微波技術(shù)與天線第5章

1、第5章 微波元器件第第5 5章章 微波元器件微波元器件5.1 連接匹配元件連接匹配元件5.2 功率分配元器件功率分配元器件5.3 微波鐵氧體器微波鐵氧體器件件第5章 微波元器件 1. 終端負(fù)載元件終端負(fù)載元件 (1) 短路負(fù)載 短路負(fù)載是實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)短路的器件, 對(duì)金屬波導(dǎo)最方便的短路負(fù)載是在波導(dǎo)終端接上一塊金屬片。 但在實(shí)際微波系統(tǒng)中往往需要改變終端短路面的位置, 即需要一種可移動(dòng)的短路面, 這就是短路活塞。短路活塞可分為接觸式短路活塞和扼流式短路活塞兩種, 前者已不太常用, 下面介紹一下扼流式短路活塞。 應(yīng)用于同軸線和波導(dǎo)的扼流式短路活塞如圖 5 - 1(a)、 (b)所示, 它們的有效短

2、路面不在活塞和系統(tǒng)內(nèi)壁直接接觸處, 而向波源方向移動(dòng)g/2的距離。 5.1 連接匹配元件連接匹配元件第5章 微波元器件 這種結(jié)構(gòu)是由兩段不同等效特性阻抗的g/4變換段構(gòu)成, 其工作原理可用如圖 5 - 1(c)所示的等效電路來(lái)表示, 其中cd段相當(dāng)于g/4終端短路的傳輸線, bc段相當(dāng)于g/4終端開(kāi)路的傳輸線, 兩段傳輸線之間串有電阻Rk, 它是接觸電阻, 由等效電路不難證明ab面上的輸入阻抗為: Zab=0, 即ab面上等效為短路, 于是當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了短路面的移動(dòng)。扼流短路活塞的優(yōu)點(diǎn)是損耗小, 而且駐波比可以大于100, 但這種活塞頻帶較窄, 一般只有10%15%的帶寬。如圖5-1(d)

3、所示的是同軸S型扼流短路活塞，它具有寬帶特性。第5章 微波元器件圖 5 1 扼流短路活塞及其等效電路第5章 微波元器件 (2) 匹配負(fù)載 匹配負(fù)載是一種幾乎能全部吸收輸入功率的單端口元件。 對(duì)波導(dǎo)來(lái)說(shuō), 一般在一段終端短路的波導(dǎo)內(nèi)放置一塊或幾塊劈形吸收片, 用以實(shí)現(xiàn)小功率匹配負(fù)載, 吸收片通常由介質(zhì)片（如陶瓷、膠木片等）涂以金屬碎末或炭木制成。 當(dāng)吸收片平行地放置在波導(dǎo)中電場(chǎng)最強(qiáng)處, 在電場(chǎng)作用下吸收片強(qiáng)烈吸收微波能量, 使其反射變小。劈尖的長(zhǎng)度越長(zhǎng)吸收效果越好, 匹配性能越好, 劈尖長(zhǎng)度一般取g/2的整數(shù)倍。 如圖 5 - 2(a)所示; 當(dāng)功率較大時(shí)可以在短路波導(dǎo)內(nèi)放置鍥形吸收體, 或在波

4、導(dǎo)外側(cè)加裝散熱片以利于散熱, 如圖 5 - 2(b)、(c)所示; 當(dāng)功率很大時(shí), 還可采用水負(fù)載， 如圖 5 - 2(d)所示, 由流動(dòng)的水將熱量帶走。 第5章 微波元器件圖 5 2 各種匹配負(fù)載第5章 微波元器件 (3) 失配負(fù)載 失配負(fù)載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駐波的標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載, 主要用于微波測(cè)量。失配負(fù)載和匹配負(fù)載的制作相似, 只是尺寸略微改變了一下, 使之和原傳輸系統(tǒng)失配。比如波導(dǎo)失配負(fù)載，就是將匹配負(fù)載的波導(dǎo)窄邊b制作成與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)窄邊b0不一樣, 使之有一定的反射。設(shè)駐波比為, 則有)(00bbbb或例如: 3 cm的波段標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-10

5、0的窄邊為10.16 mm, 若要求駐波比為1.1和1.2, 則失配負(fù)載的窄邊分別為9.236 mm和8.407 mm。(5-1)第5章 微波元器件 2. 微波連接元件微波連接元件 微波連接元件是二端口互易元件, 主要包括: 波導(dǎo)接頭、 衰減器、相移器、轉(zhuǎn)換接頭。 (1) 波導(dǎo)接頭 波導(dǎo)管一般采用法蘭盤(pán)連接, 可分為平法蘭接頭和扼流法蘭接頭, 分別如圖 5 - 3(a)、 (b)所示。平法蘭接頭的特點(diǎn)是: 加工方便, 體積小, 頻帶寬, 其駐波比可以做到1.002以下, 但要求接觸表面光潔度較高。 第5章 微波元器件圖 5 3 波導(dǎo)法蘭接頭第5章 微波元器件 對(duì)于兩段波導(dǎo)的連接除了用法蘭盤(pán)做機(jī)

