微波技術(shù)基礎(chǔ)

第四章微波元件§4.1阻抗元件及匹配負載§4.2矩形波導T形分支第四章微波元件無論在哪個頻段工作的電子設備,都需要各種功能的元器件,既有如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路等無源元器件,以實現(xiàn)信號匹配、分配、濾波等;又有晶體管等有源元器件,以實現(xiàn)信號產(chǎn)生、放大、調(diào)制、變頻等。微波系統(tǒng)也不例外地有各種無源、有源元器件,它們的功能是對微波信號進行必要的處理或變換,它們是微波系統(tǒng)的重要組成部分。微波元器件按其變換性質(zhì)可分為線性互易元器件、線性非互易元器件以及非線性元器件三大類。

第四章微波元件線性互易元器件只對微波信號進行線性變換而不改變頻率特性，并滿足互易定理,它主要包括各種微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件等;

線性非互易元器件主要是指鐵氧體器件,它的散射矩陣不對稱,但仍工作在線性區(qū)域,主要包括隔離器、環(huán)行器等;

非線性元器件能引起頻率的改變,從而實現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻等,主要包括微波電子管、微波晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場效應管及微波電真空器件等。微波元器件品種繁多,而且隨著技術(shù)的進步不斷出現(xiàn)新的元器件,因此不能一一列舉,本章將簡要介紹一些常用的微波元件。§4.1阻抗元件及阻抗匹配一.電阻元件

1.匹配負載匹配負載是一種幾乎能全部吸收入射功率的單端口元件，即不會產(chǎn)生反射波，匹配負載的輸入駐波比，一般都在1.1~1.015之間。匹配負載是由一段傳輸線與能夠吸收微波功率的材料組合而成，根據(jù)傳輸線不同分為多種。對波導來說,一般在一段終端短路的波導內(nèi)放置一塊或幾塊劈形吸收片,用以實現(xiàn)小功率匹配負載,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。當吸收片平行地放置在波導中電場最強處,在電場作用下吸收片強烈吸收微波能量,使其反射變小。劈尖的長度越長吸收效果越好,匹配性能越好,劈尖長度一般取λg/2的整數(shù)倍，如圖所示?！?.1阻抗元件及阻抗匹配2.吸收式衰減器衰減器是用來改變傳輸信號的幅度的微波元件。對于衰減器，除要求具有一定的衰減量，并對其工作頻率范圍、駐波比、功率容量以及結(jié)構(gòu)尺寸都有一定要求。矩形波導中常用的衰減器就是如圖所示的吸收式衰減器。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TE10模的電場分布可知,波導寬邊中心位置電場最強,逐漸向兩邊減小到零,因此,當吸收片沿波導橫向移動時,就可改變其衰減量，恰在波導中間時衰減量最大?！?.1阻抗元件及阻抗匹配二.電抗元件傳輸線中的不均勻性可以用來構(gòu)成微波電抗性元件。

1.膜片所謂膜片就是一個導電性能良好的金屬薄片，其厚度遠小于波導波長，又遠大于電磁波的趨膚深度。膜片有兩類：一類是容性膜片；另一類是感性膜片。①容性膜片§4.1阻抗元件及阻抗匹配如圖所示，它是被放置在與矩形波導軸線相垂直的分為上、下兩個部分的金屬膜片。波導中放置了容性膜片，等效于并聯(lián)了一個等效電容C。理由：波導內(nèi)由于膜片的加入而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性，使該處的電場更加集中，在其附近存儲了電能，其作用相當于一個儲存電能的電容器。容性膜片的等效電納近似計算式為：缺點：電壓集中，易被擊穿，應用不變?！?.1阻抗元件及阻抗匹配②感性膜片如圖所示，它是被放置在與矩形波導軸線相垂直的分為左、右兩個部分的金屬膜片。波導中放置了容性膜片，等效于并聯(lián)了一個等效電感L。理由：波導寬壁內(nèi)表面上的軸向電流抵達膜片時，膜片上就有電流流過，并在其附近產(chǎn)生了磁場，聚集了磁能，因此膜§4.1阻抗元件及阻抗匹配片的作用就相當于一個儲存磁能的電感器。感性膜片的等效電納近似計算式為：優(yōu)點：功率容量大。§4.1阻抗元件及阻抗匹配2.銷釘銷釘是一種電抗性元件，它是用很細的金屬圓桿貫穿矩形波導的橫截面，如圖所示，它是固定的。

