雷達(dá)射頻微波器件及電路 課件 第2章 無(wú)源元件及器件

第2章無(wú)源元件及器件2.1概述2.2匹配元件2.3連接元件2.4阻抗變換器2.5微波增益均衡器2.6定向耦合器第2章無(wú)源元件及器件2.7微波功率分配器2.8微波諧振器2.9微波濾波器2.10雙工器2.11微波鐵氧體器件小結(jié)

2.1

概

述

雷達(dá)系統(tǒng)中常用的無(wú)源元件及器件有匹配元件、連接元件、阻抗變換器、微波增益均衡器、定向耦合器、微波功率分配器、微波諧振器、微波濾波器、雙工器和微波鐵氧體器件等，本章主要介紹這些無(wú)源元件及器件的結(jié)構(gòu)及工作原理。按傳輸線種類的不同，這些無(wú)源元件及器件可分為波導(dǎo)型、同軸型和微帶型等。

2.2-匹

配

元

件

2.2.1

終端元件全匹配負(fù)載和短路活塞一般接在傳輸線末端，都是終端元件，只有一個(gè)端口，可以等效為一端口網(wǎng)絡(luò)，等效電路如圖

2-1

所示。

圖

2-1

全匹配負(fù)載等效電路圖

1.

全匹配負(fù)載

能夠吸收所有入射波的負(fù)載稱為全匹配負(fù)載。全匹配負(fù)載常接于微波電路的終端，有小功率全匹配負(fù)載和大功率全匹配負(fù)載兩種。其技術(shù)要求是駐波比小、頻帶寬、無(wú)泄漏、穩(wěn)定性好。

波導(dǎo)型小功率全匹配負(fù)載如圖

2-2所示，它由一段短路波導(dǎo)和幾塊與電場(chǎng)平行的劈形吸收片構(gòu)成，見(jiàn)圖

2-2(a)。吸收片多用陶瓷、玻璃、膠木片等材料制成，其表面涂有碳粉等吸收物質(zhì)。吸收片的長(zhǎng)度為λg/

2的整數(shù)倍，以降低反射，改善匹配效果。也有將吸收結(jié)構(gòu)做成劈面體的形狀，見(jiàn)圖

2-2(b)。

圖

2-2

波導(dǎo)型小功率全匹配負(fù)載示意圖

圖

2-3

為幾種同軸型小功率全匹配負(fù)載剖面圖。小功率全匹配負(fù)載常用于微波測(cè)量中，一般要求其駐波比

ρ＜(1.01～1.05)，精密測(cè)量中要求

ρ＜1.01。

圖

2-3

同軸型小功率全匹配負(fù)載剖面圖

大功率全匹配負(fù)載的原理與小功率全匹配負(fù)載相同，只是存在散熱問(wèn)題。按散熱材料的不同，大功率全匹配負(fù)載可以分為碳化硅負(fù)載和水負(fù)載，剖面如圖

2-4

所示。大功率全匹配負(fù)載常用作等效天線(俗稱假負(fù)載)，通常要求其駐波比

ρ＜(1.01～1.10)。

圖

2-4

大功率全匹配負(fù)載剖面圖

2.

短路活塞

短路活塞常接于微波電路終端，通過(guò)對(duì)微波的全反射提供一個(gè)可調(diào)電抗，波導(dǎo)短路活塞分為直接接觸式和扼流式兩種，剖面如圖

2-5

所示。直接接觸式波導(dǎo)短路活塞具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但它的接觸處不穩(wěn)定、易磨損、易打火，故適宜于小功率應(yīng)用。扼流式活塞是通過(guò)

λg/

4

結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)短路的，如圖

2-5(b)所示，圖中

C

點(diǎn)短路，于是從傳輸線

CB

段中

BD處向

C

點(diǎn)看去的輸入阻抗為∞，這使得

AB

段可以被看成是λg/

4

開(kāi)路線段，于是從

AA′處向

BB′看去的輸入阻抗為零，從而實(shí)現(xiàn)了電氣上的短路。這就是雷達(dá)工程中常說(shuō)的所謂“機(jī)械上不接觸，電氣上接觸良好”。

圖

2-5

波導(dǎo)短路活塞剖面圖

2.2.2

膜片、銷釘和螺釘

1.

膜片

膜片分為電容膜片、電感膜片和諧振膜片三種，其中使矩形波導(dǎo)窄邊變短的金屬膜片稱為電容膜片，其剖面如圖

2-6(

a)所示。圖中

t表示膜片厚度，S

表示膜片之間的間隔，T1

、T2

表示兩個(gè)截面。從電容膜片附近的場(chǎng)分布可見(jiàn)，電容膜片附近的電場(chǎng)較為集中，故其等效電路呈容性電納，用并聯(lián)電容

C

表示，如圖

2-6(b)所示。

使矩形波導(dǎo)寬邊變短的金屬膜片稱為電感膜片，其剖面如圖2-7(a)所示。圖中，t表示膜片厚度，d

表示膜片之間的間隔，T1

、T2

表示兩個(gè)截面。圖

2-7(b)所示為電感膜片附近的磁力線分布，由圖可見(jiàn)

TE10波的磁場(chǎng)在電感膜片附近較為集中，故其等效電路呈感性電納，用并聯(lián)電感

L

表示，如圖

2-7

(c)所示。

圖

2-7

電感膜片

使矩形波導(dǎo)窄邊和寬邊按一定規(guī)律變短的膜片稱為諧振膜片或諧振窗，其剖面如圖2-8(a)所示，等效電路為

LC

并聯(lián)回路，如圖

2-8(b)所示。圖

2-8(c)所示為雷達(dá)收發(fā)開(kāi)關(guān)放電管，放電管前后各有一個(gè)諧振窗，中間部分是矩形波導(dǎo)空腔，放電管諧振于雷達(dá)的工作頻率。當(dāng)放電管用于發(fā)射時(shí)，大功率信號(hào)使放電管打火，在窗口形成等效短路，使發(fā)射信號(hào)不能進(jìn)入接收機(jī)；當(dāng)放電管用于接收時(shí)，由于回波信號(hào)很弱，使膜片保持讓信號(hào)無(wú)反射通過(guò)的特性，回波信號(hào)順利進(jìn)入接收機(jī)。

圖

2-8

諧振膜片

2.

銷釘

銷釘由細(xì)圓金屬棒制成，分容性和感性兩種，剖面如圖

2-9

所示。其原理與膜片類似。

為增大電納值，在矩形波導(dǎo)橫截面上放置多個(gè)相互平行的銷釘，稱為銷釘排，常見(jiàn)的有二銷釘、三銷釘?shù)取?/p>

圖

2-9

銷釘剖面圖

3.

螺釘

螺釘分為單螺釘、雙螺釘、三螺釘和四螺釘?shù)葞追N，如圖

2-10

所示。圖

2-10

螺釘

螺釘提供的電納值和電納性質(zhì)與其粗細(xì)和伸入矩形波導(dǎo)的深度有關(guān)，原因可歸結(jié)為兩個(gè)方面：一方面螺釘?shù)亩嗣媾c矩形波導(dǎo)對(duì)壁之間會(huì)集中電場(chǎng)，另一方面螺釘上的高頻電流也會(huì)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)。由于兩種機(jī)制的共同作用，因此若螺釘伸入深度等于

λg/

4

時(shí)，它呈串聯(lián)諧振特性；伸入深度大于

λg/

4

時(shí)，螺釘呈感性；伸入深度小于

λg/

4

時(shí)，螺釘呈容性。為了不明顯降低波導(dǎo)的功率容量，實(shí)際的螺釘都工作在容性狀態(tài)。

2.3

連

接

元

件

2.3.1

波導(dǎo)連接元件1.

扼制接頭兩段矩形波導(dǎo)可以直接通過(guò)平法蘭盤連接，這是一種由平面凸緣構(gòu)成的簡(jiǎn)單連接結(jié)構(gòu)。然而這種法蘭盤存在接觸電阻，大功率應(yīng)用時(shí)損耗較大。采用扼制接頭(又稱抗流接頭)

可以解決這一問(wèn)題。矩形波導(dǎo)扼制接頭的結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。

實(shí)際的抗流接頭還裝有密封橡皮墊圈，工程上稱為氣密。對(duì)在高山或海島架設(shè)的雷達(dá)，采用氣密措施意義甚大。圖

2-11

矩形波導(dǎo)扼制接頭結(jié)構(gòu)圖

2.

波導(dǎo)彎頭

矩形波導(dǎo)彎頭可用來(lái)改變微波傳輸?shù)姆较?，其中，波?dǎo)寬壁折彎的稱為

E

面彎頭，波導(dǎo)窄壁折彎的稱為

H

面彎頭，如圖

2-12所示。為減小反射，常取彎頭的曲率半徑

R＞λg，轉(zhuǎn)彎部分的平均長(zhǎng)度為

λg/

2的整數(shù)倍，以使在中心頻率±20%的范圍內(nèi)ρ＜1.05。

圖

2-12

矩形波導(dǎo)彎頭

減少所占空間，便于矩形波導(dǎo)布線，還常常采用拐角，波導(dǎo)拐角分為單切拐角和雙切拐角兩種，如圖

2-13

所示。其中，單切拐角在折彎處尺寸變小，易被擊穿，故不宜在大功率場(chǎng)合使用。雙切拐角適用于大功率場(chǎng)合。為進(jìn)一步減小反射，雙切角的尺寸應(yīng)合理，對(duì)E

面雙切有

L

=λg/

4，對(duì)

H

面雙切有

L

=λ

/

a，式中

λ和λg分別為工作波長(zhǎng)和波導(dǎo)波長(zhǎng)，a

為波導(dǎo)寬邊尺寸。

圖

2-13

矩形波導(dǎo)拐角

3.

