微波技术与天线第5章

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1、5.1 连接匹配元件5.2 功率分配元器件5.3 微波谐振器件 5.4 微波铁氧体器件,第5章 微波元器件,返回主目录,第5章微波元器件,无论在哪个频段工作的电子设备, 都需要各种功能的元器件, 既有如电容、电感、电阻、滤波器、分配器、谐振回路等无源元器件, 以实现信号匹配、 分配、 滤波等; 又有晶体管等有源元器件, 以实现信号产生、放大、调制、变频等。微波系统也不例外地有各种无源、有源元器件, 它们的功能是对微波信号进行必要的处理或变换, 它们是微波系统的重要组成部分。 微波元器件按其变换性质可分为线性互易元器件、 线性非互易元器件以及非线性元器件三大类。,线性互易元器件只对微波信号进行线

2、性变换而不改变频率特性，并满足互易定理, 它主要包括各种微波连接匹配元件、 功率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件等; 线性非互易元器件主要是指铁氧体器件, 它的散射矩阵不对称,但仍工作在线性区域, 主要包括隔离器、环行器等; 非线性元器件能引起频率的改变, 从而实现放大、调制、变频等, 主要包括微波电子管、 微波晶体管、微波固态谐振器、 微波场效应管及微波电真空器件等。 微波元器件品种繁多, 而且随着技术的进步不断出现新的元器件, 因此不能一一列举, 本章从工程应用的角度出发, 重点介绍具有代表性的几组微波无源元器件, 主要有：连接匹配元件、 功率分配元器件、 微波谐振元件和微波铁氧体器

3、件。 ,5.1 连接匹配元件,微波连接匹配元件包括终端负载元件、 微波连接元件以及阻抗匹配元器件三大类。终端负载元件是连接在传输系统终端实现终端短路、匹配或标准失配等功能的元件; 微波连接元件用以将作用不同的两个微波系统按一定要求连接起来,主要包括波导接头、衰减器、相移器及转换接头等; 阻抗匹配元器件是用于调整传输系统与终端之间阻抗匹配的器件, 主要包括螺钉调配器、多阶梯阻抗变换器及渐变型变换器等。 下面分别介绍这些元器件。 1. 终端负载元件 终端负载元件是典型的一端口互易元件, 主要包括短路负载、匹配负载和失配负载。,(1) 短路负载 短路负载是实现微波系统短路的器件, 对金属波导最方便的

4、短路负载是在波导终端接上一块金属片。 但在实际微波系统中往往需要改变终端短路面的位置, 即需要一种可移动的短路面, 这就是短路活塞。短路活塞可分为接触式短路活塞和扼流式短路活塞两种, 前者已不太常用, 下面介绍一下扼流式短路活塞。 应用于同轴线和波导的扼流式短路活塞如图 5 - 1(a)、 (b)所示, 它们的有效短路面不在活塞和系统内壁直接接触处, 而向波源方向移动g/2的距离。,这种结构是由两段不同等效特性阻抗的g/4变换段构成, 其工作原理可用如图 5 - 1(c)所示的等效电路来表示, 其中cd段相当于g/4终端短路的传输线, bc段相当于g/4终端开路的传输线, 两段传输线之间串有电

5、阻Rk, 它是接触电阻, 由等效电路不难证明ab面上的输入阻抗为: Zab=0, 即ab面上等效为短路, 于是当活塞移动时实现了短路面的移动。扼流短路活塞的优点是损耗小, 而且驻波比可以大于100, 但这种活塞频带较窄, 一般只有10%15%的带宽。 如图 5 - 1(d)所示的是同轴S型扼流短路活塞，它具有宽带特性。,图 5 1 扼流短路活塞及其等效电路,(2) 匹配负载 匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件。 对波导来说, 一般在一段终端短路的波导内放置一块或几块劈形吸收片, 用以实现小功率匹配负载, 吸收片通常由介质片（如陶瓷、胶木片等）涂以金属碎末或炭木制成。 当吸收片平行

