微波技术与天线课件第5章

第5章微波元器件第5章微波元器件5.1连接匹配元件5.2功率分配元器件5.3微波谐振器件5.4微波铁氧体器件习题第5章微波元器件1.终端负载元件(1)短路负载短路负载是实现微波系统短路的器件,对金属波导最方便的短路负载是在波导终端接上一块金属片。但在实际微波系统中往往需要改变终端短路面的位置,即需要一种可移动的短路面,这就是短路活塞。短路活塞可分为接触式短路活塞和扼流式短路活塞两种,前者已不太常用,下面介绍一下扼流式短路活塞。应用于同轴线和波导的扼流式短路活塞如图5-1(a)、(b)所示,它们的有效短路面不在活塞和系统内壁直接接触处,而向波源方向移动λg/2的距离。5.1连接匹配元件第5章微波元器件这种结构是由两段不同等效特性阻抗的λg/4变换段构成,其工作原理可用如图5-1(c)所示的等效电路来表示,其中cd段相当于λg/4终端短路的传输线,bc段相当于λg/4终端开路的传输线,两段传输线之间串有电阻Rk,它是接触电阻,由等效电路不难证明ab面上的输入阻抗为:Zab=0,即ab面上等效为短路,于是当活塞移动时实现了短路面的移动。扼流短路活塞的优点是损耗小,而且驻波比可以大于100,但这种活塞频带较窄,一般只有10%~15%的带宽。如图5-1(d)所示的是同轴S型扼流短路活塞，它具有宽带特性。第5章微波元器件图5–1扼流短路活塞及其等效电路第5章微波元器件(2)匹配负载匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件。对波导来说,一般在一段终端短路的波导内放置一块或几块劈形吸收片,用以实现小功率匹配负载,吸收片通常由介质片（如陶瓷、胶木片等）涂以金属碎末或炭木制成。当吸收片平行地放置在波导中电场最强处,在电场作用下吸收片强烈吸收微波能量,使其反射变小。劈尖的长度越长吸收效果越好,匹配性能越好,劈尖长度一般取λg/2的整数倍。如图5-2(a)所示;当功率较大时可以在短路波导内放置锲形吸收体,或在波导外侧加装散热片以利于散热,如图5-2(b)、(c)所示;当功率很大时,还可采用水负载，如图5-2(d)所示,由流动的水将热量带走。第5章微波元器件图5–2各种匹配负载第5章微波元器件(3)失配负载失配负载既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率,而且一般制成一定大小驻波的标准失配负载,主要用于微波测量。失配负载和匹配负载的制作相似,只是尺寸略微改变了一下,使之和原传输系统失配。比如波导失配负载，就是将匹配负载的波导窄边b制作成与标准波导窄边b0不一样,使之有一定的反射。设驻波比为ρ,则有)(00bbbb或例如:3cm的波段标准波导BJ-100的窄边为10.16mm,若要求驻波比为1.1和1.2,则失配负载的窄边分别为9.236mm和8.407mm。(5-1-1)第5章微波元器件2.微波连接元件微波连接元件是二端口互易元件,主要包括:波导接头、衰减器、相移器、转换接头。(1)波导接头波导管一般采用法兰盘连接,可分为平法兰接头和扼流法兰接头,分别如图5-3(a)、(b)所示。平法兰接头的特点是:加工方便,体积小,频带宽,其驻波比可以做到1.002以下,但要求接触表面光洁度较高。第5章微波元器件图5–3波导法兰接头第5章微波元器件扼流法兰接头由一个刻有扼流槽的法兰和一个平法兰对接而成,扼流法兰接头的特点是:功率容量大,接触表面光洁度要求不高,但工作频带较窄,驻波比的典型值是1.02。因此平接头常用低功率、宽频带场合，而扼流接头一般用于高功率、窄频带场合。波导连接头除了法兰接头之外,还有各种扭转和弯曲元件(如图5-4所示)以满足不同的需要。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。第5章微波元器件图5–4波导扭转与弯曲元件第5章微波元器件(2)衰减元件和相移元件衰减元件和相移元件用来改变导行系统中电磁波的幅度和相位。对于理想的衰减器，其散射矩阵应为衰减器的种类很多,最常用的是吸收式衰减器,它是在一段矩形波导中平行于电场方向放置吸收片而构成,有固定式和可变式两种，分别如图5-5(a)、(b)所示。(5-1-2)(5-1-3)而理想相移元件的散射矩阵应为0ee0llS0ee0jjS第5章微波元器件图5–5吸收式衰减器第5章微波元器件收片由胶木板表面涂覆石墨或在玻璃片上蒸发一层厚的电阻膜组成,一般两端为尖劈形，以减小反射。由矩形波导TE10模的电场分布可知,波导宽边中心位置电场最强,逐渐向两边减小到零,因此,当吸收片沿波导横向移动时,就可改变其衰减量。将衰减器的吸收片换成介电常数εr＞1的无耗介质片时,就构成了移相器,这是因为电磁波通过一段长波为l的无耗传输系统后相位变化为gπ2l其中λg为波导波长,在波导中改变介质片位置，会改变波导波长,从而实现相位的改变。(5-1-4)第5章微波元器件(3)转换接头在这一类转换器的设计中，一方面要保证形状转换时阻抗的匹配，以保证信号有效传送；另一方面要保证工作模式的转换。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,一个线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5章微波元器件常用的线-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(如图5-6)。