6、械連接外，還要保證連接處有良好的電接觸，這可以通過(guò)抗流連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。 扼流法蘭接頭由一個(gè)刻有扼流槽的法蘭和一個(gè)平法蘭對(duì)接而成, 扼流法蘭接頭的特點(diǎn)是: 功率容量大, 接觸表面光潔度要求不高, 但工作頻帶較窄, 駐波比的典型值是1.02。因此平接頭常用低功率、寬頻帶場(chǎng)合，而扼流接頭一般用于高功率、窄頻帶場(chǎng)合。扼流連接結(jié)構(gòu)可見(jiàn)下圖。第5章 微波元器件扼流式同軸接頭第5章 微波元器件 波導(dǎo)連接頭除了法蘭接頭之外, 還有各種扭轉(zhuǎn)和彎曲元件(如圖 5-4 所示)以滿足不同的需要。當(dāng)需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向時(shí)，用波導(dǎo)扭轉(zhuǎn)元件; 當(dāng)需要改變電磁波的方向時(shí)，可用波導(dǎo)彎曲。波導(dǎo)彎曲可分為E面彎曲

7、和H面彎曲。 為了使反射最小, 扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度應(yīng)為(2n+1)g/4, E面波導(dǎo)彎曲的曲率半徑應(yīng)滿足R1.5b, H面彎曲的曲率半徑應(yīng)滿足R1.5a。 圖 5 4 波導(dǎo)扭轉(zhuǎn)與彎曲元件第5章 微波元器件 (2) 衰減元件和相移元件 衰減元件和相移元件用來(lái)改變導(dǎo)行系統(tǒng)中電磁波的幅度和相位。 對(duì)于理想的衰減器，其散射矩陣應(yīng)為 衰減器的種類很多, 最常用的是吸收式衰減器, 它是在一段矩形波導(dǎo)中平行于電場(chǎng)方向放置吸收片而構(gòu)成, 有固定式和可變式兩種， 分別如圖 5 - 5(a)、 (b)所示。 (5-2)(5-3)而理想相移元件的散射矩陣應(yīng)為0ee0llS0ee0jjS第5章 微波元器件圖 5 5 吸收式衰減

8、器第5章 微波元器件 收片由膠木板表面涂覆石墨或在玻璃片上蒸發(fā)一層厚的電阻膜組成, 一般兩端為尖劈形，以減小反射。由矩形波導(dǎo)TE10模的電場(chǎng)分布可知, 波導(dǎo)寬邊中心位置電場(chǎng)最強(qiáng), 逐漸向兩邊減小到零, 因此, 當(dāng)吸收片沿波導(dǎo)橫向移動(dòng)時(shí), 就可改變其衰減量。 將衰減器的吸收片換成介電常數(shù)r1的無(wú)耗介質(zhì)片時(shí), 就構(gòu)成了移相器, 這是因?yàn)殡姶挪ㄍㄟ^(guò)一段長(zhǎng)波為l的無(wú)耗傳輸系統(tǒng)后相位變化為g2l 其中g(shù)為波導(dǎo)波長(zhǎng), 在波導(dǎo)中改變介質(zhì)片位置， 會(huì)改變波導(dǎo)波長(zhǎng), 從而實(shí)現(xiàn)相位的改變。 (5-4)第5章 微波元器件 (3) 轉(zhuǎn)換接頭 在這一類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，一方面要保證形狀轉(zhuǎn)換時(shí)阻抗的匹配，以保證信號(hào)有效傳送

9、；另一方面要保證工作模式的轉(zhuǎn)換。另一類轉(zhuǎn)換器是極化轉(zhuǎn)換器, 由于在雷達(dá)通信和電子干擾中經(jīng)常用到圓極化波, 而微波傳輸系統(tǒng)往往是線極化的, 為此需要進(jìn)行極化轉(zhuǎn)換, 這就需要極化轉(zhuǎn)換器。由電磁場(chǎng)理論可知, 一個(gè)圓極化波可以分解為在空間互相垂直、相位相差90而幅度相等的兩個(gè)線極化波; 另一方面, 一個(gè)線極化波也可以分解為在空間互相垂直、大小相等、相位相同的兩個(gè)線極化波, 只要設(shè)法將其中一個(gè)分量產(chǎn)生附加90相移, 再合成起來(lái)便是一個(gè)圓極化波了。 第5章 微波元器件 常用的線-圓極化轉(zhuǎn)換器有兩種: 多螺釘極化轉(zhuǎn)換器和介質(zhì)極化轉(zhuǎn)換器(如圖 5 - 6)。 這兩種結(jié)構(gòu)都是慢波結(jié)構(gòu), 其相速要比空心圓波導(dǎo)小。

