電磁波第7章-1

1、第7章 微波元件7.1 引言7.2 簡單元件7.3 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器7.4 定向耦合器與功率分配器7.5 微波諧振器7.6 微波濾波器7.7 微波鐵氧體元件第第7 7章章 微微 波波 元元 件件第7章 微波元件在微波系統(tǒng)中，微波元件是用來對信號進(jìn)行各在微波系統(tǒng)中，微波元件是用來對信號進(jìn)行各種加工和處理的。種加工和處理的。 例如對信號進(jìn)行分配、衰減、隔離、定向傳輸、例如對信號進(jìn)行分配、衰減、隔離、定向傳輸、相位控制、阻抗匹配與變換、波型變換、濾波等。相位控制、阻抗匹配與變換、波型變換、濾波等。它們是基于傳輸線的分布參數(shù)性質(zhì)而制成的。它們是基于傳輸線的分布參數(shù)性質(zhì)而制成的。7.1 7.1 引

2、引 言言第7章 微波元件7.2.1 終端器件與連接器件終端器件與連接器件7.2.2 衰減器與移相器衰減器與移相器7.2.3 波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)7.2 7.2 簡單元件簡單元件第7章 微波元件1. 短路器與接頭短路器與接頭 短路器短路器又稱短路負(fù)載，其作用是將電磁波能量又稱短路負(fù)載，其作用是將電磁波能量全部反射回去。將波導(dǎo)或同軸線的全部反射回去。將波導(dǎo)或同軸線的終端終端用金屬導(dǎo)體用金屬導(dǎo)體全部封閉全部封閉起來即構(gòu)成波導(dǎo)或同軸線起來即構(gòu)成波導(dǎo)或同軸線短路器短路器。實用中。實用中的短路器都做成了可調(diào)的，稱為的短路器都做成了可調(diào)的，稱為短路活塞短路活塞，可用作，可用作調(diào)配器、標(biāo)準(zhǔn)可變電抗，廣泛應(yīng)

3、用于微波測量。調(diào)配器、標(biāo)準(zhǔn)可變電抗，廣泛應(yīng)用于微波測量。7.2.1 終端器件與連接器件終端器件與連接器件1. 短路器與接頭短路器與接頭2. 匹配負(fù)載匹配負(fù)載3. 波導(dǎo)的彎曲與扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)的彎曲與扭轉(zhuǎn)短路活塞：接觸式和扼流式短路活塞：接觸式和扼流式第7章 微波元件圖7-2-1 矩形波導(dǎo)接觸式短路活塞物理接觸點恰好位于電流波節(jié)點處，以減小物理接觸點恰好位于電流波節(jié)點處，以減小損耗，避免發(fā)生打火。損耗，避免發(fā)生打火。第7章 微波元件圖7-2-2 矩形波導(dǎo)山字形扼流式短路活塞駐波比可以做到大于駐波比可以做到大于100。但因扼流槽尺寸與工作頻。但因扼流槽尺寸與工作頻率有關(guān)，故有率有關(guān)，故有10%15%的帶寬

4、限制。的帶寬限制。第7章 微波元件圖圖7-2-3是兩種同軸線結(jié)構(gòu)的扼流活塞，是兩種同軸線結(jié)構(gòu)的扼流活塞， 其原其原理相同，不再重復(fù)。理相同，不再重復(fù)。圖7-2-3 同軸線短路活塞第7章 微波元件接頭接頭用于連接傳輸線，也有接觸式和扼流式兩種。法用于連接傳輸線，也有接觸式和扼流式兩種。法蘭盤結(jié)構(gòu)形式有平法蘭盤和扼流式法蘭盤兩種，如圖蘭盤結(jié)構(gòu)形式有平法蘭盤和扼流式法蘭盤兩種，如圖7-2-4所示。所示。圖7-2-4 波導(dǎo)接頭扼流式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛扼流式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛第7章 微波元件2. 匹配負(fù)載匹配負(fù)載匹配負(fù)載匹配負(fù)載是一種能全部吸收輸入功率的終端元是一種能全部吸收輸入功率的終端元件，由一段終

