7 常用微波元件

0 0 1 1 0 0 −1 [S] = 2 1 −1 0 1 1 0
1 1 0 0
二、同轴线的分支元件
2，3等功率输出
2，3不等功率输出
同轴线功率分配器
三、微带功率分配器
右图是微带三端口功分器原理 图。信号由1端口(所接传输线的 特性阻抗为Z0)输入，分别经过特 性阻抗为Z02、Z03的两段微带线从 2和3端口输出，负载电阻分别为 R2及R3。K为分配系数。 3 = K 2 P2 P 功分器满足下列条件： (1) 2端口与3端口的输出功率比可为任意指定值； (2) 1端口无反射； (3) 2端口与3端口的输出电压等幅、同相。
Pi A = 10log Po dB
衰减器可以分为吸收衰减器、截止衰减器和极 化衰减器三种 1、吸收式 在波导内放入与电场方向平行的吸收片，当微波 能量通过吸收片时，将吸收一部分能量而产生衰减， 这种衰减器称为吸收衰减器，如图所示。
2、截止式
截止衰减器是在传输线中插入一小段横向尺寸较小的传输 线段，使电磁波在这一小段传输线内处在截止状态下传输，即 电磁波经过这段传输线后微波能量很快衰减，控制截止传输线 的长度，就可以调节衰减量的大小，如图所示。
对于普通的双T接头，由于连接处结构突变，即使双T各臂 均接匹配负载，接头处也会产生反射，为了消除反射，通常 在接头处加入匹配元件(如螺钉、膜片或锥体等)，就可以得 到匹配的双T，它具有下列重要性质：
匹配特性：在理想情况下，它的四个端口是完全匹配的，只要1和 (1) 匹配特性：在理想情况下，它的四个端口是完全匹配的，只要 和 2端口能调到匹配，3和4端口一定匹配，即S11=S22=S33=S44=0 ； 端口能调到匹配， 和 端口一定匹配 端口一定匹配， 端口能调到匹配 隔离特性： 端口具有隔离特性时， (2) 隔离特性 ： 当 3和4端口具有隔离特性时， 即 S34=S43=0 ， 则 1和2端 和 端口具有隔离特性时 和 端 口也具有隔离特性， 口也具有隔离特性，即S12=S21=0； 平分特性：当信号由3端口输入时 则反相等分给1和 端口 端口输入时， 端口， (3) 平分特性：当信号由 端口输入时，则反相等分给 和2端口，即S13 当信号由4端口输入时 同相等分给1和 端口 端口输入时， 端口， = -S23 ； 当信号由 端口输入时 ， 同相等分给 和 2端口， 即 S14 = S24 ； 当信号由1端口输入时 则同相等分给3和 端口 端口输入时， 端口， 当信号由 端口输入时，则同相等分给 和4端口，即S31 = S41；当信号 端口输入时， 端口， 故匹配双T 由2端口输入时，则反相等分给 和4端口，即S32 = -S42。故匹配双T的 端口输入时 则反相等分给3和 端口 散射参量矩阵为
矩形波导中垂直于宽边的金属圆棒，直径越大，感抗越小； 直径越小，感抗越大。采用多根销钉可减小感抗。
销钉
五、调谐螺钉
和前几者不一样，螺钉插入波导的深度可以调节 深度可以调节，电纳 深度可以调节 的性质和大小可随之改变，使用方便，是小功率微波设备中 常采用的调谐和匹配元件。
螺钉及等效电路
一般工作在容性状态下
3、极化式
极化衰减器是在圆波导里面放置可以旋转的吸收片，通过 旋转吸收片的角度，改变极化角度，从而改变极化的匹配程度， 达到衰减的目的。控制吸收片的极化角和来波的极化角度，可 实现0～∞的衰减。
二、移相器 移相器 移相器是对电磁波只产生一定的相移而不产生能量 衰减的微波元件，它是一个无反射、无衰减的二端口 网络，其散射矩阵为
二、电感膜片 电感膜片 矩形波导中的电感膜片及其等效电路如图所示。当在波导 窄壁上放置金属膜片后，会使波导宽壁上的电流产生分流，于 是在膜片的附近必然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这 种膜片称为电感膜片。
电感膜片及其等效电路
电感膜片电纳的近似计算公式为
λP ~ 2 πa ′ B=− cot a 2a
波导 接头
二、转接元件 在将不同类型的传输线或元件连接时，不仅要考虑阻抗匹配， 而且还应该考虑模式的变换。 1、传输线尺寸变换器 、 作用：连接特性阻抗相同但尺寸不同的两个同轴线， 采用锥形设计，降低反射
同轴线尺寸变换器
2、阻抗变换器 目前主要是渐变式阻抗变换器。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λ/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。
2、短路器 短路器
作用：将电磁能 量全部反射回去。 将同轴线和波导 终端短路，即分 别成为同轴线和 波导固定短路器。
对匹配负载的基本要求是： （1）接触处反射小，电接触良好 （2) 反射系数模值为接近1，传输功率大时不 跳火
7.5 衰减器和移相器
衰减器和移相器均属于二端口网络。 衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减； 移相器的作用是对通过它的微波信号产生一定的相移但不产 生衰减。 一、衰减器 衰减器 理想的衰减器应是只有衰减而无相移的二端口网络，其散射矩 阵为 0 e −αl [ S ] = −αl e 0 衰减器的衰减量表示为：
第7章 常用微波元件
