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微波元器件-微波技术与天线课件 第5章微波元器件 第5章微波元器件 51 连接匹配元件 52 功率分配元器件 53 微波谐振器件 54 微波铁氧体器件 返回主目录 第5章微波元器件 第5章微波元器件 无论在哪个频段工作的电子设备 都需要各种功能的元器件 既有如电容电感电阻滤波器分配器谐振回路等无源 元器件 以实现信号匹配分配滤波等 又有晶体管等有源 元器件 以实现信号产生放大调制变频等微波系统也 不例外地有各种无源有源元器件 它们的功能是对微波信号 进行必要的处理或变换 它们是微波系统的重要组成部分 微 波元器件按其变换性质可分为线性互易元器件线性非互易元 器件以及非线性元器件三大类 第5章微波元器件 线性互易元器件只对微波信号进行线性变换而不改变频 率特性并满足互易定理 它主要包括各种微波连接匹配元件 功率分配元器件微波滤波器件及微波谐振器件等 线性非互 易元器件主要是指铁氧体器件 它的散射矩阵不对称但仍工作 在线性区域 主要包括隔离器环行器等 非线性元器件能引 起频率的改变 从而实现放大调制变频等 主要包括微波 电子管微波晶体管微波固态谐振器微波场效应管及微 波电真空器件等 微波元器件品种繁多 而且随着技术的进步不断出现新的 元器件 因此不能一一列举 本章从工程应用的角度出发 重点 介绍具有代表性的几组微波无源元器件 主要有连接匹配元 件功率分配元器件微波谐振元件和微波铁氧体器件 第5章微波元器件 51 连接匹配元件 微波连接匹配元件包括终端负载元件微波连接元件以及 阻抗匹配元器件三大类终端负载元件是连接在传输系统终端 实现终端短路匹配或标准失配等功能的元件 微波连接元件 用以将作用不同的两个微波系统按一定要求连接起来主要包 括波导接头衰减器相移器及转换接头等 阻抗匹配元器件 是用于调整传输系统与终端之间阻抗匹配的器件 主要包括螺 钉调配器多阶梯阻抗变换器及渐变型变换器等 下面分别 介绍这些元器件 1 终端负载元件 终端负载元件是典型的一端口互易元件 主要包括短路负 载匹配负载和失配负载 第5章微波元器件 1 短路负载 短路负载是实现微波系统短路的器件 对金属波导最方便 的短路负载是在波导终端接上一块金属片 但在实际微波系 统中往往需要改变终端短路面的位置 即需要一种可移动的短 路面 这就是短路活塞短路活塞可分为接触式短路活塞和扼 流式短路活塞两种 前者已不太常用 下面介绍一下扼流式短路 活塞应用于同轴线和波导的扼流式短路活塞如图 5 - 1 a b 所示 它们的有效短路面不在活塞和系统内壁直接接触处 而向波源方向移动g2 的距离 第5章微波元器件 这种结构是由两段不同等效特性阻抗的g4变换段构成 其工作原理可用如图5 - 1 c 所示的等效电路来表示 其中cd段 相当于g4终端短路的传输线 bc段相当于g4终端开路的 传输线 两段传输线之间串有电阻Rk 它是接触电阻 由等效电 路不难证明ab面上的输入阻抗为 Zab 0 即ab面上等效为短路 于是当活塞移动时实现了短路面的移动扼流短路活塞的优 点是损耗小 而且驻波比可以大于100 但这种活塞频带较窄 一般只有1015的带宽如图 5 - 1 d 所示的是同轴S型扼 流短路活塞它具有宽带特性 第5章微波元器件 图5 1 扼流短路活塞及其等效电路 第5章微波元器件 2 匹配负载 匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件 对波导来说 一般在一段终端短路的波导内放置一块或几块劈 形吸收片 用以实现小功率匹配负载 吸收片通常由介质片如 陶瓷胶木片等涂以金属碎末或炭木制成当吸收片平行地 