第五章无源微波电路

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图 5. 4 接触式短路活塞 (a) 波导结构 (b) 同轴结构
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图5. 5为同轴线S形扼流活塞结构，在此结构中，主要是 利用传输线归一化阻抗1/4波长的倒置性来实现等效短路。
图5.5 同轴线S形扼流活塞
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研究图中的S形扼流结构，a点是短路点,a-b间是一段特性阻 抗为Zc1的同轴线，其长度是1/4波长，所以b点是开路点,b-c间 又是一段同轴线，其特性阻抗为Zc2，长度仍是1/4波长，所以c 点是等效短路点。c点虽无机械接触，但等效短路，由于无机械 接触，因而移动活塞时不会磨损金属内壁，这是它最大的优点， 所以尽管结构复杂些，但仍然得到广泛的应用。缺点是工作频 带不够宽。除了上面分析的a-b-c这条路外，还有a′-b′-c′， 这条路，它的原理是一样的。现在把a-b-c这条路画成图5. 6所 示的等效电路，设a点Za≈0，则阻抗变换关系将如下:
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5.6 模式抑制器
模式抑制器的功能是抑制传输线中不需要的模式，而让工 作模式顺利通过。当传输线的工作频率高于某几种模式的截 止频率时，在系统中可加入各种模式抑制器，以便实现单一 模式传输。 图5. 12(a)所示为圆波导TE01模式抑制器的结构示意图。 细导线绕成半径不等的圆环，把它们同心地安装在圆波导的 同一横截面上，由于环状导线平行于TE01模的电力线，所以 TE01模被反射而不能通过。图5. 12 (b)为圆波导TM01模式抑制 器结构示意图，细导线由圆心处辐射状安装，平行于 TM01模的横向电力线。
式中 当>>c时， 近似为常数，与工作频率无关，即
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图5. 9 截止式衰减器 (a) 结构示意图 (b) 衰减量L随距离l 线性变化
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这是一个非常重要的特点，圆波导的尺寸确定之后，TE11模 的截止波长可以精确计算，因而其衰减常数也可以精确计算， 当实验进行定标时可提供参考数据。同轴线与圆波导的耦合 是通过小环耦合来实现的，耦合的方式不同，起始衰减量也 就不同，功率衰减与移动距离的关系为
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图5. 3(c)给出了N型同轴接头的结构示意图，为了连接的需 要，N型接头有阴阳之分，左为阴接头，右为阳接头。
图 5. 3 波导接头和同轴接头 (a) 波导平接头 (b) 波导扼流接头 (c) N型同轴接头
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5.4 短路器
短路器的功能与匹配负载恰好相反，它不吸收入射波的任 何能量而使其产生全反射。 短路器分为固定式短路器和可移式短路器两种类型，其 中可移式短路器又称为短路活塞，而短路活塞又分为接触式 短路活塞和扼流式短路活塞。接触式短路活塞用富有弹性的 磷青铜片做成梳状接触片，由于接触点的频繁移动很容易使 波导内壁磨损，如果在大功率时使用，在磨损处可能会引起 打火现象。波导结构和同轴结构的接触式短路活塞分别如图5. 4(a)和(b)所示。
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微波铁氧体器件与其他微波器件相比有比较大的差异， 主要是它对不同方向传输的导波呈现出不同的衰减特性和相 移特性，称为不可逆特性或非互易特性，其原因在于该种器 件中的铁氧体材料在外加恒定磁场时呈现出各向异性。深入 研究这类材料与微波的相互作用，以及制作各种非互易器件， 构成了微波技术的一个专门分支。 微波谐振腔和低频电路中的谐振回路是非常相似的，但 又有所区别。本章讨论了谐振腔的基本参数，分析了金属矩 形腔、圆柱腔和同轴腔的特点，也分析了几种实用的微带谐 振腔和介质谐振腔，给出了若干实例阐明谐振腔激励耦合的 基本概念。微扰法是一种广泛应用的近似方法，本章以空腔 微扰为例介绍了如何应用微扰法研究空腔的微小形变对谐振 频率的影响。
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图 5. 8 可调波导衰减器(a) 横向 (b) 垂直
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5. 5. 2
截止式衰减器
同轴型圆波导TE11模截止式衰减器结构示意图如图5. 9(a) 所示。从图中可见，这种衰减器的输入、输出端是同轴线，中 间一段是圆波导，同轴线中工作模式为TEM波，圆波导中工作 模式为TE11模，TE11模的截止波长c=3.41R,这里R是圆波导段的 半径。若选择工作波长大于圆波导中TE11模的截止波长，使圆 波导段处于截止工作状态，那么TE11模的场是衰减的场，其场 的幅度沿z方向是指数衰减的，即
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当圆波导中的吸收片Ⅱ旋转为与水平面成θ角时，可将电 场E1分解为与吸收片Ⅱ垂直的E1分量和平行的E2分量，其中 E２分量的能量被吸收片Ⅱ吸收，E1分量通过，如图5. 11(b) 所示。 E1分量的大小为
当圆波导中的TE11模传输到吸收片Ⅲ处，其电场E1再次 被分解为平行分量E2′和垂直分量E1′，如图5. 11(c)所示。能通 过的E1′分量的大小为
5 无源微波电路
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5.1 引言
微波系统是由馈线、无源微波电路、有源微波电路以及天 线组成的。无源和有源微波电路的每种微波器件都具有其独特 的功能，了解它们的功能、结构及特性是十分必要的。 本章讨论无源微波电路中所用到的微波器件，列举一些常用 的从一端口到六端口的各种微波器件与电路。在介绍它们的结 构的同时，应用传输线理论、导波理论和网络理论分析器件的 工作原理和基本性能，并导出它们的散射参量。本章的内容是 前述四章理论的结合点，灵活运用这些理论分析微波器件的工 作原理和特性，可以使我们更深入地理解各种无源微波器件的 功能，并在分析的过程中进一步掌握场与路相结合的分析方法。