6、地放置在波导中电场最强处, 在电场作用下吸收片强烈吸收微波能量, 使其反射变小。劈尖的长度越长吸收效果越好, 匹配性能越好, 劈尖长度一般取g/2的整数倍。 如图 5 - 2(a)所示; 当功率较大时可以在短路波导内放置锲形吸收体, 或在波导外侧加装散热片以利于散热, 如图 5 - 2(b)、(c)所示; 当功率很大时, 还可采用水负载， 如图 5 - 2(d)所示, 由流动的水将热量带走。,图 5 2 各种匹配负载,同轴线匹配负载是由在同轴线内外导体间放置的圆锥形或阶梯形吸收体而构成的, 如图 5 - 2(e)、 (f)所示。微带匹配负载一般用半圆形的电阻作为吸收体, 如图 5 - 2(g)

7、所示, 这种负载不仅频带宽，而且功率容量大。 (3) 失配负载 失配负载既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率, 而且一般制成一定大小驻波的标准失配负载, 主要用于微波测量。失配负载和匹配负载的制作相似, 只是尺寸略微改变了一下, 使之和原传输系统失配。 比如波导失配负载，就是将匹配负载的波导窄边b制作成与标准波导窄边b0不一样, 使之有一定的反射。设驻波比为, 则有,例如: 3 cm的波段标准波导BJ-100的窄边为10.16 mm, 若要求驻波比为1.1和1.2, 则失配负载的窄边分别为9.236 mm和8.407 mm。 2. 微波连接元件 微波连接元件是二端口互易元件, 主要包括:

8、波导接头、 衰减器、相移器、转换接头。 (1) 波导接头 波导管一般采用法兰盘连接, 可分为平法兰接头和扼流法兰接头, 分别如图 5 - 3(a)、 (b)所示。平法兰接头的特点是: 加工方便, 体积小, 频带宽, 其驻波比可以做到1.002以下, 但要求接触表面光洁度较高。,图 5 3 波导法兰接头,扼流法兰接头由一个刻有扼流槽的法兰和一个平法兰对接而成, 扼流法兰接头的特点是: 功率容量大, 接触表面光洁度要求不高, 但工作频带较窄, 驻波比的典型值是1.02。因此平接头常用低功率、宽频带场合， 而扼流接头一般用于高功率、窄频带场合。 波导连接头除了法兰接头之外, 还有各种扭转和弯曲元件(

9、如图 5 - 4 所示)以满足不同的需要。当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，用波导扭转元件; 当需要改变电磁波的方向时，可用波导弯曲。波导弯曲可分为E面弯曲和H面弯曲。 为了使反射最小, 扭转长度应为(2n+1)g/4, E面波导弯曲的曲率半径应满足R1.5b, H面弯曲的曲率半径应满足R1.5a。 ,图 5 4 波导扭转与弯曲元件,(2) 衰减元件和相移元件 衰减元件和相移元件用来改变导行系统中电磁波的幅度和相位。 对于理想的衰减器，其散射矩阵应为 S=而理想相移元件的散射矩阵应为 S=,衰减器的种类很多, 最常用的是吸收式衰减器, 它是在一段矩形波导中平行于电场方向放置吸收片

10、而构成, 有固定式和可变式两种， 分别如图 5 - 5(a)、 (b)所示。,图 5 5 吸收式衰减器,收片由胶木板表面涂覆石墨或在玻璃片上蒸发一层厚的电阻膜组成, 一般两端为尖劈形，以减小反射。由矩形波导TE10模的电场分布可知, 波导宽边中心位置电场最强, 逐渐向两边减小到零, 因此, 当吸收片沿波导横向移动时, 就可改变其衰减量。 将衰减器的吸收片换成介电常数r1的无耗介质片时, 就构成了移相器, 这是因为电磁波通过一段长波为l的无耗传输系统后相位变化为,其中g为波导波长, 在波导中改变介质片位置， 会改变波导波长, 从而实现相位的改变。 (3) 转换接头,微波从一种传输系统过渡到另一种

11、传输系统时，需要用转换器, 第2章讨论的同轴波导激励器和方圆波导转换器等传输系统中都有转换器。在这一类转换器的设计中，一方面要保证形状转换时阻抗的匹配，以保证信号有效传送；另一方面要保证工作模式的转换。另一类转换器是极化转换器, 由于在雷达通信和电子干扰中经常用到圆极化波, 而微波传输系统往往是线极化的, 为此需要进行极化转换, 这就需要极化转换器。由电磁场理论可知, 一个圆极化波可以分解为在空间互相垂直、相位相差90而幅度相等的两个线极化波; 另一方面, 一个线极化波也可以分解为在空间互相垂直、大小相等、相位相同的两个线极化波, 只要设法将其中一个分量产生附加90相移, 再合成起来便是一个圆