波導(dǎo)扭曲

波導(dǎo)扭曲可以改變電磁波的極化方向，一段極化方向變化

90°的扭波導(dǎo)如圖

2-14

所示。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)扭曲的長(zhǎng)度為

λg/

2的整數(shù)倍時(shí)，反射最小，例如圖

2-14

中扭波導(dǎo)的扭曲長(zhǎng)度為

2λg時(shí)，能使ρ＜1.05。

圖

2-14

扭波導(dǎo)

2.3.2

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)都是用來(lái)將高頻能量

由不轉(zhuǎn)動(dòng)的波導(dǎo)(或同軸線)傳送到轉(zhuǎn)動(dòng)的波導(dǎo)或同軸線的。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上和原理上完全相同，只是前者實(shí)現(xiàn)

360°的旋轉(zhuǎn)，后者只實(shí)現(xiàn)

0°～80°的俯仰。

1.

同軸線旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

同軸線旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)剖面如圖

2-15

所示。

圖

2-15

同軸線旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)剖面圖

2.

同軸線

波導(dǎo)型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)及工作原理

同軸線

波導(dǎo)型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)剖面如圖

2-16

所示。它由固定矩形波導(dǎo)(即輸入波導(dǎo))、轉(zhuǎn)動(dòng)矩形波導(dǎo)(即輸出波導(dǎo))、同軸線連接裝置和梨形末端等部分組成。同軸線連接裝置的外導(dǎo)體分成兩段，一段與輸入波導(dǎo)連在一起，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，為外導(dǎo)體固定段；另一段與輸出波導(dǎo)連接，可以轉(zhuǎn)動(dòng)，為外導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)段。同軸線連接裝置內(nèi)導(dǎo)體的一端放在固定矩形波導(dǎo)的軸承內(nèi)。高頻能量從固定矩形波導(dǎo)輸入，經(jīng)梨形末端逐漸將矩形波導(dǎo)中的

TE10波變成同軸線中的

TEM

波，如圖

2-17

所示。

圖

2-16

同軸線

波導(dǎo)型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖

2-17

波型轉(zhuǎn)換示意圖

2.4

阻

抗

變

換

器2.4.1

單節(jié)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器圖

2-18

所示為四分之一波長(zhǎng)單節(jié)阻抗變換器，其中圖

2-18(a)為同軸線單節(jié)阻抗變換器剖面圖，圖

2-18(b)為矩形波導(dǎo)單節(jié)阻抗變換器剖面圖。它們都是由一段長(zhǎng)

l

為四分之一波長(zhǎng)(無(wú)色散波為

λ/

4，色散波為如λg/

4)、特性阻抗為

Z0(色散波的等效阻抗為

Ze)的傳輸線插在兩段特性阻抗分別為

Z01和

Z02(或等效阻抗分別為

Ze1和

Ze2-)的待匹配傳輸線之間所構(gòu)成的。其簡(jiǎn)化等效電路如圖

2-18(c)所示，這里略去了連接處的階躍電容。

圖

2-18

四分之一波長(zhǎng)單節(jié)阻抗變換器

圖

2-19為波導(dǎo)型四分之一波長(zhǎng)單節(jié)阻抗變換器結(jié)構(gòu)圖和剖面圖，可以看出，三段矩形波導(dǎo)寬邊沒(méi)有變化，僅有窄邊高度呈階梯變化，因此又稱為階梯波導(dǎo)。階梯波導(dǎo)還有改變寬邊的階梯和寬邊及窄邊都改變的階梯。

圖

2-19

波導(dǎo)型四分之一波長(zhǎng)單節(jié)阻抗變換器

2.4.2-寬帶阻抗變換器

單節(jié)阻抗變換器的缺點(diǎn)是頻帶太窄，為了展寬頻帶，可采用多節(jié)阻抗變換器、漸變線阻抗變換器等。多節(jié)阻抗變換器的級(jí)數(shù)越多，其匹配頻帶越寬，因

n

節(jié)變換器有

n

個(gè)變換段、n+1

個(gè)連接面，相應(yīng)地有

n+1

個(gè)反射波，這些反射波返回到變換器始端時(shí)，彼此以一定的相位(取決于其行程差)和幅度相疊加。由于反射波很多而每個(gè)反射波的振幅很小、相位各異，因此疊加的結(jié)果有一些波彼此抵消或部分抵消，從而使總反射波在較寬的頻帶內(nèi)保持較小的值。

漸變線阻抗變換器可理解為多節(jié)階梯阻抗變換器的進(jìn)一步推廣，即用無(wú)限多個(gè)無(wú)限小的不連續(xù)性來(lái)代替

n+1

個(gè)階梯不連續(xù)性，因此漸變線有更好的寬帶匹配性能。常用的漸變線阻抗變換器的漸變規(guī)律有線性、指數(shù)律等，圖

2-20

所示為多節(jié)階梯阻抗變換器到漸變線阻抗變換器的過(guò)渡和一種矩形波導(dǎo)漸變阻抗變換器(圖

2-20(c))示意圖，Z(r)表示

r處傳輸線的阻抗值，圖

2-20(b)中，ZL

為負(fù)載阻抗，Z0

為輸入端口阻抗，l

為漸變線阻抗變換器長(zhǎng)度。圖2-21所示為一種直線型漸變波導(dǎo)，它也是一種寬頻帶匹配元件。

圖

2-20

多節(jié)階梯與漸變線阻抗變換器

圖

2-21

直線型漸變波導(dǎo)

2.5

微波增益均衡器

為了增大雷達(dá)的探測(cè)距離，在雷達(dá)發(fā)射支路通常要對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行放大。實(shí)現(xiàn)放大發(fā)射信號(hào)的器件稱為功率放大器，簡(jiǎn)稱功放。功率放大器的輸出功率有一定的頻響，通常情況下，在工作頻段的低端輸出功率較高(但有時(shí)也相反)，作為末級(jí)輸出往往不受此影響，但作為功率放大鏈中的推動(dòng)級(jí)，如

TR

組件單元中或發(fā)射機(jī)中的功率推動(dòng)級(jí)，具有這樣的輸出頻響是不允許的。

2.5.1

增益均衡器的基本原理

將固態(tài)放大器和電真空的行波管放大器結(jié)合構(gòu)成微波功率模塊系統(tǒng)，由于行波管放大器在工作頻帶內(nèi)增益不穩(wěn)定，導(dǎo)致微波功率模塊的輸出功率平坦度達(dá)不到要求。此時(shí)，需要在前級(jí)固態(tài)放大器之后，大功率行波管放大器之前，加入微波增益均衡器，如圖

2-22所示。

圖

2-22

微波功率模塊系統(tǒng)框圖

均衡器校正幅度畸變的工作原理如圖

2-23

所示。圖

2-23

均衡器校正幅度畸變工作原理示意圖

2.5.2-增益均衡器的基本電路

對(duì)增益均衡器的主要要求有：

(1)

系統(tǒng)接入增益均衡器后，不應(yīng)惡化原系統(tǒng)的匹配狀態(tài)。

(2)

在工作頻帶內(nèi)其幅度頻率特性符合預(yù)期要求。

(3)

起始衰減盡可能小，尤其是用于功率放大鏈中的均衡器。

圖

2-24

所示是典型的微帶均衡器，由主傳輸線、諧振單元支節(jié)、匹配電路和電阻組成。主傳輸線傳輸能量，設(shè)計(jì)諧振單元支節(jié)的諧振頻率，選擇需要耦合吸收的頻率點(diǎn)，電阻消耗耦合頻率處的能量，控制電阻的大小就可以調(diào)節(jié)電路的均衡量。匹配電路采用漸變式，一般三節(jié)左右，用于調(diào)節(jié)整個(gè)電路阻抗，使其與前級(jí)后級(jí)相匹配，減小駐波比。

圖

2-24

典型的微帶均衡器示意圖

圖

2-25

是一個(gè)同軸微波功率均衡器示意圖，包括主傳輸線和諧振吸收耦合腔。諧振吸收耦合腔連接在主傳輸線上，是能夠調(diào)節(jié)的同軸腔或者波導(dǎo)腔。圖

2-25

同軸微波功率均衡器示意圖

波導(dǎo)均衡器和同軸均衡器類似，也是腔體結(jié)構(gòu)。圖

2-26

所示為波導(dǎo)功率均衡器，由主傳輸波導(dǎo)、耦合窗、耦合腔和吸波材料等部分構(gòu)成。

波導(dǎo)均衡器也是在主傳輸線上加載若干個(gè)諧振吸收腔，只不過(guò)由同軸腔變成矩形波導(dǎo)腔體，同樣也是通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)諧振腔的大小改變其諧振頻率，而調(diào)節(jié)耦合窗的位置與大小可以改變諧振腔與主線間的耦合度，改變吸波材料的多少與位置則可以控制均衡量。

