【正文】 第 5章 微波元器件 連接匹配元件 功率分配元器件 微波諧振器件 微波鐵氧體器件 第 5章 微波元器件 返回主目錄 第 5章 微波元器件 第 5章微波元器件 無論在哪個(gè)頻段工作的電子設(shè)備 , 都需要各種功能的元器件 , 既有如電容 、 電感 、 電阻 、 濾波器 、 分配器 、 諧振回路等無源元器件 , 以實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配 、 分配 、 濾波等 。 又有晶體管等有源元器件 , 以實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生 、 放大 、 調(diào)制 、 變頻等 。 微波系統(tǒng)也不例外地有各種無源 、 有源元器件 , 它們的功能是對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行必要的處理或變換 , 它們是微波系統(tǒng)的重要組成部分 。 微波元器件按其變換性質(zhì)可分為線性互易元器件 、 線性非互易元器件以及非線性元器件三大類 。 第 5章 微波元器件 線性互易元器件只對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性 ， 并滿足互易定理 , 它主要包括各種微波連接匹配元件 、 功率分配元器件 、 微波濾波器件及微波諧振器件等 。 線性非互易元器件主要是指鐵氧體器件 , 它的散射矩陣不對(duì)稱 ,但仍工作在線性區(qū)域 , 主要包括隔離器 、 環(huán)行器等 。 非線性元器件能引起頻率的改變 , 從而實(shí)現(xiàn)放大 、 調(diào)制 、 變頻等 , 主要包括微波電子管 、 微波晶體管 、 微波固態(tài)諧振器 、 微波場(chǎng)效應(yīng)管及微波電真空器件等 。 微波元器件品種繁多 , 而且隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷出現(xiàn)新的元器件 , 因此不能一一列舉 , 本章從工程應(yīng)用的角度出發(fā) , 重點(diǎn)介紹具有代表性的幾組微波無源元器件 , 主要有：連接匹配元件 、 功率分配元器件 、 微波諧振元件和微波鐵氧體器件 。 第 5章 微波元器件 微波連接匹配元件包括終端負(fù)載元件 、 微波連接元件以及阻抗匹配元器件三大類 。 終端負(fù)載元件是連接在傳輸系統(tǒng)終端實(shí)現(xiàn)終端短路 、 匹配或標(biāo)準(zhǔn)失配等功能的元件 。 微波連接元件用以將作用不同的兩個(gè)微波系統(tǒng)按一定要求連接起來 ,主要包括波導(dǎo)接頭 、 衰減器 、 相移器及轉(zhuǎn)換接頭等 。 阻抗匹配元器件是用于調(diào)整傳輸系統(tǒng)與終端之間阻抗匹配的器件 , 主要包括螺釘調(diào)配器 、 多階梯阻抗變換器及漸變型變換器等 。 下面分別介紹這些元器件 。 1. 終端負(fù)載元件是典型的一端口互易元件 , 主要包括短路負(fù)載 、 匹配負(fù)載和失配負(fù)載 。 第 5章 微波元器件 (1) 短路負(fù)載是實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)短路的器件 , 對(duì)金屬波導(dǎo)最方便的短路負(fù)載是在波導(dǎo)終端接上一塊金屬片 。 但在實(shí)際微波系統(tǒng)中往往需要改變終端短路面的位置 , 即需要一種可移動(dòng)的短路面 , 這就是短路活塞 。 短路活塞可分為接觸式短路活塞和扼流式短路活塞兩種 , 前者已不太常用 , 下面介紹一下扼流式短路活塞 。 應(yīng)用于同軸線和波導(dǎo)的扼流式短路活塞如圖 5 1(a)、 (b)所示 , 它們的有效短路面不在活塞和系統(tǒng)內(nèi)壁直接接觸處 , 而向波源方向移動(dòng) λg/2的距離 。 