤λ/8),其輸入阻抗可近似為

圖7-3-6所示為用帶狀線(微帶線)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電感和電容的結(jié)構(gòu)及其等效電路。圖7-3-6帶狀線(微帶線)短截線示意圖及等效電路

3.高低阻抗線

由第6章習(xí)題611知,長(zhǎng)度為l、特性阻抗為Z0的均勻無(wú)耗傳輸線段可以等效為T(mén)型電路;也可以等效為π型電路,如圖7-3-7所示。圖7-3-7傳輸線段及其等效電路

采用兩個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)的參量對(duì)應(yīng)相等的方法,可以導(dǎo)出均勻傳輸線段與上述等效電路相應(yīng)參量的關(guān)系式?？梢宰C明,當(dāng)l≤λ/8時(shí)有

可見(jiàn)等效電路中的電納和電抗均近似與ω呈線性關(guān)系,所以電容和電感值分別為

7.3.2阻抗調(diào)配器

圖7-3-8所示是一種三支節(jié)同軸阻抗調(diào)配器結(jié)構(gòu)示意圖,它采用同軸短路活塞提供所需的電納。其輸出輸入端分別與負(fù)載阻抗及信號(hào)源相接,兩個(gè)接頭之間為主同軸線,與主同軸并聯(lián)的是三個(gè)相距均為l的短路活塞,每一并聯(lián)分支等效為一個(gè)并聯(lián)電納,其值和正負(fù)號(hào)取決于短路面的位置。圖7-3-8同軸調(diào)配器結(jié)構(gòu)示意圖

圖7-3-9所示是三支節(jié)矩形波導(dǎo)阻抗調(diào)配器結(jié)構(gòu)示意圖,它采用調(diào)諧螺釘提供所要的電納。調(diào)諧螺釘從波導(dǎo)寬壁中心伸入,電納的大小決定于螺釘直徑、釘頭形狀及伸入深度。注意,為了避免短路,螺釘伸入深度較小,只能實(shí)現(xiàn)容性電納。圖7-3-9矩形波導(dǎo)調(diào)配器結(jié)構(gòu)示意圖

7.3.3λ/4阻抗變換器

在第4章中我們已經(jīng)知道四分之一波長(zhǎng)傳輸線就是一個(gè)阻抗變換器。設(shè)負(fù)載阻抗為ZL,傳輸線特性阻抗為Z1,則輸入阻抗為Zin=Z21/ZL。這種由一段λ/4線組成的阻抗變換器稱為單節(jié)阻抗變換器。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是工作頻帶太窄。為了展寬工作頻帶,可以采用多節(jié)阻抗變換器。

1.多節(jié)變換器理論

如圖7-3-10所示為多節(jié)阻抗變換器,實(shí)際上就是將單節(jié)變換器的較大阻抗突變分散成若干個(gè)較小的突變,合理設(shè)計(jì)其突變的尺寸和長(zhǎng)度,在一頻帶段范圍內(nèi)使其產(chǎn)生的反射互相抵消以致變得很小。理論表明,多節(jié)變換器的總反射系數(shù)可以表示為Γ(θ)=其中

如果該變換器可設(shè)計(jì)成對(duì)稱的,即Γ0=Γn,Γ1=Γn-1,Γ2=Γn-2,…,則若n是奇數(shù),上式可表示為

若n為偶數(shù),則可表示為圖7-3-10多節(jié)變換器的局部反射系數(shù)

2.切比雪夫阻抗變換器

n階切比雪夫多項(xiàng)式是遞推多項(xiàng)式,設(shè)計(jì)切比雪夫阻抗變換器時(shí),需改寫(xiě)成cosnθ形式,即

圖7-3-11是采用切比雪夫多項(xiàng)式設(shè)計(jì)的同軸線9節(jié)阻抗變換器模型圖和仿真結(jié)果。其中Zin=12.5Ω,ZL=50Ω,設(shè)計(jì)帶寬為0.8~6GHz,中心頻率是3.4GHz,最大反射系數(shù)Γm=0.046,dB(S11)=-26.745dB。圖7-3-119節(jié)同軸切比雪夫變換器模型與仿真結(jié)果