當銷釘上有電流通過時，便在周圍產(chǎn)生了磁場，其作用和等效電路均與電感性膜片相似，呈感性電抗。銷釘?shù)闹睆皆酱?，電抗越?。恢睆皆叫。娍乖酱?。顯然，銷釘數(shù)量越多，電抗就越小。§4.1阻抗元件及阻抗匹配3.螺釘螺釘是低功率微波裝置中普遍采用的調(diào)諧和匹配元件,它是在波導寬邊中央插入可調(diào)螺釘作為調(diào)配元件,如圖所示?！?.1阻抗元件及阻抗匹配

螺釘深度的不同等效為不同的電抗元件,使用時為了避免波導短路擊穿,螺釘都設計成容性,即螺釘旋入波導中的深度應小于3b/4(b為波導窄邊尺寸)。螺釘?shù)闹睆皆酱?，等效電容越大；反之電容越小。此外，螺釘位于波導寬壁中心線處時，等效電容最大。由第一章的支節(jié)調(diào)配原理可知：多個相距一定距離的螺釘可構(gòu)成螺釘阻抗調(diào)配器,不同的是這里支節(jié)用容性螺釘來代替。螺釘調(diào)配器可分為單螺釘、雙螺釘、三螺釘。單螺釘調(diào)配器通過調(diào)整螺釘?shù)目v向位置和深度來實現(xiàn)匹配，雙螺釘調(diào)配器是在矩形波導中相距λg/8、λg/4或3λg/8等距離的兩個螺釘構(gòu)成的。雙螺釘調(diào)配器有匹配盲區(qū),故有時采用三螺釘調(diào)配器?！?.2矩形波導T形分支將微波能量從主波導中分路接出的元件稱為波導分支器,它是微波功率分配器件的一種,常用的波導分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配雙T。一.單T分支1.E-T分支E面T型分支器是在主波導寬邊面上的分支,其軸線平行于主波導的TE10模的電場方向,簡稱E-T分支。其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示,由等效電路可見,E-T分支相當于分支波導與主波導串聯(lián)。§4.2矩形波導T形分支當微波信號從端口“③”輸入時,平均地分給端口“①、②”,但兩端口是等幅反相的;當信號從端口“①、②”反相激勵時,則在端口“③”合成輸出最大；當同相激勵端口“①、②”時,端口“③”將無輸出?！?.2矩形波導T形分支2.H-T分支H-T分支是在主波導窄邊面上的分支,其軸線平行于主波導TE10模的磁場方向,其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示,可見,H-T分支相當于并聯(lián)于主波導的分支線。§4.2矩形波導T形分支當微波信號從端口“③”輸入時,平均地分給端口“①、②”,這兩端口得到的是等幅同相的TE10波;當在端口“①、②”同相激勵時,端口“③”合成輸出最大;當反相激勵時端口“③”將無輸出。二.雙T分支

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,如圖所示?！?.2矩形波導T形分支它有以下特征:四個端口完全匹配;端口“①、②”對稱,即它們的反射系數(shù)相等;當端口“③”輸入,端口“①、②”有等幅同相波輸出,端口“④”隔離;當端口“④”輸入,端口“①、②”有等幅反相波輸出,端口“③”隔離;當端口“①”或“②”輸入時,端口“③、④”等分輸出而對應端口“②”或“①”隔離;當端口“①、②”同時加入信號,端口“③”輸出兩信