微波技术基础微波元器件第六章

上式取模为

1
2 2 Z Z 0 L 1 sec ZL Z0 12
在中微波技术》
ZL Z0 2 Z0 ZL
cos
6-2 变换元件---阻抗变换器
当 = 0时，此时反射系数的模达到最大值，可以画出 随 变化的 曲线，如图所示。 随 (或频率)作周期变化，周期为。如果设 Γ m 为反 射系数模的最大容许值，则由/4阻抗变换器提供的工作带宽对应于图中 限定的频率范围。由于当 偏离时曲线急速下降，所以工作带宽是很窄 的。
《微波技术》
6-2 变换元件---阻抗变换器
当 m时
m arccos
2 1
m 2 m
Z0 ZL
Z L Z0
通常用分数带宽Wq表示频带宽度，Wq与 m有如下关系
f 2 f1 2 1 π m m 4 Wq 2 m f0 0 π2 π
当已知ZL 和Z0，且给定频带内容许的 m 时，则由式可计算出相对 带宽Wq值；反之，若给定Wq值，也可求出变换器的 m，计算中 m取小 于/2的值。
对于单一频率或窄频带的阻抗匹配来说，一般单节变换器提供的 带宽能够满足要求。但如果要求在宽频带内实现阻抗匹配，那就必须 采用下面要讨论的多节阶梯阻抗变换器或渐变线阻抗变换器。 《微波技术》
当Γ0, Γ1, … 等值给定时, 上式右端为余 弦函数cosθ的多项式, 满足|Γ|=0的cosθ 有很多解, 亦即有许多λg使|Γ|=0。这就 是说，在许多工作频率上都能实现阻抗匹 配, 从而拓宽了频带。显然, 阶梯级数越 多, 频带越宽。
6-2 变换元件---阻抗变换器
三、渐变线阻抗变换器 所谓渐变线，是指其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线的 特性阻抗过渡到另一条传输线的特性阻抗。 只要增加/4阶梯阻抗变换器的节数，就能增宽工作频带。然而， 节数的增加，导致变换器的总长度也随之增加。如果选用渐变线，则 既可增宽频带又不致使变换器尺寸过大。 渐变线可以看作是由阶梯数目无限增多而每个阶梯段长度无限缩 短的阶梯变换器演变而来，如图所示。 渐变线输入端总的反射系 数in为
2 zin ( z) Zin ( z ) [ Zin ( z ) Zin ( z ) jZin ( z )][1 z ] z( z )
忽略高阶无穷小量, 并整理可得
2 dzin ( z ) zin j [ z( z )] dz z( z )
若令电压反射系数为Γ(z), 则
《微波技术》
微波元件的功能在于对微波信号进行各种变换，按其变换性质可将 微波元件分为如下三类。 一、线性互易元件 凡是元件中没有非线性和非互易性物质都属于这一类。常用的线 性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、 微波电桥、定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。
二、线性非互易元件
这类元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质，具有非互易特性， 其散射矩阵是不对称的。但仍工作于线性区域，属于线性元件范围。 常用的线性非互易元件有隔离器、环行器等。 《微波技术》
l
Em in

Eu 6 .4 mm O 1
y Ev
Eu Ev z －x (b ) 2
2R＝ 61.9 mm
1
3 mm
2
5 1对 (a )
6-2 变换元件---阻抗变换器
为了消除不良反射现象，可在其间接入一阻抗变换器，以获得良好 的匹配。
常用的阻抗变换器有两种：一种是由四分之一波长传输线段构成的 阶梯阻抗变换器(包括单节和多节)；另一种是渐变线阻抗变换器。
T0面上总的电压反射系数为 U r 0 1e j2 2e j4 Ui 然而在多节阶梯的情况下，由于多节突变面数目增多，参与抵消 作用的反射波数量也增多，从而在m相同的条件下，使工作频带增 宽。 对于N节阶梯变换器
2e jN 0 cos N 1 cos N 2
其结构如右下图所示。
《微波技术》
6-2 变换元件---转接元件
3.同轴线微带转接器
同轴线微带转接器的结构如 图所示。与微带连接处的同轴线 内导体直径的选取与微带线的特 性阻抗有关，通常使内导体直径 等于微带线宽度。
4.矩形波导圆波导模式变换器
矩形波导 圆波导模式变 换器，大多采用波导横截面的 逐渐变化来达到模式的变换。 《微波技术》