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,其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。第5章微波元器件图5–6极化转换器第5章微波元器件3.阻抗匹配元件(1)螺钉调配器螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件,它是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配元件,如图5-7所示。螺钉深度的不同等效为不同的电抗元件,使用时为了避免波导短路击穿,螺钉都设计成容性,即螺钉旋入波导中的深度应小于3b/4(b为波导窄边尺寸)。由第1章的支节调配原理可知：多个相距一定距离的螺钉可构成螺钉阻抗调配器,不同的是这里支节用容性螺钉来代替。第5章微波元器件图5–7波导中的螺钉及其等效电路第5章微波元器件图5–8螺钉调配器(2)多阶梯阻抗变换器第5章微波元器件设变换器共有N节，参考面分别为T0,T1,T2,…,TN共(N+1)个,如果参考面上局部电压反射系数对称选取,则输入参考面T0上总电压反射系数Γ为(5-1-5)22110NNNΓΓΓΓΓΓ])2cos(cos[e2])ee()ee([e)ee()e(eeee10j)2(j)2(j1jj0j)1(2j1212j02j)1(2j14j22j10NΓNΓΓΓΓΓΓΓΓΓΓΓΓΓNNNNNNNNjNNNNNN(5-1-6)第5章微波元器件图5–9各种多阶梯阻抗变换器第5章微波元器件图5–10多阶梯阻抗变换器的等效电路第5章微波元器件于是反射系数模值为|Γ|=|Γ0cosNθ+Γ1cos(N-2)θ+…|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。(5-1-7)第5章微波元器件(3)渐变型阻抗变换器由前面分析可知,只要增加阶梯的级数就可以增加工作带宽,但增加了阶梯级数,变换器的总长度也要增加,尺寸会过大,结构设计就更加困难,因此产生了渐变线代替多阶梯。设渐变线总长度为L,特性阻抗为Z(z),并建立如图5-11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)tan()]()([j)()tan()(j)]()([)()(inininininzzZzZzZzzZzZzZzZzZ(5-1-8a)第5章微波元器件图5–11渐变型阻抗变换器第5章微波元器件式中,β为渐变线的相移常数。当βΔz→0时,tanβΔz≈βΔz,代入上式可得])()()(j1][)(j)()([)(inininininzzzzzzzzzZzZzZzZ忽略高阶无穷小量,并整理可得)()()(jd)(2ininzZzZzZzzdZ若令电压反射系数为Γ(z),则)()()()(ininzZZzZzZzΓ(5-1-8b)(5-1-9)(5-1-10)第5章微波元器件代入式(5-1-9)并经整理可得关于Γ(z)0d)(lnd)](1[21)(2jd)(d2zzZzΓzΓzzΓ当渐变线变化较缓时,近似认为1-Γ2(z)≈1,则可得关于Γ(z)的线性方程0d2)(lnd)(j2d)(dzzZzΓzzΓ其通解为zzzZzΓzzded)(lnd21e)(2j2j故渐变线输入端反射系数为zzzZΓzLLLded)(lnd21e2j22jin(5-1-11)(5-1-12)(5-1-13)(5-1-14)第5章微波元器件这样，当渐变线特性阻抗Z(z)给定后,由式(5-1-14)就可求得渐变线输入端电压反射系数。通常渐变线特性阻抗随距离变化的规律有：指数型、三角函数型及切比雪夫型,下面就来介绍指数型渐变线的特性,其特性阻抗满足010ln21exp)(ZZLzZzZ01ln1d)(lndZZLzzZ可见当时，Z(z)=Z0,而当时，Z(z)=Zl,于是有2Lz2Lz(5-1-15)(5-1-16)第5章微波元器件01inlnsin21ZZLLΓ012j2201jlnsin21deln21eZZLLzZZLΓzLLLin两边取模得输入端反射系数为(5-1-17)(5-1-18)第5章微波元器件图5–12|Γin|随βL的变化曲线第5章微波元器件5.2功率分配元器件1.定向耦合器定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件,它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的,如图5-13所示。图中“①、②”是一条传输系统,称为主线；“③、④”为另一条传输系统,称为副线。耦合装置的耦合方式有许多种,一般有孔、分支线、耦合线等,形成不同的定向耦合器。第5章微波元器件1)定向耦合器的性能指标定向耦合器是四端口网络,端口“①”为输入端,端口“②”为直通输出端,端口“③”为耦合输出端,端口“④”为隔离端,并设其散射矩阵为［S］。描述定向耦合器的性能指标有:耦合度、隔离度、定向度、输入驻波比和工作带宽。下面分别加以介绍。第5章微波元器件图5-13定向耦合器的原理图第5章微波元器件)dB(1lg20lg101331SPPC(2)隔离度输入端“①”的输入功率P1和隔离端“④”的输出功率P4之比定义为隔离度,记作I。)d(1lg20lg101441BSPPI(1)耦合度输入端“①”的输入功率P1与耦合端“③”的输出功率P3之比定义为耦合度，记作C。(5-2-1)(5-2-2)第5章微波元器件(3)定向度耦合端“③”的输