常用微波元件課件

第五章常用微波元件5-1引

言

微波元件的功能在于對微波信號進(jìn)行各種變換，按其變換性質(zhì)可將微波元件分為如下三類：一、線性互易元件凡是元件中沒有非線性和非互易性物質(zhì)都屬于這一類。常用的線性互易元件包括：匹配負(fù)載、衰減器、移相器、短路活塞、功分器、微波電橋、定向耦合器、阻抗變換器和濾波器等。二、線性非互易元件這類元件中包含磁化鐵氧體等各向異性媒質(zhì)，具有非互易特性，其散射矩陣是不對稱的。但仍工作于線性區(qū)域，屬于線性元件范圍。常用的線性非互易元件有隔離器、環(huán)行器等。1第五章常用微波元件5-1引言微波元件的功能第五章常用微波元件三、非線性元件

這類元件中含有非線性物質(zhì)，能對微波信號進(jìn)行非線性變換，從而引起頻率的改變，并能通過電磁控制以改變元件的特性參量。常用的非線性元件有檢波器、混頻器、變頻器等。微波元件分類：

近年來，為了實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)的小型化，開始采用由微帶和集總參數(shù)元件組成的微波集成電路，可以在一塊基片上做出大量的元件，組成復(fù)雜的微波系統(tǒng)，完成各種不同功能。2第五章常用微波元件三、非線性元件這類元件中含有非線第五章常用微波元件5-2波導(dǎo)中的電抗元件

電抗元件包括電感器和電容器。電感器是指能夠集中磁場和存儲磁能的元件；而電容器是指能夠集中電場和存儲電能的元件。一、電容膜片在矩形波導(dǎo)的橫向放置一塊金屬膜片，在其上對稱或不對稱之處開一個與波導(dǎo)寬壁尺寸相同的窄長窗口，如圖所示。

電容膜片及其等效電路電納的近似計算公式為

3第五章常用微波元件5-2波導(dǎo)中的電抗元件電抗第五章常用微波元件矩形波導(dǎo)中的電感膜片及其等效電路如圖所示。當(dāng)在波導(dǎo)窄壁上放置金屬膜片后，會使波導(dǎo)寬壁上的電流產(chǎn)生分流，于是在膜片的附近必然會產(chǎn)生磁場，并存儲一部分磁能，因此這種膜片稱為電感膜片。二、電感膜片

電感膜片及其等效電路

電感膜片電納的近似計算公式為4第五章常用微波元件矩形波導(dǎo)中的電感膜片及其等效電路如圖所示第五章常用微波元件三、

諧振窗

下圖給出了諧振窗的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。即在橫向金屬膜片上開設(shè)一個小窗，稱為諧振窗。

四、螺釘

螺釘插入波導(dǎo)的深度可以調(diào)節(jié)，電納的性質(zhì)和大小可隨之改變，使用方便，是小功率微波設(shè)備中常采用的調(diào)諧和匹配元件。

諧振窗及其等效電路波導(dǎo)可調(diào)螺釘及其等效電路

5第五章常用微波元件三、諧振窗四、螺釘諧振窗及其等效電路波第五章常用微波元件5-3連接元件和終端負(fù)載一、連接元件

在微波技術(shù)中，把相同類型傳輸線連接在一起的裝置統(tǒng)稱為接頭。常用的接頭有同軸接頭和波導(dǎo)接頭兩種。把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置稱為轉(zhuǎn)接元件，又稱作轉(zhuǎn)換接頭。常用的有同軸線與波導(dǎo)、同軸線與微帶線、波導(dǎo)與微帶線間的轉(zhuǎn)接元件。（一）接頭

對接頭的基本要求是：連接點(diǎn)接觸可靠，不引起電磁的反射，輸入駐波比盡可能小，一般在1.2以下；工作頻帶要寬；電磁能量無泄漏；結(jié)構(gòu)牢固，裝拆方便，易于加工等。

波導(dǎo)接頭

6第五章常用微波元件5-3連接元件和終端負(fù)載一、連接元件第五章常用微波元件（二）轉(zhuǎn)接元件

在將不同類型的傳輸線或元件連接時，不僅要考慮阻抗匹配，而且還應(yīng)該考慮模式的變換。

1、同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

連接同軸線與波導(dǎo)的元件，稱為同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。2、波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)接器

通常在波導(dǎo)與微帶線之間加一段脊波導(dǎo)過渡段來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

同軸線波導(dǎo)

波導(dǎo)微帶

7第五章常用微波元件（二）轉(zhuǎn)接元件在將不同類型的傳輸線第五章常用微波元件3、

同軸線微帶轉(zhuǎn)接器

同軸線微帶轉(zhuǎn)接器的結(jié)構(gòu)如圖所示。與微帶連接處的同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑的選取與微帶線的特性阻抗有關(guān)，通常使內(nèi)導(dǎo)體直徑等于微帶線導(dǎo)帶的寬度。

4、矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)模式變換器

矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)模式變換器，大多采用波導(dǎo)橫截面的逐漸變化來達(dá)到模式的變換。

同軸線微帶

8第五章常用微波元件3、同軸線微帶轉(zhuǎn)接器同軸線微帶第五章常用微波元件二、終端負(fù)載

傳輸線終端所接元件稱為終端負(fù)載，常用的終端負(fù)載有匹配負(fù)載和短路負(fù)載兩種。匹配負(fù)載是將所有的電磁能量全部吸收而無反射；而短路負(fù)載是將所有的電磁能量全部反射回去，一點(diǎn)能量也不吸收

(一)匹配負(fù)載

匹配負(fù)載能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。當(dāng)需要在傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時，都要用到匹配負(fù)載。

對匹配負(fù)載的基本要求是：（1）有較寬的工作頻帶，（2)輸入駐波比小和一定的功率容量。

9第五章常用微波元件二、終端負(fù)載傳輸線終端所接元件稱為第五章常用微波元件(二）短路負(fù)載

短路負(fù)載又稱為短路器，它的作用是將電磁能量全部反射回去。將同軸線和波導(dǎo)終端短路，即分別成為同軸線和波導(dǎo)固定短路器。

10第五章常用微波元件(二）短路負(fù)載短路負(fù)載又稱為短路器第五章常用微波元件5-4衰減器和移相器衰減器和移相器均屬于二端口網(wǎng)絡(luò)。衰減器的作用是對通過它的微波能量產(chǎn)生衰減；移相器的作用是對通過它的微波信號產(chǎn)生一定的相移，微波能量可無衰減地通過。一、衰減器

理想的衰減器應(yīng)是只有衰減而無相移的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為

衰減器的衰減量表示為：

dB11第五章常用微波元件5-4衰減器和移相器衰減器和移相器均屬第五章常用微波元件衰減器在原理上可以分為吸收式和截止式兩種

在波導(dǎo)內(nèi)放入與電場方向平行的吸收片，當(dāng)微波能量通過吸收片時，將吸收一部分能量而產(chǎn)生衰減，這種衰減器稱為吸收衰減器，如圖所示。

（一）、吸收式12第五章常用微波元件衰減器在原理上可以分為吸收式和截止式兩種第五章常用微波元件（二）、截止式截止衰減器是在傳輸線中插入一小段橫向尺寸較小的傳輸線段，使電磁波在這一小段傳輸線內(nèi)處在截止?fàn)顟B(tài)下傳輸，即電磁波經(jīng)過這段傳輸線后微波能量很快衰減，控制截止傳輸線的長度，就可以調(diào)節(jié)衰減量的大小，如圖所示。13第五章常用微波元件（二）、截止式截止衰減器是在傳輸線中插入第五章常用微波元件二、移相器

移相器是對電磁波只產(chǎn)生一定的相移而不產(chǎn)生能量衰減的微波元件，它是一個無反射、無衰減的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為其中移相器的相移量為

因此，可變移相器與可變衰減器在結(jié)構(gòu)形式上完全相似，所不同的是：前者是改變介質(zhì)片的位置，后者是改變吸收片的位置。14第五章常用微波元件二、移相器移相器是對電磁波只產(chǎn)生一定的第五章常用微波元件5-5阻抗變換器

為了消除不良反射現(xiàn)象，可在其間接入一阻抗變換器，以獲得良好的匹配。常用的阻抗變換器有兩種：一種是由四分之一波長傳輸線段構(gòu)成的階梯阻抗變換器(包括單節(jié)和多節(jié))；另一種是漸變線阻抗變換器。

一、單節(jié)/4阻抗變換器

如右圖所示，若主傳輸線的特性阻抗為Z0，終端接一純電阻性負(fù)載ZL

，但ZLZ0，則可以在傳輸線與負(fù)載之間接入一特性阻抗為Z1、長度l=p0/4的傳輸線段來實(shí)現(xiàn)匹配。

15第五章常用微波元件5-5阻抗變換器為了消除不良反射現(xiàn)象第五章常用微波元件設(shè)此時T0面上的反射系數(shù)為，則上式取模為在中心頻率附近，上式可近似為16第五章常用微波元件設(shè)此時T0面上的反射系數(shù)為，則上式取模第五章常用微波元件當(dāng)=0時，此時反射系數(shù)的模達(dá)到最大值，反射系數(shù)隨(或頻率)作周期變化，周期為。如果設(shè)為反射系數(shù)模的最大容許值，則由/4阻抗變換器提供的工作帶寬對應(yīng)于圖中Δθ限定的頻率范圍。由于當(dāng)