圖

2-26

波導(dǎo)功率均衡器

2.6

定

向

耦

合

器

定向耦合器在微波技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，如用來(lái)監(jiān)視功率及頻率和頻譜、分配和合成功率、構(gòu)成雷達(dá)天線的收發(fā)開(kāi)關(guān)等。此外，自動(dòng)增益控制器、平衡放大器、調(diào)相器以及反射計(jì)和微波阻抗電橋等測(cè)量?jī)x器中也要用到定向耦合器。如圖

2-27

所示的定向耦合器用來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)射支路功率，它從雷達(dá)發(fā)射機(jī)至天線的主傳輸線中獲取一小部分功率并將其傳輸至功率監(jiān)測(cè)器，只要知道耦合度，便可由功率監(jiān)測(cè)器的功率讀數(shù)得知發(fā)射機(jī)的輸出功率。

圖

2-27

監(jiān)測(cè)發(fā)射支路功率的定向耦合器示意圖

圖

2-28

給出了幾種定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖

2-28(a)為微帶分支定向耦合器，圖

2-28(b)為波導(dǎo)單孔定向耦合器，圖

2-28(c)為平行耦合線定向耦合器(λp

為相波長(zhǎng))，圖

2-28(d)為波導(dǎo)匹配雙

T，圖

2-28(e)為波導(dǎo)多孔定向耦合器，圖

2-28(f)為微帶環(huán)形定向耦合器。

圖

2-28

定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

2.6.1

定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)

定向耦合器是一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，四個(gè)端口分別為輸入端口、直通端口、耦合端口和隔離端口，分別對(duì)應(yīng)如圖

2-29

所示的端口

1、2、3

和

4。圖

2-29

定向耦合器端口分布示意圖

定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、方向性(隔離度)、輸入駐波比和工作頻帶寬度。

1.

耦合度

C

耦合度

C

定義為輸入端口的輸入功率

P1與耦合端口的輸出功率

P3之比，用分貝(dB)為單位的計(jì)算公式如下：

由式(2-1)可知，耦合度愈大，耦合愈弱。

2.

方向性

D

在理想情況下，隔離端口應(yīng)沒(méi)有輸出功率，但受設(shè)計(jì)和制造精度的限制，隔離端口尚有一些功率輸出，方向性

D

表示隔離端口的輸出特性。方向性

D

定義為耦合端口的輸出功率

P3和隔離端口的輸出功率

P4之比，用分貝dB)為單位的計(jì)算公式如下：

式(2-2)表明，D

愈大，隔離端口的輸出功率愈小，方向性愈好。在理想情況下，P4=

0，即

D=

∞

，實(shí)用中常對(duì)方向性提出一個(gè)最小值

Dmin

。

3.

輸入駐波比

ρ

當(dāng)定向耦合器除輸入端口外，其余各端口均接上匹配負(fù)載時(shí)，輸入端口的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比

ρ。工程上一般要求

ρ＜2。

4.

工作頻帶寬度

滿足定向耦合器以上幾個(gè)指標(biāo)的頻率范圍，即為其工作頻帶寬度，簡(jiǎn)稱工作帶寬。

2.6.2-波導(dǎo)型定向耦合器

大多數(shù)波導(dǎo)型定向耦合器的耦合都是通過(guò)在主、副波導(dǎo)的公共壁上的耦合孔來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)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)各端口的輸出功率的大小，取決于耦合孔的尺寸、形狀和位置，發(fā)生的耦合可能是電耦合、磁耦合或電、磁混合耦合。幾種波導(dǎo)定向耦合器如圖

2-30

所示。

圖

2-30

波導(dǎo)型定向耦合器

最簡(jiǎn)單的雙孔定向耦合器是在兩個(gè)矩形波導(dǎo)的公共窄壁上開(kāi)有形狀尺寸完全相同、距離

d

為

λg/

4

的兩個(gè)耦合孔，如圖

2-31(a)所示。圖

2-31(a)中，a、b

分別為主、副波導(dǎo)寬邊和窄邊尺寸。在波導(dǎo)窄壁

b

/

2處，取一個(gè)水平縱截面，如圖

2-31(b)所示。圖

2-31(b)中，T1和

T2分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)耦合孔處的參考面。Bb1和

Bb2分別是從主波導(dǎo)

1

端口輸入在

T1和T2處耦合到副波導(dǎo)并向后(4

端口)傳輸?shù)牟?。Bf1和

Bf2分別是從主波導(dǎo)

1

端口輸入在

T1和T2處耦合到副波導(dǎo)并向前(3

端口)傳輸?shù)牟ā?/p>

圖

2-31

雙孔定向耦合器

無(wú)論怎樣的耦合結(jié)構(gòu)，只要能保證副波導(dǎo)從主波導(dǎo)中耦合到的電磁波能量在其一端有輸出，而在另一端被隔離便可構(gòu)成波導(dǎo)定向耦合器。波導(dǎo)雙十字縫定向耦合器也是基于這樣的原理而構(gòu)成的一種定向耦合器。它的主、副波導(dǎo)在寬壁上正交相疊，在公共壁對(duì)角線上的適當(dāng)位置開(kāi)有兩個(gè)十字槽，結(jié)構(gòu)如圖

2-32(a)所示，圖中

a

表示副波導(dǎo)寬邊尺寸。該結(jié)構(gòu)與寬壁單孔定向耦合器相比具有頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，而與頻帶寬的窄壁多孔定向耦合器相比又具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)，因此成為微波系統(tǒng)中常用的一種定向耦合器。雙十字縫定向耦合器耦合端口的判斷方法是：入射波第一次穿越十字縫所在的對(duì)角線后的正交繞行方向即為耦合端口。圖

2-32(b)所示為電磁波能量分別從主波導(dǎo)上面和下面輸入時(shí)，副波導(dǎo)中能量的耦合方向。

圖

2-32-波導(dǎo)雙十字縫定向耦合器

2.6.3

平行耦合線定向耦合器

圖

2-33(a)為單節(jié)

λg/

4

平行耦合線定向耦合器的結(jié)構(gòu)及端口示意圖。它由兩個(gè)等寬的耦合線段組成，其耦合線的長(zhǎng)度是中心波長(zhǎng)的

1

/

4，各端口均接匹配負(fù)載

Z0

。這種平行耦合線定向耦合器通常用微帶線或帶狀線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖

2-33

平行耦合線定向耦合器

在理想情況下，端口

4

無(wú)輸出，可達(dá)理想隔離。由于耦合端口和輸入端口在同一側(cè)，因此，這種定向耦合器又稱為反向定向耦合器，而且端口

2和端口

3

的輸出信號(hào)相位差為90°，故又稱為

90°反向定向耦合器。

平行耦合線定向耦合器的特性可歸納為“耦合在同側(cè)”。

對(duì)于微帶平行耦合線定向耦合器，由于微帶線耦合的奇、偶模相速不等，導(dǎo)致方向性變差，因此對(duì)方向性要求高的場(chǎng)合需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)以減小奇、偶模相速的差異來(lái)提高方向性。

2.6.4

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的。分支線的長(zhǎng)度及相鄰分支線之間的距離均為

λp/

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(lái)實(shí)現(xiàn)。由于微帶雙分支定向耦合器在微帶電路中得到了廣泛應(yīng)用，故這里以它為例來(lái)分析分支定向耦合器的工作原理和工作特性。

微帶雙分支定向耦合器是通過(guò)兩個(gè)耦合波的路程差引起的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)方向性的，如圖

2-34

所示。圖

2-34

微帶雙分支定向耦合器示意圖

因?yàn)榉种Фㄏ蝰詈掀魇欠叫谓Y(jié)構(gòu)，耦合端口和隔離端口常會(huì)產(chǎn)生混淆。如圖

2-34

所示，連接輸入端口和直通端口的微帶線

AB

線較寬，對(duì)應(yīng)阻抗低；而連接輸入端口和隔離端口的微帶線

AD

線較窄，對(duì)應(yīng)阻抗高。因此分支定向耦合器特性可歸納為“寬低阻，連直通；窄高阻，連隔離；對(duì)角是耦合”。

2.6.5

微帶環(huán)形定向耦合器

圖

2-35

所示為制作在介質(zhì)基片上的微帶環(huán)形定向耦合器，簡(jiǎn)稱環(huán)形器，也稱混合環(huán)。圖

2-35

中，環(huán)的全長(zhǎng)為

3λp/

2，四個(gè)特性阻抗均等于

Z0的分支線與環(huán)相并聯(lián)，將環(huán)分成四段，各段長(zhǎng)度如圖

2-35

所示，各段特性阻抗均為

Z1

。

圖

2-35

微帶環(huán)形定向耦合器示意圖

2.6.6

波導(dǎo)匹配雙

T

波導(dǎo)匹配雙

T

也稱為“魔

T”，是微波系統(tǒng)中的基礎(chǔ)元器件，可用于平衡混頻器、天線收發(fā)開(kāi)關(guān)及單脈沖雷達(dá)和差器中。

1.

