微波传输特性的基础知识

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1、微波传输特性的基础知识“微波”通常是指波长在Im 1mm的电磁波，对应的频率范围为：300MHz 300GHz ，它介于无线电波和红外线之间，又可分为分米波、厘米波、毫米波、 亚毫米波。微波与低频电磁波一样，具有电磁波的一切特性，但由于微波的波长较短、频率高因此又具有许多独特的性质，主要表现在：1、描述方法：由于电磁波的波长极短，与使用的元件和设备的尺寸可以相比拟， 在低频段由于能量集中其传播性质用“路”的概念来描述，使用的元件称为集中 参数元件（电阻、电容、电感等）；而微波的传播应利用“场”的概念来处理，使 用的元件为分布参数元件（波导管、谐振腔等）。因此低频电路的电流、电压、电 阻等不再适

2、用，而是采用等效方法处理；微波测量则以功率、波长、阻抗取代了 电流、电压、电阻等。2、产生方法：微波的周期在10-9 10-12s与电子管内电子的渡越时间（约为10 -9 S）相近，因此微波的产生和放大不能再使用普通的电子器件，取而代之的是 结构和原理完全不同的微电子元件速调管、磁控管、行波管及微波固态器件。3、光似性：由于微波介于无线电波和红外线之间，因此不仅具有无线电波的性 质同时具有光波的性质：以光速直线传播、反射、折射、干涉、衍射等。4、能量强：由于微波的频率高，故可用频带宽、信息容量大，且能穿透大气层 因此可广泛用于卫星通讯、卫星广播电视、宇宙通讯和射天天文学的研究。由于微波的这些特

3、性，使微波在通信、雷达、导航、遥感、天文、气象、工业 农业、医疗、以及医学等方面得到广泛应用。一、 微波元件简介1. 固态振荡器（固态信号源）微波振荡器（信号源）是产生微波信号的装置，常见的有磁控管振荡器、速 调管振荡器和固态振荡器几种。磁控管振荡器功率大体积大，常用来提供大功率 信号；速调管振荡器结构简单、使用方便，但效率低一般只有0.5%2.5%，输出 功率小一般在，因此比较适合实验室使用。固态振荡器则是一种较新型的信号源， 可分为微波晶体管振荡器、体效应管振荡器、雪崩二极管振荡器等。固态振荡器振荡频率高最高振荡频率可达几百千兆；输出功率最大可达几十瓦以上，脉冲功 率可达几千瓦；支流功率转

4、换为微波功率较高，最高可达 50%以上。这里主要介 绍实验室常用的由体效应二极管振荡器。1963年美国国际商业机器公司发现的J - B - Gun，砷化镓和磷化铟等材料 的薄层具有负阻特性，因而无需 P-N 接即可产生微波振荡，它的工作原理与通常 由 P-N 节组成的半导体器件不同，它不是利用载流子在 PN 内运动特性，而是 利用载流子在半导体内的体内体内运动特性，是靠砷化镓材料“体”内的一种物 理效应（负阻效应）所以称为体效二极管或耿氏管（Gun管）。体效应二极管由截止式衰减器以及用来调制微波脉冲幅度的 PIN 调制器组 成。实验室常用的 3cm 固态信号源的频率调节范围大约8.6 一 9.

5、6GHz。体效应振荡器是微波信号源的核心元件 它是利用具有负阻特性的半导体材料砷化镓 制成的，由于砷化镓具有双能级结构，上、 下两个能级差为0.36Mev；处于不同能级的 电子具有不同的有效质量和不同的迁移率， 其中上能级有效质量大迁移率小。当下导带 电子的能量增加到0.36Mev时，下导带的电 子就会被激发到上导带上去，使它在某一区 域内呈现负阻特性，即出现起伏安特性曲线 如图（1）所示：由此可知体效应管内能够产生一个震荡电流，使砷化镓的厚度足 够地小，体效应管可以产生类似脉冲尖峰的振荡波形，振荡频率很高，即产生微 波信号。典型的耿氏二极管如图所示：由铜螺纹（接到直流电源的负极上）、铜底座（