偏離時曲線急速下降，所以工作帶寬是很窄的。17第五章常用微波元件當(dāng)=0時，此時反射系數(shù)的模達(dá)到最大第五章常用微波元件當(dāng)時

通常用分?jǐn)?shù)帶寬Wq表示頻帶寬度，Wq與m有如下關(guān)系當(dāng)已知ZL

和Z0，且給定頻帶內(nèi)容許的時，則由式可計算出相對帶寬Wq值；反之，若給定Wq值，也可求出變換器的，計算中m取小于/2的值。對于單一頻率或窄頻帶的阻抗匹配來說，一般單節(jié)變換器提供的帶寬能夠滿足要求。但如果要求在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，那就必須采用下面要討論的多節(jié)階梯阻抗變換器或漸變線阻抗變換器。18第五章常用微波元件當(dāng)時通常用分?jǐn)?shù)帶寬W第五章常用微波元件二、多節(jié)階梯阻抗變換器

多節(jié)階梯阻抗變換器具有寬頻帶特性，現(xiàn)以下圖所示的兩節(jié)/4階梯阻抗變換器為例進(jìn)行分析。令變換器兩端所接傳輸線的特性阻抗分別為Z0和ZL，并假設(shè)ZL>Z0。每一節(jié)具有同樣的長度l=p0/4，當(dāng)工作于中心頻率f0時，電長度=

l=/2。T0、T1及T2為各階梯處的參考面，0、1及2分別為對應(yīng)參考面上的局部電壓反射系數(shù)。設(shè)兩節(jié)/4傳輸線段的特性阻抗分別為Z1和Z2，且ZL

>Z1>Z2>Z0，則局部電壓反射系數(shù)分別為19第五章常用微波元件二、多節(jié)階梯阻抗變換器多節(jié)階梯阻抗變換第五章常用微波元件T0參考面上，

T0面上總的電壓反射系數(shù)為然而在多節(jié)階梯的情況下，由于多節(jié)突變面數(shù)目增多，參與抵消作用的反射波數(shù)量也增多，從而在m相同的條件下，使工作頻帶增寬。對于N節(jié)階梯變換器

其模值為20第五章常用微波元件T0參考面上，T0面上總的電壓反射系數(shù)第五章常用微波元件三、漸變線阻抗變換器

所謂漸變線，是指其特性阻抗按一定規(guī)律平滑地由一條傳輸線的特性阻抗過渡到另一條傳輸線的特性阻抗。只要增加/4階梯阻抗變換器的節(jié)數(shù)，就能增寬工作頻帶。然而，節(jié)數(shù)的增加，導(dǎo)致變換器的總長度也隨之增加。如果選用漸變線，則既可增寬頻帶又不致使變換器尺寸過大。漸變線可以看作是由階梯數(shù)目無限增多而每個階梯段長度無限縮短的階梯變換器演變而來，如圖所示。

漸變線輸入端總的反射系數(shù)in為21第五章常用微波元件三、漸變線阻抗變換器所謂漸變線，是指第五章常用微波元件5-6定向耦合器定向耦合器分類:22第五章常用微波元件5-6定向耦合器定向耦合器分類:22第五章常用微波元件下圖給出了幾種定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為微帶分支定向耦合器，圖(b)為波導(dǎo)單孔定向耦合器，圖(c)為平行耦合線定向耦合器，圖(d)為波導(dǎo)匹配雙T，圖(e)為波導(dǎo)多孔定向耦合器，圖(f)為微帶混合環(huán)。23第五章常用微波元件下圖給出了幾種定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其第五章常用微波元件一、定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)

定向耦合器一般屬于四端口網(wǎng)絡(luò)，它有輸入端、直通端、耦合端和隔離端，分別對應(yīng)右圖所示的1、2、3和4端口。定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、隔離度(或方向性)、輸入駐波比和工作帶寬。

(一)

耦合度C耦合度C定義為輸入端的輸入功率P1與耦合端的輸出功率P3之比的分貝數(shù)，即（dB)24第五章常用微波元件一、定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)定向耦合器一般第五章常用微波元件由于定向耦合器是一個可逆四端口網(wǎng)絡(luò)，因此耦合度又可表示由此可見耦合度的分貝數(shù)愈大耦合愈弱。通常把耦合度為0~10dB的定向耦合器稱為強(qiáng)耦合定向耦合器；把耦合度為10~20dB的定向耦合器稱為中等耦合定向耦合器；把耦合度大于20dB的定向耦合器稱為弱耦合定向耦合器。(dB)25第五章常用微波元件由于定向耦合器是一個可逆四端口網(wǎng)絡(luò)，因此第五章常用微波元件(二）隔離度D

隔離度D定義為輸入端的輸入功率P1與隔離端的輸出功率P4之比的分貝數(shù)，即(dB)若用散射參量來描述，則有(dB)在理想情況下，隔離端應(yīng)無輸出功率，即P4=0，此時隔離度為無限大。但實(shí)際上由于設(shè)計或加工制作的不完善，常有極小部分功率從隔離端輸出，使隔離度不再為無限大。有時用方向性D′(dB)來表示耦合器的隔離性能，它是耦合端輸出功率P3與隔離端的輸出功率P4之比的分貝數(shù)。也可用散射參量來表示方向性，即26第五章常用微波元件(二）隔離度D隔離度D定義為輸入端的輸?shù)谖逭鲁Ｓ梦⒉ㄔ?三）、輸入駐波比

將定向耦合器除輸入端外，其余各端均接上匹配負(fù)載時，輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比。此時，網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)即為網(wǎng)絡(luò)的散射參量S11，故有（四）、頻帶寬度

頻帶寬度是指耦合度、隔離度(或方向性)及輸入駐波比都滿足指標(biāo)要求時，定向耦合器的工作頻帶寬度，簡稱工作帶寬。27第五章常用微波元件(三）、輸入駐波比將定向耦合器除輸入第五章常用微波元件二、波導(dǎo)型定向耦合器

大多數(shù)波導(dǎo)定向耦合器的耦合都是通過在主、副波導(dǎo)間公共壁上的耦合孔來實(shí)現(xiàn)的。通過耦合孔將主波導(dǎo)中的電磁能量耦合到副波導(dǎo)中，并具有一定的方向性。副波導(dǎo)各端口輸出功率的大小，決定于耦合孔的大小、形狀和位置。波導(dǎo)定向耦合器的種類很多，最常用的波導(dǎo)定向耦合器有：單孔、多孔和十字孔定向耦合器。下圖給出了三種常用波導(dǎo)定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為寬壁斜交單孔耦合器，圖(b)為多孔定向耦合器，圖(c)為十字孔定向耦合器。

28第五章常用微波元件二、波導(dǎo)型定向耦合器大多數(shù)波導(dǎo)定向耦合第五章常用微波元件

最簡單的雙孔定向耦合器，是在兩個波導(dǎo)的公共窄壁上開有形狀、尺寸完全相同、相距d為p0/4的兩個耦合孔，如下圖(a)所示。在波導(dǎo)窄壁b/2處，取一個水平縱截面，如圖(b)所示。

這種定向耦合器的定向性是由各孔耦合波相互干涉而得到的，只要控制耦合孔的大小，形狀以及兩耦合孔的距離，使耦合波在一個方向上同相疊加而有輸出，在另一個方向上反相疊加而無輸出或減小輸出，從而獲得定向性。29第五章常用微波元件最簡單的雙孔定向耦合器，是在兩個波導(dǎo)第五章常用微波元件三、

平行耦合線定向耦合器*

平行耦合線定向耦合器是TEM波傳輸線定向耦合器的一種主要形式。這種平行耦合線定向耦合器通常用微帶線或帶狀線來實(shí)現(xiàn)。

平行耦合線定向耦合器30第五章常用微波元件三、平行耦合線定向耦合器*平行耦合第五章常用微波元件

耦合帶狀線定向耦合器的橫截面如圖，主、副線的中心導(dǎo)帶均放置在兩塊平行接地板之間。

奇、偶模二端口網(wǎng)絡(luò)的歸一化轉(zhuǎn)移參量如下31第五章常用微波元件耦合帶狀線定向耦合器的橫截面如圖，主第五章常用微波元件可求得相應(yīng)的e、Te及o、To的表達(dá)式：各端口輸出電壓與耦合線參量之間的關(guān)系為32第五章常用微波元件可求得相應(yīng)的e、Te及o、To的第五章常用微波元件由以上分析可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：不論耦合區(qū)電長度

