第八章 微波元件

2023/2/51第八章微波元件

任何一個微波系統(tǒng)都是由傳輸線及許多作用不同的微波元件和微波信號源組成。對信號進(jìn)行各種加工和處理的元件——如對信號進(jìn)行分配、衰減、隔離、定向傳輸、相位控制、阻抗匹配與變換、波型變換、濾波等，提供這些功用的設(shè)備統(tǒng)稱為微波元件。2023/2/528.1波導(dǎo)中的電抗元件（波導(dǎo)型）

1.電容膜片——矩形波導(dǎo)窄邊變窄1）結(jié)構(gòu):如圖所示。

圖8.1矩形波導(dǎo)中的電容膜片及等效電路立體圖橫截面圖等效電路圖2023/2/53

膜片的作用:

波導(dǎo)上、下寬壁面的壁面電流分布形狀相同,方向相反.假定如圖所示.則上膜片的電流流進(jìn)膜片,下膜片的電流從膜片流出,而上下膜片之間因有介質(zhì),電流通路被截斷,此時相當(dāng)于對該膜片充電,上膜片帶正電,下膜片帶負(fù)電.

矩形波導(dǎo)內(nèi)的電磁場分布是變化的,即電磁場是沿縱向傳播的,在其后某一個時刻,上、下膜片上流過的電流方向?qū)⑴c剛才分析的方向相反，則上膜片帶負(fù)電，下膜片帶正電，相當(dāng)于膜片放電。

如此周而復(fù)始，兩膜片間的電場則周期性地變化，其間有電場能的儲存與釋放。+++++-----+-2023/2/54

金屬膜片的等效電路：

容性膜片等效為一跨接于雙線上的電容。對稱性膜片的歸一化電納為（8.1.1）2、電感膜片：——寬邊變窄結(jié)構(gòu)：橫向圖3圖8.2矩形波導(dǎo)中的電感膜片及等效電路立體圖等效電路2023/2/55

膜片的作用：磁場結(jié)構(gòu)，如圖所示：相對而言，有金屬膜片的橫截面上，其磁力線的密度將增大，因磁力線是閉合曲線。其作用相當(dāng)于在膜片之間集中了磁場。

等效電路：（8.1.2）電感2023/2/563、諧振窗：

結(jié)構(gòu)：

等效電路：綜合電容性、電感性膜片，將諧振窗看成是電容性、電感性膜片的組合，則其等效電路可近似為LC并聯(lián)回路。

特性：具有諧振特性——

當(dāng)信號頻率等于諧振頻率時，信號可無反射地通過——匹配狀態(tài)。2023/2/57圖8.3諧振窗及等效電路當(dāng)諧振窗處于失諧狀態(tài)時：若工作頻率小于諧振頻率，并聯(lián)回路呈感性；若工作頻率大于諧振頻率，并聯(lián)回路呈容性。無論是哪種情況，都會多波導(dǎo)中傳輸?shù)牟óa(chǎn)生較大的反射。2023/2/58

諧振窗實用舉例：雷達(dá)天線收發(fā)開關(guān)1、2分別為兩個諧振窗。其間進(jìn)行充氣處理——所充氣體容易電離。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的功率到達(dá)諧振窗1時，氣體電離使諧振窗成為一短路面，波將被反射而不進(jìn)入接收機(jī)，但當(dāng)工作于接收狀態(tài)時，因功率小，不足以使氣體電離，接收的信號將無反射地穿過諧振窗口而傳送到接收機(jī)。工作原理：12充氣接收機(jī)功率較大時2023/2/59電流越小圖8.4銷釘4、銷釘1）結(jié)構(gòu)如下：矩形波導(dǎo)中一根或多根垂直對穿波導(dǎo)寬壁的金屬圓棒，稱為電感銷釘。2）銷釘上有電流通過，故在銷釘周圍產(chǎn)生磁場，使銷釘呈感性電抗。銷釘?shù)闹睆皆酱螅锌乖叫?；直徑越小，感抗越大。所以，（b）圖的感抗比（a）圖的感抗小。2023/2/5105調(diào)諧螺釘:等效電納與插入深度有關(guān)。實際上，螺釘插入深度都較淺——考慮損耗及擊穿，故調(diào)諧螺釘引入的都是容性電納。容性電納的大小與螺釘直徑、插入深度、插入位置都有關(guān)。

