电磁波第7章-1

第7章微波元件7.1引言7.2简单元件7.3阻抗调配器和阻抗变换器7.4定向耦合器与功率分配器7.5微波谐振器7.6微波滤波器7.7微波铁氧体元件第7章微波元件第7章微波元件在微波系统中，微波元件是用来对信号进行各种加工和处理的。例如对信号进行分配、衰减、隔离、定向传输、相位控制、阻抗匹配与变换、波型变换、滤波等。它们是基于传输线的分布参数性质而制成的。7.1引言第7章微波元件7.2.1终端器件与连接器件7.2.2衰减器与移相器7.2.3波导分支结构7.2简单元件第7章微波元件1.短路器与接头短路器又称短路负载，其作用是将电磁波能量全部反射回去。将波导或同轴线的终端用金属导体全部封闭起来即构成波导或同轴线短路器。实用中的短路器都做成了可调的，称为短路活塞，可用作调配器、标准可变电抗，广泛应用于微波测量。7.2.1终端器件与连接器件1.短路器与接头2.匹配负载3.波导的弯曲与扭转短路活塞：接触式和扼流式第7章微波元件图7-2-1矩形波导接触式短路活塞物理接触点恰好位于电流波节点处，以减小损耗，避免发生打火。第7章微波元件图7-2-2矩形波导山字形扼流式短路活塞驻波比可以做到大于100。但因扼流槽尺寸与工作频率有关，故有10%~15%的带宽限制。第7章微波元件图7-2-3是两种同轴线结构的扼流活塞，其原理相同，不再重复。图7-2-3同轴线短路活塞第7章微波元件接头用于连接传输线，也有接触式和扼流式两种。法兰盘结构形式有平法兰盘和扼流式法兰盘两种，如图7-2-4所示。图7-2-4波导接头扼流式结构的应用相当广泛第7章微波元件2.匹配负载匹配负载是一种能全部吸收输入功率的终端元件，由一段终端短路的波导或同轴线构成，其中放有吸收微波功率的物质构成。匹配负载的主要技术指标是工作带宽、输入驻波比和功率容量。匹配负载按其功率容量可分为小功率和大功率两种。第7章微波元件图7-2-5小功率波导匹配负载这种匹配负载在10%~15%带宽内可，且其驻波比低于1.01。第7章微波元件图7-2-6小功率同轴匹配负载第7章微波元件图7-2-7高功率波导水负载大功率匹配负载须采用“体”吸收的方法。考虑到热量吸收的同时，还要考虑到散热问题。第7章微波元件图7-2-8波导弯头3.波导的弯曲与扭转当传输线方向改变时，中间就要接入弯头，弯头有折角及圆弧两种。第7章微波元件图7-2-9波导弯曲弧度半径R对于E面弯头R≥1.5b，对于H面弯头R≥1.5a第7章微波元件图7-2-10扭转波导有时需要改变极化方向而传输方向不变，这就要用到均匀扭转第7章微波元件7.2.2衰减器与移相器1.吸收式衰减器2.截止式衰减器3.旋转极化衰减器4.移相器第7章微波元件图7-2-11矩形波导吸收式衰减器1、衰减器：吸收式衰减、截止式衰减、旋转式极化衰减器第7章微波元件图7-2-12截止式衰减器当λλc时，波不能在波导中传输，处于截止状态，这种波导称为截止波导。此时波的振幅在波导中按e－αz衰减，且无相位变化。第7章微波元件图7-2-13旋转极化衰减器第7章微波元件4.移相器理想的移相器应该是一个衰减为零、相移量可变的二端口网络，其散射矩阵为其中，β为相移常数；l为移相器移相作用部分长度。可见改变移相量有两种方法：(1)改变传输线的长度l，可以改变相移。(2)改变传输线的相位常数，也可以改变相移。0ee0llS结构：将衰减器的吸收片换成低损耗介质片(如石英、聚四氟乙烯等)便成为介质片可调移相器。第7章微波元件1.E-T分支2.H-T分支3.双T分支及魔T7.2.3波导分支结构第7章微波元件结构特点为主波导的两臂1、2以分支臂4(称为电臂)为几何对称。图7-2-14E-T分支第7章微波元件图7-2-17H-T分支第7章微波元件图7-2-20波导双T第7章微波元件7.2.3波导分支结构（主模TE10波）1.E-T分支图7-2-14E-T分支第7章微波元件图7-2-15E-T分支各臂输入与输出情况第7章微波元件E-T传输特性：①当从4端口输入时，1与2端口将有等幅反相的输出。②当1与2端口将有等幅反相的输入时，4端口输出和。③当1与2端口将有等幅同相的输入时，4端口输出差。④当从1端口输入时，4与2端口将有等幅同相的输出。⑤当从2端口输入时，4与1端口将有等幅同相的输出。第7章微波元件2.H-T分支图7-2-17H-T分支第7章微波元件图7-2-18H-T分支各臂输入输出情况第7章微波元件H-T传输特性：(1)当波由3臂输入时，1、2两臂有等幅同相输出，即S13=S23。