為何值，要獲得理想匹配及理想隔離特性，即，必須滿足條件：或

耦合端口3的輸出電壓及直通端口2的輸出電壓,都是頻率的函數(shù)。當(dāng)工作在中心頻率時，

=/2，這時耦合端輸出為最大，且與同相，即令上式中

k稱為中心頻率的電壓耦合系數(shù)。33第五章常用微波元件由以上分析可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：耦合端口3第五章常用微波元件不論為何值，耦合端輸出電壓的相位比直通端輸出電壓的相位超前/2。當(dāng)

=/2時，定向耦合器的耦合度由下式確定：

一旦給定中心頻率時的耦合度C(dB)，便可由解得耦合帶狀線偶、奇模特性阻抗分別為由34第五章常用微波元件不論為何值，耦合端輸出電壓的相位比直通第五章常用微波元件當(dāng)電長度

=/2時，耦合器各端口輸出的電壓可由簡化為平行耦合線定向耦合器的等效四端口網(wǎng)絡(luò)具有可逆、無耗、對稱的特性，由此可寫出網(wǎng)絡(luò)的散射參量矩陣[S]為35第五章常用微波元件當(dāng)電長度=/2時，耦合器各端口輸?shù)谖逭鲁Ｓ梦⒉ㄔτ隈詈衔Ь€定向耦合器，由于耦合微帶線的奇偶模相速不相等，導(dǎo)致定向性變壞。為了提高方向性，可采用如下圖中(a)和(b)兩種形式。圖(a)為鋸齒形定向耦合器，由于耦合縫隙采用鋸齒形可增加奇模電容、降低奇模相速，從而提高方向性。圖(b)為介質(zhì)覆蓋定向耦合器，在耦合區(qū)帶線的上方再覆蓋一塊與基片材料相同的介質(zhì)塊，塊的厚度大致與基片厚度相等，以減小奇、偶模相速的差異，從而提高定向性。

改善微帶線定向耦合器性能措施*36第五章常用微波元件對于耦合微帶線定向耦合器，由于耦合微帶線第五章常用微波元件單節(jié)耦合線定向耦合器的頻帶比較窄，為了增寬頻帶可采用多節(jié)定向耦合器相級聯(lián)，如下圖(a)所示。平行耦合線定向耦合器的耦合強(qiáng)弱與兩線間距有關(guān)，間距愈小，耦合愈強(qiáng)。但耦合太強(qiáng)，工藝上又無法實(shí)現(xiàn)，因此常采用兩只弱耦合定向耦合器相串接的辦法得到強(qiáng)耦合定向耦合器。圖(b)為兩只8.34dB的定向耦合器串接即可得到一只3dB定向耦合器。

平行耦合線定向耦合器的組合*37第五章常用微波元件單節(jié)耦合線定向耦合器的頻帶比較窄，為了增第五章常用微波元件四、分支定向耦合器

分支定向耦合器是由兩根平行的主傳輸線和若干耦合分支線組成。分支線的長度及相鄰分支線之間的距離均為p0/4。這種分支定向耦合器可以用矩形波導(dǎo)、同軸線、帶狀線和微帶線來實(shí)現(xiàn)。波導(dǎo)型分支定向耦合器是由E-T分支構(gòu)成，根據(jù)E-T分支的性質(zhì)，分支線是串聯(lián)在主線上的，為串聯(lián)結(jié)構(gòu)；而同軸型、帶狀型和微帶型分支是與主線相并聯(lián)的，為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

微帶型雙分支定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖等效為一個四端口網(wǎng)絡(luò)。它是一個對稱、可逆、無耗的四端口網(wǎng)絡(luò)。38第五章常用微波元件四、分支定向耦合器分支定向耦合器第五章常用微波元件

(一)雙分支定向耦合器的工作原理

這種定向耦合器是通過兩個耦合波的路程差引起的相位差來達(dá)到定向的。當(dāng)信號由1端口輸入時，經(jīng)過A點(diǎn)分ABC和ADC兩路到達(dá)C點(diǎn)，由于兩路路程相同，故兩路在C點(diǎn)同相相加，使3端口有輸出；1端口的輸入信號經(jīng)過A點(diǎn)分AD和ABCD兩路到達(dá)D點(diǎn)，由于兩路的路程差為p0/2，即相位差為，故兩路信號在D點(diǎn)相抵消，使4端口無輸出。故這種定向耦合器稱為同向定向耦合器，由于2和3端口輸出信號的相位差為90，故又稱為90同向定向耦合器。

（二)雙分支定向耦合器的特性分析

雙分支定向耦合器是一個四端口網(wǎng)絡(luò)，左右對稱的雙分支定向耦合器各線段的歸一化導(dǎo)納的設(shè)計公式39第五章常用微波元件

(一)雙分支定向耦合器的工作原理（二)第五章常用微波元件*5-7微帶功分器

定向耦合器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本也較高，在單純進(jìn)行功率分配的情況下，用得并不多，通常用功分器來完成。大功率微波功分器采用波導(dǎo)或同軸線結(jié)構(gòu)，中小功率則采用帶狀線或微帶線結(jié)構(gòu)。

右圖是微帶三端口功分器原理圖。信號由1端口(所接傳輸線的特性阻抗為Z0)輸入，分別經(jīng)過特性阻抗為Z02、Z03的兩段微帶線從2和3端口輸出，負(fù)載電阻分別為R2及R3。兩段傳輸線在中心頻率時電長度均為

=/2，它們之間沒有耦合。微帶三端口功分器原理圖40第五章常用微波元件*5-7微帶功分器定向耦合器的第五章常用微波元件功分器應(yīng)滿足下列條件：2端口與3端口的輸出功率比可為任意指定值；1端口無反射；2端口與3端口的輸出電壓等幅、同相。

由于2端口、3端口的輸出功率與輸出電壓的關(guān)系分別為如由條件(1)要求輸出功率比為則

41第五章常用微波元件功分器應(yīng)滿足下列條件：由于2端口、3端口第五章常用微波元件按條件(3)，由上式可得若取，則由條件(2)，即1端口無反射，所以要求由Zin2與Zin3并聯(lián)而成的總輸入阻抗等于Z0。由于在中心頻率

=/2，Zin2=Z022/R2，Zin3=Z032/R3為純電阻，則如以輸入電阻表示功率比，則可解得42第五章常用微波元件按條件(3)，由上式可得若取第五章常用微波元件5-8波導(dǎo)匹配雙T一、波導(dǎo)的T形接頭

矩形波導(dǎo)的T形接頭有E-T接頭和H-T接頭兩種，如圖所示。其中E-T接頭的分支波導(dǎo)寬面與主波導(dǎo)中TE10模的電場所在平面平行；H-T接頭的分支波導(dǎo)的寬面與主波導(dǎo)中TE10模的磁場所在的平面平行。

43第五章常用微波元件5-8波導(dǎo)匹配雙T一、波導(dǎo)的T形接頭第五章常用微波元件對于波導(dǎo)的T形接頭，我們把主波導(dǎo)的兩臂分別稱為1和2端口，分支臂稱為3端口。分析波導(dǎo)的T形接頭的工作特性，可利用波導(dǎo)中TE10模的電場分布來分析。E-T接頭和H-T接頭中TE10模的電場分布分別如圖所示。

44第五章常用微波元件對于波導(dǎo)的T形接頭，我們把主波導(dǎo)的兩臂分第五章常用微波元件E-T接頭具有下列特性：由于1和2端口在結(jié)構(gòu)上對稱，故有：S11=S22；當(dāng)信號從3端口輸入時，則1和2端口有等幅反相輸出，用散射參量表示則有：

S13=-S23；當(dāng)信號由1和2端口等幅同相輸入時，3端口無輸出，此時對稱面為電場的波腹點(diǎn)；反過來，當(dāng)信號由1和2端口等幅反相輸入時，3端口輸出最大，此時對稱面為電場的波節(jié)點(diǎn)。45第五章常用微波元件E-T接頭具有下列特性：45H-T接頭具有下列特性：

當(dāng)信號從3端口輸入時，則1和2端口有等幅同相相輸出，用散射參量表示則有：

S13=S23；由于1和2端口在結(jié)構(gòu)上對稱，故有：S11=S22；當(dāng)信號由1和2端口等幅同相輸入時，3端口輸出最大，此時，3端口對稱面處為電場波腹點(diǎn)；反之，當(dāng)信號由1和2端口等幅反相輸入時，3端口無輸出，3端口對稱面處為電場波節(jié)點(diǎn)。4646第五章常用微波元件二、普通雙T和匹配雙T