7.4定向耦合器與功率分配器

7.4.1定向耦合器技術(shù)指標(biāo)所謂定向就是指信號(hào)的輸出口是指定的,理論上不會(huì)從其他端口輸出。按照耦合端與輸入端、直通端的相對(duì)位置關(guān)系,定向耦合器可以分為三種:同向定向耦合器(見(jiàn)圖7-4-1(a))、反向定向耦合器(見(jiàn)圖7-4-1(b))、雙向定向耦合器(見(jiàn)圖7-4-1(c))。其[S]矩陣雖不相同,但均為四端口無(wú)耗可逆矩陣,具有相同的性質(zhì)。圖7-4-1定向耦合器的工作示意圖

如圖7-4-1(a)所示,設(shè)端口1為輸入端,端口2為直通端(信號(hào)直接輸出端),端口3為耦合端(信號(hào)耦合輸出端),端口4為隔離端,理想情況下輸出功率為零。在各端口均接匹配負(fù)載的情況下,定義下述各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo):

(1)耦合度C:輸入端的輸入功率P1與耦合端的輸出功率P3之比的分貝數(shù)表示為

(2)方向性D:耦合端和隔離端輸出功率之比的分貝數(shù)表示為

(3)隔離度I:輸入端輸入的功率P1與隔離端輸出功率P4之比的分貝數(shù)表示為

上述三個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系為

D與I都是描述定向耦合器定向性能的量,但實(shí)際上更多使用方向性D而極少用隔離度I。方向性越高越好,理想情況為P4=0,D=∞。其他技術(shù)指標(biāo)例如駐波比、帶寬、插入損耗與其他器件類似。

7.4.2波導(dǎo)雙孔定向耦合器

雙孔定向耦合器由兩根波導(dǎo)組成,分別稱為主波導(dǎo)與輔波導(dǎo)。該型耦合器通過(guò)主、輔波導(dǎo)公共寬壁(或窄壁)上的兩個(gè)小孔實(shí)現(xiàn)定向耦合,工作原理如圖7-4-2所示。1、2為主波導(dǎo)端口,3、4為輔波導(dǎo)端口,主、輔波導(dǎo)的尺寸相同。兩小孔間的距離為d=λg/4,λg為中心頻率f0的波導(dǎo)波長(zhǎng)。7-4-2波導(dǎo)雙孔定向耦合器原理圖與照片

方向性為

為了提高雙孔定向耦合器的方向性,可以增加耦合孔的數(shù)目,使其方向性的頻率特性為最平坦特性或切比雪夫特性,以得到寬頻帶高方向性的定向耦合器。

7.4.3波導(dǎo)十字槽孔定向耦合器

十字槽孔定向耦合器的優(yōu)點(diǎn)是具有理想方向性,且基本上與頻率無(wú)關(guān),耦合度的頻率特性也較好,結(jié)構(gòu)緊湊,連接方便,在微波通信系統(tǒng)中經(jīng)常采用。

十字槽孔定向耦合器如圖7-4-3所示,其主、輔波導(dǎo)軸正交,十字槽孔的中心位于對(duì)角線上,由兩個(gè)互相正交的窄長(zhǎng)槽孔組成,兩槽孔尺寸相同,長(zhǎng)度為2l,寬度為2w。十字槽孔的方向性,是由一個(gè)橫槽孔和一個(gè)豎槽孔磁耦合作用的疊加。窄長(zhǎng)槽孔的寬度很小,電力線幾乎穿不過(guò),基本上無(wú)電耦合,而只有磁力線穿過(guò),且槽孔越長(zhǎng),則磁耦合也越強(qiáng)。下面利用圖7-4-4對(duì)其進(jìn)行具體分析。圖7-4-3十字槽孔定向耦合器結(jié)構(gòu)圖