波導(dǎo)的

T

形接頭

在微波系統(tǒng)中，常需要把一路的電磁能量變?yōu)閮陕坊蚋嗦?，這就要用到矩形波導(dǎo)的T

形接頭。T

形接頭又稱為

T

形分支，簡(jiǎn)稱單

T，是波導(dǎo)在某個(gè)方向上的分支。

矩形波導(dǎo)中常用的

T

形接頭(E-T

接頭和

H-T

接頭)，分別如圖

2-36(a)和圖

2-36(b)所示。其中

E-T

接頭分支波導(dǎo)的寬面與主波導(dǎo)中

TE10波的電場(chǎng)所在平面平行；H-T接頭分支波導(dǎo)的寬面與主波導(dǎo)中

TE10波的磁場(chǎng)所在平面平行。下面分別討論兩種接頭的工

作特性。

圖

2-36

矩形波導(dǎo)的

T

形接頭

對(duì)于

E-T

接頭，假設(shè)矩形波導(dǎo)各端口只有

TE10波信號(hào)傳輸，E

-T

接頭的電力線分布及工作特性如圖

2-37

中各分圖所示。把主波導(dǎo)的兩臂分別稱為端口

1

和端口

2，分支臂稱為端口

3，這種

E-T

接頭具有下列工作特性：

(1)

當(dāng)

TE10波信號(hào)從端口

1

輸入時(shí)，端口

2和端口

3

輸出信號(hào)同相，如圖

2-37(a)所示。

(2)

當(dāng)

TE10波信號(hào)從端口

2輸入時(shí)，端口

1

和端口

3

輸出信號(hào)同相，如圖

2-37(b)所示。

(3)

當(dāng)

TE10波信號(hào)從端口

3

輸入時(shí)，端口

1

和端口

2輸出信號(hào)反相，如圖

2-37

(c)所示。

(4)

當(dāng)

TE10波信號(hào)從端口

1

和端口

2同相輸入時(shí)，端口

3

輸出最??；當(dāng)信號(hào)從端口

1和端口

2等幅同相輸入時(shí)，端口

3

無(wú)信號(hào)輸出，且對(duì)稱面為電場(chǎng)波腹點(diǎn)，如圖

2-37(

d)所示。

(5)

當(dāng)

TE10波信號(hào)從端口

1

和端口

2反相輸入時(shí)，端口

3

有信號(hào)輸出；當(dāng)信號(hào)從端口

1和端口

2等幅反相輸入時(shí)，端口

3

輸出信號(hào)最大，且對(duì)稱面為電場(chǎng)的波節(jié)點(diǎn)，如圖

2-37(e)所示。

如果把傳輸

TE10波的矩形波導(dǎo)用等效雙線來(lái)代替，那么

E

面的

T

形分支就等效為一個(gè)串聯(lián)的雙線，如圖

2-37

(f)所示。所以

E-T

接頭常用串聯(lián)雙線等效。

圖

2-37

E-T

接頭的電力線分布及工作特性示意圖

對(duì)于

H-T

接頭，同樣把主波導(dǎo)的兩個(gè)臂分別稱為端口

1

和端口

2，如圖

2-38(a)所示，分支臂稱為端口

3，且用“…”黑點(diǎn)表示電力線方向由內(nèi)向外穿出紙面，而用“×××”表示電力線方向由外向內(nèi)穿入紙面，其工作特性如圖

2-38(b)～圖

2-38(e)所示，有

(1)

當(dāng)信號(hào)自端口

1

輸入時(shí)，端口

2

和端口

3

有同相信號(hào)輸出，如圖

2-38(b)所示。

(2)

當(dāng)信號(hào)自端口

3

輸入時(shí)，端口

1

和端口

2

有同相信號(hào)輸出，如圖

2-38(c)所示。

(3)

當(dāng)信號(hào)自端口

1

和端口

2同相輸入時(shí)，端口

3

輸出最大信號(hào)，此時(shí)，端口

3

對(duì)稱面處在電場(chǎng)波腹點(diǎn)，如圖

2-38(d)所示。

(4)

當(dāng)信號(hào)自端口

1

和端口

2

反相輸入時(shí)，端口

3

輸出信號(hào)最小，此時(shí)，端口

3

對(duì)稱面處在電場(chǎng)波節(jié)點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)自端口

1

和端口

2等幅反相輸入時(shí)，端口

3

輸出為

0，如圖

2-38(e)所示。

H-T

接頭與

E-T

接頭情況不同，如果把傳輸

TE10波的矩形波導(dǎo)用等效雙線來(lái)代替，那么

H

面的

T

形分支就等效為一個(gè)并聯(lián)的雙線，如圖

2-38(f)所示。所以

H-T

接頭常用并聯(lián)雙線等效。

圖

2-38

H-T

接頭的工作特性示意圖

2.

雙

T

接頭

在前面分析了矩形波導(dǎo)的

E-T

接頭和

H-T

接頭的工作特性。將具有共同對(duì)稱面的

E-T

接頭和

H-T

接頭組合起來(lái)即構(gòu)成雙

T

接頭，如圖

2-39

所示。圖

2-39

雙

T

接頭

圖

2-39

所示雙

T

接頭結(jié)構(gòu)中，一般把臂

E

稱為端口

3，臂

H

稱為端口

4，臂

1

和臂

2稱為平分臂，臂

3

和臂

4

稱為隔離臂，根據(jù)

E-T

和

H-T

接頭的工作特性可以得到雙

T

接頭的特性如下：

(1)

當(dāng)信號(hào)由臂

E

輸入時(shí)，端口

1

和端口

2

輸出信號(hào)等幅反相，臂

H

輸出為

0。

(2)

當(dāng)信號(hào)由臂

H

輸入時(shí)，端口

1

和端口

2

輸出信號(hào)等幅同相，臂

E

輸出為

0。

(3)

如果臂

E

和臂

H

均接匹配負(fù)載，當(dāng)信號(hào)自端口

1

和端口

2等幅同相輸入時(shí)，則臂H

有輸出，而臂

E

輸出為

0；反之當(dāng)信號(hào)自端口

1

和端口

2等幅反相輸入時(shí)，則臂

E

有輸出，而臂

H

輸出為

0?？梢?jiàn)臂

E

和臂

H

互為隔離。

3.

匹配雙

T

對(duì)于普通的雙

T

接頭，由于連接處結(jié)構(gòu)突變，因此即使雙

T

各臂均接匹配負(fù)載，接頭處也會(huì)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、膜片或圓錐體等)，匹配元件不能破壞魔

T

的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，魔

T

對(duì)稱面如圖

2-40(a)所示。匹配元件為膜片和金屬圓棒，如圖

2-40(a)所示，匹配元件為金屬圓棒和金屬圓錐體，如圖

2-40(b)所示，就可得到匹配的雙

T

接頭，它具有下列重要特性。

(1)

匹配特性：在理想情況下，它的四個(gè)端口是完全匹配的，只要端口

1

和端口

2能調(diào)到匹配，端口

3

和端口

4

一定匹配。

(2)

隔離特性：當(dāng)臂

E

和臂

H

具有隔離特性時(shí)，端口

1

和端口

2-也具有隔離特性。

(3)

平分特性：若信號(hào)自臂

E

輸入，則反相等分給端口

1

和端口

2；若信號(hào)自臂

H

輸入，則同相等分給端口

1

和端口

2；若信號(hào)自端口

1

輸入，則同相等分給端口

3

和端口

4；若信號(hào)自端口

2輸入，則反相等分給端口

3

和端口

4。

由于匹配雙

T

接頭具有上述特性，故又稱為魔

T

接頭。需要說(shuō)明的是，所加的匹配裝置不能破壞端口

1

和端口

2的對(duì)稱性。

圖

2-40

魔

T——匹配雙

T

接頭

2.7

微波功率分配器

功率分配器(簡(jiǎn)稱功分器)是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路輸出相等或不等能量的器件，也可反過(guò)來(lái)將多路信號(hào)能量合成一路輸出，此時(shí)可稱為合路器，功率分配和合成如圖2-41

所示。常見(jiàn)的功分器如圖

2-42所示。

圖

2-41

功率分配和合成示意圖

圖

2-42

常見(jiàn)功分器

2.7.1

功率分配器的工作原理

以一分二功分器為例說(shuō)明其工作原理。

一分二功分器是三端口網(wǎng)絡(luò)，如圖

2-41

所示。信號(hào)輸入端(端口

1)的輸入功率為

P1

，其他兩個(gè)輸出端(端口

2

及端口

3)的輸出功率分別為

P2及

P3

。當(dāng)無(wú)損耗分配功率時(shí)，由能量守恒定律可知

P1=P2+P3

。對(duì)于一分二功分器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，并不要求

P2一定要等于

P3

，但是在實(shí)際電路中最常出現(xiàn)的是

P2=P3的功分器。這種功分器稱為等功分器。

2.7.2-功率分配器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.

功率分配比

功分器的功率分配比決定其輸出端口的功率分配比例，根據(jù)不同的功率分配比，功分器可分為等分型(P2=

P3

)和比例型(P2=

kP3

)兩類。

2.

隔離度

功分器支路端口間的隔離度表示在主路和支路匹配的條件下，從一個(gè)輸出端口輸入的信號(hào)功率與另一個(gè)輸出端口測(cè)量得到的輸出功率之比，用

dB

表示。該指標(biāo)用于衡量功分器輸出端口之間相互影響的程度。設(shè)計(jì)功分器時(shí)，要求隔離度越大越好。

3.