將具有共同對稱面的E-T接頭和H-T接頭組合起來，即構(gòu)成普通雙T接頭，如右圖所示。

雙T接頭可等效為一個可逆無耗四端口網(wǎng)絡(luò)，其散射參量矩陣為47第五章常用微波元件二、普通雙T和匹配雙T將具有共同對第五章常用微波元件對于普通的雙T接頭，由于連接處結(jié)構(gòu)突變，即使雙T各臂均接匹配負(fù)載，接頭處也會產(chǎn)生反射，為了消除反射，通常在接頭處加入匹配元件(如螺釘、膜片或錐體等)，就可以得到匹配的雙T，它具有下列重要性質(zhì)：匹配特性：在理想情況下，它的四個端口是完全匹配的，只要1和2端口能調(diào)到匹配，3和4端口一定匹配，即S11=S22=S33=S44=0；隔離特性：當(dāng)3和4端口具有隔離特性時，即S34=S43=0，則1和2端口也具有隔離特性，即S12=S21=0；平分特性：當(dāng)信號由3端口輸入時，則反相等分給1和2端口，即S13=-S23；當(dāng)信號由4端口輸入時，同相等分給1和2端口，即S14=S24；當(dāng)信號由1端口輸入時，則同相等分給3和4端口，即S31=S41；當(dāng)信號由2端口輸入時，則反相等分給3和4端口，即S32=-S42。故匹配雙T的散射參量矩陣為48第五章常用微波元件對于普通的雙T接頭，由于連接處結(jié)構(gòu)突變，第五章常用微波元件5-9微波濾波器微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。

微波濾波器按作用分類，可劃分為低通、高通、帶通和帶阻等四種類型的濾波器，如下圖所示。49第五章常用微波元件5-9微波濾波器微波濾波器是用來分離第五章常用微波元件為了描述濾波器的濾波特性，一般常用的是插入衰減隨頻率變化的曲線。插入衰減的定義為

式中Pi為濾波器所接信號源的最大輸出功率，PL為濾波器的負(fù)載吸收功率。微波濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有：工作頻帶的中心頻率、帶寬、通帶內(nèi)允許的最大衰減、阻帶內(nèi)允許的最小衰減、阻帶向通帶過渡時的陡度和通帶內(nèi)群時延的變化等。

50第五章常用微波元件為了描述濾波器的濾波特性，一般常用的是插第五章常用微波元件一、利用四分之一波長傳輸線并聯(lián)電抗元件的濾波器

濾波器的結(jié)構(gòu)是：在一特性阻抗為Z0的傳輸線上，每隔p/4的距離就并接一個電抗性元件(它的實(shí)際結(jié)構(gòu)可以是短路支線、膜片或螺釘)，設(shè)其阻抗分別為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6，RL是濾波器所接的負(fù)載。51第五章常用微波元件一、利用四分之一波長傳輸線并聯(lián)電抗元件的第五章常用微波元件二、利用高低阻抗線構(gòu)成的濾波器適當(dāng)選取每段傳輸線的長度和它的特性阻抗，并按一定順序把它們級聯(lián)在一起，就構(gòu)成了這種型式的濾波器。

由于它結(jié)構(gòu)緊湊、便于設(shè)計、性能較好，因此是低通濾波器中一種常用的結(jié)構(gòu)形式。52第五章常用微波元件二、利用高低阻抗線構(gòu)成的濾波器適當(dāng)選取每第五章常用微波元件高低阻抗線的結(jié)構(gòu)示意圖及其等效電路實(shí)際中應(yīng)用的濾波器遠(yuǎn)不止上面講的這些，例如，利用耦合傳輸線之間的相互作用，利用諧振腔或許多諧振腔的級聯(lián)等，都可以構(gòu)成微波濾波器。53第五章常用微波元件高低阻抗線的結(jié)構(gòu)示意圖及其等效電路實(shí)際中第五章常用微波元件5-10微波諧振器微波諧振器又稱作微波諧振腔，它廣泛應(yīng)用于微波信號源、微波濾波器及波長計中。它相當(dāng)于低頻集中參數(shù)的LC諧振回路，是一種基本的微波元件。諧振腔是微波振蕩器、濾波器、波長計的重要組成部分。微波諧振器可由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段組成，電磁波在其上呈駐波分布，即電磁能量不能傳輸，只能來回振蕩。因此，微波諧振器是具有儲能與選頻特性的微波元件。

微波諧振器可以定性地看作是由集中參數(shù)LC諧振回路過渡而來的。

54第五章常用微波元件5-10微波諧振器微波諧振器又稱作微波第五章常用微波元件

一、諧振器的電磁能量關(guān)系及品質(zhì)因數(shù)Q

微波諧振器中電磁能量關(guān)系和集中參數(shù)LC諧振回路中能量關(guān)系有許多相似之處，如圖。55第五章常用微波元件一、諧振器的電磁能量關(guān)系及第五章常用微波元件微波諧振器和LC諧振回路的區(qū)別LC諧振回路的電場能量集中在電容器中，磁場能量集中在電感器，而微波諧振器是分布參數(shù)回路，電場能量和磁場能量是空間分布的；LC諧振回路只有一個諧振頻率，而微波諧振器一般有無限多個諧振頻率；微波諧振器可以集中較多的能量，且損耗較小，因此它的品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)大于LC集中參數(shù)回路的品質(zhì)因數(shù)，另外，微波諧振器有不同的諧振模式(即諧振波型)。微波諧振器有兩個基本參量：諧振頻率f0(或諧振波長0)和品質(zhì)因數(shù)Q。56第五章常用微波元件微波諧振器和LC諧振回路的區(qū)別56第五章常用微波元件（一）諧振頻率f0

諧振頻率f0是指諧振器中該模式的場量發(fā)生諧振時的頻率，也經(jīng)常用諧振波長0表示。它是描述諧振器中電磁能量振蕩規(guī)律的參量。諧振頻率可采用電納法分析。在諧振時，諧振器內(nèi)電場能量和磁場能量彼此相互轉(zhuǎn)換，其諧振器內(nèi)總的電納為零。如果采用某種方法得到諧振器的等效電路，并將所有的等效電納歸算到同一個參考面上，則諧振時，此參考面上總的電納為零，即利用上式便可以求得諧振頻率。57第五章常用微波元件（一）諧振頻率f0諧振頻率f0是指諧振第五章常用微波元件（二）、品質(zhì)因數(shù)Q

品質(zhì)因數(shù)Q是微波諧振器的一個主要參量，它描述了諧振器選擇性的優(yōu)劣和能量損耗的大小，其定義為式中W0為諧振器中的儲能，PL為諧振器中的損耗功率。其它計算公式58第五章常用微波元件（二）、品質(zhì)因數(shù)Q品質(zhì)因數(shù)Q是微波諧振第五章常用微波元件二、同軸諧振腔

同軸諧振腔通常分為/2型、/4型及電容加載型三種。其工作特點(diǎn)簡要介紹如下。(一)/2型同軸諧振腔/2型同軸諧振腔由兩端短路的一段同軸線構(gòu)成，如下圖所示。諧振條件為59第五章常用微波元件二、同軸諧振腔同軸諧振腔通常分為/2第五章常用微波元件由上式可導(dǎo)出諧振波長0與腔體長度l的關(guān)系為或/2型同軸諧振腔的品質(zhì)因數(shù)為

當(dāng)(b/a)=3.6時，同軸腔的品質(zhì)因數(shù)Q0達(dá)最大。60第五章常用微波元件由上式可導(dǎo)出諧振波長0與腔體長度l的關(guān)第五章常用微波元件(二)/4型同軸諧振腔

諧振時應(yīng)滿足：

或諧振波長0與腔體長度l的關(guān)系為

由于這類同軸腔內(nèi)導(dǎo)體長度為0/4的奇數(shù)倍，故稱為四分之一波長型同軸諧振腔。/4型同軸諧振腔61第五章常用微波元件(二)/4型同軸諧振腔諧振時應(yīng)滿足第五章常用微波元件(三)電容加載型同軸諧振腔

電容加載型同軸諧振腔如右圖所示。諧振條件：滿足諧振條件的C值由右式確定如果將縫隙電場近似看作均勻分布，則式中C可按平板電容公式計算0為空氣的介電常數(shù)，a為同軸腔內(nèi)導(dǎo)體半徑，d為縫隙寬度。62第五章常用微波元件(三)電容加載型同軸諧振腔電容加載第五章常用微波元件三、矩形諧振腔

矩形諧振腔是由一段兩端短路的矩形波導(dǎo)構(gòu)成，它的橫截面尺寸為ab，長度為l，如下圖所示。(一)諧振模式及其場分布矩形波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪Ｊ接蠺E模和TM模，相應(yīng)諧振腔中同樣有TE諧振模和TM諧振模，分別以TEmnp和TMmnp表示，其中下標(biāo)m、n和p分別表示場分量沿波導(dǎo)寬壁、窄壁和腔長度方向上分布的駐波數(shù)。在眾多諧振模中，TE101為最低諧振模。63第五章常用微波元件三、矩形諧振腔矩形諧振腔是由一段兩端第五章常用微波元件(二)諧振波長諧振條件與/2型同軸諧振腔相同，波導(dǎo)中傳輸?shù)牟ㄊ巧⒉?。矩形諧振腔諧振波長計算公式

式中c為波導(dǎo)中相應(yīng)模式的截止波長。此式也適用于圓柱諧振腔。對于矩形腔有TE101模的諧振波長為它為最低諧振模。當(dāng)波導(dǎo)尺寸滿足b<a<時，則模式的諧振波長最長，故它為最低諧振模式。64第五章常用微波元件(二)諧振波長矩形諧振腔諧振波長計算公第五章常用微波元件四、圓柱諧振腔