放置在波导中电场最强处 在电场作用下吸收片强烈吸收微波 能量 使其反射变小劈尖的长度越长吸收效果越好 匹配性能 越好 劈尖长度一般取g2 的整数倍如图5 - 2 a 所示 当功 率较大时可以在短路波导内放置锲形吸收体 或在波导外侧加 装散热片以利于散热 如图 5 - 2 b c 所示 当功率很大时 还 可采用水负载如图5 - 2 d 所示 由流动的水将热量带走 第5章微波元器件 散热片 法兰盘 吸收材料 a b c 吸收材料 劈形玻璃容器 内导体 内导体 d e f g 图5 2 各种匹配负载 第5章微波元器件 同轴线匹配负载是由在同轴线内外导体间放置的圆锥形或 阶梯形吸收体而构成的 如图5 - 2 e f 所示微带匹配负载 一般用半圆形的电阻作为吸收体 如图 5 - 2 g 所示 这种负载 不仅频带宽而且功率容量大 3 失配负载 失配负载既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率 而且一般制成一定大小驻波的标准失配负载 主要用于微波测 量失配负载和匹配负载的制作相似 只是尺寸略微改变了一 下 使之和原传输系统失配比如波导失配负载就是将匹配 负载的波导窄边b制作成与标准波导窄边b 不一样 使之有一定 0 的反射设驻波比为 则有 第5章微波元器件 例如 3 cm的波段标准波导BJ-100 的窄边为1016 mm 若 要求驻com 则失配负载的窄边分别为9236 mm和 8407 mm 2 微波连接元件 微波连接元件是二端口互易元件 主要包括 波导接头 衰减器相移器转换接头 1 波导接头 波导管一般采用法兰盘连接 可分为平法兰接头和扼流法 兰接头 分别如图5 - 3 a b 所示平法兰接头的特点是 加 工方便 体积小 频带宽 其驻波比可以做到1002以下 但要求 接触表面光洁度较高 第5章微波元器件 2 0 a b 图5 3 波导法兰接头 第5章微波元器件 扼流法兰接头由一个刻有扼流槽的法兰和一个平法兰对接 而成 扼流法兰接头的特点是 功率容量大 接触表面光洁度要 求不高 但工作频带较窄 驻波比的典型值是102因此平接头 常用低功率宽频带场合 而扼流接头一般用于高功率窄 频带场合 波导连接头除了法兰接头之外 还有各种扭转和弯曲元件 如图 5 - 4 所示 以满足不同的需要当需要改变电磁波的极 化方向而不改变其传输方向时用波导扭转元件 当需要改变 电磁波的方向时可用波导弯曲波导弯曲可分为E面弯曲和 H面弯曲为了使反射最小 扭转长度应为 2n1 g4 E面波 导弯曲的曲率半径应满足R 15b H面弯曲的曲率半径应满足 R 15a 第5章微波元器件 b a l a b R R a b c 图5 4 波导扭转与弯曲元件 第5章微波元器件 2 衰减元件和相移元件 衰减元件和相移元件用来改变导行系统中电磁波的幅度和 相位对于理想的衰减器其散射矩阵应为 0 eal S al e 0 而理想相移元件的散射矩阵应为 0 ej S j e 0 衰减器的种类很多 最常用的是吸收式衰减器 它是在一段 矩形波导中平行于电场方向放置吸收片而构成 有固定式和可 变式两种分别如图5 - 5 a b 所示 第5章微波元器件 吸收片 a 支撑杆 b 图5 5 吸收式衰减器 第5章微波元器件 收片由胶木板表面涂覆石墨或在玻璃片上蒸发一层厚的电 阻膜组成 一般两端为尖劈形以减小反射由矩形波导TE10 模的电场分布可知 波导宽边中心位置电场最强 逐渐向两边减 小到零 因此 当吸收片沿波导横向移动时 就可改变其衰减量 将衰减器的吸收片换成介电常数 1的无耗介质片时 就 r 构成了移相器 这是因为电磁波通过一段长波为l 的无耗传输系 统后相位变化为 2l g 其中 为波导波长 在波导中改变介质片位置会改变波 