6、外加散热器）、陶瓷圆环（绝缘作用）、 金丝引线、砷化镓片子、顶帽（正极）组成，若将耿氏二极管安装在谐振腔的适当位置上，只要在它的两端加上直流电压，就可以在谐振腔内产生微波振荡，构成微 波负阻振荡器。耿氏二极管的主要性能参数为：工作频率10GHz左右，工作电压10V,工作电流0.20.6A,输出功率0.030.1W，最大耐压能力14V。2隔离器是一种不可逆的衰减器,正向衰减较小，约0.1dB，反向衰减很大，可达几十dB， 因此只允许微波单方向通过，对反方向传播微波呈电阻吸收。隔离器常用于振荡器 与负载之间，起到隔离和单向传输作用。隔离器一般由铁氧体材料制成，铁氧体是 一种磁性材料，由二价的金属锰

7、、镁、镍铜、等氧化物和氧化铁烧制而成，它既 具有磁性材料的导磁性，又具有较高的电阻率，一般可达102 108cm，由于 其电阻率很高，电磁场能够渗入内部起作用而损耗很小因此得到广泛应用。隔离器衰减器隔离器分为谐振式和场移式两种，谐振式功率较大，实验室常用场移式，它 是在波导内的适当位置放置一片两端呈尖劈形（为了减少反射）铁氧体片，使其 表面与波导窄面平行，表面附有吸收片（由石墨粉或镍铬合金制成）并外加恒定 磁场制成。在铁氧体内加上一个恒定磁场使铁氧体内的电子产生进动与此同时再加上与 恒定磁场垂直的高频右旋或左旋极化磁场，由于这两种磁场与电子进动方向分别 相同和相反，因此产生不同的磁导率卩和卩而

8、且随恒定磁场的大小而变化，当+ -铁氧体片的厚度、位置和磁场强度选取适当时，产生非互易性的场效应，既当电 磁波在波导管中正向传播的波为右旋圆极化时铁氧体呈现磁导率卩为一负值右+ 旋圆极化场被“排除”铁氧体外，吸收材料的表面电场为0，几乎无衰减。当电磁 波反向传播时为左旋圆极化场被“吸入”铁氧体内，被吸收材料表面电场很大被 吸收，反向衰减很大。3衰减器衰减器是一种电阻性器件，用来衰减微波的功率和电平。衰减器可分为固定式和可变式两种，也可以分成吸收式衰减器、旋转式极化衰 减器以及过极限衰减器。实验室常用吸收式可变衰减器，它是在波导内加装可移 动的衰减片，衰减片是在介质片上涂上电阻性薄膜的介质片（例

9、在玻璃上喷涂镍 铬），移动衰减片的位置或深度可以改变对电磁波的吸收程度，从而改变波导管内 电磁波的强度，调节信号的强弱。4频率计（波长表）是利用谐振腔来测量频率的元件，它通常选用同轴或圆柱波导为谐振腔制成 的，又“吸收式”谐振频率计，它的腔体通过耦合元件耦合到一段直波导上，当 它的腔体失谐时，腔体内电磁场极弱，此时不吸收能量，基本不影响波导内电磁 波的传播，相应地接在终端的检波器的示数保持恒定大小的信号输出。移动谐振腔一端活塞的位置，来改变谐振腔的长度，可以改变谐振 腔的固有频率。当它的固有频率与微波的频率相同时，就会发生共振吸收，从电 磁场中吸收能量，使其能量减少，出现共振吸收峰。读出此时测

10、微计的示数，从 附表中查出对应的频率，利用波长与频率的关系可以求出电磁波在自由空间的波 长。波长表（频率计）负 载5负载微波传输中接入一些元件对电磁波产生特定的影响，可分为匹配负载和电抗 元件（或负载）。匹配负载通常做成波导管的形式，内装吸收片，它的材料是涂有金属碎沫（例 如铂金）或碳膜的介质片，介质一般选用玻璃、瓷胶纸等，做成劈形可微波缓慢 吸收，其形状及大小决定吸收程度，。匹配负载的吸收率较大几乎将进入其中的微 波全部吸收，可认为无反射，驻波比P =1.06。电抗元件包括膜片、调谐螺钉和短路活塞三种。膜片可分为：1 ）电容性膜片将其置于波导管中使电场加强，相当于跨接与双线的电容 器，呈现电