圓柱諧振腔是由一段長度為l，兩端短路的圓波導(dǎo)構(gòu)成，其圓柱腔半徑為R。圓柱腔中場分布分析方法和諧振波長的計算與矩形腔相同。式中m、n和p分別表示場分量沿圓周、半徑和腔長度方向分布的駐波數(shù)。65第五章常用微波元件四、圓柱諧振腔圓柱諧振腔是由一段長第五章常用微波元件(一)三種常用諧振模式圓柱腔中最常用的三個諧振模式為TM010模、TE111模和TE011模。下面分別說明這三種諧振模式的特點(diǎn)和應(yīng)用。TM010模圓波導(dǎo)TM01模的截止波長c=2.62R和p=0圓柱腔TM010模的諧振波長0的計算公式為TE111模

圓柱腔TE111模的諧振波長0的計算公式為

TE011模

圓柱腔TE011模的諧振波長0的計算公式為66第五章常用微波元件(一)三種常用諧振模式TE111模第五章常用微波元件(二)模式圖對于圓柱腔TEmnp諧振模，有對于圓柱腔TMmnp諧振模，有

若取不同的m、n和p值，將上面兩式畫在橫坐標(biāo)為(D/l)2，縱坐標(biāo)為(f0D)2的坐標(biāo)系內(nèi)，則可構(gòu)成模式圖---調(diào)諧曲線。即使同一個腔長，對于不同的模式都會同時諧振于同一個頻率上，這就是圓柱腔存在的干擾模問題。

67第五章常用微波元件(二)模式圖對于圓柱腔TEmnp諧振模諧振腔中的幾種干擾波型場結(jié)構(gòu)在橫截面內(nèi)與所選工作波型分布規(guī)律相同，但縱向場結(jié)構(gòu)和諧振頻率不同

下標(biāo)m、n相同，p不同（如TE011與TE012）與工作波型耦合最強(qiáng)，難抑制自干擾型與工作波型調(diào)諧曲線平行，斜率為(cp/2)2

下標(biāo)p相同，但m、n不同調(diào)諧時，不同l有相同fr或同一l有多個f0一般干擾型簡并型與工作波型調(diào)諧曲線完全重合、f0相同場結(jié)構(gòu)完全不同單模腔與多模腔68諧振腔中的幾種干擾波型場結(jié)構(gòu)在橫截面內(nèi)與所選工作波型分布工作方框69工作方框69第五章常用微波元件設(shè)計圓柱諧振腔注意事項(xiàng):合理選擇工作方框(以工作模式的調(diào)諧直線為對角線，由最大和最小的(f0D)2和相對應(yīng)(D/l)2所確定的區(qū)域)，使工作方框內(nèi)不出現(xiàn)或少出現(xiàn)不需要的干擾模式。工作方框?qū)?yīng)所選的工作模式，方框的中心位置由固有品質(zhì)因數(shù)來確定，一般取D/l=1。方框的高度由工作頻帶來確定。在工作方框中任何非對角線模式，都是不需要的干擾模式,應(yīng)盡量避免干擾模進(jìn)入工作方框。合理選擇激勵和耦合機(jī)構(gòu)，使干擾模不被激勵，或者使已出現(xiàn)的干擾模無法耦合輸出。70第五章常用微波元件設(shè)計圓柱諧振腔注意事項(xiàng):70第五章常用微波元件五、微帶諧振器

由微帶線構(gòu)成的具有諧振特性的元件，總有一部分未被導(dǎo)體包圍，未能構(gòu)成腔體，所示稱為微帶諧振器。微帶諧振器有微帶線段諧振器、微帶環(huán)形諧振器和微帶盤形諧振器等形式。（一）、/2和/4微帶諧振器

微帶線是一種準(zhǔn)TEM波傳輸線，因此和同軸諧振腔相類似諧振條件為兩端開路的/2微帶諧振器可等效為下圖所示的電路。71第五章常用微波元件五、微帶諧振器由微帶線構(gòu)成的具有第五章常用微波元件開路微帶邊緣電容的存在，而使微帶諧振器的實(shí)際長度l縮短。用微帶線中計算邊緣電容的方法可求得l的近似計算公式為類似地，/4微帶諧振器的諧振條件為(二)環(huán)形微帶諧振器環(huán)形微帶諧振器是將微帶線的導(dǎo)帶做成閉合圓環(huán)構(gòu)成的，如右圖所示。諧振條件為72第五章常用微波元件開路微帶邊緣電容的存在，而使微帶諧振器的第五章常用微波元件六、諧振腔的等效電路任何耦合形式的諧振腔，都可以分解成耦合電路和諧振電路的組合，從而使問題的分析大為簡化。(一)單個諧振腔的等效電路單模工作的微波諧振腔可等效成下圖所示的RLC串聯(lián)諧振回路或GLC并聯(lián)諧振回路。73第五章常用微波元件六、諧振腔的等效電路任何耦合形式的諧振第五章常用微波元件對于串聯(lián)諧振回路，其輸入阻抗為諧振腔在外電路中呈現(xiàn)的輸入阻抗在窄帶內(nèi)具有這樣的特性就可等效為串聯(lián)諧振回路。對于并聯(lián)諧振回路，其輸入導(dǎo)納為諧振腔在外電路中呈現(xiàn)的輸入導(dǎo)納在窄帶內(nèi)具有這樣的特性就可等效為并聯(lián)諧振回路。74第五章常用微波元件對于串聯(lián)諧振回路，其輸入阻抗為諧振腔在外第五章常用微波元件(二)有耦合的諧振腔及其等效電路實(shí)際使用的諧振腔必須與外電路連接。即諧振腔必須有輸入端口，或有一個輸入端口和一個輸出端口，通過這些端口使諧振腔與外電路相耦合以進(jìn)行能量交換。圖(a)所示為具有一個輸入端口的微波諧振腔圖(b)為其等效電路。R、L、C是表征諧振腔自身特性的參量，n是表示耦合強(qiáng)弱的變壓器匝數(shù)比。Z0是信號源的內(nèi)阻。ZL

=n2Z0表示經(jīng)過耦合變換到諧振回路中的外加負(fù)載。ZL的引入使諧振腔的損耗功率增大，品質(zhì)因數(shù)降低。75第五章常用微波元件(二)有耦合的諧振腔及其等效電路圖(a第五章常用微波元件圖(a)、(b)為具有一個輸入端口和一個輸出端口的微波諧振腔及其等效電路。其中n1和n2分別表示輸入及輸出耦合變壓器的匝數(shù)比。Z0是信號源的內(nèi)阻，RL是負(fù)載電阻。圖(c)是將Z0和RL變換到諧振腔的等效串聯(lián)諧振回路中所得到的等效電路。76第五章常用微波元件圖(a)、(b)為具有一個輸入端口和第五章常用微波元件諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)QL與固有品質(zhì)因數(shù)Q0、外部品質(zhì)因數(shù)Qe之間的關(guān)系為則可見有載品質(zhì)因數(shù)總是小于固有品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)電路理論，Q0、Qe及QL可表示為上式表明諧振腔的輸出耦合越緊，則有載品質(zhì)因數(shù)QL值越低。高QL可以通過提高固有品質(zhì)因數(shù)Q0和減弱負(fù)載與諧振腔的耦合來達(dá)到。77第五章常用微波元件諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)QL與固有品質(zhì)因數(shù)Q微波常用元器件圖片7878負(fù)載衰減器79負(fù)載衰減器79倍頻器80倍頻器8070_75_微波檢波器8170_75_微波檢波器815400_微波檢波器825400_微波檢波器82波導(dǎo)大功率負(fù)載83波導(dǎo)大功率負(fù)載83波導(dǎo)鐵氧體器件84波導(dǎo)鐵氧體器件84帶線鐵氧體器件85帶線鐵氧體器件85同軸鐵氧體器件86同軸鐵氧體器件86作業(yè)：5-3，5-4，5-8，5-14，5-15，5-2287作業(yè)：5-3，5-4，5-8，5-14，5-15，5-228題目組合：11-2-321-2-431-2-541-3-751-4-661-2-671-4-781-2-791-3-688題目組合：11-2-321-2-4第五章常用微波元件5-1引

言

微波元件的功能在于對微波信號進(jìn)行各種變換，按其變換性質(zhì)可將微波元件分為如下三類：一、線性互易元件凡是元件中沒有非線性和非互易性物質(zhì)都屬于這一類。常用的線性互易元件包括：匹配負(fù)載、衰減器、移相器、短路活塞、功分器、微波電橋、定向耦合器、阻抗變換器和濾波器等。二、線性非互易元件這類元件中包含磁化鐵氧體等各向異性媒質(zhì)，具有非互易特性，其散射矩陣是不對稱的。但仍工作于線性區(qū)域，屬于線性元件范圍。常用的線性非互易元件有隔離器、環(huán)行器等。89第五章常用微波元件5-1引言微波元件的功能第五章常用微波元件三、非線性元件

這類元件中含有非線性物質(zhì)，能對微波信號進(jìn)行非線性變換，從而引起頻率的改變，并能通過電磁控制以改變元件的特性參量。常用的非線性元件有檢波器、混頻器、變頻器等。微波元件分類：

