常用微波元件

常用微波元件第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日無論在哪個頻段工作的電子設備,都需要各種功能的元器件,既有如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路等無源元器件,以實現(xiàn)信號匹配、分配、濾波等;又有晶體管等有源元器件,以實現(xiàn)信號產(chǎn)生、放大、調(diào)制、變頻等。微波系統(tǒng)也不例外地有各種無源、有源元器件,它們的功能是對微波信號進行必要的處理或變換,它們是微波系統(tǒng)的重要組成部分。(1)微波元器件按其變換性質(zhì)可分為:線性互易元器件、線性非互易元器件以及非線性元器件三大類。(2)微波元件都是由導行系統(tǒng)構(gòu)成的，從導行系統(tǒng)的種類可以分為：波導型、同軸型、微帶型等等。第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日線性互易元器件只對微波信號進行線性變換而不改變頻率特性，并滿足互易定理,它主要包括各種微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件等;線性非互易元器件主要是指鐵氧體器件,它的散射矩陣不對稱,但仍工作在線性區(qū)域,主要包括隔離器、環(huán)行器等;非線性元器件能引起頻率的改變,從而實現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻等,主要包括微波電子管、微波晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場效應管及微波電真空器件等。本章主要介紹一些常用元件的工作原理和基本特性第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日短路負載又稱為短路器，它的作用是將電磁能量全部反射回去。將同軸線和波導終端短路，即分別成為同軸線和波導固定短路器。

實際很多情況下將短路負載做成可調(diào)的，其主要的要求為：1)保證接觸處的損耗小，其反射系數(shù)的模接近12)當活塞移動時，接觸損耗的變化要小。3)大功率條件下，活塞與波導(同軸導體)之間不能發(fā)生打火現(xiàn)象。1、短路負載6.1一端口元件一端口元件常用的有短路負載、匹配負載以及失配負載。2、短路負載的實現(xiàn)形式：接觸式和扼流式兩種(1)接觸式波導接觸式短路器第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日同軸接觸式短路器短路器的電流分布從電流分布可以看出，其在短路處的電流為最大值，相應的開路端為電流節(jié)點。優(yōu)缺點：結(jié)構(gòu)簡單；缺點是活塞移動時接觸不恒定，彈簧片會逐漸磨損，大功率時，容易發(fā)生打火現(xiàn)象。第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)扼流式波導扼流式短路器同軸扼流式短路器扼流式短路器的等效電路從等效電路可以看出，其輸入阻抗第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日(二)匹配負載

匹配負載能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。當需要在傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時，都要用到匹配負載。其結(jié)構(gòu)：通常為一段短路波導或同軸線，其中放有吸波材料。對匹配負載的指標：（1）頻率：有較寬的工作頻帶，（2)輸入駐波比：輸入駐波比?。?）功率容量：具有一定的功率容量。通常將功率容量<1W的稱為低功率負載，將功率容量>1W的稱為高功率負載。

第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日

如圖所示，低功率匹配負載由短路金屬波導及在其內(nèi)部沿電場方向放置劈型或楔型吸收片(通常由陶瓷、玻璃等薄片介質(zhì)涂以金屬粉末制成[將導致表面接觸電阻])，為了獲得好的吸收性能，通常吸收片的長度為1~2個波導波長。第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日(三)失配負載失配負載(mismatchload)是既吸收一部分功率又反射一部分功率的負載。實際使用的失配負載都制作成具有一定駐波比的標準失配負載。結(jié)構(gòu)：與匹配負載相同，只是波導口徑的窄邊b不相同。駐波比和反射系數(shù)的關(guān)系為：假設b0為標準波導的窄邊尺寸，b為失配負載波導的窄邊尺寸。因為反射系數(shù)的大小和導行系統(tǒng)的等效特性阻抗相關(guān)，因此有：第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日Z0為標準波導的等效特性阻抗，Z為失配負載波導的等效特性阻抗。從而駐波比可以表示為：第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日從上面的公式可以看出，對于不同的駐波比可以選擇不同的失配負載波導的窄邊。第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日6.2二端口元件1.無耗互易二端口網(wǎng)絡的基本性質(zhì)二端口元件等效為二端口微波網(wǎng)絡，其散射矩陣為：第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日2.連接元件連接元件的作用是將作用不同的微波元件連接成完整的系統(tǒng)。主要技術(shù)指標要求：插入損耗小、駐波比小，功率容量大、工作頻帶寬等。1)波導接頭波導接頭：平頭接頭和扼流接頭平頭波導接頭的優(yōu)點：加工方便，體積小，頻帶寬，主要應用于寬帶波導元件和測試中。第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日扼流接頭平頭法蘭端面切出四分之一波長深的抗流槽，槽口距波導內(nèi)壁也是四分之一波長，也就是槽底距波導內(nèi)表面為二分之一波長。這樣即可在機械接觸處造成電流波節(jié)，即使在兩波導端面間略有間隙或錯扭，其間仍會呈現(xiàn)短路電抗，達到對直流開路、對射頻短路的微波耦合。扼流法蘭的優(yōu)點：加工簡單，安裝方便，功率容量大，缺點：工作頻帶較窄。

