无源微波元件解读

1.无耗网络Ｓ参数的关系？2.传输系数、插入衰减、回波损耗、插入相移与Ｓ参数之间的关系？3.无耗、互易、对称网络特性？4.同轴线、矩形波导、圆波导的主模？5.矩形波导TE10、圆波导TE11、TM01横截面的模式分布图复习第四章无源微波元件4.1微波电阻性元件—衰减器和匹配负载4.2几种简单不均匀性场的电抗性质4.3转换元件4.2.1膜片、谐振窗和销钉4.3.1同轴－波导转换器4.3.2矩形－圆波导转换器4.3.3波导微带转接器4.3.4同轴线微带转接器接头、方向元件、转换元件微波元件是微波系统的重要组成部分。了解各种微波元件的原理、结构和作用是十分必要的。本书仅讨论无源元件，且只择其部分常用的元件如匹配、转换、分支、定向耦合及铁氧体元件等加以介绍。如果从元件的结构类型考虑，则主要是介绍同轴和波导元件，也涉及部分微带元件。第四章无源微波元件4.1微波电阻性元件—衰减器和匹配负载在低频电路中可利用电阻这一消耗功率、吸收能量的元件构成分压器、分流器或电阻网络以控制沿线电压、电流的幅度；在微波波段欲实现类似的功能，如控制传输线内的传输功率，则需在传输线中接入衰减器。对波的吸收、反射或截止。根据构成衰减的机理不同可将衰减器分为吸收式和截止式二类。4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充第一，衰减器为双端口器件，一般接在传输线的始端或中间某一位置，而匹配负载为单端口器件，接在传输线终端。第二，衰减器只是部分吸收传输线中的功率以控制传输功率电平，而匹配负载要求无反射地吸收传输到终端的全部功率以建立传输系统中的行波状态。4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载至于匹配负载，本质上也属于吸收式衰减器，但两者又有区别：补充4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。对衰减器通常提出的要求有：一定的工作频带；较小的输入端驻波比；较小的起始衰减量以及确定的衰减－频率特性。当衰减器作为测量仪器的一个构成部件时，还应具有可靠的衰减－频率校正曲线。对匹配负载提出的主要要求有：宽工作频带、小输入驻波比及适当的功率容量。按其功率容量的大小可将匹配负载分为小功率和大功率两种。4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充衰减器的主要应用有：1)“去耦”，即消除负载失配对信号源的影响，这是保证微波系统稳定工作的重要措施；2)调节微波源输出功率电平。匹配负载主要用于建立传输系统中的行波状态。4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载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。(一)、吸收式补充4.1.1吸收式衰减器图4-1一种吸收式衰减器4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载图4-2吸收片的支撑杆补充图4-3另一种吸收式衰减器以上所述的吸收片可用玻璃、陶瓷或胶本等介质材料做基片。表面涂敷金属粉末、石墨粉或蒸发上镍铬合金等电阻材料。表面电阻约200～300Ω／cm2。为使性能稳定，通常还要浸渍一层氧化硅或氟化镁做保护层。4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充衰减器衰减量的大小用A表示，常以自然对数或常用对数来度量，单位分别为NP和dB。对于吸收式衰减器．设Ei和E0分别为衰减器的输入和输出电场强度，则，其中0AieEE或0ln(NP)iAEE020lg(dB)iAEE一般说来，吸收式衰减器的衰减量A与吸收片的位置及频率之间没有一个简单的数学关系，必须用功率计或标准衰减器进行点频定标，获得刻度-衰减量定标曲线以备查用。(4-1a)(4-1b)4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充4.1.2极化衰减器当旋转衰减片“2”与两端衰减片的夹角θ=0º时，衰减最小；当θ=90º时，衰减最大。即θ从0º～90º变化时，衰减量可从0～dB变化。另外，这种衰减器的衰减量A与旋转角θ的余弦的对数成正比，而与三个吸收片本身的衰减量(当然要求各自的衰减量足够大)无关。因此这种衰减器可作为一种定标的标准衰减器。但由于这种衰减器结构复杂，体积大，价格贵，故一般只作为衰减量的标准用来校刻其他衰减器或用于衰减量的精密测量。2020lg20lg40lgcos(dB)cosiininAEEEE(4-2)4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载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。补充4.1.3截止式衰减器截止式衰减器是利用波导的截止特性做成的。图中是一种截止式衰减器的结构示意图。这种截止式衰减器的主体是一段处于截止状态的圆波导，选择圆波导的半径满足截止条件11TE()3.413ca4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充这种截止场的磁场H沿圆波导纵向(z方向)呈指数律衰减，即，其中衰减系数α为输出同轴线通过一个小环与圆波导作磁耦合，圆波导中的TE11模截止场激励小环，使得一部分功率进入输出同轴线中，这部分功率正比于小环所在处的磁场强度的平方，即。zHe2221()ccc2zPe4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充设小环位于z=0处的起始位置时耦合到输出同轴线中的功率为P(0)=P0，则当输出同轴线被拉出到使小环处于z=l时的耦合功率为这也即为此时的输出功率，它相对于输入功率P1的衰减量为其中为z=0时的起始衰减量。220()lPPlPe001112002()10lg10lg10lg10lg()()(0)10lg(0)8.68(dB)lPPPPPAlPPPlPPlAeAl10(0)10lg(dB)PAP4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载0lz(0)A()AlA补充这种截止衰减器具有如下特点：1)衰减量(dB数)与移动距离l之间成线性关系，如图所示；因此这种衰减器也可作为标准衰减器。