單螺釘＜＞2023/2/511

在波導(dǎo)寬面上旋入二個或三個螺釘，

匹配原理相當(dāng)于傳輸理論中的雙跨線或三跨線匹配器。就構(gòu)成雙螺或三螺匹配器。2023/2/5128.2連接元件連接元件包含接頭和轉(zhuǎn)接元件。將相同傳輸線連接在一起的微波元件統(tǒng)稱為接頭。常用的接頭有波導(dǎo)接頭和同軸接頭。將不同傳輸線連接在一起的微波元件稱為轉(zhuǎn)接元件。8.2.1波導(dǎo)接頭（法蘭）有平接頭與抗流接頭兩種波導(dǎo)平接頭優(yōu)點：體積小、頻帶寬。缺點：機(jī)械加工要求高。2023/2/513波導(dǎo)抗流接頭優(yōu)點：電氣性能上接觸良好。缺點：頻帶窄、制作困難。接觸電阻短路短路開路平法蘭盤抗流法蘭盤2023/2/514

抗流式接頭的工作原理：a、b之間相當(dāng)于長的短路線，a、b之間的輸入電阻等于零。即a、b之間在機(jī)械上并不接觸，但在電氣性上卻保證了良好的接觸。abcd公式法：也可用圓圖法求輸入阻抗。如圖所示。2023/2/5152023/2/5168.2.2轉(zhuǎn)接元件1、傳輸線尺寸變換器圖8.7同軸線尺寸變換器特性阻抗相同，但尺寸不同的二個同軸線之間的連接即屬于傳輸線變換器。突變型漸變型等效電路2023/2/5172、階梯阻抗變換器圖8.8同軸線阻抗變換器結(jié)構(gòu)等效電路單節(jié)突變多節(jié)突變多節(jié)漸變頻帶窄頻帶寬可以做到在一定帶寬內(nèi)，使反射系數(shù)比較小，基本達(dá)到匹配的目的。2023/2/5183、同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器信號從同軸線向矩形波導(dǎo)傳輸信號從矩形波導(dǎo)向同軸線傳輸為了使同軸線與矩形波導(dǎo)相匹配，需要調(diào)節(jié)同軸線內(nèi)導(dǎo)體的插入深度、偏心距與短路活塞位置。同軸線外導(dǎo)體與波導(dǎo)寬壁連在一起，內(nèi)導(dǎo)體插入矩形波導(dǎo)中。探針2023/2/5194、同軸—微帶轉(zhuǎn)換器將同軸的內(nèi)導(dǎo)體向外延伸一小段，與微帶線的中心導(dǎo)帶搭接；將同軸線的外導(dǎo)體與微帶線的接地板相連，就構(gòu)成了同軸—微帶轉(zhuǎn)換器。2023/2/5208.3分支元件

將一路微波信號分成兩路或多路的元件稱為分支元件。E-T接頭（E面分支）

結(jié)構(gòu)：分支在主波導(dǎo)的寬邊上，且與TE10波的分量平行，故稱E面分支，也稱E—T接頭(分支)，如圖所示。191、矩形波導(dǎo)的T形接頭2023/2/521

定性分析其工作特性：（用電力線描述）令主波導(dǎo)的兩臂1、2，以分支臂4為幾何對稱面。當(dāng)TE10波從4口輸入時，1與2口將有等幅反相的輸出。當(dāng)TE10波從1、2口等幅反相輸入時，4口有輸出。當(dāng)TE10波從1、2口等幅同相輸入時，4口無輸出。243142732023/2/522

等效電路：

主波導(dǎo)用雙線等效，則根據(jù)C），分支波導(dǎo)對稱面處一定為電流的波節(jié)，故分支波導(dǎo)用串聯(lián)電抗等效。++--若分支波導(dǎo)終接短路活塞，則串聯(lián)電抗為可變電抗。2023/2/523H-T接頭（面分支）

結(jié)構(gòu)：

分支在主波導(dǎo)的窄壁上，且與TE10波的磁力線所在平面平行，故稱H面分支。也稱HT接頭(分支).162023/2/524

定性分析其工作特性：（用電力線描述）當(dāng)TE10波從3口輸入時，1口與2口將有等幅同相的輸出。當(dāng)TE10波從1、2口等幅同相輸入時，則3口有輸出。當(dāng)TE10波從1、2口等幅反相輸入時，則3口無輸出。242023/2/525jX+_

等效電路：

主波導(dǎo)等效為雙線，分支波導(dǎo)等效為并聯(lián)雙線。-+根據(jù)（c),則分支可等效為并聯(lián)電抗。若分支波導(dǎo)終接短路活塞，則串聯(lián)電抗為可變電抗。2023/2/526雙T分支及魔T雙T結(jié)構(gòu):E—T加H—T。如圖所示:

