16常用微波器件.

等效网络法只研究了非均匀区对传输系统的宏观影响，并不涉及非均匀区内部的电磁场特性。因此，如果要设计微波元、器件，也许就不得不利用解析方法、近似方法、数值计算方法等求解非均匀区内部的电磁场得到其等效网络特性。一个微波系统通常包含微波传输线和微波部件。微波部件的功能是对微波能量或微波信号进行处理和变换。微波元器件又可分为线性互易，线性非互易，非线性和有源器件四大类。一、线性互易元件这类元件内部只有线性、互易物质，它们只能对微波能量或微波信号进行线性处理和线性变换。这里所说的“线性”是指元件不能做频率或频谱的变换。常见的线性互易元件有：匹配负载，衰减器，移相器，功率分配器，定向耦合器，阻抗匹配器(可调)，阻抗变换器(不可调)，短路活塞，滤波器，微波电桥等等。二、线性、非互易元件线性、非互易元件内部的媒质是线性的，但具有各向异性。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。常见的线性非互易媒质有磁化铁氧体，磁化等离子体，晶体等等。线性、非互易元件也不能做频率或频谱的变换，它们的主要特征是可以区别沿不同方向传输的导行电磁波。常见的线性、非互易元件有：隔离器，环行器等。三、非线性元器件非线性元件内部有非线性物质，能对微波的频率或微波信号的频谱进行变换。常用的非线性元、器件有：调制器，检波器，混频器，倍频器等等。四、有源器件微波有源器件可以产生微波能量或对微波信号进行放大。常见的有源器件有：振荡器，放大器，微波管等等。常见的微波系统均由传输线和上述器件组合而成。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。对微波元件的基本要求：※损耗※输入驻波比※工作频带尽可能宽※功率容量※结构※特殊元件的特殊要求微波元件是用导行系统做成的，种类繁多。按导行系统结构分：可分为波导型、同轴线型、微带线型等；按工作波型分：可分为单模元件和多模元件；按作用分：可分为连接元件、终端元件、匹配元件、衰减与相移元件、分路元件、滤波元件等。按端口分：可分为一端口元件、二端口元件、三端口元件、四端口元件、五端口元件、六端口元件等。信标和信号信标差信号信标分离器带阻滤波器双工器方圆转换器极化变换器高次模耦合器信标信标魔T滤波器定向耦合器跟踪接收机伺服控制系统驱动系统旋转关节发送波接收设备天馈系统原理框图常用的矩形波导分支有E面分支、H面分支、双T接头及魔T等，此外还有同轴线分支、微带线分支等。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。E-T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2端口，分支臂称为3端口。分析波导的T形接头的工作特性，可利用波导中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。H-T接头1、E面分支（E-T接头）（1）（2）（3）（1）（2）（3）当信号由端口1输入时，端口2和3都有输出。当信号由端口2输入时，端口1和3都有输出。1、E面分支（E-T接头）当信号由端口3输入时，端口1和2等幅反相输出。用散射参量表示则有：S13=-S23；由于1和2端口在结构上对称，故有：S11=S22；（2）（1）（3）1、E面分支（E-T接头）（1）（2）（3）当信号由1和2等幅同相输入时，端口3没有输出。（2）（1）（3）当信号由1和2等幅反相输入时，端口3输出最大。1、E面分支（E-T接头）E—T接头的特性可用S矩阵表示。E—T接头使用时多由端3输入，假定端口3匹配（S33＝0)，由于结构对称．端口1和2的驻波比应相等(S11＝S22)，于是E—T接头的S矩阵可以写成11121312112313230SSSSSSSSS11122211122211022S当信号由端口3输入时，端口1和2等幅同相输出。