微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案課件

1、微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案1第四章第四章 微波元件及微波網(wǎng)絡(luò)理論概要微波元件及微波網(wǎng)絡(luò)理論概要 4-1 微波段電路元件的功能、構(gòu)成原理及研究方法 用于本章概述 4-2 連接元件、分支元件及r、l、c元件 用于4.1 4.3 4-3 定向耦合器 用于4.4 4-4 阻抗變換器與調(diào)配器 用于4.5 4 41 1微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案24-5 諧振腔 用于4.6.14-6 微波鐵氧體元件簡介 用于4.74-7 微波網(wǎng)絡(luò)理論概述 用于4.8 4.114 42 2微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案34 43 34-1 微波段

2、電路元件的功能、構(gòu)成及研究方法 一個微波段信息傳輸系統(tǒng)，除了傳輸線還需要有具有各種功能的元件和器件共同組成。 微波元件的各種功能（對導(dǎo)行電磁波的控制作用），是通過裝置的邊界（形狀和尺寸）、填充媒質(zhì)的變化不均勻或不連續(xù)來實(shí)現(xiàn)的。即構(gòu)成微波元件的基礎(chǔ)是微波傳輸線（主要是金屬波導(dǎo)和微帶線），因此微波元件又統(tǒng)稱為不規(guī)則波導(dǎo)。 微波元件泛指能夠控制導(dǎo)行電磁波模式、極化、幅值、頻率、相位、去向等的無源裝置。以往集總電路元件概念及構(gòu)成方法已不能用于微波波段。 分析微波元件的工作原理及確定其參數(shù)，嚴(yán)格的數(shù)學(xué)解對于絕大多數(shù)情況幾乎是不可能的，因?yàn)槲⒉ㄔ?fù)雜和不規(guī)則的邊界情況，完整準(zhǔn)確地求解電磁場方程將遇到極大

3、的困難。微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案44 44 4 因此我們研究微波元件的工作原理往往采用定性分析方法，元件作用的外特性則采用網(wǎng)絡(luò)分析與綜合的方法來分析研究。微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案54 45 54-2 連接元件、分支元件r、l、c元件連接元件 不同型式的微波傳輸線連接，實(shí)質(zhì)上是完成模式轉(zhuǎn)換微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案64 46 6 從以上不同種類傳輸線連接，即不同傳輸模的轉(zhuǎn)換中可以看出，要轉(zhuǎn)換成哪一種模式就必須激勵出與該模式相似的場結(jié)構(gòu)。這種與該模式相似的場結(jié)構(gòu)則是該模式與高次模的混合，由波導(dǎo)的自濾性，這些伴生

4、的高次模因不滿足存在條件而距激勵點(diǎn)不遠(yuǎn)即行消逝。再就是不同種類傳輸線連接，因其形狀、尺寸（即邊界）的突變而必然引起反射，而采用橫截面漸變過渡的結(jié)構(gòu)則可大大減小因連接而造成的對導(dǎo)行波的反射。 微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案74 47 7波導(dǎo)分支 對于普通雙線傳輸線，把一路信號分送兩路或多路，即在主傳輸線上向外串接或并接引出信號是非常容易的事。但是對于微波段的傳輸線，尤其是金屬波導(dǎo)，分支不僅遇到結(jié)構(gòu)上的問題，而且還會帶來電性能上的一些特性。微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案8 4 48 8微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案94 49

5、9 r、l、c元件則要求其具有消耗、反射或集中電磁場能量的作用。波導(dǎo)r、l、c元件 下圖是以吸收信號功率而制成的微波電阻性元件微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案104 41010 截止波導(dǎo)（過極限波導(dǎo)）衰減器，它是利用處于截止?fàn)顟B(tài)的波導(dǎo)(c)，場量沿傳輸方向呈指數(shù)率衰減特性來實(shí)現(xiàn)的。其實(shí)質(zhì)是它對信號能量的反射。如圖中圓波導(dǎo)處于截止(3.41r),場量隨l長成指數(shù)衰減規(guī)律，改變l長即可實(shí)現(xiàn)可變衰減的輸出。微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案114 41111 微波系統(tǒng)中的電抗元件，其構(gòu)成原理都是利用微波傳輸線的結(jié)構(gòu)、形狀及尺寸的不連續(xù)性來實(shí)現(xiàn)的。電抗元件包括

