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1、第5章 微波元器件,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,在微波系统中，实现信号的产生、放大、变频、匹配、分配、滤波等功能的部件，称之为微波元器件。微波元器件按其变换性质可分为以下三类：线性互易元器件：只对微波信号进行线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、
2、微波固态谐振器、 微波场效应管及微波电真空器件等。 ,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微波铁氧体器件,微波连接匹配元件包括： 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。,5.1 连接匹配元件,(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
3、导最方便的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：已不太常用 扼流式短路活塞,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。,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,
4、 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。,扼流式短路活塞,图 51 扼流短路活塞及其等效电路,有效短路面,接触面,(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
5、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的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。
6、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)所示,吸收片,锲形吸收体,水负载,吸收体,电阻,(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:3cm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。,(5-1
7、-1),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: 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(Flange)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。 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
8、。,图 53 波导法兰接头,/4,(a)平法兰接头 (b)扼流法兰接头,图 5 4 波导扭转与弯曲元件,波导连接头除了法兰接头之外, 还有各种扭转和弯曲元件(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。,(a)波导扭曲 （b）波导E面弯曲 （c）波导H面弯曲,(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
9、相位。 对于理想的衰减器，其散射矩阵应为 而理想相移元件的散射矩阵应为,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而构成, 有固定式和可变式两种， 分别如图 5-5(a)、 (b)所示。,(5-1-2),(5-1-3),图 55 吸收式衰减器,吸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。,可调衰减器,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
10、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。 ,(5-1-4),(3) 转换接头形状转换器：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。如同轴-波导转换器、波导-微带转换器、同轴微带转换器等。,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; 一个线极化波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极化波了。,线圆极化
11、转换器,由电磁场理论可知：,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。,图 56 极化转换器,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，
12、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。,圆极化波,线极化波,线圆极化转换器,3. 阻抗匹配元件(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 57 波导中的螺钉及其等效电路,螺钉深度的不同等效为不同的电抗元件,图 58 螺钉调配器,
13、设变换器共有N节，参考面分别为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,利用小反射理论，则输入参考面T0上总电压反射系数近似为,(5-1-5),(2) 多阶梯阻抗变换器,小反射理论：假定局部电压反射系数的模值都很小，因此可以认为各参考面上入射电压波的幅值都近似相等，作为一级近似，T0参考面上的总反射电压波，只取各参考面上一次反射电压波的总和，忽略多次反射的影响。,图 59 各种多阶梯阻抗变换器,图 510 多阶梯阻抗变换器的等效电路,入射波,反射波0,反射波1,反射波2,于是反射系数模值为,当0, 1, 等值给
14、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。 ,(5-1-6),(5-1-7),(3) 渐变型阻抗变换器（简单介绍） 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
15、), 由传输线理论得,(5-1-8a),图 5 11 渐变型阻抗变换器,式中,为渐变线的相移常数。当z0时, tanzz, 代入上式可得,忽略高阶无穷小量, 并整理可得,若令电压反射系数为(z), 则,(5-1-8b),(5-1-9),(5-1-10),代入式(5 -1 -9)并经整理可得关于(z)的非线性方程,当渐变线变化较缓时, 近似认为1-2(z)1, 则可得关于(z)的线性方程,其通解为,故渐变线输入端反射系数为,(5-1-11),(5-1-12),(5-1-13),(5-1-14),这样， 当渐变线特性阻抗Z(z)给定后, 由式(5-1-14)就可求得渐变线输入端电压反射系数。通常渐变线特性阻抗随距离变化的规律有：指数型、三角函数型及切比雪夫型。 下面就来介绍指数型渐变线的特性, 其特性阻抗满足,可见当 时， Z(z)=Z0, 而当 时，Z(z)=Zl, 于是有,