12、极化波了。,常用的线-圆极化转换器有两种: 多螺钉极化转换器和介质极化转换器(如图 5 - 6)。 这两种结构都是慢波结构, 其相速要比空心圆波导小。 如果变换器输入端输入的是线极化波, 其TE11模的电场与慢波结构所在平面成45角, 这个线极化分量将分解为垂直和平行于慢波结构所在平面的两个分量Eu和Ev, 它们在空间互相垂直, 且都是主模TE11, 只要螺钉数足够多或介质板足够长, 就可以使平行分量产生附加 90 的相位滞后。 于是，在极化转换器的输出端两个分量合成的结果便是一个圆极化波。至于是左极化还是右极化，要根据极化转换器输入端的线极化方向与慢波平面之间的夹角确定。 ,图 5 6 极化

13、转换器,3. 阻抗匹配元件 阻抗匹配元件种类很多, 它们的作用是消除反射, 提高传输效率, 改善系统稳定性。这里主要介绍螺钉调配器、 阶梯阻抗变换器和渐变型阻抗变换器三种。 (1) 螺钉调配器 螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件, 它是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配元件, 如图 5 - 7 所示。 螺钉深度的不同等效为不同的电抗元件, 使用时为了避免波导短路击穿, 螺钉都设计成容性, 即螺钉旋入波导中的深度应小于3b/4(b为波导窄边尺寸)。 由第1章的支节调配原理可知：多个相距一定距离的螺钉可构成螺钉阻抗调配器, 不同的是这里支节用容性螺钉来代替。 ,图 5 7 波导中的螺钉

14、及其等效电路,螺钉调配器可分为单螺钉、 双螺钉、 三螺钉和四螺钉四种。 单螺钉调配器通过调整螺钉的纵向位置和深度来实现匹配, 如图 5 - 8(a)所示; 双螺钉调配器是在矩形波导中相距g/8、g/4或3g/8 等距离的两个螺钉构成的, 如图 5 - 8(b)所示。双螺钉调配器有匹配盲区, 故有时采用三螺钉调配器。其工作原理在此不再赘述。由于螺钉调配器的螺钉间距与工作波长直接相关, 因此螺钉调配器是窄频带的。 (2) 多阶梯阻抗变换器 在第1章中我们已经知道, 用/4阻抗变换器可实现阻抗匹配; 但严格来说，只有在特定频率上才满足匹配条件, 即/4阻抗变换器的工作频带是很窄的。,图 5 8 螺钉

15、调配器,要使变换器在较宽的工作频带内仍可实现匹配, 必须用多阶梯阻抗变换器, 图 5 - 9 所示分别为波导、同轴线、微带的多阶梯阻抗变换器。它们都可等效为如图 5 - 10 所示的电路。 分别为T0, T1, T2, , TN共(N+1)个, 如果参考面上局部电压反射系数对称选取, 即取,0=N1=N-12=N-2,则输入参考面T0上总电压反射系数为,图 5 9 各种多阶梯阻抗变换器,图 5 10 多阶梯阻抗变换器的等效电路,于是反射系数模值为|=|0cosN+1cos(N-2)+|,当0, 1, 等值给定时, 上式右端为余弦函数cos的多项式, 满足|=0的cos有很多解, 亦即有许多g使|=0。这就是说，在许多工作频率上都能实现阻抗匹配, 从而拓宽了频带。显然, 阶梯级数越多, 频带越宽。 ,(3) 渐变型阻抗变换器 由前面分析可知, 只要增加阶梯的级数就可以增加工作带宽, 但增加了阶梯级数, 变换器的总长度也要增加, 尺寸会过大, 结构设计就更加困难, 因此产生了渐变线代替多阶梯。设渐变线总长度为L, 特性阻抗为Z(z), 并建立如图 5 - 11所示坐标, 渐变线上任意微分段zz+z, 对应的输入阻抗为Zin(z)Zin(z)+Zin(z), 由传输线理论得,