近年來，為了實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)的小型化，開始采用由微帶和集總參數(shù)元件組成的微波集成電路，可以在一塊基片上做出大量的元件，組成復(fù)雜的微波系統(tǒng)，完成各種不同功能。90第五章常用微波元件三、非線性元件這類元件中含有非線第五章常用微波元件5-2波導(dǎo)中的電抗元件

電抗元件包括電感器和電容器。電感器是指能夠集中磁場和存儲磁能的元件；而電容器是指能夠集中電場和存儲電能的元件。一、電容膜片在矩形波導(dǎo)的橫向放置一塊金屬膜片，在其上對稱或不對稱之處開一個與波導(dǎo)寬壁尺寸相同的窄長窗口，如圖所示。

電容膜片及其等效電路電納的近似計算公式為

91第五章常用微波元件5-2波導(dǎo)中的電抗元件電抗第五章常用微波元件矩形波導(dǎo)中的電感膜片及其等效電路如圖所示。當(dāng)在波導(dǎo)窄壁上放置金屬膜片后，會使波導(dǎo)寬壁上的電流產(chǎn)生分流，于是在膜片的附近必然會產(chǎn)生磁場，并存儲一部分磁能，因此這種膜片稱為電感膜片。二、電感膜片

電感膜片及其等效電路

電感膜片電納的近似計算公式為92第五章常用微波元件矩形波導(dǎo)中的電感膜片及其等效電路如圖所示第五章常用微波元件三、

諧振窗

下圖給出了諧振窗的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。即在橫向金屬膜片上開設(shè)一個小窗，稱為諧振窗。

四、螺釘

螺釘插入波導(dǎo)的深度可以調(diào)節(jié)，電納的性質(zhì)和大小可隨之改變，使用方便，是小功率微波設(shè)備中常采用的調(diào)諧和匹配元件。

諧振窗及其等效電路波導(dǎo)可調(diào)螺釘及其等效電路

93第五章常用微波元件三、諧振窗四、螺釘諧振窗及其等效電路波第五章常用微波元件5-3連接元件和終端負(fù)載一、連接元件

在微波技術(shù)中，把相同類型傳輸線連接在一起的裝置統(tǒng)稱為接頭。常用的接頭有同軸接頭和波導(dǎo)接頭兩種。把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置稱為轉(zhuǎn)接元件，又稱作轉(zhuǎn)換接頭。常用的有同軸線與波導(dǎo)、同軸線與微帶線、波導(dǎo)與微帶線間的轉(zhuǎn)接元件。（一）接頭

對接頭的基本要求是：連接點(diǎn)接觸可靠，不引起電磁的反射，輸入駐波比盡可能小，一般在1.2以下；工作頻帶要寬；電磁能量無泄漏；結(jié)構(gòu)牢固，裝拆方便，易于加工等。

波導(dǎo)接頭

94第五章常用微波元件5-3連接元件和終端負(fù)載一、連接元件第五章常用微波元件（二）轉(zhuǎn)接元件

在將不同類型的傳輸線或元件連接時，不僅要考慮阻抗匹配，而且還應(yīng)該考慮模式的變換。

1、同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

連接同軸線與波導(dǎo)的元件，稱為同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。2、波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)接器

通常在波導(dǎo)與微帶線之間加一段脊波導(dǎo)過渡段來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

同軸線波導(dǎo)

波導(dǎo)微帶

95第五章常用微波元件（二）轉(zhuǎn)接元件在將不同類型的傳輸線第五章常用微波元件3、

同軸線微帶轉(zhuǎn)接器

同軸線微帶轉(zhuǎn)接器的結(jié)構(gòu)如圖所示。與微帶連接處的同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑的選取與微帶線的特性阻抗有關(guān)，通常使內(nèi)導(dǎo)體直徑等于微帶線導(dǎo)帶的寬度。

4、矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)模式變換器

矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)模式變換器，大多采用波導(dǎo)橫截面的逐漸變化來達(dá)到模式的變換。

同軸線微帶

96第五章常用微波元件3、同軸線微帶轉(zhuǎn)接器同軸線微帶第五章常用微波元件二、終端負(fù)載

傳輸線終端所接元件稱為終端負(fù)載，常用的終端負(fù)載有匹配負(fù)載和短路負(fù)載兩種。匹配負(fù)載是將所有的電磁能量全部吸收而無反射；而短路負(fù)載是將所有的電磁能量全部反射回去，一點(diǎn)能量也不吸收

(一)匹配負(fù)載

匹配負(fù)載能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。當(dāng)需要在傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時，都要用到匹配負(fù)載。

對匹配負(fù)載的基本要求是：（1）有較寬的工作頻帶，（2)輸入駐波比小和一定的功率容量。

97第五章常用微波元件二、終端負(fù)載傳輸線終端所接元件稱為第五章常用微波元件(二）短路負(fù)載

短路負(fù)載又稱為短路器，它的作用是將電磁能量全部反射回去。將同軸線和波導(dǎo)終端短路，即分別成為同軸線和波導(dǎo)固定短路器。

98第五章常用微波元件(二）短路負(fù)載短路負(fù)載又稱為短路器第五章常用微波元件5-4衰減器和移相器衰減器和移相器均屬于二端口網(wǎng)絡(luò)。衰減器的作用是對通過它的微波能量產(chǎn)生衰減；移相器的作用是對通過它的微波信號產(chǎn)生一定的相移，微波能量可無衰減地通過。一、衰減器

理想的衰減器應(yīng)是只有衰減而無相移的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為

衰減器的衰減量表示為：

dB99第五章常用微波元件5-4衰減器和移相器衰減器和移相器均屬第五章常用微波元件衰減器在原理上可以分為吸收式和截止式兩種

在波導(dǎo)內(nèi)放入與電場方向平行的吸收片，當(dāng)微波能量通過吸收片時，將吸收一部分能量而產(chǎn)生衰減，這種衰減器稱為吸收衰減器，如圖所示。

（一）、吸收式100第五章常用微波元件衰減器在原理上可以分為吸收式和截止式兩種第五章常用微波元件（二）、截止式截止衰減器是在傳輸線中插入一小段橫向尺寸較小的傳輸線段，使電磁波在這一小段傳輸線內(nèi)處在截止?fàn)顟B(tài)下傳輸，即電磁波經(jīng)過這段傳輸線后微波能量很快衰減，控制截止傳輸線的長度，就可以調(diào)節(jié)衰減量的大小，如圖所示。101第五章常用微波元件（二）、截止式截止衰減器是在傳輸線中插入第五章常用微波元件二、移相器

移相器是對電磁波只產(chǎn)生一定的相移而不產(chǎn)生能量衰減的微波元件，它是一個無反射、無衰減的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為其中移相器的相移量為

因此，可變移相器與可變衰減器在結(jié)構(gòu)形式上完全相似，所不同的是：前者是改變介質(zhì)片的位置，后者是改變吸收片的位置。102第五章常用微波元件二、移相器移相器是對電磁波只產(chǎn)生一定的第五章常用微波元件5-5阻抗變換器

為了消除不良反射現(xiàn)象，可在其間接入一阻抗變換器，以獲得良好的匹配。常用的阻抗變換器有兩種：一種是由四分之一波長傳輸線段構(gòu)成的階梯阻抗變換器(包括單節(jié)和多節(jié))；另一種是漸變線阻抗變換器。

一、單節(jié)/4阻抗變換器

如右圖所示，若主傳輸線的特性阻抗為Z0，終端接一純電阻性負(fù)載ZL

，但ZLZ0，則可以在傳輸線與負(fù)載之間接入一特性阻抗為Z1、長度l=p0/4的傳輸線段來實(shí)現(xiàn)匹配。

103第五章常用微波元件5-5阻抗變換器為了消除不良反射現(xiàn)象第五章常用微波元件設(shè)此時T0面上的反射系數(shù)為，則上式取模為在中心頻率附近，上式可近似為104第五章常用微波元件設(shè)此時T0面上的反射系數(shù)為，則上式取模第五章常用微波元件當(dāng)=0時，此時反射系數(shù)的模達(dá)到最大值，反射系數(shù)隨(或頻率)作周期變化，周期為。如果設(shè)為反射系數(shù)模的最大容許值，則由/4阻抗變換器提供的工作帶寬對應(yīng)于圖中Δθ限定的頻率范圍。由于當(dāng)

偏離時曲線急速下降，所以工作帶寬是很窄的。105第五章常用微波元件當(dāng)=0時，此時反射系數(shù)的模達(dá)到最大第五章常用微波元件當(dāng)時

通常用分?jǐn)?shù)帶寬Wq表示頻帶寬度，Wq與m有如下關(guān)系當(dāng)已知ZL

和Z0，且給定頻帶內(nèi)容許的時，則由式可計算出相對帶寬Wq值；反之，若給定Wq值，也可求出變換器的，計算中m取小于/2的值。對于單一頻率或窄頻帶的阻抗匹配來說，一般單節(jié)變換器提供的帶寬能夠滿足要求。但如果要求在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，那就必須采用下面要討論的多節(jié)階梯阻抗變換器或漸變線阻抗變換器。106第五章常用微波元件當(dāng)時通常用分?jǐn)?shù)帶寬W第五章常用微波元件二、多節(jié)階梯阻抗變換器

