第八章常用微波元件

第八章常用微波元件第一頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

無(wú)論在哪個(gè)頻段工作的電子設(shè)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(wú)源元器件,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配、分配、濾波等;又有晶體管等有源元器件,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(wú)源、有源元器件,它們的功能是對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行必要的處理或變換,它們是微波系統(tǒng)的重要組成部分。

(1)微波元器件按其變換性質(zhì)可分為:線(xiàn)性互易元器件、線(xiàn)性非互易元器件以及非線(xiàn)性元器件三大類(lèi)。

(2)微波元件都是由導(dǎo)行系統(tǒng)構(gòu)成的，從導(dǎo)行系統(tǒng)的種類(lèi)可以分為：波導(dǎo)型、同軸型、微帶型等等。第二頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

線(xiàn)性互易元器件只對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性變換而不改變頻率特性，并滿(mǎn)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(xiàn)性非互易元器件主要是指鐵氧體器件,它的散射矩陣不對(duì)稱(chēng),但仍工作在線(xiàn)性區(qū)域,主要包括隔離器、環(huán)行器等;非線(xiàn)性元器件能引起頻率的改變,從而實(shí)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(chǎng)效應(yīng)管及微波電真空器件等。本章主要介紹一些常用元件的工作原理和基本特性第三頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

短路負(fù)載又稱(chēng)為短路器，它的作用是將電磁能量全部反射回去。將同軸線(xiàn)和波導(dǎo)終端短路，即分別成為同軸線(xiàn)和波導(dǎo)固定短路器。

實(shí)際很多情況下將短路負(fù)載做成可調(diào)的，其主要的要求為：1)保證接觸處的損耗小，其反射系數(shù)的模接近12)當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)，接觸損耗的變化要小。3)大功率條件下，活塞與波導(dǎo)(同軸導(dǎo)體)之間不能發(fā)生打火現(xiàn)象。1、短路負(fù)載8.1一端口元件一端口元件常用的有短路負(fù)載、匹配負(fù)載以及失配負(fù)載。2、短路負(fù)載的實(shí)現(xiàn)形式：接觸式和扼流式兩種(1)接觸式波導(dǎo)接觸式短路器第四頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四同軸接觸式短路器短路器的電流分布

從電流分布可以看出，其在短路處的電流為最大值，相應(yīng)的開(kāi)路端為電流節(jié)點(diǎn)。

優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是活塞移動(dòng)時(shí)接觸不恒定，彈簧片會(huì)逐漸磨損，大功率時(shí)，容易發(fā)生打火現(xiàn)象。第五頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(2)扼流式波導(dǎo)扼流式短路器同軸扼流式短路器扼流式短路器的等效電路從等效電路可以看出，其輸入阻抗第六頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(二)匹配負(fù)載

匹配負(fù)載能幾乎無(wú)反射地吸收入射波的全部功率。當(dāng)需要在傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時(shí)，都要用到匹配負(fù)載。

對(duì)匹配負(fù)載的基本要求是：（1）有較寬的工作頻帶，（2)輸入駐波比小和一定的功率容量。

第七頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四6.2二端口元件1.無(wú)耗二端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)二端口元件等效為二端口微波網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為：第八頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第九頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.連接元件連接元件的作用是將作用不同的微波元件連接成完整的系統(tǒng)。主要技術(shù)指標(biāo)：插入損耗、駐波比，功率容量、工作頻帶等。第十頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（二）轉(zhuǎn)接元件

在將不同類(lèi)型的傳輸線(xiàn)或元件連接時(shí)，不僅要考慮阻抗匹配，而且還應(yīng)該考慮模式的變換。

1、同軸線(xiàn)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

連接同軸線(xiàn)與波導(dǎo)的元件，稱(chēng)為同軸線(xiàn)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。2、波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)接器

通常在波導(dǎo)與微帶線(xiàn)之間加一段脊波導(dǎo)過(guò)渡段來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