11、容特性性。2）电感性膜片将其置于波导管中由于膜片电流使膜片周围磁场集中，相 当于跨接与双线的电感器，呈现电感特性。3）调协窗将电容性膜片和电感性膜片组合在一起，成为中间开孔的膜片， 相当于接入一个LC振荡回路，调谐螺钉是矩形波导管中央位置插入螺钉时，该处的电磁场将发生变化：当 11 插入深度l较浅（l九）时使电场增强，呈现容性；l二九时电容和电感相414等，形成串联谐振；当i 4九时感抗大于容抗，呈现感抗性。6驻波测量线测量线又称驻波测量仪，是用来测量波导中驻波分布规律的仪器，可分为测量驻波测量线电场和测量磁场两种。实验室常用第一种，它由一段沿纵向开有细长槽的直波导 与一个可沿槽移动的带有微波

12、晶体检波器的探针探头组成。探针经过槽插入传输 线内，从中拾取微波功率以测量微波电场强度的幅值沿轴线的分布规律，探针的 位置可由测量线上附的标尺或测微计读出。7、晶体检波器晶体检波器的核心元件是采用半导体点接触的二极管（又称为微波二极管）， 其结构如图所示：形状一般为子弹状，外壳为高频铝磁管；晶体检波器就是在异 端波导管中安上微波二极管，如图所示，将微波二极管插入波导管的宽边中心， 以便检测波导管两宽边间的感应电压，为了得到较大的检波信号，通常在通过调 节其后端短路活塞的位置使其与二极管的间距为14九，使检波二极管位于电场/4 g最大处。微波二极管检波器结构示意图7调配器调配器是用来调节波导系统

13、使其达到匹配状态的装置，可分为单螺调配器、三 螺调配器和双 T 接头调配器等几种。单螺调配器实质上是一段带有螺钉的矩形波 导，螺钉的作用相当于并联在波导截处的短路支线，改变螺钉的深度及在波导管 中的位置，就可将它调节到任意所需的阻抗：当插入深度i、4时，它呈现一个 等效并联电感，当插入深度i乡4时它呈现一个等效并联电容，i的值大约等于,4 时会发生串联型谐振，此时波导处于短路状态，实际应用中螺钉的插入深度不超过谐振深度。若在波导中插入三个螺钉则构成三螺调配器，这两种调配器仅适用 于功率不大的情况。单螺调配器双 T 头调配器此外还有连接元件、分支元件（E面分支、H面分支、双T分支及魔T）、定 向

14、耦合器、环行器。二、电磁波在波导管中的传播特性1、波导管中的电磁波波模 电磁波在自由空间传播时为横电磁波，在电磁波的微波段，为了避免导线的辐 射损耗和趋附效应的影响，一般采用波导管作为传输线，电磁波在波导管中传输 只能以横电波（TE波）、横磁波（TM波）以及两者的混合波的形式进行。矩形波 导管是较常用的传输线，电磁波在波导管中的场结构可以电磁场理论推得。设宽边为a、窄边为b的无限长波导管，电磁波以圆频率自波导开口端沿z.由 Maxwll equstoins 可得时谐波在自由空间传播时可写为：Vx B = 0Vx D = 0利用矢量分析可将上述方程变为：V 2 E （ x） + k 2 E =

15、0V-E = 0If-V-VxE k利用分离变量法并并将矩形波导管的边界条件BE x 0, a 时 E E 0 ,x 0yZBxBE y 0, b 时 E E 0 ,y 0 y ZBy代入可得：E A cos k x sin k yet（-zt） tE cosX 1 x yx 0m兀.n兀x smabye t（ -z-）E A sin k x cos k yet（-zat）tE sin x cosyet（-zq）y 2 x yy 0a by0 E A sin k x sin k yet（-zat） E sin x sinye t（-zat）z 1 f x y fZ0a b根据磁感应强度B与电场强度E之间的关系B V x E v eV x E 可求出 Bwkff利用Maxwll equstotns可知若 B E 0则B与电场强度E均为0,因此yZ波导管中不存在横电磁波，只能以横电波（TE波）、横磁波（TM波）以及两者的混合波的形式存在。其截止频率为amn只有当a a mn时的波才能在