5、端短路的波導(dǎo)或同軸線構(gòu)成，其中放件，由一段終端短路的波導(dǎo)或同軸線構(gòu)成，其中放有吸收微波功率的物質(zhì)構(gòu)成。有吸收微波功率的物質(zhì)構(gòu)成。 匹配負(fù)載的匹配負(fù)載的主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)是工作帶寬、輸入是工作帶寬、輸入駐波比和功率容量。匹配負(fù)載按其功率容量可分為駐波比和功率容量。匹配負(fù)載按其功率容量可分為小功率和大功率兩種。小功率和大功率兩種。第7章 微波元件圖7-2-5 小功率波導(dǎo)匹配負(fù)載這種匹配負(fù)載在這種匹配負(fù)載在10%15%帶寬內(nèi)可，且其駐波比帶寬內(nèi)可，且其駐波比低于低于1.01。第7章 微波元件圖7-2-6 小功率同軸匹配負(fù)載第7章 微波元件圖7-2-7 高功率波導(dǎo)水負(fù)載大功率匹配負(fù)載須采用大功率

6、匹配負(fù)載須采用“體體”吸收的方法。考慮到吸收的方法。考慮到熱量吸收的同時，還要考慮到散熱問題。熱量吸收的同時，還要考慮到散熱問題。第7章 微波元件圖7-2-8 波導(dǎo)彎頭3. 波導(dǎo)的彎曲與扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)的彎曲與扭轉(zhuǎn)當(dāng)傳輸線方向改變時，中間就要接入彎頭，當(dāng)傳輸線方向改變時，中間就要接入彎頭， 彎頭有折彎頭有折角及圓弧兩種。角及圓弧兩種。第7章 微波元件圖7-2-9 波導(dǎo)彎曲弧度半徑弧度半徑R對于對于E面彎頭面彎頭R1.5b，對于，對于H面彎頭面彎頭R1.5a第7章 微波元件圖7-2-10 扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)有時需要改變極化方向而傳輸方向不變，有時需要改變極化方向而傳輸方向不變， 這就要用到均勻扭轉(zhuǎn)這就要用到均勻扭

7、轉(zhuǎn)第7章 微波元件7.2.2 衰減器與移相器衰減器與移相器吸收式衰減器吸收式衰減器2. 截止式衰減器截止式衰減器3. 旋轉(zhuǎn)極化衰減器旋轉(zhuǎn)極化衰減器4. 移相器移相器第7章 微波元件圖7-2-11 矩形波導(dǎo)吸收式衰減器1、衰減器：吸收式衰減、截止式衰減、旋轉(zhuǎn)式極化衰、衰減器：吸收式衰減、截止式衰減、旋轉(zhuǎn)式極化衰減器減器第7章 微波元件圖7-2-12 截止式衰減器 當(dāng)當(dāng)c時，波不能在波導(dǎo)中傳輸，處于時，波不能在波導(dǎo)中傳輸，處于截止?fàn)顟B(tài)，這種波導(dǎo)稱為截止波導(dǎo)。此時波的振幅在截止?fàn)顟B(tài)，這種波導(dǎo)稱為截止波導(dǎo)。此時波的振幅在波導(dǎo)中按波導(dǎo)中按ez衰減，且無相位變化。衰減，且無相位變化。第7章 微波元件圖7-

8、2-13 旋轉(zhuǎn)極化衰減器第7章 微波元件4. 移相器移相器理想的移相器應(yīng)該是一個衰減為零、相移量可變的二理想的移相器應(yīng)該是一個衰減為零、相移量可變的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為其中，其中，為相移常數(shù)；為相移常數(shù)； l為移相器移相作用部分長度。為移相器移相作用部分長度?？梢姼淖円葡嗔坑袃煞N方法：可見改變移相量有兩種方法：(1) 改變傳輸線的長度改變傳輸線的長度l，可以改變相移。，可以改變相移。 (2) 改變傳輸線的相位常數(shù)，也可以改變相移。改變傳輸線的相位常數(shù)，也可以改變相移。 0ee0llS結(jié)構(gòu)：將衰減器的吸收片換成低損耗介質(zhì)片結(jié)構(gòu)：將衰減器的吸收片換成低損耗介質(zhì)片(如石英、

9、聚四如石英、聚四氟乙烯等氟乙烯等)便成為介質(zhì)片可調(diào)移相器。便成為介質(zhì)片可調(diào)移相器。第7章 微波元件 1. E-T分支分支 2. H-T分支分支3. 雙雙T分支及魔分支及魔T7.2.3 波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)第7章 微波元件結(jié)構(gòu)特點為主波導(dǎo)的兩臂結(jié)構(gòu)特點為主波導(dǎo)的兩臂1、2以分支臂以分支臂4(稱為電臂稱為電臂)為幾何為幾何對稱。對稱。圖7-2-14 E-T分支分支第7章 微波元件圖7-2-17 H-T分支分支第7章 微波元件圖7-2-20 波導(dǎo)雙波導(dǎo)雙T第7章 微波元件7.2.3 波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)（主模波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)（主模TE10波波）1. E-T分支分支圖7-2-14 E-T分支分支第7章 微波元

