微波技术与天线——第3章.

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1、第三章、常用微波元器件 第三章 常用微波元件 微波元件的分类 按元件性质分：微波元件的功能在于对微波信号进行 各种变换，接其变换性质可将微波元件分为如下三类。 一、线性互易元件 凡是不包含非线性非互易性物质的元件都属于这一 类，这类元件只对微波信号进行线性变换，不改变频率 满足互易定理。常用的线性互易元件包括：匹配负载、 衰减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向 第三章、常用微波元器件 耦合器、阻抗变换器和滤波器等。 二、线性非互易元件 这类元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质，具有 非互易特性，其散射矩阵是不对称的。但仍工作于线性 区域，属于线性元件范围。常用的线性非互易元件有隔 离器

2、、环行器等。 三、非线性元件 这类元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非 线性变换，从而引起频率的改变，并能通过电磁控制以 改变元件的特性参量。常用的非线性元件有检波器、混 频器、变频器以及微波控制元件等。 第三章、常用微波元器件 按传输线的类型分：分为波导型、同轴型和微带型等 类型。过去常用的波导型和同轴型元件大多做成单件分 立式，一般单独完成一种功能。这种分立元件可以根据 需要加以组合，以构成各种微波系统。近年来采用由微 带和集中参数元件组成的微波集成电路，可以在一块基 片上做出大量的元件，组成复杂的微波系统，完成各种 不同功能。 按端口数目分：单端口，双短口，n端口网络 按功能分类：匹

3、配元件，连接元件，定向耦合元件， 滤波元件，衰减与相移元件，谐振元件等 本章对常用的无源线性微波元件作一简要介绍。包 括这些元件的基本工作原理，基本结构和主要用途。 第三章、常用微波元器件 微波元件负载 back 第三章、常用微波元器件 波导负载 第三章、常用微波元器件 波导匹配负载 back 第三章、常用微波元器件 各种同轴接头 第三章、常用微波元器件 同轴接头 back 第三章、常用微波元器件 抗流接头 第三章、常用微波元器件 平接头 第三章、常用微波元器件 同轴波导转化器 第三章、常用微波元器件 同轴波导转化器 第三章、常用微波元器件 E面弯波导 第三章、常用微波元器件 第三章、常用微波

4、元器件 第三章、常用微波元器件 定向耦合器 第三章、常用微波元器件 隔离器 第三章、常用微波元器件 滤波器 第三章、常用微波元器件 滤波器 第三章、常用微波元器件 放大器 back 第三章、常用微波元器件 放大器 第三章、常用微波元器件 衰减器 back 第三章、常用微波元器件 传输线中的电抗元件 微波系统中的电抗元件：利用微波传输线中结构尺寸 的不连续性组成的。由于不连续性引起的损耗很小，故 不连续性的等效电路不外乎是电感、电容、理想变压器 和无耗传输线段以及它们的组合。 电抗元件：包括感性元件和容性元件。感性元件是指 能够集中磁场和存储磁能的元件；而容性元件是指能够 集中电场和存储电能的元

5、件。 第三章、常用微波元器件 波导中的常用电抗元件。 1、电容膜片 结构：在矩形波导的宽壁上横向放置一块金属膜片， 并在其上对称或不对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同 的窄长窗口，如图2-21(a) 所示。 工作原理：当波导宽壁上的轴向电流到达膜片时，要 流进膜片。而电流到达膜片窗口时，传导电流被截断， 在窗口的边缘上积聚电荷而进行充放电，因此两膜片问 就有电场的变化而存储电能。这相当于在横截面处并接 一个电容器，故这种膜片称为电容膜片，从更本质的场 的角度解释。 等效电路：如图2-21(b)所示 第三章、常用微波元器件 csc当t0时 当t0时，要对归一化电纳修正，修正量的计算公式为 等效电纳

6、的近似计算公式为 参见表2-4 图2-21 第三章、常用微波元器件 式中特性导纳Y0可选为波导的波导纳，p为波导中TE10 模的相波长 以上公式的精度为10左右。 显然，当d越小，等效的归一化电纳越大，当d0时 ，B无穷大，相当于短路的情况。 2、电感膜片 矩形波导中的电感膜片结构及其等效电路：如图2-22所 示。 工作原理：当在波导窄壁上放置金属膜片后会使波 导宽壁上的电流产生分流。于是在膜片的附近必然会产 生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜 片。 第三章、常用微波元器件 t0 t0 以上公式的精度为10左右。 显然，当d越小，等效的归一化电纳越大，当d0时 ，B无穷大，相当于