多節(jié)階梯阻抗變換器具有寬頻帶特性，現(xiàn)以下圖所示的兩節(jié)/4階梯阻抗變換器為例進(jìn)行分析。令變換器兩端所接傳輸線的特性阻抗分別為Z0和ZL，并假設(shè)ZL>Z0。每一節(jié)具有同樣的長度l=p0/4，當(dāng)工作于中心頻率f0時，電長度=

l=/2。T0、T1及T2為各階梯處的參考面，0、1及2分別為對應(yīng)參考面上的局部電壓反射系數(shù)。設(shè)兩節(jié)/4傳輸線段的特性阻抗分別為Z1和Z2，且ZL

>Z1>Z2>Z0，則局部電壓反射系數(shù)分別為107第五章常用微波元件二、多節(jié)階梯阻抗變換器多節(jié)階梯阻抗變換第五章常用微波元件T0參考面上，

T0面上總的電壓反射系數(shù)為然而在多節(jié)階梯的情況下，由于多節(jié)突變面數(shù)目增多，參與抵消作用的反射波數(shù)量也增多，從而在m相同的條件下，使工作頻帶增寬。對于N節(jié)階梯變換器

其模值為108第五章常用微波元件T0參考面上，T0面上總的電壓反射系數(shù)第五章常用微波元件三、漸變線阻抗變換器

所謂漸變線，是指其特性阻抗按一定規(guī)律平滑地由一條傳輸線的特性阻抗過渡到另一條傳輸線的特性阻抗。只要增加/4階梯阻抗變換器的節(jié)數(shù)，就能增寬工作頻帶。然而，節(jié)數(shù)的增加，導(dǎo)致變換器的總長度也隨之增加。如果選用漸變線，則既可增寬頻帶又不致使變換器尺寸過大。漸變線可以看作是由階梯數(shù)目無限增多而每個階梯段長度無限縮短的階梯變換器演變而來，如圖所示。

漸變線輸入端總的反射系數(shù)in為109第五章常用微波元件三、漸變線阻抗變換器所謂漸變線，是指第五章常用微波元件5-6定向耦合器定向耦合器分類:110第五章常用微波元件5-6定向耦合器定向耦合器分類:22第五章常用微波元件下圖給出了幾種定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為微帶分支定向耦合器，圖(b)為波導(dǎo)單孔定向耦合器，圖(c)為平行耦合線定向耦合器，圖(d)為波導(dǎo)匹配雙T，圖(e)為波導(dǎo)多孔定向耦合器，圖(f)為微帶混合環(huán)。111第五章常用微波元件下圖給出了幾種定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其第五章常用微波元件一、定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)

定向耦合器一般屬于四端口網(wǎng)絡(luò)，它有輸入端、直通端、耦合端和隔離端，分別對應(yīng)右圖所示的1、2、3和4端口。定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、隔離度(或方向性)、輸入駐波比和工作帶寬。

(一)

耦合度C耦合度C定義為輸入端的輸入功率P1與耦合端的輸出功率P3之比的分貝數(shù)，即（dB)112第五章常用微波元件一、定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)定向耦合器一般第五章常用微波元件由于定向耦合器是一個可逆四端口網(wǎng)絡(luò)，因此耦合度又可表示由此可見耦合度的分貝數(shù)愈大耦合愈弱。通常把耦合度為0~10dB的定向耦合器稱為強(qiáng)耦合定向耦合器；把耦合度為10~20dB的定向耦合器稱為中等耦合定向耦合器；把耦合度大于20dB的定向耦合器稱為弱耦合定向耦合器。(dB)113第五章常用微波元件由于定向耦合器是一個可逆四端口網(wǎng)絡(luò)，因此第五章常用微波元件(二）隔離度D

隔離度D定義為輸入端的輸入功率P1與隔離端的輸出功率P4之比的分貝數(shù)，即(dB)若用散射參量來描述，則有(dB)在理想情況下，隔離端應(yīng)無輸出功率，即P4=0，此時隔離度為無限大。但實(shí)際上由于設(shè)計或加工制作的不完善，常有極小部分功率從隔離端輸出，使隔離度不再為無限大。有時用方向性D′(dB)來表示耦合器的隔離性能，它是耦合端輸出功率P3與隔離端的輸出功率P4之比的分貝數(shù)。也可用散射參量來表示方向性，即114第五章常用微波元件(二）隔離度D隔離度D定義為輸入端的輸?shù)谖逭鲁Ｓ梦⒉ㄔ?三）、輸入駐波比

將定向耦合器除輸入端外，其余各端均接上匹配負(fù)載時，輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比。此時，網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)即為網(wǎng)絡(luò)的散射參量S11，故有（四）、頻帶寬度

頻帶寬度是指耦合度、隔離度(或方向性)及輸入駐波比都滿足指標(biāo)要求時，定向耦合器的工作頻帶寬度，簡稱工作帶寬。115第五章常用微波元件(三）、輸入駐波比將定向耦合器除輸入第五章常用微波元件二、波導(dǎo)型定向耦合器

大多數(shù)波導(dǎo)定向耦合器的耦合都是通過在主、副波導(dǎo)間公共壁上的耦合孔來實(shí)現(xiàn)的。通過耦合孔將主波導(dǎo)中的電磁能量耦合到副波導(dǎo)中，并具有一定的方向性。副波導(dǎo)各端口輸出功率的大小，決定于耦合孔的大小、形狀和位置。波導(dǎo)定向耦合器的種類很多，最常用的波導(dǎo)定向耦合器有：單孔、多孔和十字孔定向耦合器。下圖給出了三種常用波導(dǎo)定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為寬壁斜交單孔耦合器，圖(b)為多孔定向耦合器，圖(c)為十字孔定向耦合器。

116第五章常用微波元件二、波導(dǎo)型定向耦合器大多數(shù)波導(dǎo)定向耦合第五章常用微波元件

最簡單的雙孔定向耦合器，是在兩個波導(dǎo)的公共窄壁上開有形狀、尺寸完全相同、相距d為p0/4的兩個耦合孔，如下圖(a)所示。在波導(dǎo)窄壁b/2處，取一個水平縱截面，如圖(b)所示。

這種定向耦合器的定向性是由各孔耦合波相互干涉而得到的，只要控制耦合孔的大小，形狀以及兩耦合孔的距離，使耦合波在一個方向上同相疊加而有輸出，在另一個方向上反相疊加而無輸出或減小輸出，從而獲得定向性。117第五章常用微波元件最簡單的雙孔定向耦合器，是在兩個波導(dǎo)第五章常用微波元件三、

平行耦合線定向耦合器*

平行耦合線定向耦合器是TEM波傳輸線定向耦合器的一種主要形式。這種平行耦合線定向耦合器通常用微帶線或帶狀線來實(shí)現(xiàn)。

平行耦合線定向耦合器118第五章常用微波元件三、平行耦合線定向耦合器*平行耦合第五章常用微波元件

耦合帶狀線定向耦合器的橫截面如圖，主、副線的中心導(dǎo)帶均放置在兩塊平行接地板之間。

奇、偶模二端口網(wǎng)絡(luò)的歸一化轉(zhuǎn)移參量如下119第五章常用微波元件耦合帶狀線定向耦合器的橫截面如圖，主第五章常用微波元件可求得相應(yīng)的e、Te及o、To的表達(dá)式：各端口輸出電壓與耦合線參量之間的關(guān)系為120第五章常用微波元件可求得相應(yīng)的e、Te及o、To的第五章常用微波元件由以上分析可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：不論耦合區(qū)電長度

為何值，要獲得理想匹配及理想隔離特性，即，必須滿足條件：或

耦合端口3的輸出電壓及直通端口2的輸出電壓,都是頻率的函數(shù)。當(dāng)工作在中心頻率時，

=/2，這時耦合端輸出為最大，且與同相，即令上式中

k稱為中心頻率的電壓耦合系數(shù)。121第五章常用微波元件由以上分析可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：耦合端口3第五章常用微波元件不論為何值，耦合端輸出電壓的相位比直通端輸出電壓的相位超前/2。當(dāng)

=/2時，定向耦合器的耦合度由下式確定：

一旦給定中心頻率時的耦合度C(dB)，便可由解得耦合帶狀線偶、奇模特性阻抗分別為由122第五章常用微波元件不論為何值，耦合端輸出電壓的相位比直通第五章常用微波元件當(dāng)電長度