6、能夠集中和儲存磁場能量的電感性元件，以及能夠集中和儲存電場能量的電容性元件。以下選擇其中典型和常用的元件介紹。 微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案124 41212 波導(dǎo)或同軸線其終端短截則呈全反射狀態(tài)，由傳輸線理論可知，其入端阻抗為純電抗。若短截面位置可調(diào)（活塞），入端即為可變電抗。微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案134 41313 定向耦合器又稱方向耦合器，它的作用是通過小孔耦合、分支耦合及平行線耦合等耦合方式，把主傳輸線中一部分信號取出，用于微波系統(tǒng)的監(jiān)測、信號功率的分配或合成等等。定向耦合器在微波技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。 定向耦合器的基本結(jié)構(gòu)，就

7、是由主傳輸線、副傳輸線及兩者之間的耦合環(huán)節(jié)所構(gòu)成。圖為典型的幾種定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中依序?yàn)椴▽?dǎo)窄壁孔耦合定向耦合器、正交波導(dǎo)寬壁十字孔耦合定向耦合器、耦合帶狀線定向耦合器及微帶線分支定向耦合器。 4-3 定向耦合器微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案144 41414微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案154 41515 定向耦合器多利用波程關(guān)系實(shí)現(xiàn)，我們以波導(dǎo)窄壁雙孔定向耦合器為例來分析。如圖所示，主、副矩形截面波導(dǎo)窄壁面為公共壁，在公共壁上開兩個形狀、尺寸相同，間距為l的小孔。信號由主波導(dǎo)端口即定向耦合器的輸入端輸入，并令波幅值為1。 輸入波行進(jìn)

8、至耦合孔a, b時，電磁能通過小孔耦合至副波導(dǎo)。電磁能通過小孔耦合、激勵的問題，要用小孔繞射理論來分析，這是微波經(jīng)典理論中的重要內(nèi)容之一。這樣我們姑且用一耦合系數(shù)來表示小孔的耦合強(qiáng)度。 微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案164 41616ccccbb 端口輸入波行進(jìn)至小孔a處，耦合至副波導(dǎo)中的波以和向端口的參考面的延遲量相同，向端口傳輸?shù)鸟?表示向端口傳輸?shù)牟糠郑员硎鞠蚨丝趥鬏數(shù)牟糠郑?c為耦合系數(shù)。輸入波行進(jìn)至小孔b處依然向副波導(dǎo)耦合，分為向端口的兩部分。假定輸入波經(jīng)過小孔a, b后幅值不變（弱耦合）。在副波導(dǎo)中向端口傳輸?shù)鸟詈喜?，由小孔a和b兩部分耦合波組成，它們到達(dá)

9、合波為lllcccajjj3e2ee副波導(dǎo)中向端口傳輸?shù)牟ㄔ赼a 參考面處，由a和b兩個小孔耦lllcccaj2 j4ecos2e耦合波疊加為 微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案174 417174pl04a4p此種雙孔定向耦合器，通常取，則定向性d均為理想值 。利用波長關(guān)系不難作出物理解釋：耦合端的輸出是兩小孔耦合波的同相疊加，而隔離端則是兩小孔耦合波的反相疊加而抵消。這種利用波長關(guān)系的定向耦合器的工作頻 在實(shí)際使用中，定向耦合器的隔離端口都要接有匹配負(fù)載，用以吸收傳輸來的（泄漏）信號功率，以免產(chǎn)生反射而影響其他端口的信號功率分配，而破壞定向耦合器的工作性能。 ，隔離度i

10、及帶是較窄的，因?yàn)閮尚】组g距l(xiāng)偏離耦合波不再是反相位疊加，隔離端會有輸出。時，隔離端來自兩小孔的微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案184 41818 為了展寬定向耦合器的工作頻帶寬度，可采用多孔耦合方式。多孔耦合可展寬頻帶的基本道理是：多個耦合小孔將會在副波導(dǎo)中激勵出多個向隔離端傳輸?shù)挠胁煌辔徊畹牟?，它們可在多個頻率上疊加抵消（這里所說的抵消只能說是減弱，而一般不可能為零），這樣隔離端的輸出功率p4雖然不為零，但可在一較寬的頻率范圍內(nèi)為很小值，從而實(shí)現(xiàn)帶寬展寬。 定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)主要有：耦合度、隔離度和定向性。1p3p)db(lg1031ppc 定義耦合度c為輸入端口