同軸線(xiàn)波導(dǎo)

波導(dǎo)微帶

第十一頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(2)拐角、彎曲和扭轉(zhuǎn)元件同軸線(xiàn)微帶

3、同軸線(xiàn)微帶轉(zhuǎn)接器

微波系統(tǒng)中為了改變電磁波傳播的方向，需要采用拐角和彎曲元件；當(dāng)需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向的時(shí)候，需要用到扭轉(zhuǎn)元件。技術(shù)指標(biāo)：反射應(yīng)盡可能的小、工作頻帶盡可能的寬，功率容量。第十二頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第十三頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3、匹配元件(1)膜片

波導(dǎo)中的膜片是垂直于波導(dǎo)管軸的金屬片，有對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)之分。一般在調(diào)諧的時(shí)候采用不對(duì)稱(chēng)膜片結(jié)構(gòu)，而當(dāng)負(fù)載輸出要求對(duì)稱(chēng)輸出的時(shí)候很，則需要對(duì)稱(chēng)膜片。膜片可分成感性膜片、容性膜片。膜片實(shí)現(xiàn)匹配的原理：利用膜片產(chǎn)生的反射波來(lái)抵消負(fù)載不匹配而產(chǎn)生的反射波(注意是相差造成的抵消)1、電感膜片：如圖所示的膜片波導(dǎo)中傳輸?shù)腡E10模的磁場(chǎng)在膜片處集中，得到加強(qiáng)，呈電感性。稱(chēng)為電感膜片。

電感膜片及其等效電路第十四頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四當(dāng)膜片的厚度可以忽略的時(shí)候，膜片的歸一化電納近似表示為：2、電容膜片：如圖所示的膜片波導(dǎo)中傳輸?shù)腡E10模的電場(chǎng)在膜片處集中，得到加強(qiáng)，呈電容性，稱(chēng)為電容膜片。當(dāng)膜片的厚度可以忽略的時(shí)候，膜片的歸一化電納近似表示為：

電容膜片及其等效電路第十五頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3、諧振窗當(dāng)感性膜片和容性膜片組合在一起，如圖所示，即構(gòu)成所謂的諧振窗。其等效電路相當(dāng)于并聯(lián)諧振回路，針對(duì)于某個(gè)頻率，將產(chǎn)生諧振，從而使得電磁波無(wú)衰減的通過(guò)。平行耦合帶線(xiàn)的奇偶模電場(chǎng)線(xiàn)分布

諧振窗的材料：玻璃、聚四氟乙烯、陶瓷片，金屬片等等。第十六頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(2)、銷(xiāo)釘銷(xiāo)釘是垂直于波導(dǎo)寬邊的金屬圓棒。如圖所示，在波導(dǎo)中其電感作用，常用于構(gòu)成波導(dǎo)濾波器。第十七頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四銷(xiāo)釘?shù)南鄬?duì)電納和棒的粗細(xì)有關(guān)，棒越細(xì)，電感量越大，其相對(duì)電納越小，同樣粗細(xì)的棒，根數(shù)越多，相對(duì)電納越大。置于a/2處的單根銷(xiāo)釘相對(duì)電納的近似值可以通過(guò)下面的式子來(lái)求：(3)、螺釘調(diào)配器用膜片和銷(xiāo)釘?shù)谑隧?yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四4衰減器和移相器

衰減器和移相器均屬于二端口網(wǎng)絡(luò)。衰減器的作用是對(duì)通過(guò)它的微波能量產(chǎn)生衰減；移相器的作用:對(duì)通過(guò)它的微波信號(hào)產(chǎn)生一定的相移，微波能量可無(wú)衰減地通過(guò)。衰減器和移相器聯(lián)合使用，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)行系統(tǒng)中的電磁波的傳播常數(shù)。一、衰減器

理想的衰減器應(yīng)是只有衰減而無(wú)相移(相移量為0)的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為