端口電壓駐波比

功分器輸入端口和輸出端口的電壓駐波比直接反映各端口的匹配特性，該指標(biāo)越小越好。

4.

功率容量

功率容量表示功分器所能承受的最大功率。該指標(biāo)是功分器設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)中需要根據(jù)功率容量的大小確定電路類型及材料，才能決定采用什么形式的傳輸線實(shí)現(xiàn)功率容量的指標(biāo)。

5.

分配損耗

功分器的分配損耗定義為信號(hào)功率從輸入端口分配到輸出端口的傳輸損耗，即輸入端口輸入的信號(hào)功率與傳輸?shù)捷敵龆丝诘男盘?hào)功率之比。對(duì)于等功率分配而言，如理想的二等分功分器的分配損耗為

3

dB，而理想的四等分功分器的分配損耗為

6

dB。

6.

插入損耗

功分器的插入損耗為所有路數(shù)的輸出功率之和與輸入功率的比值，或單路的實(shí)際直通損耗減去理想的分配損耗。

7.

幅度平衡度和相位平衡度

幅度平衡度指頻帶內(nèi)所有輸出端口之間的幅度誤差最大值；相位平衡度指頻帶內(nèi)所有輸出端口之間相對(duì)于輸入端口信號(hào)相移量的起伏程度。

2.7.3

集總參數(shù)等分型功分器

根據(jù)電路使用元件的不同，集總參數(shù)等分型功分器可分為電阻式、L-C

式功分器。

電阻式功分器僅利用電阻就可實(shí)現(xiàn)，按結(jié)構(gòu)可分成△形及

Y

形，如圖

2-43

所示。其中

Z0為傳輸線特性阻抗值。

電阻式功分器的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、布線面積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是功率衰減較大(6

dB)。

圖

2-43

電阻式功分器結(jié)構(gòu)

L-C

式功分器由電感、電容組成電路，按結(jié)構(gòu)可分成高通型和低通型，等效電路如圖2-44

所示。L-C

低通型功分器各參數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中：f0

為工作頻率；Z0

為電路特性阻抗；Ls為串聯(lián)電感；Cp為并聯(lián)電容。

L-C

高通型功分器各參數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中：f0

為工作頻率；ω0

為工作頻率對(duì)應(yīng)的角頻率；Z0

為電路特性阻抗；Lp為并聯(lián)電感；Cs為串聯(lián)電容。

圖

2-44

L-C

型等功分器等效電路

2.7.4

分布參數(shù)功分器

威爾金森等比功分器結(jié)構(gòu)如圖

2-45

所示。圖中，P2=

P3=

P1/

2，Z0為特性阻抗，λp為輸入信號(hào)在微帶線中的相波長(zhǎng)，R

=

2Z0為隔離電阻，信號(hào)從端口

1

輸入，從端口

2、端口

3等功率輸出，隔離電阻上電流為零，不吸收功率。

圖

2-45

威爾金森等比功分器結(jié)構(gòu)示意圖

2.8

微

波

諧

振

器

為了克服上述缺點(diǎn)，必須采用封閉式的微波諧振器(又稱諧振腔)來(lái)作為儲(chǔ)能和選頻元件?？梢詫⑦@種諧振器定性看成是由集總參數(shù)

LC

諧振回路演變而來(lái)的，如圖

2-46

所示。

圖

2-46

集總參數(shù)

LC

諧振回路演變?yōu)閳A柱諧振器示意圖

微波諧振器主要有兩大類：傳輸線型諧振器和非傳輸線型諧振器。傳輸線型諧振器一般是一段兩端開(kāi)路或短路的傳輸線，例如矩形諧振器、圓柱諧振器、同軸諧振器、帶狀線諧振器和微帶諧振器等；而非傳輸線型諧振器一般是一種特殊形狀的諧振器，主要用于各種微波電子管(如速調(diào)管、磁控管)的腔體。

2.8.1

微波諧振器的基本參量

1.

微波諧振器和

LC

諧振回路的電磁能量關(guān)系

微波諧振器的電磁能量關(guān)系和集總參數(shù)

LC

諧振回路的能量關(guān)系有許多相似之處。圖

2-47(

a)

所示為集總參數(shù)

LC

諧振回路及回路中電磁能量隨時(shí)間變化的分布曲線，其中ＷM(t)為磁場(chǎng)能量隨時(shí)間

t的變化曲線，ＷE(

t)為電場(chǎng)能量隨時(shí)間

t的變化曲線。圖

2-47(b)所示為同軸諧振器及其電磁能量的分布曲線，其中

l

為諧振器長(zhǎng)度，E

為電場(chǎng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖

2-47(a)中當(dāng)

LC

諧振回路諧振時(shí)，電場(chǎng)能量集中在電容器中，磁場(chǎng)能量集中在電感器中。當(dāng)電場(chǎng)能量達(dá)到最大時(shí)，磁場(chǎng)能量為零，反之亦然。而圖

2-47(b)所示為兩端短路的同軸線，電磁場(chǎng)在同軸線的整個(gè)空間呈駐波分布。當(dāng)電場(chǎng)能量達(dá)到最大時(shí)，磁場(chǎng)能量最??；反之亦然。無(wú)論是

LC

諧振回路還是微波諧振器，在諧振狀態(tài)下，存儲(chǔ)的電磁能量隨時(shí)間相互轉(zhuǎn)換，其振蕩過(guò)程就是電磁能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

圖

2-47

LC

諧振回路與同軸諧振器

普通集總參數(shù)

LC

諧振回路常采用

L、C

和

R

作為基本參量，這是因?yàn)槟苤苯訙y(cè)量這些參量，且可以由其導(dǎo)出諧振回路的其余參量，如諧振頻率

f0

、諧振回路的品質(zhì)因數(shù)

Q0等。微波諧振器主要有兩個(gè)基本參量：諧振頻率

f0

、諧振回路的品質(zhì)因數(shù)

Q0

。

2.

諧振頻率

f0

諧振頻率

f0是指諧振器中電磁場(chǎng)發(fā)生諧振的頻率，它是描述諧振器中電磁能量振蕩規(guī)律的參量。當(dāng)電磁場(chǎng)發(fā)生諧振時(shí)，諧振器內(nèi)電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量自行彼此轉(zhuǎn)換，故諧振器內(nèi)總的電納為

0。當(dāng)諧振腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)或電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量幅值相等時(shí)，可求出其諧振頻率。

3.

品質(zhì)因數(shù)

Q

品質(zhì)因數(shù)

Q

是諧振器的一個(gè)基本特性參數(shù)，Q

值的大小與諧振器的損耗有關(guān)。無(wú)論是LC

諧振回路還是微波諧振器，Q

都是用來(lái)描述諧振腔頻率選擇性的能力高低及反映腔體損耗大小等特性的，其定義為

式中，Ｗ

為諧振時(shí)諧振腔內(nèi)電能與磁能的總和，Pl為諧振系統(tǒng)的損耗功率。

注意：Pl應(yīng)分為兩部分，一部分是諧振腔腔壁電流引起的焦耳熱損耗及腔內(nèi)的介質(zhì)損耗；另一部分是諧振腔與負(fù)載耦合時(shí)將能量耦合給負(fù)載所引起的“損耗”。這樣定義的

Q

稱為有載品質(zhì)因數(shù)。若

Pl不包括諧振腔耦合給負(fù)載的能量，則這樣定義的

Q

稱為無(wú)載品質(zhì)因數(shù)。諧振腔內(nèi)的介質(zhì)損耗遠(yuǎn)小于焦耳熱損耗，一般忽略不計(jì)。

2.8.2同軸諧振腔

利用同軸線中的駐波振蕩構(gòu)成的諧振腔稱為同軸諧振腔。諧振時(shí)，同軸線尺寸需滿足：

式中，a、b

分別為同軸線內(nèi)、外導(dǎo)體半徑，λmin為可以單一傳輸

TEM

波的最短波長(zhǎng)。

同軸諧振腔具有振蕩模式最簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。它既可作為微波三極管的振蕩回路，又可作為波長(zhǎng)計(jì)和混頻器的諧振回路。

常用的同軸諧振腔有

λ/

4

同軸諧振腔、λ/

2同軸諧振腔和電容加載同軸諧振腔，分別如圖

2-48(a)、(b)和(c)所示，圖中

d、D

分別為同軸線內(nèi)、外徑。

圖

2-48

不同類型的同軸諧振腔剖面圖

1.