第 5章 微波元器件 這種結(jié)構(gòu)是由兩段不同等效特性阻抗的 λg/4變換段構(gòu)成 , 其工作原理可用如圖 5 1(c)所示的等效電路來表示 , 其中 cd段相當(dāng)于 λg/4終端短路的傳輸線 , bc段相當(dāng)于 λg/4終端開路的傳輸線 , 兩段傳輸線之間串有電阻 Rk, 它是接觸電阻 , 由等效電路不難證明 ab面上的輸入阻抗為 : Zab=0, 即 ab面上等效為短路 , 于是當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了短路面的移動(dòng) 。 扼流短路活塞的優(yōu)點(diǎn)是損耗小 , 而且駐波比可以大于 100, 但這種活塞頻帶較窄 , 一般只有 10%~15%的帶寬 。 如圖 5 1(d)所示的是同軸 S型扼流短路活塞 ， 它具有寬帶特性 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 1 扼流短路活塞及其等效電路 第 5章 微波元器件 (2) 匹配負(fù)載是一種幾乎能全部吸收輸入功率的單端口元件 。 對(duì)波導(dǎo)來說 , 一般在一段終端短路的波導(dǎo)內(nèi)放置一塊或幾塊劈形吸收片 , 用以實(shí)現(xiàn)小功率匹配負(fù)載 , 吸收片通常由介質(zhì)片 （ 如陶瓷 、 膠木片等 ） 涂以金屬碎末或炭木制成 。 當(dāng)吸收片平行地放置在波導(dǎo)中電場(chǎng)最強(qiáng)處 , 在電場(chǎng)作用下吸收片強(qiáng)烈吸收微波能量 , 使其反射變小 。 劈尖的長(zhǎng)度越長(zhǎng)吸收效果越好 , 匹配性能越好 , 劈尖長(zhǎng)度一般取 λg/2的整數(shù)倍 。 如圖 5 2(a)所示 。 當(dāng)功率較大時(shí)可以在短路波導(dǎo)內(nèi)放置鍥形吸收體 , 或在波導(dǎo)外側(cè)加裝散熱片以利于散熱 , 如圖 5 2(b)、 (c)所示 。 當(dāng)功率很大時(shí) , 還可采用水負(fù)載 ， 如圖 5 2(d)所示 , 由流動(dòng)的水將熱量帶走 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 2 各種匹配負(fù)載 散熱片 法蘭盤吸收材料( b )( a ) ( c )劈形玻璃容器( d )吸收材料內(nèi)導(dǎo)體( e )內(nèi)導(dǎo)體( f )( g )第 5章 微波元器件 同軸線匹配負(fù)載是由在同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間放置的圓錐形或階梯形吸收體而構(gòu)成的 , 如圖 5 2(e)、 (f)所示 。 微帶匹配負(fù)載一般用半圓形的電阻作為吸收體 , 如圖 5 2(g)所示 , 這種負(fù)載不僅頻帶寬 ， 而且功率容量大 。 (3) 失配負(fù)載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駐波的標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載 , 主要用于微波測(cè)量 。 失配負(fù)載和匹配負(fù)載的制作相似 , 只是尺寸略微改變了一下 , 使之和原傳輸系統(tǒng)失配 。 比如波導(dǎo)失配負(fù)載 ， 就是將匹配負(fù)載的波導(dǎo)窄邊 b制作成與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)窄邊 b0不一樣 , 使之有一定的反射 。 設(shè)駐波比為 ρ, 第 5章 微波元器件 例如 : 3 cm的波段標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo) BJ100的窄邊為 mm, 若要求駐波比為 , 則失配負(fù)載的窄邊分別為 mm和 mm。 2. 微波連接元件是二端口互易元件 , 主要包括 : 波導(dǎo)接頭 、 衰減器 、 相移器 、 轉(zhuǎn)換接頭 。 (1) 波導(dǎo)管一般采用法蘭盤連接 , 可分為平法蘭接頭和扼流法蘭接頭 , 分別如圖 5 3(a)、 (b)所示 。 