:衰減器的衰減量表示為：

第十九頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

在波導(dǎo)內(nèi)放入與電場(chǎng)方向平行的吸收片，當(dāng)微波能量通過(guò)吸收片時(shí)，將吸收一部分能量而產(chǎn)生衰減，這種衰減器稱(chēng)為吸收衰減器，如圖所示。

(1)吸收式衰減器第二十頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、移相器

移相器是對(duì)電磁波只產(chǎn)生一定的相移而不產(chǎn)生能量衰減的微波元件，它是一個(gè)無(wú)反射、無(wú)衰減的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為：其中移相器的相移量為：

因此，可變移相器與可變衰減器在結(jié)構(gòu)形式上完全相似，所不同的是：衰減器使用的是衰減片，而移相器使用的是介質(zhì)片。第二十一頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四8.3三端口元件即具有三個(gè)端口波導(dǎo)、微帶、同軸接頭的器件，如功率分配器，環(huán)形器等等。1、無(wú)耗三端口網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)第二十二頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二十三頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二十四頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四上述散射參數(shù)矩陣[ST]和[SR]不同，表示的是非互易無(wú)耗三端口網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)理想的環(huán)形器，對(duì)應(yīng)的功率流的方向不同。第二十五頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二十六頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.三端口功率分配/合成元件通常有E-T、H-T以及電阻性功率分配器和wilkinson功率分配器1)T型接頭

如圖所示，T型接頭是一種最簡(jiǎn)單的功率分配、合成器件。其可以用任何的導(dǎo)行系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。有互易、無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，可以知道其不可能實(shí)現(xiàn)三個(gè)端口同時(shí)匹配。第二十七頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四無(wú)耗T型接頭的傳輸線(xiàn)模型第二十八頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.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(chēng)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(xiàn)平行于主波導(dǎo)的TE10模的電場(chǎng)方向,簡(jiǎn)稱(chēng)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)。圖5-22E-T分支結(jié)構(gòu)及等效電路第二十九頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

當(dāng)微波信號(hào)從端口“③”輸入時(shí),平均地分給端口“①、②”,但兩端口是等幅反相的;當(dāng)信號(hào)從端口“①、②”反相激勵(lì)時(shí),則在端口“③”合成輸出最大;而當(dāng)同相激勵(lì)端口“①、②”時(shí),端口“③”將無(wú)輸出。由此可得E-T分支的［S］參數(shù)為第三十頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十一頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十二頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十三頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(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(xiàn)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,可見(jiàn)H-T分支相當(dāng)于并聯(lián)于主波導(dǎo)的分支線(xiàn)。當(dāng)微波信號(hào)從端口“③”輸入時(shí),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(dāng)在端口“①、②”同相激勵(lì)時(shí),端口“③”合成輸出最大,而當(dāng)反相激勵(lì)時(shí)端口“③”將無(wú)輸出。H-T分支的散射矩陣為：圖5-23H-T分支結(jié)構(gòu)及等效電路第三十四頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十五頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十六頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十七頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十八頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(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(chēng)為魔T,如圖所示。它有以下特征：:魔T的結(jié)構(gòu)第三十九頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

①四個(gè)端口完全匹配;②端口“①、②”對(duì)稱(chēng),即有S11=S22;③當(dāng)端口“③”輸入,端口“①、②”有等幅同相波輸出,端口“④”隔離;④當(dāng)端口“④”輸入,端口“①、②”有等幅反相波輸出,端口“③”隔離;⑤當(dāng)端口“①”或“②”輸入時(shí),端口“③、④”等分輸出而對(duì)應(yīng)端口“②”或“①”隔離;第四十頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四⑥當(dāng)端口“①、②”同時(shí)加入信號(hào),端口“③”輸出兩信號(hào)相量和的倍,端口“④”輸出兩信號(hào)差的倍。端口“③”稱(chēng)為魔T的H臂或和臂,而端口“④”稱(chēng)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:第四十一頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四網(wǎng)絡(luò)是無(wú)耗的,則有［S］+［S］=［I］以上兩式經(jīng)推導(dǎo)可得魔T的［S］矩陣為