在圖7-4-4(a)中,主波導(dǎo)內(nèi)縱向磁場(chǎng)Hz1到達(dá)橫槽孔時(shí),將穿過(guò)槽孔而進(jìn)入輔波導(dǎo),激起分別向3端口和4端口傳播的電場(chǎng)E'3和E'4,兩電場(chǎng)等幅反向。在圖7-4-4(b)中,當(dāng)主波導(dǎo)內(nèi)橫向磁場(chǎng)Hx1到達(dá)豎槽孔時(shí),將穿過(guò)槽孔而進(jìn)入輔波導(dǎo),激起分別向3端口和4端口傳播的電場(chǎng)E″3和E″4,兩電場(chǎng)等幅同向。同時(shí),在第5章中我們知道TE10波的縱向磁場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)在時(shí)間上存在90°的相位差即1/4周期相位差,故E″3產(chǎn)生之時(shí),E'3也正好傳播到,兩者同向疊加,結(jié)果3端口有輸出。E″4產(chǎn)生之時(shí),E'4也正好傳播到,兩者反向疊加而抵消,結(jié)果4端口無(wú)輸出。圖7-4-4十字槽孔定向耦合器原理圖

從以上分析也可以看出,十字槽孔定向耦合器,通過(guò)十字槽孔從主波導(dǎo)耦合到副波導(dǎo)的TE10波總是朝穿過(guò)十字槽孔所在對(duì)角線的方向傳播,反方面為隔離端,如圖7-4-5所示。

耦合度大是單十字槽孔定向耦合器的缺點(diǎn)。為了減小耦合度,實(shí)際上是采用雙十字槽孔,兩個(gè)槽孔均開(kāi)在對(duì)角線上,其耦合度可減小6dB。圖7-4-5十字槽耦合器耦合波傳輸方向的判定

7.4.4平行耦合線耦合器

上述兩種耦合器都是波導(dǎo)耦合器,傳播的是TE波或TM波。TEM波耦合器多用平行耦合線實(shí)現(xiàn),以帶狀線結(jié)構(gòu)為主。通常,此類定向耦合器由主線和輔線構(gòu)成,兩條平行帶線的長(zhǎng)度為λ/4,如圖7-4-6所示。圖7-4-6平行耦合線耦合器結(jié)構(gòu)

1.工作原理

信號(hào)由端口1輸入,端口2直接輸出。當(dāng)主線1－2中有交變電流i1通過(guò)時(shí),由于3－4線和1－2線相互靠近,故3－4線中便耦合有能量,能量既通過(guò)電場(chǎng)(以耦合電容表示)又通過(guò)磁場(chǎng)(以耦合電感表示)耦合,通過(guò)耦合電容Cm

的耦合,在傳輸線3－4中引起的電流為ic3和ic4。同時(shí),由于i1的交變磁場(chǎng)的作用,在線3－4上感應(yīng)有電流iL。由電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電流iL的方向與i1

相反,如圖7-4-7所示。所以能量從端口1輸入,則耦合口是3端口,而在4端口由于電耦合電流ic4與磁耦合電流iL的方向相反而互相抵消,故4端口是隔離端。因?yàn)檩o線上耦合輸出的方向與主線上波傳播的方向相反,故是反向耦合器。圖7-4-7耦合線耦合器工作原理

2.物理結(jié)構(gòu)

耦合的TEM模傳輸線的各種物理結(jié)構(gòu)均可以用于這些耦合器,如圖7-4-8所示。

其中,圖7-4-8(a)、(b)、(c)的結(jié)構(gòu)非常適合于弱耦合,主要用于20dB、30dB耦合器設(shè)計(jì);而圖7-4-8(d)、(e)、(f)、(g)、(h)的結(jié)構(gòu),非常適用于強(qiáng)耦合,主要用于3~7dB耦合。中等耦合值用圖7-4-8(d)、(e)、(f)、(g)的結(jié)構(gòu)最易獲得。圖7-4-8耦合的TEM模傳輸線的各種物理結(jié)構(gòu)