g 导波长 从而实现相位的改变 3 转换接头 第5章微波元器件 微波从一种传输系统过渡到另一种传输系统时需要用转 换器 第2章讨论的同轴波导激励器和方圆波导转换器等传输系 统中都有转换器在这一类转换器的设计中一方面要保证形 状转换时阻抗的匹配以保证信号有效传送另一方面要保证 工作模式的转换另一类转换器是极化转换器 由于在雷达通 信和电子干扰中经常用到圆极化波 而微波传输系统往往是线 极化的 为此需要进行极化转换 这就需要极化转换器由电磁 场理论可知 一个圆极化波可以分解为在空间互相垂直相位 相差90 而幅度相等的两个线极化波 另一方面 一个线极化波 也可以分解为在空间互相垂直大小相等相位相同的两个线 极化波 只要设法将其中一个分量产生附加90 相移 再合成起 来便是一个圆极化波了 第5章微波元器件 常用的线- 圆极化转换器有两种 多螺钉极化转换器和介质 极化转换器 如图 5 - 6 这两种结构都是慢波结构 其相速要 比空心圆波导小如果变换器输入端输入的是线极化波 其 TE11模的电场与慢波结构所在平面成45 角 这个线极化分量 将分解为垂直和平行于慢波结构所在平面的两个分量E 和E u v 它们在空间互相垂直 且都是主模TE11 只要螺钉数足够多或介 质板足够长 就可以使平行分量产生附加 90 的相位滞后 于是在极化转换器的输出端两个分量合成的结果便是一个圆 极化波至于是左极化还是右极化要根据极化转换器输入端 的线极化方向与慢波平面之间的夹角确定 第5章微波元器件 E min l y E E u u m Ev E m v 9 1 1 3 mm 64 mm 2 O 6 z R 2 1 2 x 51对 b a 图5 6 极化转换器 第5章微波元器件 3 阻抗匹配元件 阻抗匹配元件种类很多 它们的作用是消除反射 提高传输 效率 改善系统稳定性这里主要介绍螺钉调配器阶梯阻抗 变换器和渐变型阻抗变换器三种 1 螺钉调配器 螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件 它 是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配元件 如图5 - 7 所示 螺钉深度的不同等效为不同的电抗元件 使用时为了避免波导 短路击穿 螺钉都设计成容性 即螺钉旋入波导中的深度应小于 3b4 b为波导窄边尺寸 由第1章的支节调配原理可知多个 相距一定距离的螺钉可构成螺钉阻抗调配器 不同的是这里支 节用容性螺钉来代替 第5章微波元器件 图5 7 波导中的螺钉及其等效电路 第5章微波元器件 螺钉调配器可分为单螺钉双螺钉三螺钉和四螺钉四种 单螺钉调配器通过调整螺钉的纵向位置和深度来实现匹配 如图 5 - 8 a 所示 双螺钉调配器是在矩形波导中相距g8g4或 3 g8 等距离的两个螺钉构成的 如图 5 - 8 b 所示双螺钉调 配器有匹配盲区 故有时采用三螺钉调配器其工作原理在此不 再赘述由于螺钉调配器的螺钉间距与工作波长直接相关 因此 螺钉调配器是窄频带的 2 多阶梯阻抗变换器 在第1章中我们已经知道 用4 阻抗变换器可实现阻抗匹 配 但严格来说只有在特定频率上才满足匹配条件 即4 阻 抗变换器的工作频带是很窄的 第5章微波元器件 d d l 2 1 法兰 b a 负载 波源 y 1 yl 波源 b y 2 y 1 负载 y y b y a y l T 1 T2 T1 a b 图5 8 螺钉调配器 第5章微波元器件 要使变换器在较宽的工作频带内仍可实现匹配 必须用多 阶梯阻抗变换器 图5 - 9 所示分别为波导同轴线微带的多 阶梯阻抗变换器它们都可等效为如图5 - 10 所示的电路 分别为T T T TN共 N1 