微波技术微波技术第五章(1)课件

1、第五章 微波元件 低频电路的基本元件：电阻、电容、电感，属集中参数元件。微波电路由传输线和微波元件组成，是分布参数电路。了解微波元件的工作原理、特性、设计方法很重要。 按功能分：连接元件、终端元件、匹配元件、衰减与相移元件、分路元件、定向耦合元件、波型变换元件、滤波元件等；微波元件种类繁多。 按传输线分：波导型、同轴线型、微带线型等；按端口分：一端口元件、 二端口元件、 三端口元件、 等等。第一节 一端口元件 只有一个端口的元件。n =1，其 S 矩阵退化为只有一个对角元 s11=G1为反射系数。常用的有短路负载、匹配负载、失配负载。在本章中，我们只介绍一些常用元件，以波导型为主，并着重定性分

2、析元件的工作原理与基本特性。波导型可变短路器一、短路活塞（可变短路器）短路活塞又称短路器, 其作用是将电磁波能量全部反射回去。 实用中做成可调的短路活塞，要求有良好的电接触。接触处的损耗小, | G | 接近于1； 活塞移动时，接触处损耗变化小； 传输大功率时，接触处不发生打火。 短路活塞按传输线形式分有同轴线型和波导型； 可调短路活塞相当于长线中，长度可调的短路线段或短路单跨线。按结构分有接触式和扼流 式，接触式短路活塞因接触不稳定很少使用。 P155图5-1给出两种扼流式短路活塞。 a)、b)分别为波导型、同轴线型的山字型短路活塞, c) 为工作原理图。 山字型短路活塞采用两段不同特性阻抗

3、的lg /4 变换器, e 与 d 面之间的接触电阻为 Rk ;两段lg/4线串联起来,使活塞在ab处形成一个有效的短路面, 而Rk正好在电流波节处, 使损耗进一步减小。 d) 为S 型同轴线型短路活塞, 其频带宽。由于它的活塞与同轴线完全分开, 适用于需加直流偏置的有源同轴器件。图5-1 山字型和S型扼流短路活塞a)山字型波导短路活塞； b) 山字型同轴短路活塞；c) 山字型扼流短路活塞原理图； d) S型同轴短路活塞Z01Z02 利用lg/4线的阻抗变换性，把有高频电流流过、需要有良好电接触的地方，恰好安排在电压波节处(即电流波腹处)，从而得到等效短路；与此同时，把可能产生损耗或可能有功率

4、漏出的地方，恰好安排在电流波节处，从而避免损耗和漏出功率。扼流结构的基本原理：二、全匹配负载 全匹配负载 ( G = 0 ) 是接在微波传输系统终端的单端口微波元件，它能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在传输系统中建立行波状态时，要用到匹配负载。 在调试微波机(如雷达发射机)时，为了避免能量通过天线向外界辐射以防暴露自己或干涉其它仪器, 用全匹配负载代替天线；此时全匹配负载又称假天线。波 导 型 全 匹 配 负 载高功率： Pmax 1 W ，用于雷达设备；低功率： Pmax 1 W ，用于微波通讯或微波测量。吸收片劈面长度为 lg/2 的整数倍, 全匹配负载分为 全匹配负载的性能包括

5、工作频率、输入驻波比( r 1.01)和功率容量。 P157 图5 4 为低功率波导匹配负载的示意图。 在终端短路的波导内沿电场方向放置一块或数块劈形吸收片或楔形吸收体。图5 4n(lg/2) 可在10 15%的频带内达到 r =1.01 1.05。 如图, A、B两点沿电场方向相距lg /4, 在A、B两点处都产生反射波，但B点处的反射波回到A点时, 与A点的反射波的行程差为 lg /2 ，相位相差 p , 两者相互抵消, 总反射系数为零。lg /2lg /4CAB 扩大到整个劈面，把吸收片分为AB、BC两部分，在AB段上任一点总能在 BC 段上找到沿传播方向与之相距相距 lg/4的对应点,