3.單節(jié)λ/4平行耦合線耦合器設(shè)計(jì)步驟

(1)確定耦合系數(shù)C(dB);

(2)利用下式計(jì)算奇偶模阻抗(注意要將功率耦合系數(shù)C(dB)換算成電壓耦合系數(shù)C0);

(3)通過(guò)查表或公式求解出耦合帶線物理尺寸。

圖7-4-9分別給出了基于平行耦合線的多種寬帶耦合器結(jié)構(gòu)圖。圖7-4-9平行耦合線耦合器

7.4.5功率分配器

(1)分配損耗:主路到支路的分配損耗與功率分配器的功率分配比(Pin=kPout)有關(guān),即

(2)插入損耗:由于傳輸線的介質(zhì)或?qū)w不理想及端口回波不理想所帶來(lái)的附加損耗,即

(3)隔離度:衡量支路端口信號(hào)相互影響的程度,即

1.同軸線型功率分配器

同軸線型功率分配器由一個(gè)分支結(jié)(T型結(jié)或十字結(jié))和一段多節(jié)或單節(jié)λ/4阻抗變換器組成,如圖7-4-10所示。圖7-4-10同軸線型功率分配器結(jié)構(gòu)示意圖

一般單個(gè)分支結(jié)在實(shí)際中最多為4個(gè),否則不易實(shí)現(xiàn)。更多路功率分配則可以通過(guò)多個(gè)分支節(jié)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。圖7-4-11給出了直接均分4路輸出與兩次均分4路(使用一個(gè)十字結(jié)和一個(gè)T型結(jié))的模型圖。圖7-4-11多路輸出結(jié)構(gòu)

2.威爾金森功率分配器

威爾金森功率分配器的基本結(jié)構(gòu)也是同軸線結(jié)構(gòu),但是使用了隔離電阻,使之具有輸出隔離的性能。但同軸結(jié)構(gòu)的威爾金森功率分配器加工難度大,且不易實(shí)現(xiàn)寬頻,故后來(lái)只在微帶和帶狀線結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

圖7-4-12為等分威爾金森功率分配器結(jié)構(gòu)示意圖,其輸入線Ⅰ和輸出線Ⅱ、Ⅲ的特性阻抗都是Z0,則從分支結(jié)處向兩條輸出線看進(jìn)去的輸入阻抗應(yīng)為2Z0,為完成帶寬內(nèi)的匹配,自分支結(jié)處與輸出線間應(yīng)用λg/4阻抗變換器完成阻抗變換,對(duì)圖中所示的單節(jié)λg/4的兩分支線的特性阻抗則為2Z0。圖7-4-12威爾金森功率分配器結(jié)構(gòu)示意圖

為展寬頻寬,各支路可采用多節(jié)阻抗變換器,在多路輸出情況下,平面電路里的隔離電阻會(huì)疊加,威爾金森功率分配器不易實(shí)現(xiàn)3路以上的功率分配器,最多就只能實(shí)現(xiàn)3路,更多的路的功率分配器采用多個(gè)2路功率分配器或3路功率分配器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。圖7-4-13是多節(jié)2~4路功率分配器的實(shí)物圖。圖7-4-13多路功率分配器

7.5微波諧振器在微波以下的頻段,采用集總參數(shù)的電感L和電容C來(lái)構(gòu)造諧振回路。但當(dāng)頻率升高至微波頻段后,趨膚效應(yīng)引起的歐姆損耗、介質(zhì)引起的介質(zhì)損耗和輻射引起的損耗大大增加,諧振回路的Q值明顯降低。同時(shí),由于頻率的增加,使得L和C的數(shù)值大大減少,這一方面減少儲(chǔ)能空間,更進(jìn)一步降低了諧振回路的Q值及功率容量;另一方面,過(guò)小的L、C也使工藝結(jié)構(gòu)上難以實(shí)現(xiàn)。因此,在微波技術(shù)中采用的是如圖7-5-1所示的一些諧振腔。圖7-5-1微波諧振腔