10、件圖7-2-15 E-T分支各臂輸入與輸出情況第7章 微波元件 E-T傳輸特性：傳輸特性：當(dāng)從當(dāng)從4端口輸入時，端口輸入時，1與與2端口將有等幅端口將有等幅反相反相的輸出。的輸出。當(dāng)當(dāng)1與與2端口將有等幅反相的輸入時，端口將有等幅反相的輸入時，4端口輸出端口輸出和。和。當(dāng)當(dāng)1與與2端口將有等幅同相的輸入時，端口將有等幅同相的輸入時，4端口輸出端口輸出差。差。當(dāng)從當(dāng)從1端口輸入時，端口輸入時，4與與2端口將有等幅端口將有等幅同相同相的輸出。的輸出。當(dāng)從當(dāng)從2端口輸入時，端口輸入時，4與與1端口將有等幅端口將有等幅同相同相的輸出。的輸出。第7章 微波元件2. H-T分支分支圖7-2-17 H-T分

11、支第7章 微波元件圖7-2-18 H-T分支各臂輸入輸出情況第7章 微波元件H-T傳輸特性：傳輸特性： (1) 當(dāng)波由當(dāng)波由3臂輸入時，臂輸入時，1、2兩臂有等幅兩臂有等幅同相同相輸出，即輸出，即S13=S23。 (2) 當(dāng)波由當(dāng)波由1、2兩臂等幅同相輸入時，則在兩臂等幅同相輸入時，則在3臂有臂有“和和”輸出。輸出。(3) 當(dāng)波由當(dāng)波由1、2兩臂等幅反相輸入時，則在兩臂等幅反相輸入時，則在3臂有臂有“差差”輸出。輸出。(4) 當(dāng)波由當(dāng)波由1臂輸入時，則在臂輸入時，則在2、3臂有等幅臂有等幅同相同相輸出，即輸出，即S21=S31。 (5)當(dāng)波由當(dāng)波由2臂輸入時，則在臂輸入時，則在1、3兩臂有等幅

12、兩臂有等幅同相同相輸出，輸出，即即S12=S32。第7章 微波元件圖7-2-20 波導(dǎo)雙T3. 雙雙T分支及魔分支及魔T主波導(dǎo)為主波導(dǎo)為1、2臂，臂，3為為H面分支臂，面分支臂，4為為E面分支臂，幾何對稱面為面分支臂，幾何對稱面為T。第7章 微波元件 雙雙T分支的一些重要特性：分支的一些重要特性：波由波由3臂輸入時，臂輸入時，1、2兩臂有等幅兩臂有等幅同相同相的輸出，即的輸出，即S13=S23。(2) 波由波由4臂輸入時，臂輸入時，1、2兩臂有等幅兩臂有等幅反相反相的輸出，即的輸出，即S14=S24(E-T接頭的特性接頭的特性)。(3) 波由波由1、2兩臂等幅兩臂等幅同同相輸入時，相輸入時，3

13、臂有臂有“和和”的輸出，的輸出，4臂無輸出，即臂無輸出，即S43=0。 (4) 波由波由1、2兩臂等幅兩臂等幅反反相輸入時，相輸入時，3臂有臂有“和和”的輸出，的輸出，4臂無輸出，即臂無輸出，即S34=0。 (5) 根據(jù)雙接頭結(jié)構(gòu)的對稱性，又有根據(jù)雙接頭結(jié)構(gòu)的對稱性，又有S11=S22。(1) (6) 由互易性，又有由互易性，又有S12=S21，S13=S31，S23=S32， S34=S43，S14=S41。第7章 微波元件圖7-2-21 魔T(匹配雙T)一旦一旦3、4兩臂人為地調(diào)好匹配，則兩臂人為地調(diào)好匹配，則1、2兩臂將自動達(dá)兩臂將自動達(dá)到匹配，這種匹配的雙接頭，通常稱為到匹配，這種匹配