10、 如果變換器輸入端輸入的是線極化波, 其TE11模的電場(chǎng)與慢波結(jié)構(gòu)所在平面成45角, 這個(gè)線極化分量將分解為垂直和平行于慢波結(jié)構(gòu)所在平面的兩個(gè)分量Eu和Ev, 它們?cè)诳臻g互相垂直, 且都是主模TE11, 只要螺釘數(shù)足夠多或介質(zhì)板足夠長(zhǎng), 就可以使平行分量產(chǎn)生附加 90的相位滯后。于是，在極化轉(zhuǎn)換器的輸出端兩個(gè)分量合成的結(jié)果便是一個(gè)圓極化波。至于是左極化還是右極化，要根據(jù)極化轉(zhuǎn)換器輸入端的線極化方向與慢波平面之間的夾角確定。 第5章 微波元器件圖 5 6 極化轉(zhuǎn)換器第5章 微波元器件同軸線同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)接波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器器 這是連接同軸線和波導(dǎo)的元件。 探針接信號(hào)源可以作為發(fā)射天線在矩形波導(dǎo)中激勵(lì)起TE

11、10模。 由互易定理可知：矩形波導(dǎo)接信號(hào)源，探針可以作為接收天線接收波導(dǎo)激勵(lì)起的電場(chǎng)。 如右圖示，同軸線從波導(dǎo)窄壁插入波導(dǎo)，其內(nèi)導(dǎo)體延伸作成小環(huán)再接在外導(dǎo)體上。外導(dǎo)體與波導(dǎo)窄壁相連。小環(huán)平面垂直波導(dǎo)壁。 第5章 微波元器件同軸線微帶線轉(zhuǎn)接器同軸線與微帶線之間的轉(zhuǎn)換如圖所示。接地板介質(zhì)導(dǎo)體帶同軸線第5章 微波元器件（a a）平行轉(zhuǎn)換）平行轉(zhuǎn)換 （b b）垂直轉(zhuǎn)換）垂直轉(zhuǎn)換 第5章 微波元器件 3. 阻抗匹配元件阻抗匹配元件 (1) 螺釘調(diào)配器 螺釘是低功率微波裝置中普遍采用的調(diào)諧和匹配元件, 它是在波導(dǎo)寬邊中央插入可調(diào)螺釘作為調(diào)配元件, 如圖 5 - 7 所示。 螺釘深度的不同等效為不同的電抗元

12、件, 使用時(shí)為了避免波導(dǎo)短路擊穿, 螺釘都設(shè)計(jì)成容性, 即螺釘旋入波導(dǎo)中的深度應(yīng)小于3b/4(b為波導(dǎo)窄邊尺寸)。 在一段波導(dǎo)上下對(duì)稱放置金屬當(dāng)波導(dǎo)寬臂上縱向電流到達(dá)膜片時(shí)被截?cái)啵谀て丝诰奂姾?，隨著導(dǎo)行波的傳輸電荷量也隨之變化。第5章 微波元器件圖 5 7 波導(dǎo)中的螺釘及其等效電路第5章 微波元器件圖 5 8 螺釘調(diào)配器(2) 多階梯阻抗變換器第5章 微波元器件 設(shè)變換器共有N節(jié)，參考面分別為T(mén)0, T1, T2, , TN共(N+1)個(gè), 如果參考面上局部電壓反射系數(shù)對(duì)稱選取, 即取則輸入?yún)⒖济鎀0上總電壓反射系數(shù)為(5-5)22110NNN)2cos(cose2)ee ()ee (e

13、)ee()e(eeee10j)2( j)2( j1jj0j)1(2j1212j02j)1(2j14j22j10NNNNNNNNNNjNNNNNN(5-6)(5-6) 第5章 微波元器件圖 5 9 各種多階梯阻抗變換器第5章 微波元器件圖 5 10 多階梯阻抗變換器的等效電路第5章 微波元器件于是反射系數(shù)模值為 |=|0cosN+1cos(N-2)+| 當(dāng)0, 1, 等值給定時(shí), 上式右端為余弦函數(shù)cos的多項(xiàng)式, 滿足|=0的cos有很多解, 亦即有許多g使|=0。這就是說(shuō)，在許多工作頻率上都能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配, 從而拓寬了頻帶。顯然, 階梯級(jí)數(shù)越多, 頻帶越寬。 (5-7)第5章 微波元器件 (