諧振腔可以認(rèn)為是從LC回路演變而來(lái)的。如圖7-5-2所示,起初電容由平板電容構(gòu)成,電感由線圈構(gòu)成。為提高諧振頻率,通過(guò)減小線圈匝數(shù)來(lái)減小電感L,直至減小到只有一根導(dǎo)線。此時(shí)電感量仍不夠小,再并聯(lián)多根導(dǎo)線(即并聯(lián)多根電感),極限情況下就變成了一矩形諧振腔。

所以諧振腔具有與諧振回路相同的本質(zhì):它們都是電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量的互相轉(zhuǎn)換過(guò)程,其等效電路即低頻LC諧振回路。圖7-5-2LC回路演變成微波諧振腔

7.5.1矩形諧振腔

如圖7-5-3所示,如果把矩形波導(dǎo)的一端用金屬板封閉起來(lái),則當(dāng)電磁波在波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí),除了在側(cè)壁間形成駐波分布外,傳到兩端的金屬板時(shí)也會(huì)產(chǎn)生全反射,因而沿傳播方向也會(huì)形成駐波。由于導(dǎo)體的切向電場(chǎng)必須為零,故短路金屬板處為電場(chǎng)的波節(jié)點(diǎn)和磁場(chǎng)的波腹點(diǎn),因而在距短路端為λg/2的整數(shù)倍處,如圖7-5-3的AA'和BB'處,也是電場(chǎng)的波節(jié)點(diǎn)和磁場(chǎng)的波腹點(diǎn)。因而,如果在該處再加上金屬板,將不會(huì)改變?cè)械膱?chǎng)分布,于是就構(gòu)成了一個(gè)矩形諧振腔,如圖7-5-4所示。圖7-5-3矩形諧振腔的形成圖7-5-4TE101模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖

由此可見(jiàn),矩形波導(dǎo)諧振器的諧振波長(zhǎng)決定于a、b和l,長(zhǎng)度l的作用和橫截面尺寸a、b的作用是一樣的,而p相當(dāng)于沿諧振腔長(zhǎng)度的半波數(shù),與m、n的意義也是一樣的。

對(duì)于TMmnp來(lái)說(shuō)p可能等于零,此時(shí)場(chǎng)可能存在。而對(duì)于TEmnp來(lái)說(shuō)p不能等于零,當(dāng)p=0時(shí),諧振腔中的場(chǎng)將恒等于零。

當(dāng)b<a<l時(shí),由式(7-5-2)知矩形波導(dǎo)最低振蕩模式是TE101,對(duì)應(yīng)的諧振波長(zhǎng)為

TE101模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖7-5-4所示。各場(chǎng)量沿y方向和x方向的分布與矩形波導(dǎo)的TE10模相同,而沿z方向則有半個(gè)駐波的分布。

7.5.2圓柱形諧振腔

圓柱形諧振腔由一段兩端封閉的圓波導(dǎo)構(gòu)成,如圖7-5-5所示。和矩形諧振腔一樣,圓柱形諧振腔也有TEmnp和TMmnp型場(chǎng),其中m表示場(chǎng)沿半圓周分布的最大值個(gè)數(shù),n表示沿半徑分布的最大值個(gè)數(shù),p表示場(chǎng)沿軸向分布的最大值個(gè)數(shù)。在諧振模式中,最常用的是TE111型和TE011型。圖7-5-5圓柱腔中TE111

1.TE111型

TE111型是圓柱形諧振腔的基本諧振模式,它不僅易于單模工作,而且腔體尺寸小。TE111型的場(chǎng)分布如圖7-5-5所示,場(chǎng)量在徑向與圓周方向上與圓波導(dǎo)的TE11模相同,而沿z方向則有半個(gè)駐波的分布,它主要用作中等精度寬帶波長(zhǎng)計(jì),如圖7-5-6所示。圖7-5-6TE111模中等精度波長(zhǎng)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

