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1、常用波导器件 基础知识1.驻波测量线测量线又叫驻波测量仪(StandingWave Detecktor)，是用来测量波导中驻波分布规律的仪器。驻波测量线可分为两类：一类是电场测量，另一类是磁场测量，目前广泛应用的是第一类。应用电场测量原理设计的驻波测量线的结构如图3-22所示。它的主要组成都分有：一段开槽波导、探头装置(包括探针、检波晶体、调谐活塞)、探头移动机构和位置测量装置等。开槽部位应恰在矩形波导宽壁中心线上，开槽要足够窄(一般为2.5-3.5mm适宜)，有几个半波长的长度，槽的两端成楔形或渐变线形。探针插入槽中深度可调。沿槽可移动的探针与波导中的波靠电场耦合。由于探针与电场平行，电场的
2、变化在探针上感应的电动势（其大小正比于该处场强）经晶体二极管检波，检波电流流过指示器回到同轴探头外导体成一闭合回路，指示器读数表示出沿槽线分布的场强大小。由平行于槽的标尺读数表示出场强大小的位置，从而测得驻波比，驻波相位，波导波长。指示器一般用光标检流计、微安表或选频放大器。若用选频放大器，可直接读出驻波比，但必须注意这时的微波讯号源要加方波调制，并且注意晶体检波律，使输至晶体的讯号电平保持在平方律检波范围内，否则测出的驻波比将失去意义。为了提高测量的灵敏度，在测量前需要调节同轴探头中的调谐活塞及探针深度，消除由于探针插入开槽波导引起的不匹配，使检波晶体输出最大：将探针置于驻波腹点，调节调谐活
3、塞及探针插入深度(一般取窄边b的510适宜)，使指示器的指针偏转在满刻度附近(若指示器指针偏转较小，则需增大微波输出功率)。调节微波系统匹配，须将探针置于驻波极小点或极大点处，采用把调大或把调小的方法进行调配。如果把探针放在极小点处，调节接在测量线终端的调配器，使探针的输出功率稍微增大(不要增大太多，否则会发生假象波形移动，这时极小点功率并不增大)，然后左右移动探针，看看极小点功率是否真正增大。这样反复调节调配器，使极小点功率逐渐增大，直至达到最佳匹配状态(驻波比s1)。2.全匹配负载全匹配负载一般作成波导段的形式，其终端短接，并包含有一些安置在电场平面内的吸收片。把片子做成特殊的劈形状来实现
4、它们与波导间的匹配(如图3-23)。这样就保证了由没有吸收材料的波导向有吸收器的波导逐渐过渡。片子的材料是涂覆有金属的碎末(例如铂金)薄层的电介质(玻璃，瓷胶纸板等)，或者用炭层涂覆，表面电阻的大小根据匹配条件用实验方法选择。对于波导吸收器，直流测量的表面电阻的最佳值为数百欧姆。斜面的长度用实验方法确定，使其聋尽可能宽的频带内能得到最小驻波比，通常劈的长度等于或大于半波长。3.可变衰减器衰减器是用来衰减微波的功率电平，也可以作为负载与信号源间的去耦元件。由于波导管内各处微波电场强弱不同，因而改变衰减片在波导管中所处的位置，即可得到不同的衰减量。衰减片是由玻璃叶片(或其他介质片)喷涂镍铬合金(或
5、石墨)的电阻性薄层制成。在矩形波导中，吸收式衰减器的结构如图3-24所示。矩形波导中的波电场沿y方向线极化，将一两端修尖的衰减片放入波导，平行于y-z平面(见图3-24（a）)。若介质片处在波导宽壁中央(Ey最大)，在介质片的导电薄膜内激励起的高频电流最大，因而欧姆损耗最大，于是对微波功率的衰减也最大。当介质片接近波导侧壁时(比如x=0处)，则=0，则导电薄膜内将不会激起高频电流，因而微波功率不被吸收，衰减量最小(近于零)。为了改变这个有损耗的介质片在波导中的x向位置，采用两个金属杆带动介质片沿轴移动，因为细金属杆与电场正交，故不会在杆中激励起高频电流，因而不改变波导中场的分布。衰减片也可以做