即：S13=S23；由于1和2端口在结构上对称，故有：S11=S22；（1）（3）（2）2、H面分支（H-T接头）当信号由1和2等幅反相输入时，端口3无输出。（1）（3）（2）2、H面分支（H-T接头）当信号由1和2等幅同相输入时，端口3输出最大。（3）（1）（2）1.E面T和H面T—分路元件3221133442E面TH面T串接元件并接元件①端输入，②和③端功率平分，相位相反。用于和差：②和③同相等幅输入，①端无输出②和③反相等幅输入，①端输出最大。④端输入，②和③端功率平分相位相同。用于和差：②和③端同相等幅输入，④端输出最大；②和③端反相等幅输入，④端无输出将E-T和H-T组合起来，即得到双T接头，它保持了E-T和H-T接口的特性。3和4是相互隔离的。3、双T接头普通双T接头的特性总结起来为：1)E臂输入，两主臂“1”，“2”等幅反相输出，H臂无输出2)H臂输入，两主管“1”，“2”等幅同相输出，E臂无输出3)主臂“1”，“2”等幅反相输入，E臂输出，H臂无输出；4)主臂“l”，“2”等幅同相输入，H臂输出，E臂无输出。波导魔T是匹配的双T，由双T波导接头处加入匹配元件(螺定膜片或小锥体)构成，如图所示为波导魔T的两种结构。4、魔T元件魔T元件再让“1”，“2”，“4”三个端口均接匹配负载，TE10波自E臂输入，在分支交叉区的E臂中加入一感性膜片，使其产生一新的反射与接头处的反射相抵消。由于膜片与E臂中的电场力线相平行而与H臂中的电场力线相垂直，故仅对E臂中的场有反射作用，而对H臂的场无影响。膜片的大小、厚度及位置由实验调整确定。4、魔T元件魔T元件当“1”，“2”，“3，，三个端口均接匹配负载时，让TE10波自H臂输入，在分支交叉区对称面上插入一根金属圆棒，使其与H臂中TEl0模的电场力线相平行，而与E臂中TEl0模的电场力线相垂直，故此棒的存在仅对H臂中的场有影响，面对E臂中的场几乎不起作用。调整此棒的粗细、位置及插入深度，使H臂端口呈匹配状态，然后锁紧。魔T元件魔Ｔ特性可以看作是E-T和H-T的结合，也可能看作是特殊的3dB桥。001110011110021100S魔T4、魔T元件魔T具有如下重要特性：①四个端口完全匹配；②不仅E臂和H臂相互隔离，而且两侧臂(即1、2臂)也相互隔离；(3)进入一侧臂的信号，将由E臂和H臂等分输出，而不进入另一侧臂；④进入H臂的信号，将由两侧臂等幅同相输出，而不进入E臂；⑤进入E臂的信号，将由两侧臂等幅反相输出，而不进入H臂；(6)若两侧臂同时加入信号，E臂输出的信号等于两输入信号相量差的倍；H售输出的信号则等于两输入信号相量和的倍。2/12/1魔T元件4、魔T元件由于有第(6)特性，所以魔T的E臂常称为差臂，H臂则常称为和臂。魔T在微波技术中有着广泛的应用，可用来组成微波阻抗电桥、平衡混频器、功率分配器、和差器、相移器、天线双工器、平衡相位检波器、鉴频器、调制器等。魔T元件应用4、魔T元件魔T元件应用4、魔T元件在接收机混频电路中，为使本振信号与接收信号隔离，可将它们分别接在魔T的E臂和H臂上。主线的两臂中装接混频晶体。本振信号和接收信号都能以相等的幅度，适当的相位加在两晶体上进行混频。其差频信号送至中频电路进行放大。魔T元件应用4、魔T元件由H臂输入的信号被等幅、同相地分到“1”，“2”两臂中，“1”端口接已知可变阻抗Z0，“2”端口接被测阻抗Zx。若Zx与Z0相等，则反射波等幅同相，E臂不会有输出，指示器的指示值为零。若Zx与Z0不等，则由此引起的反射波不仅不同相，且幅度也不等，因此E臂中有输出，指示不为零，此时可调整已知阻抗Z0，直至指示器指示为零、则所测阻抗Zx便等于调整后的已知阻抗Z0定向耦合器是一种具有方向性的功率分配器，它能从主传输系统的正向波中按一定比例分出部分功率，并基本上不从反向波中分出功率。因此利用定向耦合器可以对主传输系统中的入射波和反射波分别进行取样。定向耦合器用于监视功率、频率和频谱；把功率进行分配和合成；构成雷达天线的收发开关、平衡混频器和测量电桥；测量反射系数和功率等。