TE111模的諧振波長(zhǎng)為

2.TE011型

根據(jù)TE011模場(chǎng)方程就可畫(huà)出其場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖,如圖7-5-7所示。與圓波導(dǎo)TE01模式一樣,這種模式的最大特點(diǎn)是腔壁上只有圓周方向的電流,從而在實(shí)際應(yīng)用中具有兩個(gè)重要的性質(zhì):

①這種腔損耗很小,品質(zhì)因數(shù)很高;

②由于只有圓周方向的電流,故工作于該模式的波長(zhǎng)計(jì),其調(diào)諧結(jié)構(gòu)可以做成如圖7-5-8所示的非接觸式的活塞,而活塞與腔壁之間的間隙并不影響這種TE011模諧振腔的性能。故TE011模圓柱形諧振腔可用作高精度波長(zhǎng)計(jì)等。圖7-5-7圓柱腔中TE011模式電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖圖7-5-8TE011模高精度波長(zhǎng)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

TE011模的諧振波長(zhǎng)為

7.5.3同軸諧振腔

將一段同軸線的兩端用導(dǎo)體板封閉,使其中傳播的電磁波變成駐波,就形成了同軸諧振腔。同軸線的主模為T(mén)EM波,因此它的工作頻帶很寬。常用的同軸諧振腔有如圖7-5-9所示的三種結(jié)構(gòu):圖7-5-9(a)的腔長(zhǎng)l=λ/2,稱為λ/2同軸線諧振腔;圖7-5-9(b)的腔長(zhǎng)l=λ/4,稱為λ/4同軸線諧振腔;圖7-5-9(c)在同軸線內(nèi)導(dǎo)體的開(kāi)路端與腔體端面之間形成集總電容,該電容作為同軸線的末端負(fù)載,因而稱之為電容加載同軸諧振腔。圖7-5-9三種結(jié)構(gòu)的同軸諧振腔圖7-5-10同軸諧振腔內(nèi)場(chǎng)分布

7.6微波濾波器濾波器是用來(lái)分離不同頻率信號(hào)的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號(hào),使其不能通過(guò)濾波器,而只讓需要的信號(hào)通過(guò)。在通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)等微波系統(tǒng)中,濾波器是必不可少的設(shè)備,同時(shí)濾波器還是構(gòu)成多工器的基礎(chǔ)。濾波器按頻率的通帶范圍可分為低通、高通、帶通和帶阻四個(gè)類型,其插入衰減特性如圖7-6-1所示,LA為衰減量,其中虛線為理想曲線。這四種濾波器,其中以帶通濾波器的應(yīng)用最為廣泛。圖7-6-1濾波器的響應(yīng)特性

濾波器主要技術(shù)指標(biāo)為:

(1)截止頻率與帶寬即通帶的上下限頻率f1和f2,截止頻率之差即為濾波器帶寬。

(2)通帶衰減即通帶內(nèi)允許的最大衰減,要求越小越好。

(3)帶外抑制即阻帶衰減,要求越大越好。

(4)寄生通帶是濾波器的特有指標(biāo),這是由于傳輸線是分布參數(shù),對(duì)頻率響應(yīng)具有周期性的原因,其結(jié)果使離開(kāi)設(shè)計(jì)通帶一定距離又產(chǎn)生了通帶,一般各通帶的中心頻率成倍數(shù)關(guān)系。濾波器的截止頻率一定不能落在寄生通帶內(nèi)。

(5)時(shí)延特性,信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間取決于群時(shí)延,表示為

其中,φ為濾波器的插入相移即該網(wǎng)絡(luò)的散射參量的相角θ21。當(dāng)插入φ與ω為線性關(guān)系時(shí),td為常數(shù),信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生失真;當(dāng)不是線性關(guān)系時(shí),信號(hào)會(huì)失真。