總之,魔T具有對(duì)口隔離,鄰口3dB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。

第四十二頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(4)對(duì)稱(chēng)Y分支三個(gè)端口對(duì)稱(chēng)且互易第四十三頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四十四頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四十五頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3)電阻性功率分配器根據(jù)三端口網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)含有有耗元件的時(shí)候，可以將所有端口實(shí)現(xiàn)匹配。如圖所示，其端口均接Z0的特性阻抗，從接頭看，其端口阻抗Z為：等分三端口電阻性功率分配器第四十六頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四十七頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四十八頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四Wilkinson微帶功分器T型接頭的確定是三個(gè)端口不能同時(shí)做到匹配，輸出端口之間沒(méi)有任何隔離，電阻性功率分配可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)端口完全匹配，但是輸出端口之間仍然達(dá)不到隔離要求，由三端口的網(wǎng)絡(luò)特性可以知道，有耗元件能實(shí)現(xiàn)端口完全匹配且輸出端口之間具有隔離。功率分配器中大功率微波功分器采用波導(dǎo)或同軸線(xiàn)結(jié)構(gòu)，中小功率則采用帶狀線(xiàn)或微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)即(Wilkinson功率分配器)。右圖是微帶三端口功分器原理圖。信號(hào)由1端口(所接傳輸線(xiàn)的特性阻抗為Z0)輸入，分別經(jīng)過(guò)特性阻抗為Z02、Z03的兩段微帶線(xiàn)從2和3端口輸出，負(fù)載電阻分別為R2及R3。兩段傳輸線(xiàn)在中心頻率時(shí)電長(zhǎng)度均為

=/2，它們之間沒(méi)有耦合。微帶三端口功分器原理圖第四十九頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四功分器應(yīng)滿(mǎn)足下列條件：2端口與3端口的輸出功率比可為任意指定值；

1端口無(wú)反射；

2端口與3端口的輸出電壓等幅、同相。

由于2端口、3端口的輸出功率與輸出電壓的關(guān)系分別為：如由條件(1)要求輸出功率比為：第五十頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四按條件(3)，由上式可得若取，則有由條件(2)，即1端口無(wú)反射，所以要求由Zin2與Zin3并聯(lián)而成的總輸入阻抗等于Z0。如圖由于在中心頻率處電刻度

=/2，Zin2=Z022/R2，Zin3=Z032/R3為純電阻，則端口1的輸入導(dǎo)納為：如以輸入電阻表示功率比,則：可解得：第五十一頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四8.4四端口元件即具有四個(gè)端口波導(dǎo)、微帶、同軸接頭的器件，如雙T、魔T、定向耦合器和混合電橋等等。1、無(wú)耗互易四端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)第五十二頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五十三頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五十四頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五十五頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五十六頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五十七頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五十八頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五十九頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第六十頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2、定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)

耦合器的對(duì)稱(chēng)性指標(biāo)種類(lèi)和結(jié)構(gòu)

第六十一頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第六十二頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第六十三頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四定向耦合器一般屬于四端口網(wǎng)絡(luò)，它有輸入端、直通端、耦合端和隔離端，分別對(duì)應(yīng)右圖所示的1、2、3和4端口。定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、隔離度(或方向性)、輸入駐波比和工作帶寬。

(一)

耦合度C耦合度C定義為輸入端的輸入功率P1與耦合端的輸出功率P3之比的分貝數(shù)，即（dB)第六十四頁(yè)，共七十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四由此可見(jiàn)耦合度的分貝數(shù)愈大耦合愈弱。通常把耦合度為-10~0dB的定向耦合器稱(chēng)為強(qiáng)耦合定向耦合器；把耦合度為-20~-10dB的定向耦合器稱(chēng)為中等耦合定向耦合器；把耦合度小于-20dB的定向