6、 这两点的反射波互相抵消。于是，整个吸收片可无反射而实现全匹配。 吸收片劈面长度为 lg /2 的整数倍可实现无反射的原理: 大功率匹配负载与小功率匹配负载不同之处主要在于考虑散热。可在负载外面装置散热片(图5-6); 或采用水负载(图5-7) 。 水负载的终端安装通以水的玻璃容器, 流进的水吸收微波功率后温度升高，根据水流量及进、出水的温差可测量微波功率。图5-7 a) 炮弹式高功率波导水负载示意图图 5-6 玻璃水负载 失配负载具有某一固定的驻波比，常用于微波测量中作标准终端负载。其结构与匹配负载一样，只是波导的b不同。( 5 6)三、失配负载 设 b0为标准波导的窄边尺寸， b为失配负载

7、波导的窄边尺寸；Z0、Z分别为标准波导、失配负载波导的等效特性阻抗。则一、连接元件 连接元件的作用是将作用不同的微波元件连接成完整的系统。要求接触损耗小, 驻波比小, 功率容量大, 工作频带宽。这里只介绍单纯起连接作用的接头、拐角、弯曲和扭转元件。第二节 二端口元件无耗二端口网络的基本性质（已在课件第四章(1) 讲解）1. 波导接头(又称法兰)图 5-8 波 导 接 头a) 平接头 b) 扼流接头 c) 扼流接头等效电路 波导接头有平接头和扼流接头两种, 如P159图5-8所示。 平接头用螺栓和螺帽旋紧, 或用弓形夹夹紧。其体积小、频带宽。 扼流接头在连接两段波导的任一个法兰盘上开有一个深为l

8、g/4的圆槽, 圆槽中心与波导宽壁中心的 距离也为lg/4，称为扼流槽。可以保证接头处 (如图示1、2之间) 有良好的电接触。 扼流接头安装方便、功率容量大；但频带较窄。平接头扼流接头 2. 拐角、弯曲与扭转元件 改变电磁波的传输方向用拐角、弯曲元件；改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向用扭转元件。要求r 小、频带宽、功率容量大。为使反射最小, 拐角和扭转段长度l =(2n+1)lg/4。E面弯波导的曲率半径 R1.5b ； H面弯波导的曲率半径 R1.5a 。图 5-9 波导拐角、扭转和弯曲元件a) 波导拐角 b) 波导扭转 c) E面弯曲 d) H 面弯曲d)a)b)c)扭波导H面弯波导

9、E面弯波导膜片可改变波导内的电场分布规律而产生电容效应，二、匹配元件 匹配元件实际上是一些微波电抗元件, 将其置于传输线上, 产生一些附加反射, 使补偿后的传输线趋于匹配。 相当于在横截面处并接一个电容器。电 容 性 膜 片1. 电抗膜片垂直于波导轴放置的薄金属片。 (1) 容性膜片图5-10 c)、d) 膜片跨接在波导宽边上, 对主模 H10 , (2) 感性膜片 图5-10 a)、b)膜片跨接在波导窄边上, 主模H10的磁力线是平行于宽边的闭合曲线, 膜片的置入将改变波导内磁场的分布规律而产生电感效应，相当于在传输线上并联一个感性电纳。-jB电 感 性 膜 片(3) 谐振窗 电容膜片和电感

10、膜片组合而形成谐振窗。谐振窗对某一固定频率产生谐振，即当工作频率等于谐振频率时，电磁波可以无反射地通过。其等效电路相当于并联谐振回路。2. 销钉 销钉是垂直对穿宽边的金属圆棒, 如图5-12所示。其在波导中起并联电感作用, 可作匹配元件和谐振元件, 常用于构成波导滤波器。图5-12 波 导 中 的 销 钉波导谐振窗及其等效电路aabbYeLC Ye 用膜片和销钉匹配时，膜片和销钉在波导中的位置固定后就不容易调整，因而使用不方便。3. 螺钉匹配器 而螺钉插入波导深度可以调节，电纳的性质和大小也随之改变, 使用方便，如图5-13所示。图5-13 波导中的螺钉及其电抗性质的变化a)b) 波导中的螺钉