6、成刀形，由矩形波导宽壁中央插入见图3-24(b)，改变其插入深度，改变衰减量。衰减量常以分贝(dB)为单位计算，以dB为单位的传输衰减定义为(3-45)式中表示入射功率，A表示传输功率。X波段BD-20-2型吸收式可变衰减器的可变范围约为0.6-30dB，有的衰减量可达0-50dB。4隔离器隔离器是一种不可逆的衰减器，在正方向(或需要传输的方向上)它的衰减量(或插入损耗)很小，约0.ldB左右，反方向的衰减量则很大，达几十dB，两个方向的衰减量之比为隔离度。若在微波源后面加隔离器，它对输出功率的衰减量很小，但对于负载反射回来的反射波衰减量很大。这样，可以避免因负载变化使微波源的频率及输出功率发
7、生变化，即在微波源和负载间起到隔离作用。微波隔离器一般由铁氧体材料做成，因工作原理不同分为两大类，一类是谐振式，另一类是场移式的，前者用于中功率和大功率方面，后者应用在小功率方面。实验室多用场移式隔离器，原理如下：场移式隔离器结构如图3-25（a）所示。在波导中平行于窄边壁而距这窄边壁一定距离处放置一片铁氧体(它的右侧面上有一衰减片)，波导外面有一“U”形永久磁铁，提供铁氧体一恒定磁场H。这样，原来在空波导里传输的波型，发生了一个移动，场型发生了变化，即出现了场移。场移具有不可逆性，就是这个铁氧体对两个方向传输的波型所产生的场移作用不同，例如在波导里，它对一个方向传输的波型有排斥的作用。对另一
8、方面的则有吸引的作用(见图3-25(b)。这是由于加恒定磁场的铁氧体对横向圆极化微波磁场表现出的高频磁导率的不可逆性引起的。铁氧体是一种亚铁磁性物质，电阻率很高，性状似陶瓷。它在常温下具有自发磁化，自发磁化的磁矩M在外场H中便绕H进动，于是有一个垂直于H的圆极化的磁矩分量m存在着(见图3-26)。m的进动频率随|H|的增大而增加(，为旋磁比)。如有一横向圆极化微波场同时作用于这个铁氧体，实验和理论分析都证明铁氧体的高频磁化的频率响应特性与这个固有的进动的存在有密切的关系，大致说来其性质是，在圆极化微波磁场作用下，若极化方向与m圆极化方向一致(相对H为右旋波或正圆偏振波)，则铁氧体对于这种微波磁
9、场有共振特性，即在微波磁场频率等于m进动频率时()，高频导磁率在这个H值两边变号(达到极大值)，在较低磁场的某一H值之下，会过零值(见图3-27(a)，若极化方向与m极化方向相反(相对H为左旋波或负圆偏振波，则m对微波磁场没有明显响应，总是略大于1随H变化十分徐缓(见图3-27(b)。假若我们把铁氧体放在圆极化波所在的位置，并令H小一些，亦即工作在低场区()，这样铁氧体对右旋波将提供负的导磁率(图3-27中的场移区)，对左旋波则提供正的导磁率。如果铁氧体片的位置、厚薄、外加恒磁场H配合恰当，两个方向传输的波可以变成如图3-25(b)所示样子。图中，正向传输的波是右旋波，是负的，电磁场在铁氧体里
10、传输比在空气里传输要困难，于是被“排挤”出去，图中所示的电场，它在铁氧体的右表面电场强度为零，衰减片不衰减，最大值排向右边。图中正向指进纸面(见图3-26)；图中所示的反向传输的波是左旋波，是正的，电磁场在铁氧体里传输比在空气里传输要容易，于是被“吸引”进去，电场强度的最大值被吸引到了铁氧体的右表面，衰减片产生衰减，衰减量可大到20-30dB。5定向耦合器定向耦合器是一种有方向性的耦合功率的微波器件。它是将主波导中入射行波或反射行波的部分功率耦合至辅波导，作为功率监视或频率监视等用。定向耦合器有许多种，为说明基本原理，仅举在波导宽边(H面)开双孔的定向耦合器为例(结构如图3-28所示)。A、B