14、3) 漸變型阻抗變換器 由前面分析可知, 只要增加階梯的級(jí)數(shù)就可以增加工作帶寬, 但增加了階梯級(jí)數(shù), 變換器的總長(zhǎng)度也要增加, 尺寸會(huì)過(guò)大, 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就更加困難, 因此產(chǎn)生了漸變線代替多階梯。設(shè)漸變線總長(zhǎng)度為L(zhǎng), 特性阻抗為Z(z), 并建立如圖 5 - 11所示坐標(biāo), 漸變 線 上 任 意 微 分 段 z z + z , 對(duì) 應(yīng) 的 輸 入 阻 抗 為Zin(z)Zin(z)+Zin(z), 由傳輸線理論得)tan()()( j)()tan()(j)()()()(inininininzzZzZzZzzZzZzZzZzZ(5-8a)第5章 微波元器件圖 5 11 漸變型阻抗變換器第5章 微波元

15、器件 式中,為漸變線的相移常數(shù)。當(dāng)z0時(shí), tanzz, 代入上式可得)()()(j1)(j)()()(inininininzzzzzzzzzZzZzZzZ忽略高階無(wú)窮小量, 并整理可得)()()(jd)(2ininzZzZzZzzdZ若令電壓反射系數(shù)為(z), 則)()()()(ininzZZzZzZz(5-8b)(5-9)(5-10)第5章 微波元器件 代入式(5 -1 -9)并經(jīng)整理可得關(guān)于(z)的非線性方程0d)(lnd)(1 21)(2 jd)(d2zzZzzzz 當(dāng)漸變線變化較緩時(shí), 近似認(rèn)為1-2(z)1, 則可得關(guān)于(z)的線性方程0d2)(lnd)(j2d)(dzzZzzz其

16、通解為zzzZzzzded)(lnd21e)(2j2j故漸變線輸入端反射系數(shù)為zzzZzLLLded)(lnd21e2j22jin(5-11)(5-12)(5-13)(5-14)第5章 微波元器件 這樣， 當(dāng)漸變線特性阻抗Z(z)給定后, 由式(5 - 1 - 14)就可求得漸變線輸入端電壓反射系數(shù)。通常漸變線特性阻抗隨距離變化的規(guī)律有：指數(shù)型、三角函數(shù)型及切比雪夫型, 下面就來(lái)介紹指數(shù)型漸變線的特性, 其特性阻抗?jié)M足010ln21exp)(ZZLzZzZ01ln1d)(lndZZLzzZ 可見(jiàn)當(dāng) 時(shí)， Z(z)=Z0, 而當(dāng) 時(shí)，Z(z)=Zl, 于是有2Lz2Lz (5-15)(5-16)

17、第5章 微波元器件01inlnsin21ZZLL012j2201jlnsin21deln21eZZLLzZZLzLLLin兩邊取模得輸入端反射系數(shù)為(5-17)(5-18)第5章 微波元器件圖 5 12 |in|隨L的變化曲線第5章 微波元器件5.2 功率分配元器件功率分配元器件 1. 定向耦合器定向耦合器 定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件, 它是由耦合裝置聯(lián)系在一起的兩對(duì)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的, 如圖 5-13 所示。 圖中“、 ”是一條傳輸系統(tǒng), 稱為主線；“、”為另一條傳輸系統(tǒng), 稱為副線。耦合裝置的耦合方式有許多種, 一般有孔、分支線、耦合線等, 形成不同的定向耦合器。 第5章 微

18、波元器件 1) 定向耦合器的性能指標(biāo) 定向耦合器是四端口網(wǎng)絡(luò), 端口“”為輸入端, 端口“”為直通輸出端, 端口“”為耦合輸出端, 端口“”為隔離端, 并設(shè)其散射矩陣為S。描述定向耦合器的性能指標(biāo)有: 耦合度、隔離度、 定向度、輸入駐波比和工作帶寬。下面分別加以介紹。 第5章 微波元器件圖5-13 定向耦合器的原理圖第5章 微波元器件)dB(1lg20lg101331SPPC (2) 隔離度 輸入端“”的輸入功率P1和隔離端“”的輸出功率P4之比定義為隔離度, 記作I。)d(1lg20lg101441BSPPI (1)耦合度 輸入端“”的輸入功率P1與耦合端“”的輸出功率P3之比定義為耦合度，