(2)当波由1、2两臂等幅同相输入时，则在3臂有“和”输出。(3)当波由1、2两臂等幅反相输入时，则在3臂有“差”输出。(4)当波由1臂输入时，则在2、3臂有等幅同相输出，即S21=S31。(5)当波由2臂输入时，则在1、3两臂有等幅同相输出，即S12=S32。第7章微波元件图7-2-20波导双T3.双T分支及魔T主波导为1、2臂，3为H面分支臂，4为E面分支臂，几何对称面为T。第7章微波元件双T分支的一些重要特性：(1)波由3臂输入时，1、2两臂有等幅同相的输出，即S13=S23。(2)波由4臂输入时，1、2两臂有等幅反相的输出，即S14=－S24(E-T接头的特性)。(3)波由1、2两臂等幅同相输入时，3臂有“和”的输出，4臂无输出，即S43=0。(4)波由1、2两臂等幅反相输入时，3臂有“和”的输出，4臂无输出，即S34=0。(5)根据双Ｔ接头结构的对称性，又有S11=S22。(6)由互易性，又有S12=S21，S13=S31，S23=S32，S34=S43，S14=S41。第7章微波元件图7-2-21魔T(匹配双T)一旦3、4两臂人为地调好匹配，则1、2两臂将自动达到匹配，这种匹配的双Ｔ接头，通常称为“魔Ｔ”，第7章微波元件由以上分析可得出匹配双Ｔ的三个重要特性，如下所示：(1)功率的平分性。相邻两端口有3dB的耦合量，即由1端口1输入的功率，由3、4两端口平分输出（S13=S14）；由3端口输入的功率，由1、2两端口等幅同相平分输出S13=S23；由4端口输入的功率，由1、2两端口等幅反相平分输出S14=-S24；(2)对口隔离性。1端口与2端口，3端口与4端口互相隔离，即S12=S21=S34=S43=0；(3)自动匹配性。如果3端口与4端口匹配，则1端口与2端口自动获得匹配，即S11=S22=S33=S44=0。第7章微波元件于是得魔T的［S］矩阵为：001100112110021100S第7章微波元件7.3.1微波电抗元件1.膜片与螺钉1)电容膜片平行波导宽边放置的金属膜片。7.3阻抗调配器和阻抗变换器图7-3-1电容膜片第7章微波元件2)电感膜片平行窄边放置的金属膜片图7-3-2电感膜片第7章微波元件将电容性膜片和电感性膜片组合起来，则其等效电路是电感与电容的并联，可对某一频率发生谐振，因而称之为谐振窗。图7-3-3谐振窗及等效电路第7章微波元件图7-3-4天线收发开关示意图第7章微波元件如图7-3-4所示为雷达中天线收发开关的示意图。在两个谐振窗间的密闭空间充以容易电离的气体，当雷达发射的功率Pr到达谐振窗1时，因气体电离使谐振窗口成为一短路面，波将被反射而不进入接收机；当工作于接收状态时，由于功率小，不足以使气体电离，接收的信号将无反射地穿过谐振窗口而传送到接收机。第7章微波元件3)螺钉与销钉当在矩形波导宽边中央插入金属螺钉图7-3-5调谐螺钉及其等效电路第7章微波元件2.并联短截线由长线理论知道，长度为l的短路短线，其输入端的阻抗为Zin=jZ0tanβl。当0lλ/4时，Zin为感抗，如果短路短线长度很小，lλ(一般选用l≤λ/8)，其输入阻抗可近似为故lλ的短路短线可以等效为一个并联电感，其电感值为。in000jtanjjpZlZZlZlv0pZlLv第7章微波元件同样，长度为l(lλ)开路短线可近似等效为一个并联电容，其电容值为。0pYlLv图7-3-6带状线(微带线)短截线示意图及等效电路第7章微波元件3.高低阻抗线由第6章习题6-11知,长度为l、特性阻抗为Z0的均匀无耗传输线段可以等效为T型电路；也可以等效为π型电路，如图7-3-7所示。图7-3-7传输线段及其等效电路第7章微波元件7.3.2阻抗调配器阻抗调配器一般采用并联电纳的方式实现，其调配原理就是第4章中讲述的支节匹配。为克服匹配死区的不利影响，多采用三支节匹配器。根据传输线类型，须采用不同结构的电抗元件及连接方式。第7章微波元件图7-3-8同轴调配器结构示意图第7章微波元件图7-3-9矩形波导调配器结构示意图第7章微波元件7.3.3λ/4阻抗变换器1.多节变换器理论如图7-3-10所示为多节阻抗变换器，实际上就是将单节变换器的较大阻抗突变分散成若干个较小的突变，合理设计其突变的尺寸和长度，在一频带段范围内使其产生的反射互相抵消以致变得很小。图7-3-10多节变换器的局部反射系数第7章微波元件2.切比雪夫阻抗变换器图7-3-119节同轴切比雪夫变换器模型与仿真结果