第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日2)同軸接頭同軸線之間的連接可以使用同軸接頭實現(xiàn)，常用的同軸接頭有N型，SMA和BNC型。為了連接的需要，N型和SMA接頭有陰陽之分。BNC型SMAN型第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日（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，而且還應該考慮模式的變換。

1、同軸線波導轉(zhuǎn)換器

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

通常在波導與微帶線之間加一段脊波導過渡段來實現(xiàn)阻抗匹配。

同軸線波導

波導微帶

第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)拐角、彎曲和扭轉(zhuǎn)元件同軸線微帶

3、同軸線微帶轉(zhuǎn)接器微波系統(tǒng)中為了改變電磁波傳播的方向，需要采用拐角和彎曲元件；當需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向的時候，需要用到扭轉(zhuǎn)元件。技術(shù)指標：反射應盡可能的小、工作頻帶盡可能的寬，功率容量。第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日改變傳播方向的拐角、彎曲波導元件改變極化方向的扭轉(zhuǎn)波導元件第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、匹配元件(1)膜片

波導中的膜片是垂直于波導管軸的金屬片，有對稱和不對稱之分。一般在調(diào)諧的時候采用不對稱膜片結(jié)構(gòu)，而當負載輸出要求對稱輸出的時候，則需要對稱膜片。膜片可分成感性膜片、容性膜片。膜片實現(xiàn)匹配的原理：利用膜片產(chǎn)生的反射波來抵消負載不匹配而產(chǎn)生的反射波(注意是相差造成的抵消)1、電感膜片：如圖所示的膜片波導中傳輸?shù)腡E10模的磁場在膜片處集中，得到加強，呈電感性。稱為電感膜片。

電感膜片及其等效電路第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日當膜片的厚度可以忽略的時候，膜片的歸一化電納近似表示為：2、電容膜片：如圖所示的膜片波導中傳輸?shù)腡E10模的電場在膜片處集中，得到加強，呈電容性，稱為電容膜片。當膜片的厚度可以忽略的時候，膜片的歸一化電納近似表示為：

電容膜片及其等效電路第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、諧振窗當感性膜片和容性膜片組合在一起，如圖所示，即構(gòu)成所謂的諧振窗。其等效電路相當于并聯(lián)諧振回路，針對于某個頻率，將產(chǎn)生諧振，從而使得電磁波無衰減的通過。平行耦合帶線的奇偶模電場線分布

諧振窗的材料：玻璃、聚四氟乙烯、陶瓷片，金屬片等等。第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)、銷釘銷釘是垂直于波導寬邊的金屬圓棒。如圖所示，在波導中其電感作用，常用于構(gòu)成波導濾波器。第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日銷釘?shù)南鄬﹄娂{和棒的粗細有關(guān)，棒越細，電感量越大，其相對電納越小，同樣粗細的棒，根數(shù)越多，相對電納越大。置于a/2處的單根銷釘相對電納的近似值可以通過下面的式子來求：(3)、螺釘調(diào)配器用膜片和銷釘匹配時，膜片和銷釘在波導中的位置固定后就不容易再進行調(diào)整，如果電路的性能仍然不佳，則需要使用螺釘調(diào)配器(簡稱調(diào)諧螺釘)進行調(diào)整。其結(jié)構(gòu)如圖所示為了避免和波導短路和擊穿，通常調(diào)諧螺釘呈容性，即作為可變電容使用。對應的插入波導的深度應該小于0.75b，螺釘分為單調(diào)諧螺釘，雙調(diào)諧螺釘，三調(diào)諧螺釘?shù)鹊?。第二十四頁，共五十三頁?022年，8月28日4衰減器和移相器衰減器和移相器均屬于二端口網(wǎng)絡。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: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。衰減器和移相器聯(lián)合使用，可以調(diào)節(jié)導行系統(tǒng)中的電磁波的傳播常數(shù)。一、衰減器理想的衰減器應是只有衰減而無相移(相移量為0)的二端口網(wǎng)絡，其散射矩陣為:衰減器的衰減量表示為：

第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日在波導內(nèi)放入與電場方向平行的吸收片，當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。

(1)吸收式衰減器第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、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，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：衰減器使用的是衰減片，而移相器使用的是介質(zhì)片。第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日6.3三端口元件即具有三個端口波導、微帶、同軸接頭的器件，如功率分配器，環(huán)形器等等。1、無耗三端口網(wǎng)絡的性質(zhì)第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日上述散射參數(shù)矩陣[ST]和[SR]不同，表示的是非互易無耗三端口網(wǎng)絡為一個理想的環(huán)形器，對應的功率流的方向不同。第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日2.三端口功率分配/合成元件通常有E-T、H-T以及電阻性功率分配器和wilkinson功率分配器1)T型接頭