7、短路的情况。 工程设计中往往是已知B值，求窗口大小，膜片的最 终尺寸必须通过试验确定 3、谐振窗 结构：图2-23给出了谐振窗的结构示意图和等效电路 。 电感膜片电纳的近似计算公式为 第三章、常用微波元器件 图2-22 图2-23 第三章、常用微波元器件 工作原理：谐振窗可以看成是电感膜片和电容膜片的 组合，其等效电路近似为LC谐振回路。当工作频率等于 谐振频率时，存储的电能与磁能相等；并联电纳为零： 电磁信号可以无反射地通过，即为匹配状态；当工作频 率低于谐振频率时，并联回路呈感性，即谐振窗具有感 性；当工作频率高于谐振频率时；谐振窗具有容性。如 果工作频率不变，谐振窗的尺寸发生变化。则也会

8、引起 谐振窗电抗性质的变化。 第三章、常用微波元器件 4、螺钉及销钉 可调螺钉的结构示意图及其等效电路：如下图所示。 用途：膜片在波导中的位置和尺寸一旦确定就不容易 调整改变，所以只能作固定电抗元件使用。而螺钉插入 波导的深度可以调节，电纳的性质和大小可随之改变 使用方便，是小功率微波设备中常采用的调谐和匹配元 件。在矩形波导宽壁中心插入的螺钉可近似等效为 并联电抗，随着螺钉插入深度h的变化，其等效电抗的 大小和性质也随之改变。 工作原理：当螺钉插入波导中时一方面螺钉附近高 次模的电场较为集中；另一方面，宽壁上的轴向电流也 要进入螺钉产生附加磁场。当h较小(即h /4)附加磁场影响起主要作用，

9、螺钉等效为 一电感。目前。螺钉的等效并联电纳还没有可供使用的 简单计算公式。实际中，螺钉主要用作可调电抗元件， 其电纳值可根据需要来调整。 第三章、常用微波元器件 电感销钉（等效为电感，结构为贯穿波导窄边的销钉） 电容销钉（等效为电容，结构为贯穿波导宽边的销钉） 5、波导阶梯 E面阶梯等效为并联的电容 H面阶梯等效为并联的电感 同轴中的不连续性等效为电抗元件： 同轴线中的阶梯和开路端以及间隙都等效为电容 微带线中的电抗元件 在微波电子电路中，还常用微带结构来模拟集总元件 ，一般认为有限长度的微带线损耗很小，故仅用微带线结 构来实现电感、电容等储能元件及电感、电容的串、并联 结构。 第三章、常用

10、微波元器件 1、微带缝隙电容 用微带结构来实现集总参数电容的一种重要形式是微 带的缝隙，其结构和等效电路如图所示 在计算中微带基板与上例一致，微带线宽w=025 mm，缝隙宽度取s=02mm，下图只显示了转移阻抗 A12的分析结果，可以看到其转移阻抗明显具有电容性， 而且在X波段范围频率越高其电容量越小。 第三章、常用微波元器件 第三章、常用微波元器件 微带“交叉手指”形电容(简称微带交指电容)是另一种 常用的微带形式电容，在微波电路中用做隔直流电容等 ，下图表示了一种微带交指电容的结构和尺寸描述参数 ，给出了其等效电路，以及其转移阻抗A12 第三章、常用微波元器件 第三章、常用微波元器件 2

11、、微带的开路终端 在微带结构中，理想开路和理想短路都不可能实现， 尤其是开路端。 在微带线中心导带的中断处，导带末端将出现电场的 边缘效应，同时辐射能量。因此微带线的开路端可等效 为RC电路，R代表辐射损耗；C代表电场边缘效应。 fZ1 ，则Zs/比Zs更0，及更接近于短路。 对于矩形波导抗流式短路活塞，两段g/4阻抗变换器 的特性阻抗与b1、b2成正比。 第三章、常用微波元器件 如果取b1尽可能小，b2在保证强度的情况下尽可能大 ，则可得到较好的短路性能。如，若b2b1十倍，则短 路性能比接触式改善100倍。 为了增加强度，上面的短路活塞，可采用折叠形式。 如下图(a)。同理可得同轴抗流短路