11、, 一方面和容性膜片一样, 集中电场而具有容抗性质；另一方面，波导宽边的轴向电流要流进螺钉, 产生磁场而具有感抗性质。设螺钉插入深度为l, 当l 0)；随着l 的增加, 其电感及电容都增加, 当l l0/4时, 成为串联谐振电路使波导短路(B);当l l0/4时, 感抗占优势, 并联电纳呈感性(B0)。为避免波导短路和击穿，通常设计螺钉呈容性，作可变电容用。 螺钉匹配器的作用原理与支节匹配器相似，所不同的只是螺钉只能作电容用。单 螺 匹 配 器 螺钉匹配器有单螺钉(单支节)、双螺钉(双支节)、三螺钉(三支节)等, 是低功率微波设备中普遍采用的调谐和匹配元件。4. 多节四分之一波长变换器(见P1

12、21 “四、”) 从实用的角度来看，阻抗匹配是微波传输的最终目标。有关阻抗匹配的概念和方法，已经在第二章第八节作了介绍。学了波导理论和网络理论，这里将进一步讨论多节四分之一波长变换器及其频率特性和色散效应。 多节四分之一波长变换器是多个/4 变换器组成的级联网络 。图3-63为单节/4变换器示意图，其特性阻抗 (1) /4 变换器 图3-63 单节/4变换器示意图BAAB则寻找电压波腹点或电压波节点处，如果 ,为纯阻。得 或 参照图3-63,此时,图中的RL=Rmax ,变换器长度为 l = 0/4 。 设计频率为 f0 ，对应0/4 ；匹配器接在电压波腹点处， 。 1) 单节/4 变换器 A

13、-A处的局部反射系数为 B-B处的局部反射系数为显然GA、GB 为相等的正实数，即 GA=GB(3-157) 当GA、GB 都远小于1 时，在A-A处的总反射系数可近似为 令q = b l，得 G =(3-158) 代入式(3-158) 得 ，实现匹配。 理想时，f = f0 ， = 0 ，即工作在设计频率下，l = 0/4 , 当工作频率f 偏离f0（频偏很小）， 时 由于 ，根据 ，得代入式（3-158）得=这里， 为 f 偏离 fo 时所对应的q 偏离 的 Dq 。当 ，即 很小时有 (3-159 )将式(3-157)代入式(3-159)得 2) 多节/4 变换器 由单节/4变换器的匹配

14、特性与频率的关系可知，单节/4变换器,仅在中心频率f0点上是完全匹配的；随着工作频率f 的变化，它的匹配效果就变差，所以它属于窄频带型阻抗匹配器。 若需要在较宽的工作频带范围内工作，通常采用双节、三节或多节/4阻抗匹配段； 如果使各节/4匹配段的特性阻抗Z01、Z02、 按一定规律分布，则各个不连续界面的反射叠加可使匹配性能达到最佳。分析如下： 双节/4变换器 图3-64 双节/4变换器示意图BAACBC 如图3-64所示，匹配器接在电压波腹点处。A-A处的局部反射系数： B-B处的局部反射系数 C-C处反射系数 图3-64 双节/4变换器示意图BAACBC显然，GA、GB 和GC 均为正实数