λ

/

4

同軸諧振腔

將同軸線一端短路，另一端開(kāi)路，同軸腔長(zhǎng)度

l

取

λ

/

4

的奇數(shù)倍，就構(gòu)成了

λ

/

4

同軸諧振腔。實(shí)際工程中，λ

/

4

同軸諧振腔的開(kāi)路端常用同軸腔的外導(dǎo)體延長(zhǎng)形成的一段圓波導(dǎo)來(lái)減少輻射損耗。其諧振頻率可采用電納法分析。由圖

2-48(a)所示的λ

/

4

同軸諧振腔結(jié)構(gòu)可以得到諧振波長(zhǎng)為

可見(jiàn)，當(dāng)同軸腔的長(zhǎng)度一定時(shí)，每對(duì)應(yīng)一個(gè)

n

值就有一個(gè)諧振波長(zhǎng)，即對(duì)應(yīng)于一種模式，這就是同軸諧振腔的多諧特性。圖

2-49(a)和圖

2-49(b)分別為

n

=

1

和

n

=

2的兩種振蕩模式的場(chǎng)分布示意圖。

圖

2-49λ/

4

同軸諧振腔振蕩模式的場(chǎng)分布示意圖

λ/

4

同軸諧振腔品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算公式為

式中，δ

為趨膚厚度。式(2-8)表明

λ

/

4

同軸諧振腔的品質(zhì)因數(shù)是同軸線外、內(nèi)直徑之比D/

d

的函數(shù)。

2.

λ

/

2同軸諧振腔

將同軸線兩端短路，就構(gòu)成了

λ

/

2同軸諧振腔，其諧振波長(zhǎng)為

3.

電容加載同軸諧振腔

如圖

2-48(c)所示的電容加載同軸諧振腔，其一端短路，另一端的內(nèi)導(dǎo)體端面與外導(dǎo)體短路面之間形成一個(gè)集總電容，故稱為電容加載同軸諧振腔。由于電容的加載，相比

λ/

4同軸諧振腔，它可縮短諧振腔的長(zhǎng)度。

2.8.3

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)成的，如圖

2-50(a)所示，它的寬邊尺寸為

a，窄邊尺寸為

b，長(zhǎng)度為

l。

圖

2-50

矩形諧振腔結(jié)構(gòu)及其場(chǎng)分布

1.

振蕩模式及其場(chǎng)分布

對(duì)矩形諧振腔中場(chǎng)分布的分析，可借助于矩形波導(dǎo)中傳輸模式的場(chǎng)分布來(lái)求解，使它滿足

r=

0

和

r=

l

兩個(gè)短路面的邊界條件，即可求得矩形諧振腔中的場(chǎng)分布。矩形波導(dǎo)中的傳輸模式有

TE

模和

TM

模，相應(yīng)矩形諧振腔中同樣有

TE

振蕩模和

TM

振蕩模，分別以TEmnp和

TMmnp表示，其中下標(biāo)

m、n

和

p

分別表示場(chǎng)分量沿波導(dǎo)寬壁、窄壁和長(zhǎng)度上分布的駐波數(shù)，最低振蕩模式為

TE101

，其場(chǎng)分布如圖

2-50(b)所示。

2.

諧振波長(zhǎng)

矩形諧振腔諧振條件與

λ

/

2同軸諧振腔相同，但由于波導(dǎo)中傳輸?shù)牟ㄊ巧⒉?，故波長(zhǎng)應(yīng)指波導(dǎo)波長(zhǎng)

λg，即

而

將式(2-11)代入式(2-10)，便得到矩形諧振腔諧振波長(zhǎng)計(jì)算公式：

式中：λc

為波導(dǎo)中相應(yīng)模式的截止波長(zhǎng)。式(2-12)也適用于所有圓柱形波導(dǎo)諧振腔。對(duì)于矩形諧振腔，將矩形波導(dǎo)截止波長(zhǎng)公式(1

47)代入式(2-12)，則有矩形諧振腔諧振波長(zhǎng)計(jì)算公式：

把

m

=

1、n

=

0

和

p

=

1

代入式(2-13)，便得

TE101模的諧振波長(zhǎng)為

當(dāng)波導(dǎo)尺寸滿足

b＜a＜l

時(shí)，TE101模的諧振波長(zhǎng)

λ0

最長(zhǎng)，故此時(shí)為最低振蕩模式。由式(2-13)可知，相同

m、n

及

p

的

TE

振蕩模和

TM

振蕩模的諧振波長(zhǎng)相等，故

TE

振蕩模和TM

振蕩?；楹?jiǎn)并模。

2.8.4

圓柱形諧振腔

圓柱形諧振腔中場(chǎng)分布分析方法和諧振波長(zhǎng)的計(jì)算公式與矩形諧振腔相同，唯一不同的是截止波長(zhǎng)λc

的表達(dá)式。圓柱形諧振腔諧振波長(zhǎng)計(jì)算公式為

圓柱形諧振腔中最常用的三個(gè)振蕩模為

TM010模、TE111模和

TE011模，其場(chǎng)分布分別如圖

2-51(a)、(b)和(c)所示。

圖

2-51

圓柱形諧振腔及其場(chǎng)分布

圖

2-51

圓柱形諧振腔及其場(chǎng)分布

下面分別討論這三種振蕩模的特點(diǎn)和應(yīng)用。

1.

TM010振蕩模

將圓波導(dǎo)中

TM01波的截止波長(zhǎng)λc=

2.62-R

和

p

=

0

一起代入式(2-15)，便可得到圓柱形諧振腔中

TM010模的諧振波長(zhǎng)

λ0

的計(jì)算公式為

由式(2-16)可見(jiàn)，諧振波長(zhǎng)與諧振腔長(zhǎng)度

l

無(wú)關(guān)，因此無(wú)法依靠改變諧振腔長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振頻率的調(diào)諧。通常在空腔的端面中央，放入一個(gè)長(zhǎng)度可調(diào)的圓柱導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。

2.

TE111振蕩模

將圓波導(dǎo)中

TE11波的截止波長(zhǎng)

λc=

3.41R

和

p

=

1

代入式(2-15)，便可得到圓柱形諧振腔中

TE111模的諧振波長(zhǎng)計(jì)算公式為

當(dāng)

l＞2.1R

時(shí)，TE111模的諧振波長(zhǎng)最長(zhǎng)，故該模的圓柱形諧振腔的體積較小，無(wú)干擾模的調(diào)諧范圍較寬。但這種模式具有極化簡(jiǎn)并模，而且

Q

值比較低，故該振蕩模只能用于中等精度的波長(zhǎng)計(jì)。

3.

TE011振蕩模

將圓波導(dǎo)中

TE01波的截止波長(zhǎng)

λc=

1.64R

及

p

=

1

代入式(2-15)，便可得到圓柱形諧振腔中

TE011振蕩模的諧振波長(zhǎng)計(jì)算公式為

圓柱形諧振腔中

TE011振蕩模的壁電流分布如圖

2-52所示。圖

2-52-圓柱形諧振腔中

TE011振蕩模的壁電流分布

2.9

微

波

濾

波

器

濾波器的種類繁多。按功能分，有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器；按插入衰減頻率特性的響應(yīng)分，有最大平坦式濾波器、切比雪夫式濾波器和橢圓函數(shù)式濾波器；按傳輸線類型分，有波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器和微帶線濾波器；按帶寬分，有窄帶濾波器、中等帶寬濾波器和寬帶濾波器等。

微波濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有：

(1)

截止頻率

fc或頻率范圍

f1～f2

；

(2)

通帶內(nèi)允許的最大插入衰減

LAr(dB)；

(3)

阻帶內(nèi)最小衰減

LAS(dB)及相應(yīng)的阻帶頻率

fa。

當(dāng)

fa固定時(shí)，LAS愈大表示阻帶的插入衰減頻率特性曲線愈陡，性能愈好。

2.9.1

濾波器特性的表征方式

濾波器是具有頻率選擇性的二端口網(wǎng)絡(luò)。濾波器輸出的頻率選擇特性既可以用傳輸系數(shù)的頻率特性來(lái)表示(簡(jiǎn)稱為傳輸特性)，也可用插入衰減

L

的頻率特性來(lái)表示(簡(jiǎn)稱為衰減特性)。按照衰減特性的不同，低頻濾波器可以分為四類：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。圖

2-53

所示分別為全通電路和各種濾波器的梯形電路和相應(yīng)的衰減特性。

圖

2-53

全通電路和各種濾波器的梯形電路及其衰減特性

圖

2-53

全通電路和各種濾波器的梯形電路及其衰減特性

2.9.2濾波器的微波實(shí)現(xiàn)

圖

2-53(b)所示低通濾波器梯形電路表明，微波低通濾波器需要實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電感和并聯(lián)電容。下面介紹如何用傳輸線即分布參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電感和并聯(lián)電容。

(1)

傳輸線如圖

2-54(a)所示，當(dāng)傳輸線特性阻抗

Z0遠(yuǎn)大于終端負(fù)載

ZL時(shí)，這種傳輸線稱為高阻抗線。設(shè)傳輸線長(zhǎng)度

l＜λg/

8，相移常數(shù)為β，則輸入阻抗為

式中

ω

為工作角頻率。也就是說(shuō)高阻抗線可等效為串聯(lián)電感，如圖

2-54(b)所示。電感值與傳輸線參數(shù)之間的關(guān)系為

圖

2-54

高阻抗線等效為串聯(lián)電感

(2)

傳輸線如圖

2-55(a)所示，當(dāng)傳輸線特性阻抗

Z0遠(yuǎn)小于終端負(fù)載

ZL時(shí)，這種傳輸線稱為低阻抗線。設(shè)傳輸線長(zhǎng)度

l＜λg/

8，相移常數(shù)為

β，則輸入導(dǎo)納為

也即低阻抗線可等效為并聯(lián)電容，等效電路如圖

2-55(b)所示。電容值與傳輸線參數(shù)之間的關(guān)系為

圖

2-55

低阻抗線等效為并聯(lián)電容

(3)