12、活塞如下图(b) 抗流式短路活塞可看成 g/4阻抗变换器的应用， 同理可分析有源电路中 常用的高低阻抗线的馈电 网络。 图36 第三章、常用微波元器件 衰减器和移相器 衰减器和移相器均属于二端口网络，但两者具有不同 的功能。衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减 ；而移楣器的作用是对通过它的微波信号产生一定的相 移，微波能量可无衰减地通过。 一、衰减器 为了调节传输系统内传输功率的功率电平，传输系统 内必须接入衰减器，对微波能量产生定量的衰减。衰减 量固定不变的称为固定衰减器，衰减量在一定范围内可 以调节的称为可变衰减器。 第三章、常用微波元器件 理想衰减器的S参数 理想的衰减器应是只有衰减

13、而无相移的二端口网络 ，其散射矩阵为 式中为衰减系数，l为衰减器长度，衰减器的衰减量表 示为： 其中Pi和Po分别为衰减器的输入和输出功率。 衰减器的工作原理 吸收式。（图36） 截止式。（图37） 第三章、常用微波元器件 36 图36 第三章、常用微波元器件 二、移相器 移相器是对电磁波只产生一定的相移而不产生能量衰 减的微波元件，理想移相器是一个无反射、无衰减的二 端口网络 散射矩阵 改变相位的方法有两种：一种方法是改变传输线的长 度l，另一种方法是改变传输线的相移常数。可由这两 种方法构成移相器。 移相器在微波相位测量和微波管的负载特性测量中 以及微波系统中有着广泛的应用。 第三章、常用

14、微波元器件 3.1 阻抗匹配与变换元件 3.1.1阻抗匹配与变换元件 微波电路中常见的匹配方法 电抗补偿法 阻抗变换法 反射吸收法 1、电抗补偿法 第三章、常用微波元器件 2、阻抗变换器 当负载阻抗与传输线特性阻抗不相等或连接两段特性 阻抗不同的传输线时，由于阻抗不匹配会产生反射现象 ，为了消除这种不良反射现象。可在其间接入阻抗变换 器，以获得良好的匹配。 常用的阻抗变换器有两种：一种是由四分之一波长传 输线段构成的阶梯阻抗变换器(包括单节和多书)，另一 种是渐变线阻抗变换器。 （1）阶梯阻抗变换器 单节/4阻抗变换器 第三章、常用微波元器件 单节/4阻抗变换器在微波技术中得到广泛的应用，下

15、图为一应用实例。由于单节/4阻抗变换器的长度与波长 有关，因此它是窄带工作的器件，其工作原理在第一章 已经做了介绍，本节重点讨论它的工作带宽。 第三章、常用微波元器件 如图37（a）所示。若主传输线的特性阻抗为Z0，终 端接一纯电阻性负载ZL，但ZLZ0，则可以在传输线与 负载之间接入特性阻抗为Z1长度为p0/4的传输线段来实 现匹配。对于单工作频率f0时，当 ，可实现完 全匹配，即Zin=Z0当工作频率偏离f0时，图37(a)中参考 面T0处的反射系数就不再等于零。设此时T0面上的反射 系数为，则 图37（a） 第三章、常用微波元器件 将 代人上式，得 上式取模为 3-2(a) 第三章、常用

16、微波元器件 在中心频率附近，900，sec -无穷大，上式可近 似为 当0时，相当于阻抗变换器不存在，此时反射系数模 最大，为 注：此式不是由3- 2(a)式令900得到 由式3-2(b)可以画出|随变化的曲线，即|对频率的曲 线，如图3-7(b)所示。 |随(或频率)作周期变化，周期 为。如果设|m为反射系数模的最大容许值，则由/4阻 抗变换器提供的工作带宽对应于图3-7(b)由 限定的频 率范围。由于当偏离/2 ，|的曲线急速上升，即匹配 状态急剧恶化，所以工作带宽是很窄的。 3-2(b) 第三章、常用微波元器件 3- 7(b) 第三章、常用微波元器件 当| |m时， 值为m或 m，可以由3-2a式求出 m为 单节/4阻抗变换器带宽 通常用分数带宽Wq表