19、記作C。(5-19)(5-20)第5章 微波元器件 (3) 定向度 耦合端“”的輸出功率P3與隔離端“”的輸出功率P4之比定義為定向度，記作D。)dB(lg20lg10141343CISSPPD (4) 輸入駐波比 端口“、 、 ”都接匹配負(fù)載時(shí)的輸入端口“”的駐波比定義為輸入駐波比，記作。 111111SS(5-21)(5-22)第5章 微波元器件 (5) 工作帶寬 工作帶寬是指定向耦合器的上述C、I、D、等參數(shù)均滿足要求時(shí)的工作頻率范圍。 第5章 微波元器件 2) 波導(dǎo)雙孔定向耦合器 波導(dǎo)雙孔定向耦合器是最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)定向耦合器, 主、副波導(dǎo)通過(guò)其公共窄壁上兩個(gè)相距d=(2n+1)g0/4

20、的小孔實(shí)現(xiàn)耦合。其中，g0是中心頻率所對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng), n為正整數(shù), 一般取n=0。耦合孔一般是圓形, 也可以是其它形狀。根據(jù)耦合器的耦合機(jī)理, 畫(huà)出如圖 5 - 14(b)所示的原理圖。第5章 微波元器件圖5-14 波導(dǎo)雙孔定向耦合器第5章 微波元器件ddquuuj32j313e2e(5-23) 根據(jù)耦合器的耦合機(jī)理，可將它畫(huà)成如圖5-14(b)所示原理圖。設(shè)端口入射 波 ，第一個(gè)小孔耦合到副波導(dǎo)中的歸一化出射波為 和 ，為小孔耦合系數(shù)。假設(shè)小孔很小，到達(dá)第二個(gè)小孔的電磁波能量不變，只是引起相位差，第二個(gè)小孔處耦合到副波導(dǎo)處的歸一化出射波分別為 和 ，在副波導(dǎo)輸出端口合成的歸一化出射波為：

21、10TE) 1(1uqu41qu31djqeu42djqeu32第5章 微波元器件副波導(dǎo)輸出端口“”合成的歸一化出射波為由此可得波導(dǎo)雙孔定向耦合器的耦合度為32341raabq小圓孔耦合的耦合系數(shù)為)(2lg20lg20lg20331dBquuuCdddqquuuj2jj42414edcos2)e1 (e(5-24)(5-25)(5-26)第5章 微波元器件 式中, a、b分別為矩形波導(dǎo)的寬邊和窄邊；r為小孔的半徑；是TE10模的相移常數(shù)。而波導(dǎo)雙孔定向耦合器的定向度為ddqquuDseclg20cos22lg20lg2043 當(dāng)工作在中心頻率時(shí), d=/2, 此時(shí)D; 當(dāng)偏離中心頻率時(shí), s

22、ecd具有一定的數(shù)值, 此時(shí)D不再為無(wú)窮大。實(shí)際上雙孔耦合器即使在中心頻率上, 其定向性也不是無(wú)窮大, 而只能在30dB左右。(5-27)第5章 微波元器件 3) 雙分支定向耦合器 假設(shè)輸入電壓信號(hào)從端口“”經(jīng)A點(diǎn)輸入, 則到達(dá)D點(diǎn)的信號(hào)有兩路, 一路是由分支線直達(dá), 其波行程為g/4, 另一路由ABCD, 波行程為3g/4; 故兩條路徑到達(dá)的波行程差為g/2, 相應(yīng)的相位差為, 即相位相反。因此若選擇合適的特性阻抗, 使到達(dá)的兩路信號(hào)的振幅相等, 則端口“”處的兩路信號(hào)相互抵消, 從而實(shí)現(xiàn)隔離。 第5章 微波元器件圖5-15 雙分支定向耦合器第5章 微波元器件 同樣由AC的兩路信號(hào)為同相信號(hào)

23、, 故在端口“”有耦合輸出信號(hào), 即端口“”為耦合端。耦合端輸出信號(hào)的大小同樣取決于各線的特性阻抗。 下面給出微帶雙分支定向耦合器的設(shè)計(jì)公式。 設(shè)耦合端“”的反射波電壓為|U3r|, 則該耦合器的耦合度為)dB(lg102r3UkC (5-28)第5章 微波元器件 2r30p0UkZZr3p01UZZtr3p02UkZZt各線的特性阻抗與|U3r|的關(guān)系式為(5-29)第5章 微波元器件002ZZP021ZZZtt21r3U 對(duì)于耦合度為3dB、阻抗變換比k=1的特殊定向耦合器, 稱為3dB定向耦合器, 它通常用在平衡混頻電路中。此時(shí)（5-30）第5章 微波元器件此時(shí)散射矩陣為 01j021S