11、的輸入功率與耦合端口的輸出功率 之比的分貝數(shù)，即微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案194 419191p4p)db(lg1041ppi 04p定義隔離度i為輸入端口的輸入功率與隔離端口的輸出在理想情況下，隔離端口應(yīng)無信號功率輸出，即但實(shí)際上隔離端口總有一些泄漏功率輸出。因此隔離度i表示定向耦合器的完善程度。 （泄漏）功率之比的分貝數(shù)，即，3p4p)db(lg1043ppd 04pdmindmind定義定向性（或方向系數(shù)）d為定向耦合器的耦合端口的之比的分貝數(shù)，即，即。定向性也是一個表示定向耦合器完d不得小于此。 與隔離端口的輸出功率理想情況時善程度的指標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用中常對定向

12、性給出一個最小值，即輸出功率微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案204 42020 在微波系統(tǒng)特別是傳輸系統(tǒng)中，消除或降低反射波的問題一直是微波技術(shù)（當(dāng)然也包括其他各頻段的傳輸系統(tǒng)）中的重要技術(shù)課題。 消除或減小反射波的基本思路，是在傳輸線的適當(dāng)位置上加入調(diào)配元件或網(wǎng)絡(luò)，以它們產(chǎn)生的新的反射波去抵消傳輸線上原有的反射波，從而實(shí)現(xiàn)匹配。其基本方法有兩種：一是阻抗變換，這種方法的實(shí)質(zhì)是運(yùn)用補(bǔ)償原理，即造成一個或多個新的反射點(diǎn)，使這些反射點(diǎn)產(chǎn)生的反射波與傳輸線上原有的反射波疊加相消。另一種是阻抗調(diào)配，這種方法的原理就是在傳輸線上找到輸入阻抗電阻部分與傳輸線波阻抗相等的位置，接入可調(diào)

13、電抗性元件以抵消該點(diǎn)輸入阻抗的電抗，從而達(dá)到匹配。這種方法利用阻抗圓圖（或?qū)Ъ{圓圖）實(shí)現(xiàn)起來較為簡便。 4-4 阻抗變換與調(diào)配器微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案214 421211/阻抗變換器 微波段，由于波導(dǎo)和同軸線的封閉性，微帶線的后驗(yàn)成形性，阻抗變換器和調(diào)配器必需作成結(jié)構(gòu)固定的專用元件。 阻抗變換器，可由一節(jié)或多節(jié)不同波阻抗（尺寸不同）的波導(dǎo)或同軸線構(gòu)造，適合于信號功率大的場合；也可由微帶線作成，適合于小功率場合。微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案224 42222 為了展寬阻抗變換器的工作頻帶，應(yīng)用補(bǔ)償原理可以在需要匹配的主傳輸線與其負(fù)載間設(shè)置

14、多個反射面，這些參考面上的反射波經(jīng)過不同波程引入相位滯后，這些局部反射波合成時有可能在多個頻率上抵消，使主傳輸線與阻抗變換器接口參考面上的總電壓反射系數(shù)在多個頻率點(diǎn)上為零或較小值，從而實(shí)現(xiàn)寬帶匹配。其具體實(shí)現(xiàn)就是多節(jié)（多階梯）阻抗變換器多節(jié)（多階梯）阻抗變換器。 2/調(diào)配器*0*j)(xzdzin*0*j1)(bzdyin*jx*jb)(*dzin)(*dyin0z 阻抗調(diào)配其關(guān)鍵就是在傳輸線上找到一個特殊的位置，在這個位置處向負(fù)載看去的輸入阻抗，或輸入導(dǎo)納，那么在該位置處串入電抗或并入電納或的電抗或電納抵消，則該位置處的阻抗（或?qū)Вɑ虿▽?dǎo)納，把納）便與傳輸線的波阻抗）相等，從而實(shí)001zy

15、微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案234 42323*d*d 圖分別為同軸線雙分支調(diào)配器的結(jié)構(gòu)示意圖，及其接入系統(tǒng)的等效電路圖。 現(xiàn)了匹配。但是由于微波波段所用傳輸線波導(dǎo)和同軸線的封閉結(jié)構(gòu)，難于實(shí)現(xiàn)這種方式的匹配，一是所確定的調(diào)配位置難于調(diào)整，二是當(dāng)負(fù)載變更后便要確定新的調(diào)配位置微波傳輸線尤其是金屬波導(dǎo)也是不可行的。于是便構(gòu)制成專用的調(diào)配元件分支調(diào)配器（多用于同軸線）和螺釘調(diào)配器（用于波導(dǎo)傳輸線）。把它們接入傳輸線系統(tǒng)（要保證與所接入傳輸線具有相同的口徑尺寸，即有相同的波阻抗），它們可在一處或多處確定的位置提供可調(diào)電納，用它們引入的反射與原傳輸線因不匹配而造成的反射相抵消。

