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1、 微波技术基础微波技术基础徐锐敏 教授电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼地点：清水河校区科研楼C309 电话：电话：61830173 电邮：电邮：第8章 常用微波元件微波系统微波无源元件有源电路（部件）微波系统微波无源元件有源电路（部件）基基 低频低频集总参数的电容、电感和电阻等集总参数的电容、电感和电阻等本本 微波微波按端口分：一端口、二端口、三端口、四端口按端口分：一端口、二端口、三端口、四端口元元 按功能分：匹配负载、短路负载、调配器、连按功能分：匹配负载、短路负载、调配器、连件件 接器、滤波器、功分器、定向耦合接器、滤波器、功分器、定向耦合 器、魔器、魔T、铁氧体器件等。
2、、铁氧体器件等。补：微波网络补：微波网络 S矩阵参数矩阵参数微波网络参数微波网络参数散射矩阵或散射矩阵或 S矩阵，在微波频段矩阵，在微波频段应用最为广泛，相当于低频中的应用最为广泛，相当于低频中的Z和和Y。第第8章章 常用微波元件常用微波元件第第8章章 常用微波元件常用微波元件在在n端口网络中，如端口网络中，如果选取各端口参考面果选取各端口参考面Ti上归一化入射波电上归一化入射波电压压 为自变量，归一为自变量，归一化出射波电压化出射波电压 为因为因变量，则可得下面的变量，则可得下面的线性方程组，通常设，线性方程组，通常设，用矩阵记为用矩阵记为S 称为散射矩阵，称为散射矩阵，阶数为阶数为nn 第
3、第8章章 常用微波元件常用微波元件散射矩阵的矩阵元定义如下：散射矩阵的矩阵元定义如下：即是除了端口即是除了端口 I 接波源外，其余所有端口接匹配负载时，端接波源外，其余所有端口接匹配负载时，端口口i的电压反射系数。的电压反射系数。即是端口即是端口 j 接波源外，其余所有端口接匹配负载时，从端口接波源外，其余所有端口接匹配负载时，从端口i到端口到端口j的电压传输系数。的电压传输系数。由于反射系数和传输系数是微波波段易于测量的量，因此采由于反射系数和传输系数是微波波段易于测量的量，因此采用用S矩阵研究微波网络问题更为方便。矩阵研究微波网络问题更为方便。 ， ， 第第8章章 常用微波元件常用微波元件
4、第第8章章 常用微波元件常用微波元件8.1 8.1 一端口元件一端口元件一端口元件对外只有一个物理端口，其功能一般是对确定一端口元件对外只有一个物理端口，其功能一般是对确定频率微波信号产生谐振以及作为频率微波信号产生谐振以及作为微波传输系统末端的负载微波传输系统末端的负载。有三种负载类型，有三种负载类型，其端口的反射系数分别表其端口的反射系数分别表现为：现为：短路负载短路负载=匹配负载匹配负载= 0 = 0 失配负载失配负载| =| =常数。常数。 单端口元件单端口元件l短路负载短路负载-短路器短路器对短路活塞的主要要求是：对短路活塞的主要要求是：保证接触处的损耗小，其保证接触处的损耗小，其反
5、射系数模应接近反射系数模应接近1 1；当活塞移动时，接触损耗的变化要小；当活塞移动时，接触损耗的变化要小；大功率运用时，活塞与波导壁（或者同轴线的内外导体大功率运用时，活塞与波导壁（或者同轴线的内外导体 壁）间不应发生打火现象。壁）间不应发生打火现象。短路器的输入阻抗为短路器的输入阻抗为:短路器的输入端反射系数为短路器的输入端反射系数为:第第8章章 常用微波元件常用微波元件这表明短路器的输入端反射系数的模应等于这表明短路器的输入端反射系数的模应等于1 1，而相，而相角是可变的。在结构上，短路活塞可做成接触式角是可变的。在结构上，短路活塞可做成接触式( (左图）左图）和扼流式（右图）两种和扼流式
6、（右图）两种: : 第第8章章 常用微波元件常用微波元件上图所示的扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺上图所示的扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞太长。为了减小长度可以采用下图所示山字形点是活塞太长。为了减小长度可以采用下图所示山字形和和S S形扼流活塞。缺点是频带窄，一般只能做到形扼流活塞。缺点是频带窄，一般只能做到101015%15%的带宽的带宽 第第8章章 常用微波元件常用微波元件l匹配负载匹配负载低功率波导匹配负载一般为一段终端短路的波导，在其低功率波导匹配负载一般为一段终端短路的波导，在其里面沿电场方向放置一块或者数块劈形里面沿电场方向放置一块或者数块劈形吸收片吸收片或