《微波技术》
如果参考面上局部电压反射系数对称选取,
Γ0=ΓN
Γ1=ΓN-1 Γ2=ΓN-2
则输入参考面T0上总电压反射系数Γ为
0 1e j 2 2 e j 4 ... N 1e j 2( N 1) N e j 2 N (0 N e j 2 N ) (1e j 2 .N 1e j 2( N 1) ) ...
常用的线-圆极化转换器有两种: 多螺钉极化转换 器和介质极化转换器。 这两种结构都是慢波结构, 其相速要比空心圆波导小。如果变换器输入端输入 的是线极化波, TE11模的电场与慢波结构所在 平面成45°角, 这个线极化分量将分解为垂直和平 行于慢波结构所在平面的两个分量Eu和Ev, 它们在 空间互相垂直, 且都是主模TE11, 只要螺钉数足够 多或介质板足够长, 就可以使平行分量产生附加 90° 的相位滞后。 于是，在极化转换器的输出端 两个分量合成的结果便是一个圆极化波。至于是左 极化还是右极化，要根据极化转换器输入端的线极 化方向与慢波平面之间的夹角确定。
Z0
L 2
0
z
z＋z
L 2
z
[ Zin ( z ) Zin ( z )] jz( x ) tan(z ) Zin ( z ) Z ( z ) j[ Zin ( z ) Zin ( z )] tan(z )
式中, β为渐变线的相移常数。当βΔz→0时, tanβΔz≈βΔz, 代 入上式可得
l
1 l j2 z d[ln Z ( z )] in d in e dz 0 2 0 dz
《微波技术》
设渐变线总长度为L, 特性阻抗为Z(z), 并建立如图所示坐标, 渐变线
上 任 意 微 分 段 z→z+Δz, 对 应 的 输 入 阻 抗 为 Zin(z)→Zin(z)+ΔZin(z), 由传输线理论得
6-2 变换元件---阻抗变换器
二、多节阶梯阻抗变换器 多节阶梯阻抗变换器具有宽频带特性，现以下图所示的两节 /4阶 梯阻抗变换器为例进行分析。令变换器两端所接传输线的特性阻抗分别 为Z0和ZL，并假设ZL > Z0。每一节具有同样的长度l = p0/4，当工作于中 心频率f0时，电长度 = l = /2。T0、T1及T2为各阶梯处的参考面，0、 1及2分别为对应参考面上的局部电压反射系数。设两节/4传输线段 的特性阻抗分别为Z1和Z2，且ZL > Z1 > Z2 > Z0，则局部电压反射系数分 别为
b
a
R
(c)
R
6-2 变换元件---转接元件
微波从一种传输系统过渡到另一种传输系统时，需要用转换器。在将不同类型的
传输线或元件转接时，不仅要考虑阻抗匹配，而且还应该考虑模式的变换。
1.同轴线波导转换器
连接同轴线与波导的元件，称为 同轴线波导转换器，其结构如 右上图所示。
2.波导微带转接器
通常在波导与微带线之间加一段 脊波导过渡段来实现阻抗匹配，
Z1 Z 0 0 Z1 Z 0
《微波技术》
Z 2 Z1 1 Z 2 Z1
2
Z L Z2 Z L Z2
(a )
(b )
(c)

Z0 T0 Ze1 T1

Ze2 T2

ZeN TN Zl
6-2 变换元件---阻抗变换器
T0参考面上
Ur 0Ui 1Ui e j2 2Ui e j4
当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，用波导扭转 元件; 当需要改变电磁波的方向时，可用波导弯曲。波导弯曲可 分为 E 面弯曲和 H 面弯曲。 为了使反射最小 , 扭转长度应为 (2n+1)λg/4, E面波导弯曲的曲率半径应满足R≥1.5b, H面弯 曲的曲率半径应满足R≥1.5a。
a l b (a ) (b )
zin ( z ) z ( z ) ( z ) zin z ( z )
代入式(5 -1 -9)并经整理可得关于Γ(z)的非线性方程 d( z ) 1 d ln z ( z ) 2 j 2 ( z ) [1 ( z )] 0 dz 2 dz
三、非线性元件 这类元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换，从而 引起频率的改变，并能通过电磁控制以改变元件的特性参量。常用的非 线性元件有检波器、混频器、变频器以及电磁快控元件等。 微波元件分类：
微波元件
波导型
同轴型
微带型
近年来，为了实现微波系统的小型化，开始采用由微带和集中参 数元件组成的微波集成电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组 成复杂的微波系统，完成各种不同功能。 《微波技术》
另一类转换器是极化转换器, 由于在雷达通信和电子干扰中经常用
到圆极化波, 而微波传输系统往往是线极化的, 为此需要进行极 化转换, 这就需要极化转换器。由电磁场理论可知, 一个圆极化 波可以分解为在空间互相垂直、相位相差90°而幅度相等的两 个线极化波; 另一方面, 一个圆极化波也可以分解为在空间互相 垂直、大小相等、相位相同的两个线极化波 , 只要设法将其中 一个分量产生附加90°相移, 再合成起来便是一个圆极化波了。
第六章 常用微波元件
无论在哪个频段工作的电子设备, 都需要各 种功能的元器件, 既有如电容、电感、电阻、 滤波器、分配器、谐振回路等无源元器件, 以实现信号匹配、 分配、 滤波等; 又有晶 体管等有源元器件, 以实现信号产生、放大、 调制、变频等。微波系统也不例外地有各种 无源、有源元器件, 它们的功能是对微波信 号进行必要的处理或变换, 它们是微波系统 的重要组成部分。