11、两孔相隔(为中心频率的波导波长)。由1端入射的电磁波到达4端有两个路径(分别通过A孔和B孔)，这两路电磁波的场幅度相同，程差为半波长，所以相位相反迭加以后为零，即4端无输出(4端接全匹配负载)。当由1端输入到3端时，通过A孔和B孔两路波的振幅相等路程也相同，因而到达3端时同相位，总的幅度为两路幅度之和，这就实现了波的定向传输。定向耦合器的主要技术指标是耦合度k，其定义为：当电磁波由主波导1端输入而其余三端口(2、3、4)均匹配时，主波导输入功率P1与辅波导3端口输出功率P3之比，并以dB为单位，即(3-46)如果希望百分之一的功率输送到辅波导正方向去，则k=20dB。6晶体检波器微波检波系统采
12、用半导体点接触二极管（称微波二极管），外壳为高频铝瓷管，形状象子弹(也有别的形状的)，结构如图3-29(a)所示。晶体检波器就是一段波导和装在其中的微波二极管，结构如图3-29(b)所示。将微波二极管(检波晶体)插入波导宽壁中心，使它对波导两宽壁间的感应电压(与该处电场强度成正比)进行检波。为了获得大的检波信号输出，调节后部的短路活塞位置，使它与晶体间的距离约等于，使晶体处于电场最大(驻波波腹)处。有的晶体检波器，前方装有三螺钉调配器，以便使它后面与输入波导相匹配，提高检波效率。由于检波晶体上的电压V与微波中的电场E成正比，检流电流i与E的关系为 (3-47)式中k是一比例常数，n是大于1小于
13、2的一个数，当E较小时,n2，这是晶体的平方律区域；当E较大时，n1，这是晶体的线性律区域。在平方律区域，晶体的检波电流与晶体接受的微波功率成正比。7调配器调配器是用来使它后面的微波部件调成匹配。匹配就是使微波能完全进入而一点也不能反射回来。常用的调配器是单螺调配器和三螺调配器。单螺调配器的结构如图3-30(a)所示。在波导宽边中央开一条纵向小槽，插入一个小螺钉，改变螺钉的插入深度及沿槽的位置，就相当于可调至任何所需的电抗。当插入深度l/4时，它呈现一个等效并联电感，大约在l为/4时发生串联型谐振，波导成为短路。实际应用上，螺钉的插入深度不要超过谐振位置图3-30(a)中，若沿槽插入三个小螺钉
14、，则构成三螺调配器。以上两种仅用于功率不很大的情况。双T接头调配器的结构如图3-30(b)所示。它是由双T接头(E-HT形接头)构成的。在接头的H臂和E臂内各接有可动的短路活塞。改变短路活塞在臂中的位置，便可以使系统获得匹配。由于这种匹配器不妨害系统的功率传输和结构上有某些机械的与电的对称性，因而具有以下优点：(1)可以使用在高功率传输系统(尤其在毫米波波段)。(2)有较宽的频带。(3)有很宽的驻波匹配范围。双T接头调配器调节方法：在驻波不太大的情况下，先调谐E臂活塞。使驻波减至最小，然后再调谐H臂活塞，就可以得到近似的匹配(驻波比s1.10)。如果驻波较大，则需要反复调谐E臂和H臂的活塞，才
15、能使驻波比降低到很小程度(s1.02)。 8.E-T接头E-T接头(见图3-31(a)是指支臂E的宽面与主臂(2、3)中TE10波的电场平行，也就是分支波导的宽面位于主臂电场向量E平面的方向上。其传输特性是当2、3两端接匹配负载时，微波功率从1端输入，平分地传到2、3端，且在2端和3端的波相位相反。这可由E面T中电场，的传播情况图3-3l(b)看出，当从E臂送进波时，它将沿E臂向下传播其电场遇到接头时将弯曲，再往下传播时，电力线被主波导的底面截断，使往2臂的电力线方向向下，往3臂电力线方向向上，波的功率将平分给2、3两臂，而电场方向相反，亦即反相。根据互易原理，如果在主波导两端2、3同时输入等幅反相的电磁波，则在E臂中它们的电场是同相而相加的，即E臂输出最大反之，如在主波导 2、3两端同时输入等幅同相的电磁波，则E臂中的电场是反向而相减的。如2、3两臂负载阻抗相等， 则E臂的输出为零。它的等效电路是两根双线的串联，如图3-31(c)所示。E-T接头的用处是作为功率分配器。9H-T接头H-T接头(见图3-32(a)是指支臂H的宽面与主臂(2、3