平法蘭接頭的特點(diǎn)是 : 加工方便 , 體積小 , 頻帶寬 , 其駐波比可以做到 , 但要求接觸表面光潔度較高 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 3 波導(dǎo)法蘭接頭 ?0 / 2( a )( b )第 5章 微波元器件 扼流法蘭接頭由一個(gè)刻有扼流槽的法蘭和一個(gè)平法蘭對(duì)接而成 , 扼流法蘭接頭的特點(diǎn)是 : 功率容量大 , 接觸表面光潔度要求不高 , 但工作頻帶較窄 , 駐波比的典型值是 。 因此平接頭常用低功率 、 寬頻帶場(chǎng)合 ， 而扼流接頭一般用于高功率 、 窄頻帶場(chǎng)合 。 波導(dǎo)連接頭除了法蘭接頭之外 , 還有各種扭轉(zhuǎn)和彎曲元件(如圖 5 4 所示 )以滿足不同的需要 。 當(dāng)需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向時(shí) ， 用波導(dǎo)扭轉(zhuǎn)元件 。 當(dāng)需要改變電磁波的方向時(shí) ， 可用波導(dǎo)彎曲 。 波導(dǎo)彎曲可分為 E面彎曲和H面彎曲 。 為了使反射最小 , 扭轉(zhuǎn)長(zhǎng)度應(yīng)為 (2n+1)λg/4, E面波導(dǎo)彎曲的曲率半徑應(yīng)滿足 R≥, H面彎曲的曲率半徑應(yīng)滿足R≥。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 4 波導(dǎo)扭轉(zhuǎn)與彎曲元件 RbaRabl( a ) ( b ) ( c )第 5章 微波元器件 (2) 衰減元件和相移元件用來改變導(dǎo)行系統(tǒng)中電磁波的幅度和相位 。 對(duì)于理想的衰減器 ， 其散射矩陣應(yīng)為 ［ Sα］ = 而理想相移元件的散射矩陣應(yīng)為 ［ Sθ］ = ????ale0????0ale???? ?je0????0?je 衰減器的種類很多 , 最常用的是吸收式衰減器 , 它是在一段矩形波導(dǎo)中平行于電場(chǎng)方向放置吸收片而構(gòu)成 , 有固定式和可變式兩種 ， 分別如圖 5 5(a)、 (b)所示 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 5 吸收式衰減器 支撐桿( b )吸收片( a )第 5章 微波元器件 收片由膠木板表面涂覆石墨或在玻璃片上蒸發(fā)一層厚的電阻膜組成 , 一般兩端為尖劈形 ， 以減小反射 。 由矩形波導(dǎo) TE10模的電場(chǎng)分布可知 , 波導(dǎo)寬邊中心位置電場(chǎng)最強(qiáng) , 逐漸向兩邊減小到零 , 因此 , 當(dāng)吸收片沿波導(dǎo)橫向移動(dòng)時(shí) , 就可改變其衰減量 。 將衰減器的吸收片換成介電常數(shù) εr＞ 1的無耗介質(zhì)片時(shí) , 就構(gòu)成了移相器 , 這是因?yàn)殡姶挪ㄍㄟ^一段長(zhǎng)波為 l的無耗傳輸系統(tǒng)后相位變化為 gl??? 2? 其中 λg為波導(dǎo)波長(zhǎng) , 在波導(dǎo)中改變介質(zhì)片位置 ， 會(huì)改變波導(dǎo)波長(zhǎng) , 從而實(shí)現(xiàn)相位的改變 。 (3) 第 5章 微波元器件 微波從一種傳輸系統(tǒng)過渡到另一種傳輸系統(tǒng)時(shí) ， 需要用轉(zhuǎn)換器 , 第 2章討論的同軸波導(dǎo)激勵(lì)器和方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器等傳輸系統(tǒng)中都有轉(zhuǎn)換器 。 在這一類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中 ， 一方面要保證形狀轉(zhuǎn)換時(shí)阻抗的匹配 ， 以保證信號(hào)有效傳送；另一方面要保證工作模式的轉(zhuǎn)換 。 