16、其不同之處是分支線（可調(diào)短路線）即可提供容性電納又可提供感性電納，而螺釘只能提供容性電納。，這對于微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案244 42424微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案254 42525以同軸線雙分支調(diào)配器為例，借助導(dǎo)納圓圖來說明其調(diào)配原理及調(diào)配過程。 10yyyll1b2b8p4p8pl如圖所示，負(fù)載導(dǎo)納yl與同軸傳輸線不匹配，即歸一化負(fù)載支短路線提供的并聯(lián)可調(diào)電納歸一化值分別以和分支線分支點(diǎn)距離一般取和，本例中取。 導(dǎo)納。在負(fù)載與同軸線間接入雙分支調(diào)配器，兩個分表示。兩ly1y1b1y1b下面參考等效電路和導(dǎo)納圓圖來說明雙分支調(diào)配器的

17、調(diào)配過程。為調(diào)配器第一個分支線中心位置參考面t1右邊的輸應(yīng)圓圖上的位置a。加上適當(dāng)?shù)暮蟮扔趫D上a點(diǎn)沿其所在電導(dǎo)圓，向增加容性電納（減小感性電納）方向負(fù)載經(jīng)過一段傳輸線（即雙分支調(diào)配器的一個端口段），轉(zhuǎn)換，這對應(yīng)于導(dǎo)納圓移動。值應(yīng)為多少為好？我們可以向前推測。1y 入導(dǎo)納，對微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案264 426261y1b1yt1參考面左邊的輸入導(dǎo)納（因?yàn)橹滴创_定，值也暫時未 2y2y1g2y2b1g1j222yby8pl1y2y284pp2y1g1g21y1y1bg定），經(jīng)過長為l的傳輸線到達(dá)第二個分支線中心參考面t2的右邊，這在圓圖上應(yīng)是沿等反射系數(shù)模的圓順時

18、針移動。的位置應(yīng)在圓圖上的的圓上，這樣加上適當(dāng)?shù)暮螅ㄔ诘膱A上移動至復(fù)平面原點(diǎn)）才能達(dá)到匹配，即由于t1和t2兩參考面距離，即圓圖上由到射系數(shù)模圓順時針移動角度后，使在此我們可以作一輔助圓，即把圓以原點(diǎn)為軸心逆時針轉(zhuǎn)過角度，那么應(yīng)在此輔助圓上。這樣我們對加上達(dá)輔助圓并相交即可以了，這相當(dāng)于圓圖上由a點(diǎn)沿其所在移動到與輔助圓相交的b點(diǎn)。由b點(diǎn)沿等反射系數(shù)模圓順時針轉(zhuǎn)過變換為。是沿等反圓上。因，使之到圓微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案274 4272721g1y2y 1g1j222yby角度，一定是到達(dá)圓上的c點(diǎn)，這就是轉(zhuǎn)換為點(diǎn)沿是。 。由c圓向減少容性電納方向移動至原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)

19、匹配，這也就1b2b1g2y 2b 如果把雙分支調(diào)配器換成雙螺釘調(diào)配器（對應(yīng)于波導(dǎo)系統(tǒng)）,由于螺釘只能提供容性電納（即增加容性電納），由于, 都只能是增加容性電納，b必須在輔助圓的右半圖上，這樣c方可在圓的下半圓，加入才能達(dá)到原點(diǎn)實(shí)現(xiàn)匹配。1y1y1b1y2b由以上實(shí)現(xiàn)匹配的過程可知，對的值是有限制的， 加入后（即）必須在輔助圓上，否則為何值都不能實(shí)現(xiàn)匹配。 微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案284 42828 我們討論了傳輸線與其負(fù)載間的匹配。傳輸線與信源之間也存在匹配問題，即要求信源內(nèi)阻與所接傳輸線的波阻抗相等，即zi = z0。否則在傳輸線負(fù)載端產(chǎn)生的反射波，傳播到信