定向耦合器分类及构成思想定向耦合器一般属于四端口网络，它有输入端、直通端、耦合端和隔离端，主线的两个端口为“1”和“2”，副线的两个端口为“3”和“4”。两线间有一定的耦合机构。当功率由端口“1”输入时，一部分功率从直通端口“2”输出；还有一部分功率耦合到副线中，利用各分波的场矢量叠加或波程差，设法使耦合到副线中的波在其中一端口同相叠加形成耦合口，而在另一端口反相抵消形成隔离口。至于端口“3”和“4”中谁为耦合口谁为隔离口，这取决于定向耦合器的耦合机构。通常在隔离端口外接匹配负载。定向耦合器分类及构成思想定向耦合器就是用于监测功率的一例，它从微波信号发生器至负载的主传输线中取出一小部分功率输至功率监测器，只要知道耦合强弱便可由监测器的功率读数得知信号发生器的输出功率。定向耦合器分类及构成思想用反射计测量反射系数的系统示意图，其中有两个以相反方向接入主线的具有高方向性的定向耦合器，各自按同一比例取出入射与反射波中的一小部分功率，经检波后输入到“比值计”使可在经过校准的仪表卜读出反射系数的大小(幅值)。定向耦合器分类及构成思想四端口网络基本性质性质1无耗互易四端口网络四个端口可以完全匹配。即：044332211SSSS并且为一理想的定向耦合器；即若（1）端口为输入口，则中必有一个为0。141312,,SSS四端口网络基本性质性质2具有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四个端口均匹配。或者说，四个端口均匹配是定向耦合器的充分条件，而不是必要条件。四个端口均匹配理想的定向耦合器性质3对于无耗互易四端口网络，有两个端口匹配且相互隔离，则该四端口网络必为一理想定向耦合器，且其余两个端口匹配并相互隔离。定向耦合器的技术参数定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件。主要技术指标有耦合度、隔离度(或方向性)、输入驻波比和工作带宽。三者之间的关系：DCI耦合度lg10C输入功率耦合口输出功率(dB)隔离度lg10I隔离口输出功率输入功率(dB)方向性lg10D耦合口输出功率隔离口输出功率(dB)定向耦合器的技术参数以同向定向耦合器为例，写出散射参数与技术参数之间的关系为：耦合度)(lg201lg10lg103123131dBSSPPC隔离度方向性313314144110lg10lg20lg()SPPPDdBPPPS141410lg20lg()PISdBP理想定向耦合器的，即具有无限大的隔离度和方向性。014S定向耦合器的技术参数输入驻波比将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载时，输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。此时，网络输入端的反射系数即为网络的散射参量S11，故有111111SS频带宽度频带宽度是指耦合度、隔离度(或方向性)及输入驻波比都满足指标要求时，定向耦合器的工作频带宽度，简称工作带宽。大多数波导定向耦合器的耦合都是通过在主、副波导间公共壁上的耦合孔来实现的。通过耦合孔将主波导中的电磁能量耦合到副波导中，并具有一定的方向性。副波导各端口输出功率的大小，决定于耦合孔的大小、形状和位置。波导定向耦合器的种类很多，最常用的波导定向耦合器有：单孔、多孔和十字孔定向耦合器。其中图(a)为宽壁斜交单孔耦合器，图(b)为多孔定向耦合器，图(c)为十字孔定向耦合器。1、波导定向耦合器常用定向耦合器最简单的双孔定向耦合器，是在两个波导的公共窄壁上开有形状、尺寸完全相同、相距d为p0/4的两个耦合孔，如下图所示。这种定向耦合器的定向性是由各孔耦合波相互干涉而得到的，只要控制耦合孔的大小，形状以及两耦合孔的距离，使耦合波在一个方向上同相叠加而有输出，在另一个方向上反相叠加而无输出或减小输出，从而获得定向性。1、波导定向耦合器常用定向耦合器常用定