24、100jj0010j10 分支線定向耦合器的帶寬受g/4的限制, 一般可做到10%20%, 若要求頻帶更寬, 可采用多節(jié)分支耦合器。 （5-31）第5章 微波元器件 4) 平行耦合微帶定向耦合器圖 5 16 平行耦合微帶定向耦合器第5章 微波元器件eo00oZZZ o0e0o0e0ZZZZK 其中，Z0為匹配負(fù)載阻抗, K為電壓耦合系數(shù)。設(shè)各端口均接阻抗為Z0的負(fù)載, 如圖 5 - 16 所示, 根據(jù)奇偶模分析, 則可等效為圖 5 - 17。 端口“”處輸入阻抗為o1e1o1e111inIIUUIUZ（5-32）設(shè)平行耦合微帶線的奇、偶模特性阻抗分別為Z0o和Z0e,令(5 -33)第5章 微

25、波元器件 下面來(lái)證明端口“”是匹配的。 由圖 5-17 知， 端口“”處的奇偶模輸入阻抗為tantan00o00o00injZZjZZZZtanjtanj00e00e0inZZZZZZee(5 -34)第5章 微波元器件圖5-17平行耦合微帶定向耦合器奇偶模等效電路第5章 微波元器件將式(5 -2 -14)代入上式(5 -2 -16)得tanjtanje0o0o0e0o0oinZZZZZZtanjtanjo0e0e0o0e0einZZZZZZ可見(jiàn)，ZoinZein=Z0eZ0o=Z20 。(5 -35)第5章 微波元器件00oinoinIo21UZZZU00einein1e21UZZZU00o

26、ino1211UZZI00eine1211UZZI由奇偶模等效電路得端口“”的奇偶模電壓和電流分別為(5 -36)(5 -37)第5章 微波元器件有00einoin0einoin0oineinin2)()(ZZZZZZZZZZZ可見(jiàn)端口“”是匹配的, 所以加上的電壓U0, 即為入射波電壓, 由對(duì)稱性可知其余端口也是匹配的。 由分壓公式可得端口“”的合成電壓為0o0e00o0e0o1e1o3e3321tan)( j2tan)( j2UZZZZZUUUUU(5 -38)(5 -39)第5章 微波元器件耦合端口“”輸出電壓與端口“”輸入電壓之比為tanj1tanj203KKUU端口的和端口處的合成電

27、壓分別為U4=U4e+U4o=U2e-U2o=0022o2e22sinjcos11UKKUUU(5 -40)(5 -41)第5章 微波元器件 可見(jiàn), 端口“”有耦合輸出而端口“”為隔離端, 當(dāng)工作在中心頻率上, =/2, 此時(shí)U3=K U0 0221jUKU 可見(jiàn)端口“”、 “”電壓相差 90, 相應(yīng)的耦合度為)dB(lg20lg2003KUUC(5 -42)(5 -43)第5章 微波元器件 于是給定耦合度C及引出線的特性阻抗Z0后, 由式(5-43)求得耦合系數(shù)K, 從而可確定Z0o和Z0e: KKZZ110o0KKZZ110e0 然后由此確定平行耦合線的尺寸。值得指出的是: 在上述分析中假

28、定了耦合線奇偶模相速相同, 因而電長(zhǎng)度相同, 但實(shí)際上微帶線的奇偶模相速是不相等的, 所以按上述方法設(shè)計(jì)出的定向耦合器性能會(huì)變差。為改善性能, 一般可取介質(zhì)覆蓋、 耦合段加齒形或其它補(bǔ)償措施, 圖 5 - 18 給出了兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。 (5 -44)第5章 微波元器件圖 5 18 平行耦合微帶定向耦合器的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)第5章 微波元器件 2. 功率分配器功率分配器 將一路微波功率按一定比例分成n路輸出的功率元件稱為功率分配器。按輸出功率比例不同, 可分為等功率分配器和不等功率分配器。在結(jié)構(gòu)上, 大功率往往采用同軸線而中小功率常采用微帶線。 (1) 兩路微帶功率分配器 兩路微帶功率分配器的平面結(jié)構(gòu)如圖

29、5 - 19 所示, 其中輸入端口特性阻抗為Z0, 分成的兩段微帶線電長(zhǎng)度為g/4, 特性阻抗分別是Z02和Z03, 終端分別接有電阻R2和R3。功率分配器的基本要求如下: 第5章 微波元器件圖 5 19 兩路微帶功率分配器的平面結(jié)構(gòu)第5章 微波元器件 端口“”無(wú)反射; 端口“、 ”輸出電壓相等且同相; 端口“、 ”輸出功率比值為任意指定值, 設(shè)為根據(jù)以上三條有21k0in32in111ZZZ232322212121kRURU32UU (5 -45)第5章 微波元器件22022inRzZ32033inRzZ 這樣共有R2、R3、Z02、Z03四個(gè)參數(shù)而只有三個(gè)約束條件, 故可任意指定其中的一個(gè)