1.低通濾波器

正如前文所述,我們可以使用高阻抗傳輸線實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電感,用低阻抗線實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容。故在微波頻段,低通濾波器的典型結(jié)構(gòu)是高、低阻抗傳輸線交替級(jí)聯(lián)組成的糖葫蘆式濾波器。通過(guò)調(diào)整高低阻抗值及其長(zhǎng)度可以制造出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能優(yōu)良的低通濾波器。圖7-6-2是一個(gè)典型的15階同軸結(jié)構(gòu)低通濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路。圖7-6-215階同軸結(jié)構(gòu)低通濾波器

2.高通濾波器

高通濾波器的結(jié)構(gòu)通常用同軸短截線來(lái)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電感,用墊有聚四氟乙烯的內(nèi)導(dǎo)體圓盤(pán)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電容,從而構(gòu)成梯形高通濾波器。圖7-6-3為高通濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路。圖7-6-3高通濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路

3.帶通濾波器

帶通濾波器是應(yīng)用最為廣泛的濾波器,根據(jù)通帶的相對(duì)帶寬分為窄帶帶通和寬帶帶通兩種。一般相對(duì)帶寬小于20%稱為窄帶帶通濾波器,相對(duì)帶寬大于40%稱為寬帶帶通濾波器。帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)很多,其基本原理都可以歸結(jié)為耦合腔的級(jí)聯(lián)(串聯(lián)或并聯(lián)),在此我們僅介紹耦合腔的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

如果一個(gè)并聯(lián)諧振的LC諧振器并聯(lián)在電路里,如圖7-6-4(a)所示,則諧振頻率是可以通過(guò)的,失諧的頻率將會(huì)被阻止;如果有多個(gè)諧振在不同頻率上的并聯(lián)諧振回路級(jí)聯(lián)在電路里,且這些諧振頻率相差不大,則前一個(gè)回路里的能量會(huì)被耦合到后一個(gè)回路里。耦合可以是電感耦合也可以是電容耦合,于是會(huì)有一定范圍的頻率可以通過(guò),這樣就構(gòu)成了帶通濾波器,其原理圖如圖7-6-4(b)所示。在前文中所介紹的諧振腔都屬于并聯(lián)諧振器。圖7-6-4帶通濾波器工作原理

圖7-6-5為波導(dǎo)帶通濾波器的結(jié)構(gòu),每組電感膜片間隔λg/2(實(shí)際略短于λg/2),構(gòu)成矩形波導(dǎo)諧振腔,腔與腔間的能量通過(guò)電感耦合傳遞。調(diào)整膜片大小可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率的諧振和實(shí)現(xiàn)不同大小的耦合量(有時(shí)需加調(diào)諧螺釘或銷(xiāo)釘),以實(shí)現(xiàn)所需通帶和帶內(nèi)損耗。圖7-6-5波導(dǎo)帶通濾波器

圖7-6-6為采用λ/4電容加載同軸諧振腔的帶通濾波器,腔與腔間的能量通過(guò)電容耦合傳遞,通過(guò)調(diào)整諧振器上方調(diào)諧螺釘調(diào)節(jié)加載電容的大小,以實(shí)現(xiàn)不同頻率的諧振;通過(guò)調(diào)整諧振器間螺釘實(shí)現(xiàn)不同大小的耦合量。圖7-6-6同軸帶通濾波器

4.帶阻濾波器

帶阻濾波器可對(duì)某些特殊頻率進(jìn)行衰減,其LC原型電路如圖7-6-7所示。其并聯(lián)諧振器可用串聯(lián)諧振器按圖7-6-8所示的方法得到(參見(jiàn)習(xí)題612)。圖7-6-7帶阻濾波電路LC原型圖7-6-8λ/4倒置變換關(guān)系

圖7-6-9帶阻濾波器結(jié)構(gòu)圖7-6-109級(jí)帶阻濾波器響應(yīng)