15、。 设计Z01、Z02 使A、B界面处的局部反射系数与C处的反射系数满足 当GA、GB 和GC 都远小于1时，考虑多次反射的结果，A-A处的总反射系数为 (3-160)当 ， 时，代入式(3-160) 得(3-161) 当无支节，即 时， ，代入式(3-160)得(3-162) n节/4变换器 如图3-65所示，第1到第n各界面的局数反射系数为 图3-65 n节/4变换器示意图nn+1AA12 1 =A 23n（n =2，3，n） 第n+1界面的反射系数为 当Gi ( i=1, 2, , n+1 ) 都远小于1时, 由单节 /4 变换器的式(3-159)、双节/4变换器的式(3-161)和式(

16、3-162)推广到 n节/4变换器得 (3-163)(n2) (3-164) 即从 起,设计各节/4匹配段的特性阻抗 、 、 , 使 n节表3-7 n 节/4变换器各界面反射系数的分配n=n15101051n=514641n=41331n=3121n=211n=1节数 ( i =1,2, n+1 ) 按“杨辉三角形”的规律分配/4变换器的 、 、 、 相对于 的比按“杨辉三角形”的规律分配，如表3-7 所示。 由表3-7可见,对于多节/4变换器中各界面的反射系数,可以把它们分成二组,一组是标号为1、3、5 、等奇数界面的反射,另一组则是标号为 2、4、6、等偶数界面的反射；这两组反射系数各自相

17、加的和一定相等,这样能保证在中心频率f0时,多节阻抗匹配器的总反射为零,也就是全匹配。 前面讲过的单节/4变换器可视为n =1的二项式变换器,只不过其GA 应按式(3-157)计算。 一定要注意, 式(3-159)、式(3-161)、式(3-163)成立是有条件的。首先, 各个不连续面处的反射不能太大；其次, 所有的反射量的叠加和也不能太大。因而,上述匹配理论也称为“小反射理论”。 二项展开式系数可列表组成“杨辉三角形”，故上述多节/4变换器又称二项式变换器。图3-66 二项式变换器的频率特性 图3-66是二项式变换器总反射系数的模 随q 的变化曲线，图中,是允许的最大反射系数的模值, (qm

18、2-qm1)为通带宽。在q =p/2 (对应于中心频率 f0 )处， ；当工作频率偏离 f0时，满足阻抗匹配要求的频带随着n的增加而展宽，节数越多，匹配的性能越好。 (2) 色散对波导g/4变换器带宽的影响 n节/4变换器不仅适用于传输TEM波的传输线，而且也适用于单模传输的波导。 对传输TEM波的传输线，波长与频率之间满足关系 ，于是 即相对频率变化与相对波长变化之间满足下列的线性关系 式中的负号表明，如果相对波长的变化是增加的，那么与其相对应的相对频率变化则是减少的。 如果讨论的阻抗变换段是波导，那么设计人员就必须考虑波导传输线的色散效应。 波导传输线的波导波长 ，对于矩形波导的主模TE1

19、0来说， 。则 于是有 (3-165) 对于标准矩形波导(窄边尺寸为宽边的一半),考虑到传输损耗和色散等因素,其中心工作波长(请参见第三章第七节)取为 ，代入式(3-165) 得 所以，采用标准矩形波导作阻抗变换段时，它的频带宽度要比在横电磁波传输线时的频带窄一半左右。 在讨论波导器件的频率特性时，都要注意这个问题。 三、衰减器和相移元件 衰减器的作用是使通过它的微波能量产生衰减，是用于变换传输系统中功率电平的微波器件；式中，a 为衰减常数，l 为衰减器长度。1. 衰减器 衰减量固定不变的称为固定衰减器; 衰减量可在一定范围内调节的称为可变衰减器。对衰减器的要求是输入驻波比小，频带宽。理想衰减