20、源端也將產(chǎn)生反射，這樣在整個傳輸線上產(chǎn)生不斷的往復(fù)反射，因此傳輸線上任一位置處的電壓和電流都將是一無窮級數(shù)之和。在工程實(shí)際中，為防止產(chǎn)生往復(fù)反射，通常在信源之后接有隔離器，用以吸收負(fù)載端產(chǎn)生的反射波。 傳輸線經(jīng)過匹配裝置（阻抗變換器或阻抗調(diào)配器）與負(fù)載匹配后，傳輸線上消除了反射波而呈行波狀態(tài)。但是在匹配段上仍然是行駐波狀態(tài)，即在匹配點(diǎn)與負(fù)載之間仍存在著反射波，其對負(fù)載接收信號功率等的影響還需作進(jìn)一步的分析討論。 微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案294 42929 諧振系統(tǒng)因可實(shí)現(xiàn)信號頻率選擇，是通信及各種電子系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。但是在微波段不可能構(gòu)造由集總的l、c元

21、件組成的諧振回路；而由傳輸線駐波狀態(tài)性質(zhì)啟發(fā)，可以構(gòu)造使某種頻率的電磁場相對集中的諧振器。對于波導(dǎo)和同軸線結(jié)構(gòu)，即可由其駐波狀態(tài)形成而演變成諧振腔。 由波導(dǎo)和同軸線演變而成的諧振腔，腔內(nèi)電磁場的形態(tài)可直接求解麥克斯韋方程求得，而采用從傳輸模經(jīng)全反射疊加成諧振模的分析方法，物理概念清楚而更便于理解。4-5 諧振腔微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案304 43030 例如，橫面尺寸為a、b，長為c的矩形截面波導(dǎo)，雙向短截后，原來傳輸?shù)膖e10模，經(jīng)反射疊加便成為te101諧振模，它們的場量表達(dá)式發(fā)生了很大變化)sin()sin(2)cos()sin(2)sin()cos(200

22、0zcxahaezcxahajhzcxahjhyxzzjyzjxzjzexahajeexahajhexahh)sin()sin()cos(000te10:te101:微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案314 43131必需注意作為諧振系統(tǒng)的諧振腔，具有以下特點(diǎn)以波導(dǎo)構(gòu)造的角柱腔、圓柱腔為例，它們的諧振波長分別為角柱腔圓柱腔22202cpbnam220221)(lprptmmnmnp220221)(lprptemnmnp不同標(biāo)數(shù)m、n、p的模式有自己的諧振波長，這與傳輸模同頻多模式的概念完全不同。微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案324 43232 對于確

23、定標(biāo)數(shù)的諧振模，腔的尺寸決定其0，尺寸越小0越小，諧振頻率越高。 封閉的腔與外電路要通過腔壁上的孔實(shí)現(xiàn)耦合，其實(shí)質(zhì)也是一種模式轉(zhuǎn)換，必需要清楚二者的場結(jié)構(gòu)以決定耦合孔的位置。 品質(zhì)因數(shù)（q值）是諧振系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，其物理意義是系統(tǒng)存貯的電磁能與系統(tǒng)損耗功率的比值。 用于通信系統(tǒng)的諧振腔，一般是要求單模工作；而用于工業(yè)或家電（如家用微波爐）系統(tǒng)時，則往往是多模式的，因?yàn)槎嗄Ｊ綀龅寞B加可使腔內(nèi)微波電磁場的分布更趨于均勻。 圖所示為角柱腔中te101模（圖a），te202模（圖b）及二者疊加（圖c）后的電場分布三維圖。可見兩個模式的場量疊加后的分布要比單一模式時更趨均勻。 微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)

24、行與輻射工程第二版殷際杰電子教案334 43333 （a） （b） （c）微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案344 434344-6 微波鐵氧元件簡介1/微波鐵氧元件的物理特性 鐵氧體是鐵和其他元素構(gòu)成的具有鐵磁性的復(fù)合氧化物，是電信技術(shù)中廣泛應(yīng)用的磁性材料。它的主要化學(xué)成分是feofe2o3，其中二價鐵也可以是其他二價金屬，如錳（mn）、鎂（mg）、鎳（ni）、鋅（zn）等。鐵氧體呈黑褐色，其機(jī)械性能類似于陶瓷硬而脆，具有很高的電阻率（達(dá)108/cm），是一種低損耗的介質(zhì)材料。因趨表效應(yīng)，微波段的電磁波不能穿透金屬材料（透入深度小于1m），一般金屬鐵磁性材料如鐵、鎳及其合