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一段长度为l 的模式抑制器，可视作二端口网络，当其制作 理想时，对被抑制的模式，其散射矩阵应为
而对顺利通过的工作模式，其作用如同一段均匀传输线，其散 射矩阵应为
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5.7.1 E-T和H-T分支
波导T形分支
在微波系统中，波导T形分支用来将功率进行分配或 合成，常见的有E-T分支和H-T分支，分别如图5.13(a)和(b) 所示。
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微波滤波器具有选频功能，在微波系统中得到了广泛的应 用。按功率衰减的频率特性分类，可分为低通、高通、带通和 带阻滤波器;按传输线类型分类，可分为波导型、同轴线型、 微带线型等不同结构类型的滤波器。本章对微波滤波器的综合 设计作了比较详细的介绍。
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5.2 匹配负载
匹配负载是微波系统中的一种终端器件。从能量的观点看， 在理想的情况下它能吸收入射波的全部能量而不产生反射，故 称作匹配负载。 从网络的观点看，匹配负载为单端口网络，它只有一个散 射参量，在理想的情况下s11 =Г=0。实际的匹配负载不可能是 理想的，总有小量反射波。在精密的测试系统中，希望驻波系 数达到ρ≤1. 02的水平，在一般的测试系统中也希望达到ρ<1. 1 的量级，大功率匹配负载还有一个非常重要的散热问题。 小功率的矩形波导匹配负载如图5. 1(b)所示，在一薄玻璃 片上镀一层镍铬合金的金属膜电阻，薄玻璃片放置在矩形波导 宽壁中央，其表面平行TE10波的电力线。这个带有金属膜电阻 的薄片称作吸收片。为了在宽频带内获得较好的匹配性能，吸 收片通常做成尖劈的形状，尖劈的长度一般为1-2个波长，这样， 驻波系数可以做到ρ<1.01-1.05。
衰减量为
式中，L(0)是起始衰减量，近似为常数，所以L(l)与l成线性 关系。当>>c时，很大，因此可具有很大的衰减量。截止 式衰减器是一电抗性器件，因此它工作在严重的失配状态。 为了解决这一问题，在截止式衰减器的输入端和输出端加入 固定吸收式匹配元件，例如盘形金属膜电阻。
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5. 5. 3 旋转极化式衰减器 旋转极化式衰减器结构示意图如图5. 10所示。
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图5.11 旋转极化式衰减器中各段电场示意图
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可见这种衰减器的衰减量为
上式表明衰减量L是吸收片Ⅱ旋转角度θ的函数，因而可以用 角度θ来定标衰减量，故旋转极化式衰减器是一种可以作为衰 减量标准的精密衰减器。 若该衰减器制作理想，即仅有吸收衰减而无反射衰减， 将其当作二端口网络，相应的散射矩阵应为
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大功率匹配负载通常采用水负载。流动的水作为吸收微波 能量的物质，同时把热量带走。其两种结构示意图如图5. 2所 示，在进水口和出水口处要加微波泄漏抑制装置。
无反射的微波暗室：尖 劈形的吸收材料装在室 内六壁上，用于模拟平 面波和球面波，研究辐 射和散射
图 5. 2
大功率匹配水负载
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5.3 波导接头和同轴接头
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另一种称之为扼流接头，或叫扼流法兰，如图5. 3(b)所 示。一个扼流接头和一个平接头相对连，由于图中所示的一 段长度为λ/2的终端短路线的作用，使得波导宽壁中央虽无 机械接触但却有良好的电接触。相对平接头而言，扼流接头 明显的不足之处是工作频带较窄，故对于宽频带工作的波导 系统，大都采用平接头连接。扼流接头主要用于大功率系统。 同轴线之间的连接可由同轴接头实现，常用的同轴接头 有N型、SMA和平接头等。
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图5. 6 S形扼流活塞等效电路
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根据上述阻抗变换关系，如能设法使得两段传输线的特性 阻抗之间满足关系式 ,即使Za并不等于零，只要其数 值比较小，仍能使Zc≈0。另一类可移短路器就是根据这样的原 理制作的，例如图5. 7所示哑铃形波导扼流式短路活塞。 短路器作为单端口网络，只有一个散射参量，在理想条件 下s11＝Г＝-1。
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图 5. 12 模式抑制器结构示意图 (a) TE01 (b) TM01 图5. 12(a)中的结构可以让TM01模顺利通过，故又名为 TM01模式滤波器，而图5. 12(b)中的结构又名为TE01模式滤波 器。由图不难发现，对被抑制的模式，该结构破坏其边界条 件，而对能通过的模式，该结构顺应其边界条件。
图 5.13 波导T型分支29
当分支波导在主波导的宽壁上，分支平面与主波导中 TE10波的电场E平行时，这种分支称为E-T分支；如果分支波 导在主波导的窄壁上，分支平面与主波导中 TE10 波的磁场 H 平行时，则称这种分支为H-T分支。下面首先定性地分析T形 分支的基本特性，然后由其特性求出它的散射矩阵。 将T型分支看作三端口网络，对各臂进行编号，主波导的 臂称作端口1和端口2，分支臂称作端口3，工作波型为TE10波， 根据边界条件可以大致地画出T形分支中的电场分布。图5.14 中的三张图画出了E-T分支中三种不同激励情况下的电场分布 示意图，需要说明的是，在波导非均匀处的场是非常复杂的， 这里仅是一种示意图。