如圖所示，T型接頭是一種最簡單的功率分配、合成器件。其可以用任何的導行系統(tǒng)來實現(xiàn)。有互易、無耗網(wǎng)絡的性質(zhì)，可以知道其不可能實現(xiàn)三個端口同時匹配。第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日無耗T型接頭的傳輸線模型接頭處存在與不連續(xù)性相關(guān)的邊緣場和高次模，因而在接頭附近有儲能，用集總電納B表示。如圖所示，為了使功率分配器的輸入阻抗和傳輸線的特性阻抗Z0匹配，因此有第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日

對于無耗傳輸線，傳輸線的特性阻抗為實數(shù)。如果等效的集總電納為0，則上面的式子可以寫為：

而實際的情況其電納不會為0，這里的0值可以通過加入和B特性相反的電抗性調(diào)諧元件來抵消，即B為感抗，加容性調(diào)諧元件；B為容抗，加感性調(diào)諧元件。由于接頭處的電壓相等，因此可以通過選擇不同的輸出分支線的特性阻抗來確定端口的輸出功率，即不同的功率分配比。如果輸入端口匹配，對應的輸出端口將不會匹配，可以通過阻抗變換器來實現(xiàn)端口匹配。第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日

例子：如圖所示的無耗T形接頭功率分配器，要求輸入功率以2：1比例分配，求輸出線的特性阻抗以及輸出端口的反射系數(shù)。第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日3.波導分支器

將微波能量從主波導中分路接出的元件稱為波導分支器(即T形分支，簡稱單T),它是微波功率分配器件的一種,常用的波導分支器有E面T型分支、H面T型分支。圖5-22E-T分支結(jié)構(gòu)及等效電路(1)E-T分支

E面T型分支器是在主波導寬邊面上的分支,其軸線平行于主波導的TE10模的電場方向,簡稱E-T分支。其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖5-22所示,由等效電路可見,E-T分支相當于分支波導與主波導串聯(lián)。第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日當微波信號從端口“③”輸入時,平均地分給端口“①、②”,但兩端口是等幅反相的;當信號從端口“①、②”反相激勵時,則在端口“③”合成輸出最大;而當同相激勵端口“①、②”時,端口“③”將無輸出。由此可得E-T分支的［S］參數(shù)為第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)H-T分支H-T分支是在主波導窄邊面上的分支,其軸線平行于主波導TE10模的磁場方向,其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖5-23所示,可見H-T分支相當于并聯(lián)于主波導的分支線。當微波信號從端口“③”輸入時,平均地分給端口“①、②”,這兩端口得到的是等幅同相的TE10波;當在端口“①、②”同相激勵時,端口“③”合成輸出最大,而當反相激勵時端口“③”將無輸出。H-T分支的散射矩陣為：圖5-23H-T分支結(jié)構(gòu)及等效電路第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日3)電阻性功率分配器

根據(jù)三端口網(wǎng)絡的性質(zhì)，當網(wǎng)絡含有有耗元件的時候，可以將所有端口實現(xiàn)匹配。如圖所示，其端口均接Z0的特性阻抗，從接頭看，其端口阻抗Z為：等分三端口電阻性功率分配器第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日Wilkinson微帶功分器T型接頭的確定是三個端口不能同時做到匹配，輸出端口之間沒有任何隔離，電阻性功率分配可以實現(xiàn)三個端口完全匹配，但是輸出端口之間仍然達不到隔離要求，由三端口的網(wǎng)絡特性可以知道，有耗元件能實現(xiàn)端口完全匹配且輸出端口之間具有隔離。功率分配器中大功率微波功分器采用波導或同軸線結(jié)構(gòu)，中小功率則采用帶狀線或微帶線結(jié)構(gòu)即(Wilkinson功率分配器)。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第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日功分器應滿足下列條件：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：第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日按條件(3)，由上式可得若取，則有由條件(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。如圖由于在中心頻率處電刻度

=/2，Zin2=Z022/R2，Zin3=Z032/R3為純電阻，則端口1的輸入導納為：如以輸入電阻表示功率比,則：可解得：第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日6.4四端口元件四端口元件中在微波電路中應用得最多的為定向耦合器元件1.無耗互易四端口網(wǎng)絡的基本性質(zhì)無耗互易四端口網(wǎng)絡的散射矩陣可以表示為：約定端口1為輸入端口，其他的端口分別為輸出端口，耦合端口或隔離端口。第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日1).無耗互易四端口網(wǎng)絡可以完全匹配，且為一理想定向耦合器第四十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日一、定向耦合器的技術(shù)指標

定向耦合器一般屬于四端口網(wǎng)絡，它有輸入端、直通端、耦合端和隔離端，分別對應右圖所示的1、2、3和4端口