除輸入端口有信號輸入外，其余端口均接匹配負(fù)載，24272023/2/527散射參量的定義式：雙T有如下特性：2023/2/528E—T特性:當(dāng)TE10波信號由4口輸入時,1、2口有等幅反相的輸出。即S14=﹣S24⑵H—T特性：⑴當(dāng)TE10波信號由3口輸入時,1、2口有等幅同相的輸出。即S13=S23當(dāng)TE10波信號由1、2口等幅同相輸入時,4口無輸出。

當(dāng)TE10波信號由1、2口等幅同相輸入時,3口有（和）輸出。⑶雙T特性：則S34=0（3、4口互相隔離）（7-3-1）（8-3-2）E--TH—T172022262023/2/529

當(dāng)TE10波信號由1、2口等幅反相輸入時,4口有（和）輸出。E-T則S43=0（3、4口互相隔離）（8-3-3）⑷雙T結(jié)構(gòu)：對稱：S11=S22互易S12=S21S13=S31S23=S32（8-3-4）（8-3-5）當(dāng)TE10波信號由1、2口等幅反相輸入時,3口無輸出。H-TS14=S41S34=S43∵雙T內(nèi)部無非互易性介質(zhì)關(guān)于互相隔離的分析，如此說并不好理解。2023/2/530關(guān)于3、4口互相隔離的分析：4口：相對于對稱面而言，電場為奇對稱；3口：相對于對稱面而言，電場為偶對稱；

由電磁場的激勵理論：奇對稱的場不可能激發(fā)起偶對稱的場。因而，3、4口互相隔離。換句話說：3口的信號不可能激發(fā)起4口的信號；4口的信號也不可能激發(fā)起3口的信號。2023/2/531雙T的S矩陣：即（8-3-6）S=S11S12S13S14S21S22S23S24S31S32S33S34S41S42S43S44S=S11S12S13S14S12S11S13S14S13S13S330S14S140

S4424S14=﹣S24S13=S23S34=02023/2/532

魔T（匹配雙T）

匹配特性：

在雙T的接頭處放入膜片、銷釘之類的元件，通過調(diào)節(jié)，使3、4口匹配，即得匹配雙T——魔T。

即調(diào)3、4口同時匹配，則1、2口自動匹配。其S參數(shù)表現(xiàn)為S11=S22=S33=S44=0證明：設(shè)雙T是無耗的，則由S參量的么正性，即∵3、4口匹配S33=S44=0∴展開S參量的么正性并整理化簡得：特性222023/2/533S11=S22=0同時，還可得到S12=0匹配特性證畢。

隔離特性：即3、4口互相隔離時（本身特有），有1、2口自動隔離。S12=S21=0隔離特性平分特性互易S13=S14=2023/2/534平分特性：S14=﹣S24S13=S23S41=S31S42=﹣S324口入，反相等分給1、2口。3口入，同相等分給1、2口。1口入，同相等分給3、4口。2口入，反相等分給3、4口。故（8-3-7）2023/2/535魔T的應(yīng)用：

電橋：如Γ1Γ2Z1Z2①②④③匹配功率指示器當(dāng)且僅當(dāng)Z1=Z2時，電橋平衡～匹配源2023/2/536標(biāo)準(zhǔn)移相器：匹配源匹配負(fù)載短路活塞短路活塞若保持

則由3口輸入至1、2兩口的信號經(jīng)短路活塞全反射到對稱面恰好反相疊加，此時信號全部從4口輸出。

可以證明：4口輸出的信號與3口輸入的信號之間產(chǎn)生了一定的相移。1234172023/2/537平衡混頻器：③、④口分別接本振信號與接收信號，在①或②口之后的微波管中合成。完全隔離2023/2/538

調(diào)配器：～短路活塞短路活塞①②③④由1口輸入的功率將平分到4（E）口與3口（H），3與4口均接短路活塞，信號全反射，調(diào)整短路活塞的位置，可使3與4口的反射信號在1口等幅反相相消，在2口等幅同相相加。即信號功率全被負(fù)載吸收。1口的反射系數(shù)為零2023/2/5398.3.2同軸線的分支元件圖8.12同軸線功率分配器等功率分配器不等功率分配器2023/2/5408.3.3微帶功率分配器2023/2/541