25、金等不能用于微波波段。因此鐵氧體是微波段重要的磁性材料，微波電磁波可以深入其中。 微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案354 43535 鐵氧體在恒定磁場h0及與h0方向垂直的高頻左旋或右旋圓極化磁場的作用下，鐵氧體中的電子不僅作自旋運(yùn)動和軌道運(yùn)動，還將環(huán)繞恒定磁場作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這種雙重旋轉(zhuǎn)運(yùn)動稱為電子進(jìn)動。由于高頻左旋和右旋圓極化磁場與電子進(jìn)動的方向相反或相同，鐵氧體對這兩種圓極化磁場的導(dǎo)磁系數(shù)也不相同，而且此導(dǎo)磁系數(shù)值還會隨恒定磁場h0的變化而變化。所謂左旋，即順h0正方向看去逆時針旋轉(zhuǎn)；若順h0正方向看去為順時針旋轉(zhuǎn)則為右旋。我們令鐵氧體對左旋圓極化磁場的導(dǎo)磁系數(shù)為，對右

26、旋圓極化磁場的導(dǎo)磁系數(shù)為，如圖所示為鐵氧體對兩種高頻圓極化的磁場的導(dǎo)磁系數(shù)和隨所加恒定磁場h0不同而變化的規(guī)律。 微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案364 436362/典型微波鐵氧元件場移式隔離器 場移式隔離器是一種微波鐵氧體非互易元件，它具有對正向傳輸波幾乎無衰減，而對反向傳輸波衰減很大的傳輸特性，因此它在微波系統(tǒng)中的應(yīng)用很廣泛。隔離器俗稱為單向器，在微波系統(tǒng)中經(jīng)常把隔離器接在信源輸出端，由于它對來自負(fù)載的反射波具有很大的衰減，從而可以起到很好的去耦作用，使信號源的輸出功率保持穩(wěn)定，同時也最大限度地抑制了因信源（內(nèi)阻）與傳輸線匹配不好而引起的信源端的反射。 微波技術(shù)與天

27、線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案374 43737xhzh2xhzhz0hye現(xiàn)在我們回顧矩形截面波導(dǎo)中te10模的場結(jié)構(gòu)。te10模的磁和是空間正交的，它們在波導(dǎo)腔內(nèi)空間同一位置處。若選擇適當(dāng)位置如圖中p，可使和那么在p點(diǎn)處對于向z方向傳輸?shù)牟ㄊ怯倚龍A極化磁場，向向傳輸?shù)牟ㄊ亲笮龍A極化磁場。如果把適當(dāng)厚度的鐵氧體片置于為較低值以使圓極化磁場將產(chǎn)生拒斥作用（因?yàn)闉樨?fù)值），使te10模的場結(jié)構(gòu)發(fā)生與前面所述情況相反的橫向位移。 如果在鐵氧體片的表面貼有電阻片，那么向-z方向傳輸?shù)谋晃借F氧體的te10模的電場（阻片吸收而使衰減很大；而對向z方向傳輸?shù)谋昏F氧體拒斥的te10場分量相位差

28、幅值相等，方p位置處，并使為負(fù)值，那么鐵氧體對右旋構(gòu)發(fā)生橫向（x方向）位移。對于左旋，對磁場產(chǎn)生吸引作用，使反向傳輸?shù)膖e10模的場結(jié)，與鐵氧體表面平行），被電數(shù)構(gòu)發(fā)生橫向（x方向）位移。對于左旋圓極化磁場，鐵氧體導(dǎo)磁系微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案384 43838模，因鐵氧體表面電阻片處的電場分量很小而衰減很小?？梢?，利用鐵氧體產(chǎn)生的這種非互易性場移效應(yīng)，就可以實(shí)現(xiàn)正向傳輸波順利通過而反向傳輸波被吸收的隔離作用。 微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案394 439394-7 微波網(wǎng)絡(luò)理論概述1/網(wǎng)絡(luò)理論及方法用于微波電路系統(tǒng)的分析與綜合 微波元件林