30、參數(shù), 現(xiàn)設(shè)R2=kZ0, 于是由上兩式可得其它參數(shù): )1 (202kkZZ32003/ )1 (kkZZkZR03由傳輸線理論有（5-46）（5-47）第5章 微波元器件 實(shí)際的功率分配器終端負(fù)載往往是特性阻抗為Z0的傳輸線, 而不是純電阻, 此時(shí)可用g/4阻抗變換器將其變?yōu)樗桦娮? 另一方面U2、U3等幅同相, 在“、”端跨接電阻Rj, 既不影響功率分配器性能, 又可增加隔離度。于是實(shí)際功率分配器平面結(jié)構(gòu)如圖 5 - 20 所示, 其中Z04、Z05及Rj 由以下公式確定: kZZRZ00204kZZRZ00305kkzRj201（5-48）第5章 微波元器件圖 5-20 實(shí)際功率分配

31、器平面結(jié)構(gòu)圖第5章 微波元器件 (2) 微帶環(huán)形電橋 微帶環(huán)形電橋是在波導(dǎo)環(huán)形電橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種功率分配元件。 其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 5 - 21 所示, 它由全長(zhǎng)為3g/2的環(huán)及與它相連的四個(gè)分支組成, 分支與環(huán)并聯(lián)。 其中端口“”為輸入端, 該端口無(wú)反射, 端口“、 ”等幅同相輸出, 而端口“”為隔離端, 無(wú)輸出。其工作原理可用類似定向耦合器的波程疊加方法進(jìn)行分析。在這里不作詳細(xì)分析, 只給出其特性參數(shù)應(yīng)滿足的條件。 第5章 微波元器件圖 5 21 微帶環(huán)形電橋結(jié)構(gòu)第5章 微波元器件 設(shè)環(huán)路各段歸一化特性導(dǎo)納分別為a、b、c, 而四個(gè)分支的歸一化特性導(dǎo)納為1。則滿足上述端口輸入輸出條件下

32、, 各環(huán)路段的歸一化特性導(dǎo)納為21cba而對(duì)應(yīng)的散射矩陣為 jjS002100jjjj0000jj（5-49）（5-50）第5章 微波元器件 3. 波導(dǎo)分支器波導(dǎo)分支器 將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的元件稱為波導(dǎo)分支器, 它是微波功率分配器件的一種, 常用的波導(dǎo)分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配雙T。 (1) E-T分支 E面T型分支器是在主波導(dǎo)寬邊面上的分支, 其軸線平行于主波導(dǎo)的TE10模的電場(chǎng)方向, 簡(jiǎn)稱E-T分支。其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖 5 - 22 所示, 由等效電路可見(jiàn), E-T分支相當(dāng)于分支波導(dǎo)與主波導(dǎo)串聯(lián)。 第5章 微波元器件圖 5 - 22E-T分支結(jié)構(gòu)及等效電路第5章

33、微波元器件 當(dāng)微波信號(hào)從端口“”輸入時(shí), 平均地分給端口“、 ”, 但兩端口是等幅反相的; 當(dāng)信號(hào)從端口“、”反相激勵(lì)時(shí), 則在端口“”合成輸出最大; 而當(dāng)同相激勵(lì)端口“、”時(shí), 端口“”將無(wú)輸出。 由此可得E-T分支的S參數(shù)為 s21212121212102121（5-51）第5章 微波元器件 (2)H-T分支 H-T分支是在主波導(dǎo)窄邊面上的分支, 其軸線平行于主波導(dǎo)TE10模的磁場(chǎng)方向, 其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖 5 - 23 所示, 當(dāng)微波信號(hào)從端口“”輸入時(shí), 平均地分給端口“、”, 這兩端口得到的是等幅同相的TE10波; 當(dāng)在端口“、”同相激勵(lì)時(shí), 端口“”合成輸出最大, 而當(dāng)反相激勵(lì)時(shí)

34、端口“”將無(wú)輸出。 H-T分支的散射矩陣為（5-52） 02121212121212121S第5章 微波元器件圖 5 - 23H-T分支結(jié)構(gòu)及等效電路第5章 微波元器件 (3) 匹配雙T 將E-T分支和H-T分支合并, 并在接頭內(nèi)加匹配以消除各路的反射, 則構(gòu)成匹配雙T, 也稱為魔T, 如圖 5 - 24 所示。它有以下特征: 第5章 微波元器件圖 5 24 魔T的結(jié)構(gòu)第5章 微波元器件 四個(gè)端口完全匹配; 端口“、 ”對(duì)稱, 即有S11=S22; 當(dāng)端口“”輸入, 端口“、”有等幅同相波輸出, 端口“”隔離; 當(dāng)端口“”輸入, 端口“、 ”有等幅反相波輸出, 端口“”隔離; 當(dāng)端口“”或“”