14、的雙接頭，通常稱為“魔魔”，第7章 微波元件由以上分析可得出匹配雙的三個重要特性，如下所由以上分析可得出匹配雙的三個重要特性，如下所示：示： (1) 功率的平分性。相鄰兩端口有功率的平分性。相鄰兩端口有3 dB的耦合量，即由的耦合量，即由1端口端口1輸入的功率，由輸入的功率，由3、4兩端口平分輸出（兩端口平分輸出（S13=S14）；由）；由3端口輸入的功率，由端口輸入的功率，由1、2兩端口等幅同相平分輸出兩端口等幅同相平分輸出S13=S23；由由4端口輸入的功率，由端口輸入的功率，由1、2兩端口等幅反相平分輸出兩端口等幅反相平分輸出S14=- S24 ；(2) 對口隔離性。對口隔離性。1端口與

15、端口與2端口，端口，3端口與端口與4端口互相隔端口互相隔離，即離，即S12=S21=S34=S43=0；(3) 自動匹配性。如果自動匹配性。如果3端口與端口與4端口匹配，則端口匹配，則1端口與端口與2端口自動獲得匹配，即端口自動獲得匹配，即S11=S22=S33=S44=0。第7章 微波元件于是得魔T的S矩陣為： 001100112110021100S第7章 微波元件7.3.1 微波電抗元件微波電抗元件1. 膜片與螺釘膜片與螺釘1) 電容膜片電容膜片平行波導(dǎo)平行波導(dǎo)寬邊寬邊放置的金屬膜片。放置的金屬膜片。7.3 7.3 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器阻抗調(diào)配器和阻抗變換器圖7-3-1 電容膜片第7章

16、微波元件2) 電感膜片電感膜片平行窄邊放置的金屬膜片平行窄邊放置的金屬膜片圖7-3-2 電感膜片第7章 微波元件將電容性膜片和電感性膜片組合起來，則其等效電路是電感與電容的并聯(lián)，可對某一頻率發(fā)生諧振，因而稱之為諧振窗。圖7-3-3 諧振窗及等效電路第7章 微波元件圖7-3-4 天線收發(fā)開關(guān)示意圖第7章 微波元件如圖如圖7-3-4所示為雷達(dá)中天線收發(fā)開關(guān)的示意圖。在兩所示為雷達(dá)中天線收發(fā)開關(guān)的示意圖。在兩個諧振窗間的密閉空間充以容易電離的氣體，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射個諧振窗間的密閉空間充以容易電離的氣體，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的功率的功率Pr到達(dá)諧振窗到達(dá)諧振窗1時，因氣體電離使諧振窗口成為一短時，因氣體電離使諧振窗口

17、成為一短路面，波將被反射而不進(jìn)入接收機(jī)；當(dāng)工作于接收狀態(tài)時，路面，波將被反射而不進(jìn)入接收機(jī)；當(dāng)工作于接收狀態(tài)時，由于功率小，不足以使氣體電離，接收的信號將無反射地由于功率小，不足以使氣體電離，接收的信號將無反射地穿過諧振窗口而傳送到接收機(jī)。穿過諧振窗口而傳送到接收機(jī)。第7章 微波元件3) 螺釘與銷釘螺釘與銷釘當(dāng)在矩形波導(dǎo)寬邊中央插入金屬螺釘當(dāng)在矩形波導(dǎo)寬邊中央插入金屬螺釘圖7-3-5 調(diào)諧螺釘及其等效電路第7章 微波元件2. 并聯(lián)短截線并聯(lián)短截線由長線理論知道，長度為l的短路短線，其輸入端的阻抗為Zin=jZ0 tanl。當(dāng)0l/4時，Zin為感抗，如果短路短線長度很小， l(一般選用l/8)

18、，其輸入阻抗可近似為故l的短路短線可以等效為一個并聯(lián)電感， 其電感值為。in000jtanjjpZ lZZlZlv0pZ lLv第7章 微波元件同樣，長度為l(l)開路短線可近似等效為一個并聯(lián)電容，其電容值為。0pY lLv圖7-3-6 帶狀線(微帶線)短截線示意圖及等效電路第7章 微波元件3. 高低阻抗線高低阻抗線由第6章習(xí)題6-11知, 長度為l、 特性阻抗為Z0的均勻無耗傳輸線段可以等效為T型電路；也可以等效為型電路，如圖7-3-7所示。圖7-3-7 傳輸線段及其等效電路第7章 微波元件7.3.2 阻抗調(diào)配器阻抗調(diào)配器 阻抗調(diào)配器一般采用并聯(lián)電納的方式實現(xiàn)，其調(diào)配原阻抗調(diào)配器一般采用并聯(lián)電納的方式實現(xiàn)，其調(diào)配原理就是第理就是第4章中講述的支節(jié)匹配。章中講述的支節(jié)匹配。為克服匹配死區(qū)的不利影響，多采用三支節(jié)匹配