由P3=k2P2

設(shè)2、3口功率分配的比例系數(shù)為k2正常工作時，隔離電阻R上應(yīng)無電流流過，即U2=U3故(8-3-8)(8-3-9)(8-3-10)若則2023/2/5422、3分支的特性阻抗：

2、3分支在1口處的輸入阻抗λg/4

：

為使分支處滿足匹配的要求消除分支處的反射(8-3-11)(8-3-12)根據(jù)長阻抗變換器的公式λg/4利用導(dǎo)納計算2023/2/543若電路無耗

2、3分支的特性阻抗∵P3=k2P2則U1為1口處電壓聯(lián)立(8-5-1)～(8-5-6)式得(8-3-13)(8-3-14)2023/2/544討論：1、當(dāng)信號從1口輸入時，2、3口接負(fù)載電阻，若2、3兩口等電位時，R上無電流流過，R不起作用；但當(dāng)2、3口所接負(fù)載不滿足要求時，負(fù)載會有反射，為使2、3口彼此隔離，R必有確定的值。(8-3-15)2、兩分支微帶線的距離不宜過大，一般為（2～3）w。推導(dǎo)從略這樣可使跨接在兩帶線之間電阻的寄生效應(yīng)盡量減小2023/2/5458.4終端元件8.4.1匹配負(fù)載圖8.14匹配負(fù)載矩形波導(dǎo)型同軸型微帶型俯視圖縱截面圖2023/2/546吸收片由于吸收片與電場力線平行，當(dāng)電場通過時，在電阻膜片上會產(chǎn)生感應(yīng)電流，將吸收的微波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。吸收片的長度一般為幾個波長。尖劈形可以減小反射漸變型小功率型2023/2/5478.4.2短路器接觸式活塞矩形波導(dǎo)抗流式活塞波導(dǎo)活塞千分尺傳動裝置同軸線型抗流式活塞2023/2/5481吸收式衰減器(波導(dǎo))其吸收片與匹配負(fù)載中吸收片的作用相似.8.5.1衰減器可變衰減器8.5衰減器和移相器吸收片可旋轉(zhuǎn)2023/2/5492截止衰減器截止波導(dǎo)：

波不能在波導(dǎo)內(nèi)傳輸——波導(dǎo)處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)＞（8-5-1）（8-5-2）∵∴＞實數(shù)同軸線諧振腔的時候我們用過2023/2/550根據(jù)（8-5-2），波在波導(dǎo)中傳輸按衰減，由于無相位變化，所以截止波導(dǎo)可做為衰減器。當(dāng)根據(jù)（8-5-2）有即衰減常數(shù)僅與相關(guān)，具有寬頻帶特性。＞＞接匹配負(fù)載截止波導(dǎo)衰減器結(jié)構(gòu)示意圖圓波導(dǎo)衰減量近似與成正比2023/2/5513旋轉(zhuǎn)式極化衰減器方-圓過渡段圓-方過渡段1）結(jié)構(gòu)：由三段波導(dǎo)構(gòu)成——中間段為可旋轉(zhuǎn)段。4吸收片可旋轉(zhuǎn)圓波導(dǎo)段吸收片吸收片吸收電場與其平行的分量2023/2/5522、工作原理：

由矩形波導(dǎo)輸入的TE10波，經(jīng)方—圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換成圓波導(dǎo)中的TE11波。

吸收片1、3與水平面平行，吸收片2與水平面有一夾角θ。

方—圓過渡段：TE11波的E1垂直吸收片1，故能量不被吸收地進(jìn)入圓波導(dǎo)段。

圓波導(dǎo)段：吸收片2與水平面有一夾角θ，將E1分解成與吸收片2垂直的E⊥分量和與吸收片2平行的分量E-分量，即（8-5-3）E⊥分量不受衰減地通過，而E-分量將被吸收。2023/2/553

圓—方過渡段：

吸收片3與水平面平行，再將E⊥分解成垂直分量E⊥′和平行分量E-′

。E⊥′垂直分量無衰減地通過。（8-5-4）

故衰減量為：（8-5-5）即（8-5-6）2功率正比于電場的平方2023/2/5548.5.2移相器均勻傳輸線上相距為l的兩點之間的相位差為（8-5-7）改變傳輸線的長度l或改變相位常數(shù)都可以做成移相器。介質(zhì)片平行分量，傳播速度變慢。垂直分量移相片圓波導(dǎo)2023/2/5558.7定向耦合器