圖

2-56

為微帶線低通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。窄線對(duì)應(yīng)高阻抗線，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電感，線寬分別為

Ｗ1

、Ｗ3

、Ｗ5

，對(duì)應(yīng)線長(zhǎng)分別為

l1

、l3

、l5

；寬線對(duì)應(yīng)低阻抗線，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容，線寬分別為

Ｗ2

、Ｗ4

，對(duì)應(yīng)線長(zhǎng)分別為

l2

、l4

。高、低阻抗線相間連接，線的長(zhǎng)度分別由所需的電感值和電容值決定。原則上，高阻抗線特性阻抗應(yīng)盡量大，低阻抗線特性阻抗應(yīng)盡量小，這樣與對(duì)應(yīng)集總參數(shù)的梯形電路接近程度會(huì)更好，但是也要考慮實(shí)際加工和結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的可能性。

圖

2-56

微帶線低通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

(4)

圖

2-57

所示為同軸線低通濾波器結(jié)構(gòu)及等效電路圖，該濾波器由長(zhǎng)度分別為

l1

、l2

、l3

、l2-、l1

的五段粗細(xì)跳變的同軸線內(nèi)導(dǎo)體構(gòu)成，由于形狀似葫蘆，俗稱“糖葫蘆”濾波器。圖

2-57(a)中，D、d

分別為同軸線外導(dǎo)體內(nèi)直徑和內(nèi)導(dǎo)體直徑，d1

為粗同軸線直徑。

圖

2-57

同軸線低通濾波器

(5)

圖

2-58

所示為微帶分支線帶通濾波器。在特性導(dǎo)納為

Y0的主傳輸線上并聯(lián)若干路特性導(dǎo)納為

Y0i的半波長(zhǎng)分支開(kāi)路線，其間距均為

λp/

4。λp/

2分支開(kāi)路線等效于一并聯(lián)諧振回路，中間用長(zhǎng)為λp/

4

的主線連接。圖

2-58

微帶分支線帶通濾波器示意圖

圖

2-59

所示為平行耦合微帶線帶通濾波器，由

n+1

個(gè)終端開(kāi)路的

λp/

4

平行耦合線單元組合而成。圖

2-59

平行耦合微帶線帶通濾波器示意圖

(6)

圖

2-60

為并聯(lián)電感膜片耦合波導(dǎo)帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，由電感膜片與兩小段波導(dǎo)組合為變換器，中間半波長(zhǎng)波導(dǎo)段作為串聯(lián)諧振電路，lk

為兩相鄰電感膜片間的間隔。圖

2-60

并聯(lián)電感膜片耦合波導(dǎo)帶通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

(7)

圖

2-61

所示為波導(dǎo)帶阻濾波器，在主波導(dǎo)上等距相隔多個(gè)終端短路的

E-T

分支，各分支波導(dǎo)長(zhǎng)度稍短于半波長(zhǎng)，呈現(xiàn)容性，主波導(dǎo)與各分支線間用電感膜片耦合，故每個(gè)

E-T

分支等效于一并聯(lián)諧振電路串接在主傳輸線上，各分支間為

3λg/

4

波導(dǎo)段，作為阻抗倒置器。

圖

2-61

波導(dǎo)帶阻濾波器

(8)

圖

2-62為一電容耦合微帶分支線帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，長(zhǎng)度稍小于

λp/

2的開(kāi)路微帶分支線通過(guò)隙縫電容與主微帶線相耦合，于是構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路并接在主線上，各微帶分支線間的

λp/

4

主微帶線作為導(dǎo)納倒置器。

圖

2-62電容耦合微帶分支線帶阻濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

2.10

雙

工

器

雙工器是為了解決信號(hào)的收、發(fā)共用一副天線或者兩個(gè)頻段共用一副天線的問(wèn)題而設(shè)計(jì)的微波器件。前者稱為收發(fā)雙工器，又稱收發(fā)開(kāi)關(guān)，后者稱為頻段雙工器。

2.10.1

收發(fā)開(kāi)關(guān)

收發(fā)開(kāi)關(guān)在雷達(dá)前端發(fā)揮著重要作用。收發(fā)開(kāi)關(guān)可等效為一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，它在雷達(dá)發(fā)射信號(hào)時(shí)接通天線與發(fā)射機(jī)而將天線與接收機(jī)的連接斷開(kāi)；待雷達(dá)發(fā)射信號(hào)結(jié)束，立刻接通天線與接收機(jī)而將天線與發(fā)射機(jī)的連接斷開(kāi)。通常要求收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短，一般為微秒數(shù)量級(jí)，以有效地保護(hù)接收機(jī)不被大功率脈沖損壞和盡量縮小雷達(dá)盲區(qū)，顯然只有電子開(kāi)關(guān)才能做到這一點(diǎn)。另外，無(wú)論是發(fā)射還是接收狀態(tài)，均要求收發(fā)開(kāi)關(guān)引起的損耗盡量小，一般在

1

dB

以內(nèi)。

圖

2-63

所示為一種利用

TR

管和

ATR

管構(gòu)成的分支波導(dǎo)天線開(kāi)關(guān)，圖中靠近發(fā)射機(jī)一端的是一個(gè)與主波導(dǎo)相串聯(lián)(即

E-T

分支)的

ATR

管，靠近天線一端的是一個(gè)與主波導(dǎo)相并聯(lián)(即

H-T

分支)的

TR

管。該結(jié)構(gòu)的等效電路如圖

2-64

所示。

圖

2-63

分支波導(dǎo)天線開(kāi)關(guān)

在圖

2-64

中之所以將

TR

管畫在離分支點(diǎn)

λp/

4

處，是為了保證在發(fā)射時(shí)

TR

管的短路效應(yīng)讓接收機(jī)分支線在分支點(diǎn)處呈現(xiàn)一并聯(lián)無(wú)限大阻抗而不影響發(fā)射功率傳向天線。發(fā)射時(shí)，大功率脈沖信號(hào)通過(guò)主波導(dǎo)，兩放電管被點(diǎn)燃而封閉輸入窗，發(fā)射信號(hào)功率經(jīng)波導(dǎo)傳至天線而不進(jìn)入接收機(jī)。大功率脈沖信號(hào)通過(guò)后，兩放電管均熄滅，經(jīng)過(guò)一短暫(1μs

左右)的恢復(fù)(消電離)時(shí)間，收發(fā)系統(tǒng)開(kāi)始處于可接收狀態(tài)。

圖

2-64

等效電路

另一種只用

TR

管構(gòu)成的收發(fā)開(kāi)關(guān)如圖

2-65

所示。圖

2-65

兩個(gè)魔

T

和一個(gè)環(huán)路構(gòu)成的天線收發(fā)開(kāi)關(guān)示意圖

一種克服上述缺點(diǎn)、結(jié)構(gòu)緊湊的雙生

TR

管收發(fā)開(kāi)關(guān)如圖

2-66

所示。在雙生

TR

管的兩端各接有一個(gè)

3

dB

裂縫電橋，在發(fā)射狀態(tài)下(參見(jiàn)圖

2-66(a))，來(lái)自發(fā)射機(jī)的強(qiáng)脈沖信號(hào)先經(jīng)

3

dB

裂縫電橋等分為兩個(gè)相位差為π/

2的電磁波向前傳輸，遇到

TR

管使之放電

短路產(chǎn)生全反射，兩電磁波均倒相一次，回到

3

dB

裂縫電橋各自又等分為兩個(gè)相位差為π/

2的電磁波向天線和發(fā)射機(jī)方向傳輸。

圖

2-66

雙生

TR

管收發(fā)開(kāi)關(guān)

雙生

TR

管收發(fā)開(kāi)關(guān)除特性優(yōu)良、結(jié)構(gòu)緊湊外，工作頻帶也相當(dāng)寬，一般可達(dá)

10%。20世紀(jì)

60

年代開(kāi)始出現(xiàn)了鐵氧體型和二極管型收發(fā)開(kāi)關(guān)。圖

2-67

為一個(gè)不可逆鐵氧體差相移式收發(fā)開(kāi)關(guān)的原理示意圖(有關(guān)鐵氧體器件的討論見(jiàn)

2.11

節(jié))。

圖

2-67

不可逆鐵氧體差相移式收發(fā)開(kāi)關(guān)原理示意圖

圖

2-68

為

PIN管差相移式收發(fā)開(kāi)關(guān)原理示意圖。圖

2-68

PIN管差相移式收發(fā)開(kāi)關(guān)原理示意圖

2.10.2-頻段雙工器

頻段雙工器的作用是將不同頻段的信號(hào)傳輸給同一傳輸線并借助同一副天線發(fā)射出去，同時(shí)將同一副天線接收的不同頻段的信號(hào)分開(kāi)，以便分別進(jìn)行檢測(cè)。這種雙頻段工作狀態(tài)在雷達(dá)和通信技術(shù)中可提高抗干擾性和保密性。