4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载0lz(0)A()AlA截止衰减器结构示意图补充2)当λc＜＜λ时，衰减系数α很大，移动不太长的一段距离，就可得到很大的衰减量，例如最大可达120dB。3)由于截止圆波导中不存在吸收性材料，故其衰减不是由于损耗而是由于反射所引起，所以截止式衰减器属于反射式衰减器一类。由于圆波导输入、输出端反射都很大，因此无论对输入同轴线还是输出同轴线而言都是严重失配的。4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充2221()ccc4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载终端负载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，一点能量也不吸收这里着重讨论三种：匹配负载短路负载失配负载ΓL为反射系数L0Lje||.L1Constant补充4.1微波电阻性元件—衰减器和终端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。4.1.4匹配负载补充匹配负载——解决波反射和吸收两者之间的矛盾；4.1微波电阻性元件—衰减器和匹配负载尖劈是一种缓变过渡结构，实践表明，由此引起的对波的反射远小于突变结构，且尖劈劈角越小，即斜面拉得越长，匹配性能愈好。这种小功率匹配负载允许耗散的平均功率达瓦级，一般可在10％～15％频带内达到驻波比ρ＜1.05的近于理想的匹配程度。图4-6匹配负载补充4.1微波电阻性元件—衰减器和匹配负载功率小功率匹配负载中功率匹配负载大功率水负载频带宽带匹配负载窄带匹配负载材料木材、石墨、羰基铁、吸收负载补充4.1微波电阻性元件—衰减器和匹配负载补充同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥形或者阶梯型吸收体，如图所示：4.1微波电阻性元件—衰减器和匹配负载补充高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。吸收物体可以是固体（如石墨和水泥混合物）或液体（通常用水）。4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载短路负载短路负载又称为短路器，它的作用是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。补充短路负载——解决理想短路和活动间隙之间的矛盾；失配负载——ρ=1.2，解决宽带和反射系数变化之间的矛盾。4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充短路活塞要移动，太紧的配合会使移动不方便，间隙Δ又会造成不理想短路。因此，间隙Δ和理想短路构成了设计的主要矛盾。e吸收物质△△平板活塞4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充lg△短路开路扼流活塞糖葫芦活塞4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充短路负载--短路器对短路活塞的主要要求是：①保证接触处的损耗小，其反射系数模应接近1；②当活塞移动时，接触损耗的变化要小；③大功率运用时，活塞与波导壁（或者同轴线的内外导体壁）间不应发生打火现象。短路器的输入阻抗为:短路器的输入端反射系数为:in00ZjZtgjZtgl20001100011jininZZjZtgZjtgSeZZjZtgZjtg4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充这表明短路器的输入端反射系数的模应等于1，而相角是可变的。在结构上，短路活塞可做成接触式(左图）和扼流式（右图）两种:22010102()()()inabkincdZZZRZZ4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充上图所示的扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞太长。为了减小长度可以采用下图所示山字形和S形扼流活塞。缺点是频带窄，一般只能做到10～15%的带宽4.1微波电阻性元件—衰减器和终端负载补充失配负载实用中的失配负载都是做成标准失配负载，具有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测量中作标准终端负载。失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导口径的尺寸b不同而已。设b0为标准波导窄边尺寸，b为失配负载波导的窄边尺寸，由于则：可见对于不同的b可以特到不同的驻波比。00ZZZZ000bbZbZb或4.2几种简单不均匀性场的电抗性质4.2几种简单不均匀性场的电抗性质4.2.1矩形波导中的膜片、谐振窗和销钉一、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。电纳的近似计算公式为BbYdbp420lncsc容性膜片一压缩电场4.2几种简单不均匀性场的电抗性质二、电感膜片BaYdap022ctg电感膜片及其等效电路电感膜片电纳的近似计算公式为感性膜片一压缩磁性4.2几种简单不均匀性场的电抗性质三、谐振窗下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。即在横向金属膜片上开设一个小窗，称为谐振窗。谐振窗及其等效电路谐振窗可以看作是感性膜片和容性膜片的结合，构成无反射元件。(窗的特性阻抗等于波导主模的特性阻抗，它在概念上有力地说明：有障碍未必有反射)。4.2几种简单不均匀性场的电抗性质图含有谐振窗的雷达天线收、发开关图给出了谐振窗在雷达设备中的应用。当发射机发射的大功率信号经过单向器到达由介质封闭的谐振窗I时，大功率信号将使两封闭谐