29、林總總，它們是微波電路系統(tǒng)的重要組成部分。微波元件基本上是由微波傳輸線（同軸線、微帶線和金屬波導(dǎo)等）的形狀和尺寸的不均勻（突變）而構(gòu)成的。作為電路元件，微波元件要具有各自的功能，而同時也要注重微波元件的外部特征，如衰減、相移、反射等。微波元件的外特性從本質(zhì)上說應(yīng)決定于其內(nèi)部電磁場的形態(tài)，但是微波元件因其復(fù)雜和不規(guī)則的邊界，使得嚴(yán)格地求其內(nèi)部場解十分困難，甚至在目前是不可能的。前面對各種典型微波元件的討論，我們多是從定性方面說明了它們具有相應(yīng)功能的原理，這與嚴(yán)格定量地確定它們的外部特性相距甚遠(yuǎn)。微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案404 44040 這些情況自然使我們聯(lián)想到低頻

30、網(wǎng)絡(luò)理論，網(wǎng)絡(luò)的外部特性可由網(wǎng)絡(luò)參量來表示，網(wǎng)絡(luò)的連接與組合變成為網(wǎng)絡(luò)參量的運(yùn)算，基本元件的網(wǎng)絡(luò)參量可由規(guī)定條件下的實(shí)驗(yàn)測定。因此我們有理由把微波元件用類似于低頻網(wǎng)絡(luò)的參量和等效電路來表示，從而確定其外部特性。 網(wǎng)絡(luò)理論是電路分析與綜合的行之有效的方法，它是以實(shí)驗(yàn)測定為基礎(chǔ)的，這種方法的邏輯過程是這樣的由規(guī)定條件測定基本元件的網(wǎng)絡(luò)參量 網(wǎng)絡(luò)參量可互相轉(zhuǎn)換以適應(yīng)不同連接組合方式根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)組合方式選擇合適參量，網(wǎng)絡(luò)化簡變成網(wǎng)絡(luò)參量運(yùn)算由網(wǎng)絡(luò)參量求出外特性參量微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案414 441412/構(gòu)成微波網(wǎng)絡(luò)必須考慮的一些問題微波網(wǎng)絡(luò)參量只能是對應(yīng)于特定的模式

31、，這樣，微波網(wǎng)絡(luò)及其參量只適用一個頻率段。網(wǎng)絡(luò)理論運(yùn)用于微波元件的分析研究，要注意以下各點(diǎn)： 微波網(wǎng)絡(luò)端口的表征量，是對于確定模式的模式電壓、電流。模式電壓正比于確定端口參考面上的橫向電場，模式電流則正比于確定端口參考面上的橫向磁場。 如圖所示的從無耗傳輸線中截取的一段長為l的傳輸線段，其輸入電壓、電流與輸出端電壓、電流關(guān)系，借助轉(zhuǎn)移參量轉(zhuǎn)移參量（亦稱為常數(shù)參量常數(shù)參量）可寫成如下矩陣形式 220011cossin1jsinjcosiullzlzliu微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案424 44242即一段l長無損耗傳輸線的轉(zhuǎn)移參量為llzlzlaaaacossin1js

32、injcos0022211211由于微波段的位置效應(yīng)，微波元件外延傳輸線是微波元件等效網(wǎng)絡(luò)的組成部分，因此對于微波元件端口必需規(guī)定參考面位置，參考面位置直接影響其等效網(wǎng)絡(luò)參量。微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案434 44343元件端口外延傳輸線具有各自波阻抗，波阻抗的影響，由網(wǎng)絡(luò)參考面表征量及網(wǎng)絡(luò)參量對波阻抗的歸一化來反映。t1和t2參考面上的歸一化電壓和歸一化電流分別為 0222022201110111ziizuuziizuu微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案444 44444 例例4-1 兩個具有不同波阻抗z01 和z02 的傳輸線的連接界面（稱阻抗階躍面），求該界面的歸一化轉(zhuǎn)移參量。 21uu21ii解：阻抗階躍面處非歸一化電壓相等，非歸一化電流也相等，即， 按此規(guī)定，我們可以寫出網(wǎng)絡(luò)的歸一化轉(zhuǎn)移參量矩陣方程，并導(dǎo)出歸一化轉(zhuǎn)移參量與未歸一化轉(zhuǎn)移參量的關(guān)系 222221121111iuaaaaiu2202012202012121020112121110211azzazzaazzaaazzao微波技術(shù)與天線電磁波導(dǎo)行與輻射工程第二版殷際杰電子教案454 44545100122211211aaaa0201010222211211/00/zzzzaaaa阻抗階躍面的歸一化轉(zhuǎn)移參量為 例例4-2 求一段長為l，相移常數(shù)為，波阻抗為z0