7、者楔形或者楔形吸收体吸收体，如图所示：，如图所示： 第第8章章 常用微波元件常用微波元件同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥形或者阶梯同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥形或者阶梯型吸收体，如图所示：型吸收体，如图所示：第第8章章 常用微波元件常用微波元件高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。吸收物体可高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。吸收物体可以是固体（如石墨和水泥混合物）或液体（通常用水）。以是固体（如石墨和水泥混合物）或液体（通常用水）。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件l失配负载失配负载实用中的失配负载都是做成标准失配负载，具实用中的失配负载都是做成标准失配负载，具有某一固
8、定的驻波比。失配负载常用于微波测量有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测量中作标准终端负载。中作标准终端负载。失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导口失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导口径的尺寸径的尺寸b不同而已。设不同而已。设b0为标准波导窄边尺寸，为标准波导窄边尺寸，b为失配负载波导的窄边尺寸，由于为失配负载波导的窄边尺寸，由于第第8章章 常用微波元件常用微波元件则：则：可见对于不同的可见对于不同的b b可以特到不同的驻波比。可以特到不同的驻波比。8.2 8.2 二端口元件二端口元件l无耗二端口网络的基本性质无耗二端口网络的基本性质二端口元件可以等效为二端口网络，其散射矩阵为二端口元
9、件可以等效为二端口网络，其散射矩阵为第第8章章 常用微波元件常用微波元件若网络无耗，可互易，则由幺正性得到：若网络无耗，可互易，则由幺正性得到：因此得到如下无耗互易二端口网络的基本性质：因此得到如下无耗互易二端口网络的基本性质：若一个端口匹配，则另一个端口自动匹配；若一个端口匹配，则另一个端口自动匹配；若网络是完全匹配的，则必然是完全传输的或相反；若网络是完全匹配的，则必然是完全传输的或相反；S S1111，S S2222，S S1212的相角只有两个是独立的，已知其中的相角只有两个是独立的，已知其中 两个相角，则第三个相角便可确定。两个相角，则第三个相角便可确定。 第第8章章 常用微波元件常
10、用微波元件l连接元件连接元件其主要指标要求是接触损耗小、驻波比小、功率容量大其主要指标要求是接触损耗小、驻波比小、功率容量大、工作频带宽。、工作频带宽。波导接头波导接头波导连接方法分接触连接和扼流连接两种。它们是借助波导连接方法分接触连接和扼流连接两种。它们是借助于焊在待连接元件波导端口上的法兰盘来实现的。法兰于焊在待连接元件波导端口上的法兰盘来实现的。法兰盘结构形式分平法兰盘和扼流法兰盘两种，如图所示。盘结构形式分平法兰盘和扼流法兰盘两种，如图所示。 l拐角、弯曲和扭转元件拐角、弯曲和扭转元件当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，则要
11、用到扭转元件。对这些元件的要求是：引入的反射则要用到扭转元件。对这些元件的要求是：引入的反射尽可能小、工作频带宽、功率容量大。尽可能小、工作频带宽、功率容量大。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件l匹配元件匹配元件匹配元件的种类很多，这里只介绍膜片，销钉和螺钉匹匹配元件的种类很多，这里只介绍膜片，销钉和螺钉匹配器。配器。膜片膜片波导中的膜片是垂直于波导管轴放置的薄金属片，有对波导中的膜片是垂直于波导管轴放置的薄金属片，有对称和不对称之分，如图所示。膜片是波导中常用的匹配称和不对称之分，如图所示。膜片是波导中常用的匹配元件，一般在调匹配时多用不对称膜片，而当负载要求元件，一般在调匹配时多用不对