定向耦合器是一種有方向性的功率耦合元件。定向耦合器按傳輸線的不同，可分為波導(dǎo)型、平行雙線型、微帶型等。波導(dǎo)定向耦合器按耦合方式分有單孔、雙孔、十字槽孔定向耦合器。2023/2/556

8.16定向耦合器2023/2/557①②③④如圖：屬平行雙線定向耦合器，是四端口網(wǎng)絡(luò)。①：輸入端口；②：直通端口；③：耦合端口；④：隔離端口。

信號從①口輸入，②、③、④口均接匹配負(fù)載。8.6.1定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)2023/2/558一、技術(shù)指標(biāo)：

耦合度C：

定義：

耦合度“C”與散射參量的關(guān)系：定向耦合器內(nèi)無非可逆性介質(zhì)，是可逆四端口網(wǎng)絡(luò)。2023/2/559

定向耦合器按耦合度分類：C=0～10dB強(qiáng)耦合C=10～20dB中等耦合C＞20dB弱耦合

定向性D：理想情況下，隔離端口“4”應(yīng)無輸出功率；實際上，隔離端口“4”總有一定功率輸出。2023/2/560

定義：

討論：D愈大，愈小，定向性愈好；理想情況下，實際上，D＞Dmin.對某一定向耦合器，要求它的方向性至少應(yīng)大于某一最小值2023/2/561

輸入駐波比

工作頻帶寬度：對于某一定向耦合器，當(dāng)C、D、都滿足其給定的批標(biāo)時，其相應(yīng)的工作頻率有一定的范圍f1～f2,則工作頻帶寬度為2023/2/562波導(dǎo)型定向耦合器：

分類：按耦合方式分單孔、雙孔、多孔（圓）、十字孔定向耦合器。

窄壁雙孔定向耦合器：

結(jié)構(gòu)：在兩個波導(dǎo)的公共窄壁上開有相距為的兩個形狀、尺寸完全相同的耦合小圓孔。1234主副12342023/2/563在波導(dǎo)窄壁處取一小平縱截面，如圖

工作原理：①口輸入信號，②、③、④口均接匹配負(fù)載TE10波由1口輸入，在第一個小孔處波的幅度用表示，并設(shè)向3、4兩口傳輸，其幅度分別用、表示，經(jīng)第一個小孔耦合到副波導(dǎo)，由于耦合孔很小，則經(jīng)第一個小孔后，我們近似認(rèn)為主波導(dǎo)中的TE10波的幅度仍然是，經(jīng)第二個小孔2023/2/564再次耦合到副波導(dǎo)中，其幅度分別為、因兩個耦合孔的形狀、

尺寸完全相同，故其幅度與第一個孔的相等。以上推導(dǎo)是基于而得到的。是一種理想情況。由于耦合端口3的輸出波與1口的輸入波方向相同，故又稱正向定向耦合器。2023/2/565TE10波從2端口輸入：1、3、4均接匹配負(fù)載則4口有耦合信號——耦合口；

3口無信號輸出——隔離口。

雙孔定向耦合器的缺點：頻帶窄。當(dāng)時，則∴B4有輸出，定向性指標(biāo)D變小。增寬頻帶的措施：多孔定向耦合器。主副12342023/2/5668.6.2混合環(huán)

圖8.18混合環(huán)結(jié)構(gòu):

如圖,在一周長為1.5λ的圓環(huán)形的微帶線上開四個端口.

微帶線環(huán)行器的實質(zhì):定向耦合器2023/2/567

工作原理:

當(dāng)信號由1口輸入,其余端口均匹配時,2、4口有等幅同相輸出(相位滯后900），3口無輸出。

當(dāng)信號由2口輸入時，1(相位滯后900）、3

(相位滯后2700）口等幅反相輸出，4口無輸出。2023/2/568

當(dāng)信號由3口輸入時，2、4口等幅反相輸出，1口無輸出。

當(dāng)信號由4口輸入時，1、3口等幅同相輸出，2口無輸出。理想情況下，它的4個端口完全匹配。其散射矩陣為：2023/2/569

環(huán)行器的應(yīng)用——混頻器：

本振信號從4口輸入，2、3口得到等幅反相的信號，接收信號從1口輸入，2、3口得到等幅同相的信號。

即本振信號等幅反相加于兩個混頻管，接收信號等幅同相加于兩個混頻管——構(gòu)成反相平衡混頻器。優(yōu)點：抑制本振的偶次諧波分量。本振信號中頻中頻接收信號2023/2/570四、分支定向耦合器：

結(jié)構(gòu)：由兩根平行的主