另一類轉(zhuǎn)換器是極化轉(zhuǎn)換器 , 由于在雷達(dá)通信和電子干擾中經(jīng)常用到圓極化波 , 而微波傳輸系統(tǒng)往往是線極化的 , 為此需要進(jìn)行極化轉(zhuǎn)換 , 這就需要極化轉(zhuǎn)換器 。 由電磁場(chǎng)理論可知 , 一個(gè)圓極化波可以分解為在空間互相垂直 、 相位相差 90176。 而幅度相等的兩個(gè)線極化波 。 另一方面 , 一個(gè)線極化波也可以分解為在空間互相垂直 、 大小相等 、 相位相同的兩個(gè)線極化波 , 只要設(shè)法將其中一個(gè)分量產(chǎn)生附加 90176。 相移 , 再合成起來便是一個(gè)圓極化波了 。 第 5章 微波元器件 常用的線 圓極化轉(zhuǎn)換器有兩種 : 多螺釘極化轉(zhuǎn)換器和介質(zhì)極化轉(zhuǎn)換器 (如圖 5 6)。 這兩種結(jié)構(gòu)都是慢波結(jié)構(gòu) , 其相速要比空心圓波導(dǎo)小 。 如果變換器輸入端輸入的是線極化波 , TE11模的電場(chǎng)與慢波結(jié)構(gòu)所在平面成 45176。 角 , 這個(gè)線極化分量將分解為垂直和平行于慢波結(jié)構(gòu)所在平面的兩個(gè)分量 Eu和 Ev, 它們?cè)诳臻g互相垂直 , 且都是主模 TE11, 只要螺釘數(shù)足夠多或介質(zhì)板足夠長(zhǎng) , 就可以使平行分量產(chǎn)生附加 90176。 的相位滯后 。 于是 ， 在極化轉(zhuǎn)換器的輸出端兩個(gè)分量合成的結(jié)果便是一個(gè)圓極化波 。 至于是左極化還是右極化 ， 要根據(jù)極化轉(zhuǎn)換器輸入端的線極化方向與慢波平面之間的夾角確定 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 6 極化轉(zhuǎn)換器 l1 23 m m 6 . 4 m m?51 對(duì)2R＝61.9 mm( a )yEuEuz( b )Ev Ev1 2OEm i n－ x第 5章 微波元器件 3. 阻抗匹配元件 阻抗匹配元件種類很多 , 它們的作用是消除反射 , 提高傳輸效率 , 改善系統(tǒng)穩(wěn)定性 。 這里主要介紹螺釘調(diào)配器 、 階梯阻抗變換器和漸變型阻抗變換器三種 。 (1) 螺釘是低功率微波裝置中普遍采用的調(diào)諧和匹配元件 , 它是在波導(dǎo)寬邊中央插入可調(diào)螺釘作為調(diào)配元件 , 如圖 5 7 所示 。 螺釘深度的不同等效為不同的電抗元件 , 使用時(shí)為了避免波導(dǎo)短路擊穿 , 螺釘都設(shè)計(jì)成容性 , 即螺釘旋入波導(dǎo)中的深度應(yīng)小于3b/4(b為波導(dǎo)窄邊尺寸 )。 由第 1章的支節(jié)調(diào)配原理可知：多個(gè)相距一定距離的螺釘可構(gòu)成螺釘阻抗調(diào)配器 , 不同的是這里支節(jié)用容性螺釘來代替 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 7 波導(dǎo)中的螺釘及其等效電路 第 5章 微波元器件 螺釘調(diào)配器可分為單螺釘 、 雙螺釘 、 三螺釘和四螺釘四種 。 單螺釘調(diào)配器通過調(diào)整螺釘?shù)目v向位置和深度來實(shí)現(xiàn)匹配 , 如圖 5 8(a)所示 。 雙螺釘調(diào)配器是在矩形波導(dǎo)中相距 λg/ λg/4或3λg/8 等距離的兩個(gè)螺釘構(gòu)成的 , 如圖 5 8(b)所示 。 雙螺釘調(diào)配器有匹配盲區(qū) , 故有時(shí)采用三螺釘調(diào)配器 。 其工作原理在此不再贅述 。 由于螺釘調(diào)配器的螺釘間距與工作波長(zhǎng)直接相關(guān) , 因此螺釘調(diào)配器是窄頻帶的 。 (2) 在第 1章中我們已經(jīng)知道 , 用 λ/4阻抗變換器可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配 。 但嚴(yán)格來說 ， 只有在特定頻率上才滿足匹配條件 , 即 λ/4阻抗變換器的工作頻帶是很窄的 。 第 5章 微波元