=/2時，耦合器各端口輸出的電壓可由簡化為平行耦合線定向耦合器的等效四端口網(wǎng)絡(luò)具有可逆、無耗、對稱的特性，由此可寫出網(wǎng)絡(luò)的散射參量矩陣[S]為123第五章常用微波元件當(dāng)電長度=/2時，耦合器各端口輸?shù)谖逭鲁Ｓ梦⒉ㄔτ隈詈衔Ь€定向耦合器，由于耦合微帶線的奇偶模相速不相等，導(dǎo)致定向性變壞。為了提高方向性，可采用如下圖中(a)和(b)兩種形式。圖(a)為鋸齒形定向耦合器，由于耦合縫隙采用鋸齒形可增加奇模電容、降低奇模相速，從而提高方向性。圖(b)為介質(zhì)覆蓋定向耦合器，在耦合區(qū)帶線的上方再覆蓋一塊與基片材料相同的介質(zhì)塊，塊的厚度大致與基片厚度相等，以減小奇、偶模相速的差異，從而提高定向性。

改善微帶線定向耦合器性能措施*124第五章常用微波元件對于耦合微帶線定向耦合器，由于耦合微帶線第五章常用微波元件單節(jié)耦合線定向耦合器的頻帶比較窄，為了增寬頻帶可采用多節(jié)定向耦合器相級聯(lián)，如下圖(a)所示。平行耦合線定向耦合器的耦合強(qiáng)弱與兩線間距有關(guān)，間距愈小，耦合愈強(qiáng)。但耦合太強(qiáng)，工藝上又無法實(shí)現(xiàn)，因此常采用兩只弱耦合定向耦合器相串接的辦法得到強(qiáng)耦合定向耦合器。圖(b)為兩只8.34dB的定向耦合器串接即可得到一只3dB定向耦合器。

平行耦合線定向耦合器的組合*125第五章常用微波元件單節(jié)耦合線定向耦合器的頻帶比較窄，為了增第五章常用微波元件四、分支定向耦合器

分支定向耦合器是由兩根平行的主傳輸線和若干耦合分支線組成。分支線的長度及相鄰分支線之間的距離均為p0/4。這種分支定向耦合器可以用矩形波導(dǎo)、同軸線、帶狀線和微帶線來實(shí)現(xiàn)。波導(dǎo)型分支定向耦合器是由E-T分支構(gòu)成，根據(jù)E-T分支的性質(zhì)，分支線是串聯(lián)在主線上的，為串聯(lián)結(jié)構(gòu)；而同軸型、帶狀型和微帶型分支是與主線相并聯(lián)的，為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

微帶型雙分支定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖等效為一個四端口網(wǎng)絡(luò)。它是一個對稱、可逆、無耗的四端口網(wǎng)絡(luò)。126第五章常用微波元件四、分支定向耦合器分支定向耦合器第五章常用微波元件

(一)雙分支定向耦合器的工作原理

這種定向耦合器是通過兩個耦合波的路程差引起的相位差來達(dá)到定向的。當(dāng)信號由1端口輸入時，經(jīng)過A點(diǎn)分ABC和ADC兩路到達(dá)C點(diǎn)，由于兩路路程相同，故兩路在C點(diǎn)同相相加，使3端口有輸出；1端口的輸入信號經(jīng)過A點(diǎn)分AD和ABCD兩路到達(dá)D點(diǎn)，由于兩路的路程差為p0/2，即相位差為，故兩路信號在D點(diǎn)相抵消，使4端口無輸出。故這種定向耦合器稱為同向定向耦合器，由于2和3端口輸出信號的相位差為90，故又稱為90同向定向耦合器。

（二)雙分支定向耦合器的特性分析

雙分支定向耦合器是一個四端口網(wǎng)絡(luò)，左右對稱的雙分支定向耦合器各線段的歸一化導(dǎo)納的設(shè)計公式127第五章常用微波元件

(一)雙分支定向耦合器的工作原理（二)第五章常用微波元件*5-7微帶功分器

定向耦合器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本也較高，在單純進(jìn)行功率分配的情況下，用得并不多，通常用功分器來完成。大功率微波功分器采用波導(dǎo)或同軸線結(jié)構(gòu)，中小功率則采用帶狀線或微帶線結(jié)構(gòu)。

右圖是微帶三端口功分器原理圖。信號由1端口(所接傳輸線的特性阻抗為Z0)輸入，分別經(jīng)過特性阻抗為Z02、Z03的兩段微帶線從2和3端口輸出，負(fù)載電阻分別為R2及R3。兩段傳輸線在中心頻率時電長度均為

=/2，它們之間沒有耦合。微帶三端口功分器原理圖128第五章常用微波元件*5-7微帶功分器定向耦合器的第五章常用微波元件功分器應(yīng)滿足下列條件：2端口與3端口的輸出功率比可為任意指定值；1端口無反射；2端口與3端口的輸出電壓等幅、同相。

由于2端口、3端口的輸出功率與輸出電壓的關(guān)系分別為如由條件(1)要求輸出功率比為則

129第五章常用微波元件功分器應(yīng)滿足下列條件：由于2端口、3端口第五章常用微波元件按條件(3)，由上式可得若取，則由條件(2)，即1端口無反射，所以要求由Zin2與Zin3并聯(lián)而成的總輸入阻抗等于Z0。由于在中心頻率

=/2，Zin2=Z022/R2，Zin3=Z032/R3為純電阻，則如以輸入電阻表示功率比，則可解得130第五章常用微波元件按條件(3)，由上式可得若取第五章常用微波元件5-8波導(dǎo)匹配雙T一、波導(dǎo)的T形接頭

矩形波導(dǎo)的T形接頭有E-T接頭和H-T接頭兩種，如圖所示。其中E-T接頭的分支波導(dǎo)寬面與主波導(dǎo)中TE10模的電場所在平面平行；H-T接頭的分支波導(dǎo)的寬面與主波導(dǎo)中TE10模的磁場所在的平面平行。

131第五章常用微波元件5-8波導(dǎo)匹配雙T一、波導(dǎo)的T形接頭第五章常用微波元件對于波導(dǎo)的T形接頭，我們把主波導(dǎo)的兩臂分別稱為1和2端口，分支臂稱為3端口。分析波導(dǎo)的T形接頭的工作特性，可利用波導(dǎo)中TE10模的電場分布來分析。E-T接頭和H-T接頭中TE10模的電場分布分別如圖所示。

132第五章常用微波元件對于波導(dǎo)的T形接頭，我們把主波導(dǎo)的兩臂分第五章常用微波元件E-T接頭具有下列特性：由于1和2端口在結(jié)構(gòu)上對稱，故有：S11=S22；當(dāng)信號從3端口輸入時，則1和2端口有等幅反相輸出，用散射參量表示則有：

S13=-S23；當(dāng)信號由1和2端口等幅同相輸入時，3端口無輸出，此時對稱面為電場的波腹點(diǎn)；反過來，當(dāng)信號由1和2端口等幅反相輸入時，3端口輸出最大，此時對稱面為電場的波節(jié)點(diǎn)。133第五章常用微波元件E-T接頭具有下列特性：45H-T接頭具有下列特性：

當(dāng)信號從3端口輸入時，則1和2端口有等幅同相相輸出，用散射參量表示則有：

S13=S23；由于1和2端口在結(jié)構(gòu)上對稱，故有：S11=S22；當(dāng)信號由1和2端口等幅同相輸入時，3端口輸出最大，此時，3端口對稱面處為電場波腹點(diǎn)；反之，當(dāng)信號由1和2端口等幅反相輸入時，3端口無輸出，3端口對稱面處為電場波節(jié)點(diǎn)。13446第五章常用微波元件二、普通雙T和匹配雙T

將具有共同對稱面的E-T接頭和H-T接頭組合起來，即構(gòu)成普通雙T接頭，如右圖所示。

雙T接頭可等效為一個可逆無耗四端口網(wǎng)絡(luò)，其散射參量矩陣為135第五章常用微波元件二、普通雙T和匹配雙T將具有共同對第五章常用微波元件對于普通的雙T接頭，由于連接處結(jié)構(gòu)突變，即使雙T各臂均接匹配負(fù)載，接頭處也會產(chǎn)生反射，為了消除反射，通常在接頭處加入匹配元件(如螺釘、膜片或錐體等)，就可以得到匹配的雙T，它具有下列重要性質(zhì)：匹配特性：在理想情況下，它的四個端口是完全匹配的，只要1和2端口能調(diào)到匹配，3和4端口一定匹配，即S11=S22=S33=S44=0；隔離特性：當(dāng)3和4端口具有隔離特性時，即S34=S43=0，則1和2端口也具有隔離特性，即S12=S21=0；平分特性：當(dāng)信號由3端口輸入時，則反相等分給1和2端口，即S13=-S23；當(dāng)信號由4端口輸入時，同相等分給1和2端口，即S14=S24；當(dāng)信號由1端口輸入時，則同相等分給3和4端口，即S31=S41；當(dāng)信號由2端口輸入時，則反相等分給3和4端口，即S32=-S42。故匹配雙T的散射參量矩陣為136第五章常用微波元件對于普通的雙T接頭，由于連接處結(jié)構(gòu)突變，第五章常用微波元件5-9微波濾波器微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。

微波濾波器按作用分類，可劃分為低通、高通、帶通和帶阻等四種類型的濾波器，如下圖所示。137第五章常用微波元件5-9微波濾波器微波濾波器是用來分離