个 如果参考面上局部电压反射 0 1 2 系数对称选取 即取 0 N 1 N-1 2 N-2 则输入参考面T 上总电压反射系数为 0 第5章微波元器件 a b c 图5 9 各种多阶梯阻抗变换器 第5章微波元器件 Z Z Z Z Z 0 e1 e2 eN l T T T 0 1 2 T N 图5 10 多阶梯阻抗变换器的等效电路 第5章微波元器件 ej 2 ej 4 ej 2 N 1 ej 2N 0 1 2 N N ej 2N ej 2 ej 2 N 1 0 N 1 N 1 ejN ejN ejN ej N 2 ej N 2 0 1 2ejN cos Ncos N 2 0 1 于是反射系数模值为 cosN 1cos N-2 0 当 等值给定时 上式右端为余弦函数cos 的多项 0 1 式 满足 0的cos 有很多解 亦即有许多g使 0这就 是说在许多工作频率上都能实现阻抗匹配 从而拓宽了频带 显然 阶梯级数越多 频带越宽 第5章微波元器件 3 渐变型阻抗变换器 由前面分析可知 只要增加阶梯的级数就可以增加工作带 宽 但增加了阶梯级数 变换器的总长度也要增加 尺寸会过大 结构设计就更加困难 因此产生了渐变线代替多阶梯设渐变 线总长度为L 特性阻抗为Z z 并建立如图 5 - 11所示坐标 渐 变线上任意微分段 zz z 对应的输入阻抗为 Zin z Zin z Zin z 由传输线理论得 Zin z Zin z jz x tan z Zin z Z z j Zin z Zin z tan z 第5章微波元器件 Z 0 L 0 z z z L z 2 2 图5 11 渐变型阻抗变换器 第5章微波元器件 式中 为渐变线的相移常数当z0 时 tan z z 代入上式可得 z 2 z in Zin z Zin z Zin z jZ in z 1 z z z 忽略高阶无穷小量 并整理可得 dz z z 2 in j in z z dz z z 若令电压反射系数为 z 则 zin z z z z zin z z 第5章微波元器件 代入式 5 -1 -9 并经整理可得关于 z 的非线性方程 d z 1 2 d ln z z j 2 z 1 z 0 dz 2 dz 当渐变线变化较缓时 近似认为1- z 1 则可得关于 2 z 的线性方程 ln d z d z z 2 j 2z j z e dz dz dz 其通解为 1 ln d z x j 2z j 2x z e 2 dz e dz 故渐变线输入端反射系数为 L d z x ej L 2 ln ej 2z dz in L dz 2 第5章微波元器件 这样当渐变线特性阻抗Z z 给定后 由式 5 - 1 - 14 就可 求得渐变线输入端电压反射系数通常渐变线特性阻抗随距离 变化的规律有指数型三角函数型及切比雪夫型 下面就来 介绍指数型渐变线的特性 其特性阻抗满足 z 1 z 1 z z z 0 exp ln L 2 z 0 L L 可见当z 时Z z Z 而当z 时Z z Zl 2 0 2 于是有 d ln z z 1 z1 ln dz L z 0 输入端反射系数为 第5章微波元器件 j L 1 z1 L j 2z 1 sin L z1 e ln 2 e dz ln in L 2L z0 2 2 L z0 两边取模得 1 sin L z1 ln in 2 L z0 图5 - 12 给出了 与L 的关系曲线由图可见 当渐变 in 线长度一定时 随频率的变化而变越小 L越大 in in 越小 极限情况下0 则 0 这说明指数渐变线阻抗变 in 换器工作频带无上限 而频带下限取决于 in 的容许值 第5章微波元器件 07 06 Z 1 4 Z 05 0 n Z i 04 1 3 Z 0