我們最容易想到的是利用兩個(gè)具有不同中心頻率的帶通濾波器進(jìn)行頻率的混合和分離。圖

2-69

所示。

圖

2-69

帶濾波器的頻段雙工器示意圖

應(yīng)用極化隔離作用也可做成頻段雙工器。圖

2-70

所示。圖

2-70

帶圓波導(dǎo)的頻段雙工器

2.11

微波鐵氧體器件

2.11.1

鐵氧體鐵氧體是一種黑褐色、非金屬的鐵磁性材料，最初由于其中含有鐵的氧化物而得名，它是由二價(jià)金屬錳、鎂、鎳、銅、鋅等的化合物與

Fe2O3燒結(jié)而成的。由于鐵氧體的生產(chǎn)過(guò)程、外觀及成品加工過(guò)程都類似于陶瓷材料，也具有很大的硬度和脆性，容易碰碎，所以鐵氧體制成品又稱磁性瓷。鐵氧體主要分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁和壓磁五類。微波頻段使用的是旋磁鐵氧體，其磁導(dǎo)率為張量。

鐵氧體的特點(diǎn)可總結(jié)為以下三點(diǎn)：

(1)

有半導(dǎo)體性。鐵氧體具有比金屬高的電阻率。當(dāng)微波頻率的電磁波通過(guò)鐵氧體時(shí)，導(dǎo)電損耗是很小的，即微波能在鐵氧體內(nèi)傳播。

(2)

有介電性。鐵氧體在微波頻段相對(duì)介電常數(shù)為

10～20，而且與一般介質(zhì)相比，在高頻下?lián)p耗較小。

(3)

有鐵磁性。鐵氧體類似于鐵、鎳、鈷等金屬，其相對(duì)磁導(dǎo)率可高達(dá)數(shù)千，且在外加恒定磁場(chǎng)作用下，它不再是一個(gè)標(biāo)量，而是張量。這正是鐵氧體能被做成微波頻段許多特殊器件的原因。

2.11.2-縱向場(chǎng)和橫向場(chǎng)

在實(shí)際工作中，人們都要給工作在微波頻率下的鐵氧體材料施加一個(gè)恒定磁場(chǎng)，記為H0

，而交變的電磁波磁場(chǎng)記為

h。根據(jù)恒定磁場(chǎng)方向與電磁波傳播方向的關(guān)系，可以分為以下兩種情況。

(1)

縱向場(chǎng)。當(dāng)電磁波的傳播方向與外加恒定磁場(chǎng)的方向平行時(shí)，恒定磁場(chǎng)稱為縱向場(chǎng)。

(2)

橫向場(chǎng)。當(dāng)電磁波的傳播方向與外加恒定磁場(chǎng)的方向相垂直時(shí)，電磁波磁場(chǎng)稱為橫向場(chǎng)。

2.11.3

正圓極化波和負(fù)圓極化波

如果鐵氧體中電磁波磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與外加磁場(chǎng)

H0成左手螺旋關(guān)系，則稱該電磁波表現(xiàn)為負(fù)圓極化波，如圖

2-71(a)所示；若兩者成右手螺旋關(guān)系，則稱該電磁波表現(xiàn)為正圓極化波，如圖

2-71(b)所示。注意，此處考察極化是以磁場(chǎng)分量為對(duì)象，而不是電場(chǎng)分量；參考方向不是電磁波的傳播方向而是外加恒定磁場(chǎng)方向。另外，任何磁場(chǎng)矢量垂直于

H0的線極化電磁波都可以分解為正負(fù)圓極化波的合成。將正圓極化波用

h+表示，負(fù)圓極化波用h-表示。

圖

2-71

負(fù)圓極化波與正圓極化波

2.11.4

微波鐵氧體的磁導(dǎo)率

單個(gè)自由電子除帶有電量外，其本身還以自旋的方式存在，因此，這個(gè)自旋的帶電體既具有自旋動(dòng)量矩又具有自旋磁矩。對(duì)鐵氧體材料施加恒定磁場(chǎng)

H0

，并讓電磁波在其中傳播，鐵氧體中的自旋電子將受到外加磁場(chǎng)

H0及交變磁場(chǎng)

h

的共同作用，即受合成磁場(chǎng)

H

=H0+h

的作用。由于

H0

對(duì)自旋磁矩的作用會(huì)引起電子自旋動(dòng)量矩的變化，而自旋動(dòng)量矩的變化又會(huì)影響自旋磁矩，因此，電磁波在有外加恒定磁場(chǎng)的鐵氧體中傳播時(shí)，其磁化強(qiáng)度的變化是復(fù)雜的。在微波工作頻率下，鐵氧體材料對(duì)正圓極化波和負(fù)圓極化波的磁導(dǎo)率

μ+與

μ-隨外加恒定磁場(chǎng)

H0的變化曲線如圖

2-72

所示。

圖

2-72

鐵氧體對(duì)正、負(fù)圓極化波呈現(xiàn)的磁導(dǎo)率隨外加恒定磁場(chǎng)的變化曲線

2.11.5

微波鐵氧體對(duì)電磁場(chǎng)的特殊作用

1.

法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)

前面已講過(guò)，一個(gè)角頻率為ω

的線極化波可以分解為兩個(gè)角頻率仍為

ω、幅度相等、旋轉(zhuǎn)方向相反的正、負(fù)圓極化波。如果加在鐵氧體上的恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度合適，使得

0＜μ+＜μ-，則當(dāng)正、負(fù)圓極化磁場(chǎng)分量沿恒定磁場(chǎng)方向傳播一段距離

l

時(shí)，它們的相位變?yōu)?/p>

在

r=l

處，正、負(fù)圓極化磁場(chǎng)分量合成的結(jié)果仍為一線極化磁場(chǎng)。但由于

μ+＜μ-，即合成的線極化磁場(chǎng)的極化方向向正圓極化波的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度

θ，如圖

2-73

所示，有

圖

2-73

鐵氧體中法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的圖解

2.

場(chǎng)移效應(yīng)

當(dāng)

TE10波在矩形波導(dǎo)中傳輸時(shí)，距離寬壁適當(dāng)距離處的交變磁場(chǎng)就構(gòu)成了一個(gè)圓極化波。電磁波的傳播方向不同，圓極化波旋向不同。如果在該處放一鐵氧體，并外施恒定磁場(chǎng)

H0垂直于寬壁，調(diào)整

H0的大小使鐵氧體工作于場(chǎng)移式工作區(qū)，即μ+＜0＜μ-，則對(duì)正向正圓極化波，由于

μ+＜0，鐵氧體起排擠電磁波的作用，因此正圓極化波向空氣中偏移；對(duì)于負(fù)向負(fù)圓極化波，由于

μ-＞μ0

，鐵氧體起吸引電磁波的作用，因此負(fù)圓極化波向鐵氧體偏移。鐵氧體能改變矩形波導(dǎo)中交變電磁場(chǎng)分布的這種效應(yīng)稱為場(chǎng)移效應(yīng)，如圖

2-74

所示。

圖

2-74

場(chǎng)移效應(yīng)示意圖

3.

鐵氧體的諧振吸收特性

當(dāng)外加恒定磁場(chǎng)

H0

的方向垂直于電磁波傳播方向時(shí)，即橫向場(chǎng)情況下，若恒定磁場(chǎng)H0

大小為諧振點(diǎn)，則鐵氧體對(duì)正圓極化波產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收效應(yīng)，而負(fù)圓極化波仍可以順利地在鐵氧體中傳播。這種現(xiàn)象稱為鐵磁共振，又稱鐵磁共振吸收特性。

綜上所述，在外加恒定磁場(chǎng)作用下的鐵氧體，對(duì)電磁波的傳播具有許多可貴的特性，從而可以制作各式各樣的鐵氧體器件。

2.11.6

鎖式波導(dǎo)移相器

移相器在雷達(dá)中最重要的應(yīng)用是用于相控陣天線。相控陣?yán)走_(dá)有很多個(gè)單元，而幾乎每個(gè)單元都要用一個(gè)移相器，因此，移相器的性能和成本極大地影響著雷達(dá)的性能和成本。移相器主要分為鐵氧體移相器和半導(dǎo)體移相器兩類。

鎖式波導(dǎo)移相器結(jié)構(gòu)如圖

2-75(a)所示，橫截面如圖

2-75(b)所示，矩形波導(dǎo)中置一鐵氧體環(huán)，環(huán)中填充電介質(zhì)，介質(zhì)中心通一金屬導(dǎo)線，導(dǎo)線從波導(dǎo)兩端引出(與波導(dǎo)壁絕緣)，接上電源，通以電流給環(huán)形鐵氧體提供環(huán)形恒定磁場(chǎng)

H0

，如圖

2-76(c)和

2-76(d)所示。

圖

2-75

鎖式波導(dǎo)移相器

鎖式移相器采用的塊狀鐵氧體材料具有一種近似于矩形的磁滯回線，如圖

2-76

所示，圖中

Br為剩磁，Bs

為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，Hc

為矯頑力，即鐵氧體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，所需退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度。鎖式移相器由沿軸向?qū)Ь€通過(guò)的脈沖電流來(lái)實(shí)現(xiàn)移相。由于磁滯回線近似于矩形，剩磁很大，故脈沖電流通過(guò)后，鐵氧體能維持其所激勵(lì)的直流磁化強(qiáng)度，直至下一脈沖電流來(lái)改變其狀態(tài)為止，因而稱為鎖式移相器。