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。
7.1 波导中的电抗元件
电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中磁场和 存储磁能的元件；而电容器是指能够集中电场和存储电能的元 件。 一、电容膜片 在矩形波导的横向放置一块金属膜片，在其上对称或不对 称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，如图所示。
电容膜片及其等效电路
电纳的计算公式为
~ 4b πb ′ ln csc B= λ p 2b
7.2 连接元件
在微波技术中，把相同类型传输线连接在一起的装置统称为 接头。常用的接头有同轴接头和波导接头两种。把不同类型的 传输线连接在一起的装置称为转接元件，又称作转换接头。常 用的有同轴线与波导、同轴线与微带线、波导与微带线间的转 接元件。 一、接头 接头 对接头的基本要求是：连接点接触可靠，不引起电磁的反射， 输入驻波比尽可能小（一般在1.2以下）；工作频带要宽；电磁 能量无泄漏；结构牢固，装拆方便，易于加工等。
1、波导的T形接头 波导的T 矩形波导的T形接头有E-T接头和H-T接头两种，如图所示。其中 E-T接头的分支波导宽面与主波导中TE10模的电场所在平面平行； H-T接头的分支波导的宽面与主波导中TE10模的磁场所在的平面平 行。
矩形波导的T 矩形波导的T形接头
对于波导的T形接头，我们把主波导的两臂分别称为1和 端 对于波导的T形接头，我们把主波导的两臂分别称为 和2端 分支臂称为3端口 分析波导的T形接头的工作特性， 端口。 口，分支臂称为 端口。分析波导的T形接头的工作特性，可利 用波导中TE 模的电场分布来分析。 接头和H 接头中TE 用波导中TE10模的电场分布来分析。E-T接头和H-T接头中TE10模 的电场分布分别如图所示。 的电场分布分别如图所示。
阻抗变换器
3、同轴线-波导转接器 同轴线作用：实现微波信号在同轴线和波导之间传递。 作用：实现微波信号在同轴线和波导之间传递。
4、矩形波导圆波导模式变换器 、矩形波导
大多采用波导横截面的逐渐变化来达到模式的变换。
主要作用：功率分配，又叫功分器， 主要作用：功率分配，又叫功分器，大功率微波功分器采用波导或 同轴线结构，中小功率则采用微带线结构。 同轴线结构，中小功率则采用微带线结构。 一、波导的分支元件
匹配双T 二、 魔T（匹配双T）
将具有共同对称面的E-T接 头和H-T接头组合起来，即构 成普通双T接头，如右图所示。
双T接头可等效为一个可逆无耗四端口网络，其散射参量矩 阵为
S11 S [ S ] = 12 S13 S14 S12 S11 − S13 S14 S13 − S13 S 33 0 S14 S14 0 S 44
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。 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。
Z 03 = Z 0 1 + K 2 / K 3
(
)
Z 02 = Z 0 K 1 + K 2
(
)
K 2 +1 R= Z0 K
7.4、终端元件 终端元件
传输线终端所接元件称为终端负载，常用的终端负载有匹配 负载和短路负载两种。匹配负载是将所有的电磁能量全部吸收 而无反射；而短路负载是将所有的电磁能量全部反射回去，一 点能量也不吸收 1、 匹配负载 、 匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在 传输系统工作于行波状态时，都要用到匹配负载。 对匹配负载的基本要求是： （1）有较宽的工作频带， （2) 输入驻波比小和一定的功率容量。
E-T接头具有下列特性： 接头具有下列特性： 当信号从3端口输入时 端口输入时， 端口有等幅反相输出， (1) 当信号从 端口输入时，则1和2端口有等幅反相输出，用散 和 端口有等幅反相输出 射参量表示则有： S13 = -S23； 射参量表示则有： 由于1和 端口在结构上对称 故有： 端口在结构上对称， (2) 由于 和2端口在结构上对称，故有：S11 = S22； 当信号由1和 端口等幅同相输入时 端口等幅同相输入时， 端口无输出 端口无输出； ( 3) 当信号由 和2端口等幅同相输入时，3端口无输出；反过 当信号由1和 端口等幅反相输入时 端口等幅反相输入时， 端口输出最大 端口输出最大。 来，当信号由 和2端口等幅反相输入时，3端口输出最大。 H-T接头具有下列特性： 接头具有下列特性： 当信号从3端口输入时 端口输入时， 和 端口有等幅同相相输出 端口有等幅同相相输出， ( 1) 当信号从 端口输入时，则1和2端口有等幅同相相输出， 用散射参量表示则有： 用散射参量表示则有： S13 = S23； 由于1和 端口在结构上对称 故有： 端口在结构上对称， (2) 由于 和2端口在结构上对称，故有：S11 = S22； 当信号由1和 端口等幅同相输入时 端口等幅同相输入时， 端口输出最大 端口输出最大； ( 3) 当信号由 和2端口等幅同相输入时，3端口输出最大；反 当信号由1和 端口等幅反相输入时 端口等幅反相输入时， 端口无输出 端口无输出。 之，当信号由 和2端口等幅反相输入时，3端口无输出。