35、輸入時(shí), 端口“、”等分輸出而對(duì)應(yīng)端口“”或“”隔離; 第5章 微波元器件 當(dāng)端口“、 ”同時(shí)加入信號(hào), 端口“”輸出兩信號(hào)相量和的 倍, 端口“”輸出兩信號(hào)差的 倍。 端口“”稱為魔T的H臂或和臂, 而端口“”稱為魔T的E臂或差臂。 根據(jù)以上分析, 魔T各散射參數(shù)有以下關(guān)系: 2121（5-53）00344433241423132211SSSSSSSSS第5章 微波元器件網(wǎng)絡(luò)是無(wú)耗的, 則有 總之, 魔T具有對(duì)口隔離, 鄰口 3 dB耦合及完全匹配的關(guān)系, 因此它在微波領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用, 尤其用在雷達(dá)收發(fā)開(kāi)關(guān)、 混頻器及移相器等場(chǎng)合。 (5 - 55)以上兩式經(jīng)推導(dǎo)可得魔T的S矩陣為(5

36、- 54) ISS 011010011001011021S第5章 微波元器件5.3 微波鐵氧體器件微波鐵氧體器件圖 5 30 單向器的連接第5章 微波元器件 微波鐵氧體的電阻率很高, 比鐵的電阻率大10121016倍, 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。鐵氧體的相對(duì)介電常數(shù)為1020, 更重要的是, 它是一種非線性各向異性磁性物質(zhì), 它的磁導(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)而變, 即具有非線性; 在加上恒定磁場(chǎng)以后, 它在各方向上對(duì)微波磁場(chǎng)的磁導(dǎo)率是不同的, 就是說(shuō)其具有各向異性的。由于這種各向異性, 當(dāng)電磁波從不同的方向通過(guò)磁化鐵氧體時(shí), 便呈現(xiàn)一種非互易性。利用這種效應(yīng), 便可以做成各種非互

37、易微波鐵氧體元件，最常用的有隔離器和環(huán)行器。 第5章 微波元器件 1. 隔離器隔離器 1) 諧振式隔離器 由于鐵氧體具有各向異性, 因此在恒定磁場(chǎng)Hi作用下, 與Hi方向成左、右螺旋關(guān)系的左、右圓極化旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有不同的導(dǎo)磁率（分別設(shè)為-和+）。 設(shè)在含鐵氧體材料的微波傳輸線上的某一點(diǎn), 沿+z方向傳輸左旋磁場(chǎng), 沿-z方向傳輸右旋磁場(chǎng), 兩者傳輸相同距離, 但對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率不同, 故左右旋磁場(chǎng)相速不同, 所產(chǎn)生相移也就不同, 這就是鐵氧體相移不可逆性。另一方面，鐵氧體具有鐵磁諧振效應(yīng)和圓極化磁場(chǎng)的諧振吸收效應(yīng)。 第5章 微波元器件 所謂鐵氧體的鐵磁諧振效應(yīng)，是指當(dāng)磁場(chǎng)的工作頻率等于鐵氧體的諧振角

38、頻率0時(shí), 鐵氧體對(duì)微波能量的吸收達(dá)到最大值。而對(duì)圓極化磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，左、右旋極化磁場(chǎng)具有不同的磁導(dǎo)率, 從而兩者也有不同的吸收特性。對(duì)反向傳輸?shù)挠倚龢O化磁場(chǎng)，磁導(dǎo)率為+，它具有鐵磁諧振效應(yīng)，而對(duì)正向傳輸?shù)淖髽O化磁場(chǎng)，磁導(dǎo)率為-，它不存在鐵磁諧振特性, 這就是圓極化磁場(chǎng)的諧振效應(yīng)。鐵氧體諧振式隔離器正是利用了鐵氧體的這一特性制成的。 第5章 微波元器件圖 5 31 諧振式隔離器的鐵氧體位置第5章 微波元器件 對(duì)于矩形波導(dǎo)TE10模而言, 其磁場(chǎng)只有x分量和z分量, 它們的表達(dá)式為xaHaHxsin0 xaHHZcos0(5-56) 可見(jiàn)兩者存在/2的相差。在矩形波導(dǎo)寬邊中心處, 磁場(chǎng)只有Hx分量, 即磁場(chǎng)矢量是線極化的, 且幅度隨時(shí)間周期性變化, 但其方向總是x方向; 在其它位置上,