7.7微波鐵氧體元件

鐵氧體又稱為磁性瓷,是微波技術(shù)中常用的一種非金屬類磁性材料。鐵氧體最初的原料是FeOFe2O3。之后,二價(jià)鐵由其他二價(jià)金屬代替,記作MOFe2O3。其中M代表二價(jià)金屬離子,常用的是錳、鎂、鎳、銅、鋅等。在微波波段常用鎳鋅、鎳鎂、錳鎂等鐵氧體,以及釔鐵石榴石(YIG)等。

7.7.1鐵氧體對(duì)圓極化波的導(dǎo)磁率

在外加恒定磁場(chǎng)H0時(shí),鐵氧體中的自旋電子會(huì)按右手螺旋繞著H0旋轉(zhuǎn),稱之為進(jìn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)的角頻率即進(jìn)動(dòng)角頻率為ω0=γH0,其中γ是旋磁比,一般為2.8兆赫/奧斯特。這種進(jìn)動(dòng)相當(dāng)于回路的自由振蕩,進(jìn)動(dòng)角頻率相當(dāng)于回路的自由振蕩頻率。

對(duì)于在鐵氧體中傳播的圓極化波,不論傳播方向和H0一致或是相反或是垂直,凡是交變磁場(chǎng)h和旋向?qū)0呈右手螺旋關(guān)系的,稱為正圓極化波或右旋波;凡是交變磁場(chǎng)h的旋向?qū)0呈左手螺旋關(guān)系的,稱為負(fù)圓極化波或左旋波。例如,一右旋圓極化波在鐵氧體中傳播,當(dāng)其傳播方向與H0一致時(shí)為正圓極化;而當(dāng)其傳播方向與H0相反時(shí)則為負(fù)圓極化,因?yàn)楹笳遠(yuǎn)的旋向剛好與H0呈左手關(guān)系。

顯然,正圓極化波h的旋向與自旋電子的進(jìn)動(dòng)方向一致,而負(fù)圓極化波的剛好相反,所以鐵氧體對(duì)正負(fù)圓極化波呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)磁率。一般來(lái)說(shuō),其相對(duì)導(dǎo)磁率如圖7-7-1所示。圖7-7-1鐵氧體對(duì)正負(fù)圓極化波呈現(xiàn)的相對(duì)導(dǎo)磁率

7.7.2微波鐵氧體元件

1.場(chǎng)移式隔離器場(chǎng)移式隔離器是利用鐵氧體在外加恒定磁場(chǎng)作用下,對(duì)正負(fù)圓極化波所具有的不同特性而構(gòu)成的一種微波元件。它使正向傳輸?shù)牟o(wú)衰減(實(shí)際上是衰減很小)地通過(guò),而對(duì)于反向傳輸?shù)牟▌t有較大的衰減。如在微波測(cè)量系統(tǒng)中使用隔離器,可以把負(fù)載不匹配所引起的反射通過(guò)隔離器吸收掉,不能返回信號(hào)源,使信號(hào)源穩(wěn)定地工作。

場(chǎng)移式隔離器如圖7-7-2所示。它由一段矩形波導(dǎo)和一片平行于窄壁的鐵氧體片組成,鐵氧體的右表面加有衰減片,外加較小的恒定磁場(chǎng)使之工作于低場(chǎng)區(qū),磁場(chǎng)方向和矩形波導(dǎo)寬壁垂直。場(chǎng)移式隔離器是利用鐵氧體對(duì)正負(fù)圓極化磁場(chǎng)呈現(xiàn)不同的導(dǎo)磁率而制成的鐵氧體器件。由圖7-7-3(a)可知,當(dāng)TE10波由1端向2端方向傳輸時(shí),在鐵氧體片處存在著逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的交變磁場(chǎng),該磁場(chǎng)相對(duì)于H0而言為正圓極化。由于鐵氧體工作于低場(chǎng)區(qū)中μ+<0區(qū)域,而在鐵氧體片右側(cè)為空氣,其μ值比μ+大許多,故磁場(chǎng)將主要由空氣中通過(guò),相應(yīng)的鐵氧體片附近的電場(chǎng)將很小,因而衰減片能吸收的能量也很少,電磁波將順