20、器只有衰减而无相移，其散射矩阵为 而相移器的作用是使通过它的微波信号产生一定的相移, 微波能量可无衰减地通过。 前者改变电磁波场强的幅度，后者改变电磁波场强的相位。(1) 吸收式衰减器 衰减器种类很多, 使用最多的是吸收式衰减器。P162图5-14是吸收式波导衰减器示意图。吸 收 式 可 变 衰 减 器图5-14 吸收式波导衰减器示意图 吸收式波导衰减器是在一段矩形波导内置入与电场方向平行的吸收片，当微波能量通过吸收片时，部分能量被吸收而产生衰减。 为消除反射，衰减片两端通常做成渐变形的。 吸收片上通过的电场切向分量越强，其衰减量越大。因此，左右移动吸收片在波导中的位置就能改变衰减量的大小。(

21、2) 截止衰减器 是在传输线中插入一段横向尺寸较小的传输线段，使电磁场在这一小段传输线内处于截止状态，电磁波经过这段传输线后能量很快衰减。控制这段传输线的长度，即可调节衰减量的大小。 图5-15 截止式衰减器结构示意图P163图5-15为一种截止衰减器示意图。 其主体是一段截止的圆波导, 其半径满足截止条件:输入同轴线在圆波导的始端激励起 模式的截止场, 其a 为 输出同轴线通过一小环与圆波导作磁耦合使得一部分功率进入输出同轴线中，这部分功率正比于小环所在处的磁场强度的二次方，即图5-15 截止式衰减器结构示意图调节机构使整个输出同轴线沿着圆波导的轴线运动。 设小环位于 z = 0 处时耦合到

22、输出同轴线的功率为 P0 , 而当输出同轴线被拉出到使小环位于 z = l 处时的输出功率为此时相对于输入功率P1的衰减量为式中为 z = 0 时的起始衰减量。 截止式衰减器的特点： 衰减量(dB)与距离 l 成线性关系(见图5-15 b)，而且衰减系数a可由式(5-16b)算出。因此，这种衰减器可作为衰减量的标准。图5-15 截止式衰减器结构示意图 当 lc l 时，衰减系数a 很大，移动不太长的一段距离就可得到很大的衰减量，例如，最大可达120dB。 衰减不是由于损耗(截止圆波导中不存在吸收性物质)，而是由于反射引起的, 即截止式衰减器属于反射式，其输入、输出端严重失配。 为改善输入、输出

23、端的匹配, 在输入同轴线的终端接以匹配负载; 在小环上装一个R =Z0的电阻与同轴线匹配。这样, 输入端、输出端都接近于匹配。(3) 极化衰减器 是在圆波导中置入可旋转的吸收片，衰减量的大小与吸收片旋转角度有关。可作绝对定标的标准衰减器。 图5-16 是 其主体是一段 H11模的圆波导, 内置一片可连同圆波导一起旋转的吸收片。圆波导的两端各通过方-圆过渡波导分别与输入、输出H10模的矩形波导相连接, 在过渡波导中也各有一片平行于矩形波导宽壁的固定吸收片。图5-16 旋转式极化衰减器及其各段电场示意图a) 衰减器 b) 各段波导中电场示意旋转式极化衰减器的结构示意图，极化衰减器的衰减量由圆波导中

24、的吸收片2的旋转角度q 确定。工作原理： 从矩形波导输入的H10波在方圆过渡波导激起圆波导的垂直极化的H11波, 其电场E1垂直于其中的吸收片1的平面而无衰减； 当电磁波进入圆波导后, 若吸收片2 相对于水平面旋转了q 角, 则E1被吸收片2的平面分解为平行和垂直两个分量E/ = E1sinq E = E1cosq (5-19b) E/ 将全部被吸收, 而E则可无衰减地通过。过渡波导时, E再次被吸收片3 的平面分解为平行和垂直两个分量，平行分量被吸收, 垂直分量可无衰减地通过方 圆过渡段而从矩形波导中输出；这部分电场 E2 为衰减量为图5-16 旋转式极化衰减器及其各段电场示意图a) 衰减器 b) 各段波导中电场示意 当波到达输出端的方圆2. 移相器理想移相器是无反射、无衰减的二端口网络，其散射矩阵为式中，相移量为可见，改变