12、称膜片，而当负载要求对称输出时，则需用对称膜片。对称输出时，则需用对称膜片。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件利用膜片进行匹配的原理便是利用膜片的产生的反射来利用膜片进行匹配的原理便是利用膜片的产生的反射来抵消由于负载不匹配所产生的反射波。抵消由于负载不匹配所产生的反射波。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件薄对称电感膜片相对电纳的近似式为薄对称电感膜片相对电纳的近似式为: :薄对称电容膜片相对电纳的近似式为薄对称电容膜片相对电纳的近似式为:将感性膜片和容性膜片组合在一起便得到示的谐振窗。将感性膜片和容性膜片组合在一起便得到示的谐振窗。它对某一特定频率产生谐振，电磁波可以无反射的通过。它
13、对某一特定频率产生谐振，电磁波可以无反射的通过。其等效电路相当于并联谐振回路。如下图所示：其等效电路相当于并联谐振回路。如下图所示：第第8章章 常用微波元件常用微波元件销钉销钉它在波导中起电感作用，可用作匹配元件和谐振元件，它在波导中起电感作用，可用作匹配元件和谐振元件，常用于构成波导滤波器。常用于构成波导滤波器。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件销钉的相对感纳与棒的粗细有关，棒越细，电感量越大，销钉的相对感纳与棒的粗细有关，棒越细，电感量越大，其相对电纳越小；同样粗细的棒，根数越多，相对电纳其相对电纳越小；同样粗细的棒，根数越多，相对电纳越大。置于越大。置于a a/2/2处的单销钉相对电
14、纳的近似式为处的单销钉相对电纳的近似式为 螺钉调配器螺钉调配器 螺钉调配器调整较为方便。螺钉是低功率微波装置中普遍螺钉调配器调整较为方便。螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件。采用的调谐和匹配元件。第第8章章 常用微波元件常用微波元件实用时，为避免波导短路和击穿，通常设计螺钉成容性，实用时，为避免波导短路和击穿，通常设计螺钉成容性，作可变电容用，螺钉旋入波导的深度应小于作可变电容用，螺钉旋入波导的深度应小于3b/4,b3b/4,b为矩形为矩形波导窄边的尺寸。波导窄边的尺寸。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件l衰减与相移元件衰减与相移元件衰减和相移元件分别用来改变导行系统中电磁场的
15、幅度衰减和相移元件分别用来改变导行系统中电磁场的幅度和相位，衰减器和相移器联合使用，可以调节导行系统和相位，衰减器和相移器联合使用，可以调节导行系统中电磁波的传播常数。中电磁波的传播常数。理想衰减器在衰减量连续可变时，相移量应固定不变。理想衰减器在衰减量连续可变时，相移量应固定不变。衰减量可变的二端口网络，其散射矩阵为：衰减量可变的二端口网络，其散射矩阵为：第第8章章 常用微波元件常用微波元件理想相移器应该是一个具有单位振幅，即相位变化过程理想相移器应该是一个具有单位振幅，即相位变化过程中，其衰减量固定不变。相移量可变的二端口网络，其中，其衰减量固定不变。相移量可变的二端口网络，其散射矩阵为：
16、散射矩阵为：吸收式衰减器吸收式衰减器 第第8章章 常用微波元件常用微波元件l波形变换元件波形变换元件为了从一种导行系统元件过渡到另一种导行系统元件。为了从一种导行系统元件过渡到另一种导行系统元件。或过渡到同种导行系统的另一种元件并要求产生所需要或过渡到同种导行系统的另一种元件并要求产生所需要的工作模式，就需要采用波形变换元件。的工作模式，就需要采用波形变换元件。波导激励的一般方法与装置波导激励的一般方法与装置 （1 1）探针激励（电耦合）探针激励（电耦合）第第8章章 常用微波元件常用微波元件（2 2）环激励（磁耦合）环激励（磁耦合）（3 3）孔或缝激励）孔或缝激励第第8章章 常用微波元件常用微波元件（4 4）直接过渡）直接过渡通过波导截面形状的逐渐变形，可将原波导中的模式转通过波导截面形状的逐渐变形，可将原波导中的模式转换成另一种波导中所需要的模式。换成另一种波导中所需要的模式。矩形波导矩形波导TETE1010模转换成圆波导模转换成圆波导TETE1111模的方模的方 - - 圆过渡圆过渡 第第8章章 常用微波元件常用微波元件
