【正文】 1 5 無(wú)源微波電路 2 引言 微波系統(tǒng)是由饋線、無(wú)源微波電路、有源微波電路以及天線組成的 。 本章討論無(wú)源微波電路中所用到的微波器件， 結(jié)構(gòu) 應(yīng)用傳輸線理論、導(dǎo)波理論和網(wǎng)絡(luò)理論分析器件的工作原理和基本性能，并導(dǎo)出它們的散射參量。 進(jìn)一步掌握?qǐng)雠c路相結(jié)合的分析方法。 3 微波鐵氧體器件 與其他微波器件相比有比較大的差異，主要是它 對(duì)不同方向傳輸?shù)膶?dǎo)波呈現(xiàn)出不同的衰減特性和相移特性 ，稱為不可逆特性或非互易特性。 原因 鐵氧體材料在外加恒定磁場(chǎng)時(shí)呈現(xiàn)出各向異性 。 微波諧振腔 和低頻電路中的諧振回路是非常相似的，但又有所區(qū)別。 本章討論諧振腔的基本參數(shù)，分析金屬矩形腔、圓柱腔和同軸腔的特點(diǎn)， 微擾法是一種廣泛應(yīng)用的近似方法， 空腔微擾 如何應(yīng)用微擾法研究空腔的微小形變對(duì)諧振頻率的影響。 4 微波濾波器 具有選頻功能，在微波系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。按功率衰減的頻率特性分類，可分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器 。按傳輸線類型分類，可分為波導(dǎo)型、同軸線型、微帶線型等不同結(jié)構(gòu)類型的濾波器。 微波濾波器的綜合設(shè)計(jì)。 5 匹配負(fù)載 匹配負(fù)載是微波系統(tǒng)中的一種終端器件。從能量的觀點(diǎn)看，在理想的情況下它能吸收入射波的全部能量而不產(chǎn)生反射，故稱作匹配負(fù)載。 從網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)看，匹配負(fù)載為單端口網(wǎng)絡(luò)，它只有一個(gè)散射參量，在理想的情況下 s11 =Г=0。實(shí)際的匹配負(fù)載不可能是理想的，總有小量反射波。在精密的測(cè)試系統(tǒng)中， ρ≤1. 02的水平，在一般的測(cè)試系統(tǒng) ρ1. 1的量級(jí)，大功率匹配負(fù)載還有一個(gè)非常重要的散熱問(wèn)題。 小功率的矩形波導(dǎo)匹配負(fù)載：在一薄玻璃片上鍍一層鎳鉻合金的金屬膜電阻，薄玻璃片放置在矩形波導(dǎo)寬壁中央，其表面平行 TE10波的電力線。這個(gè)帶有金屬膜電阻的薄片稱作吸收片。 為了在寬頻帶內(nèi)獲得較好的匹配性能，吸收片通常做成尖劈的形狀，尖劈的長(zhǎng)度一般為 12個(gè)波長(zhǎng)，這樣，駐波系數(shù)可以做到 ρ。 6 圖 5. 1 匹配負(fù)載 (a)、 (b) 矩形波導(dǎo) (c)、 (d) 同軸線 乳聚乙烯和碳粉、鐵氧體的混合物熱壓成尖劈形或階梯形 可以制作成波導(dǎo)或同軸線匹配負(fù)載，結(jié)構(gòu)如圖。波阻 抗中都有一個(gè)共同的因子 , 。乳聚乙烯、碳粉和鐵 氧體的混合物中含有改變 ε和 μ的成分，適當(dāng)?shù)卮钆鋷追N 成分的比例以保證 ，這就使得含有吸收材料 的波導(dǎo)或同軸線的波阻抗與空氣填充的波阻抗相比是不變的。碳粉起吸收電磁能的作用。這種吸收材料制作成的匹配負(fù)載不必做得很長(zhǎng)，也不一定做成薄片的形狀。 7 大功率匹配負(fù)載通常采用水負(fù)載。流動(dòng)的水作為吸收微波能量的物質(zhì)，同時(shí)把熱量帶走。在進(jìn)水口和出水口處要加微波泄漏抑制裝置。 圖 5. 2 大功率匹配水負(fù)載 無(wú)反射的微波暗室：尖劈形的吸收材料裝在室內(nèi)六壁上，用于模擬平面波和球面波，研究輻射和散射 8 波導(dǎo)接頭和同軸接頭 各種波導(dǎo)器件連接起來(lái)構(gòu)成微波系統(tǒng)，這種連接主要依靠波導(dǎo)接頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此只限在 TE10模的矩形波導(dǎo)， 由TE10模波導(dǎo)內(nèi)壁表面電流的分布可知，波導(dǎo)寬壁中線附近有較強(qiáng)的縱向電流，因此要求波導(dǎo)在該處應(yīng)有良好的接觸。 典型的波導(dǎo)接頭有兩種，一種稱為平接頭，或叫平法蘭，如圖 5. 3(a)所示。兩個(gè)平接頭相對(duì)連接，要保證兩者之間相互對(duì)準(zhǔn)和良好的機(jī)械接觸，否則連接處會(huì)產(chǎn)生反射波和微波功率泄漏。 9 另一種稱之為扼流接頭，或叫扼流法蘭，如圖 5. 3(b)所示。一個(gè)扼流接頭和一個(gè)平接頭相對(duì)連，一段 長(zhǎng)度為 λ/2的終端短路線 的作用，使得波導(dǎo)寬壁中央雖無(wú)機(jī)械接觸但卻有良好的電接觸。 扼流接頭明顯的不足之處是工作頻帶較窄，故對(duì)于寬頻帶工作的波導(dǎo)系統(tǒng)，大都采用平接頭連接。 扼流接頭主要用于大功率系統(tǒng)。 同軸線之間的連接可由同軸接頭實(shí)現(xiàn)，常用的同軸接頭有 N型、 SMA和平接頭等。 10 圖 5. 3(c)給出了 N型同軸接頭的結(jié)構(gòu)示意圖，為了連接的需要， N型接頭有陰陽(yáng)之分， 左為陰接頭，右為陽(yáng)接頭。 圖 5. 3 波導(dǎo)接頭和同軸接頭 (a) 波導(dǎo)平接頭 (b) 波導(dǎo)扼流接頭 (c) N型同軸接頭 11 短路器 短路器的功能與匹配負(fù)載恰好相反，它不吸收入射波的任何能量而使其產(chǎn)生全反射。 短路器分為 固定式短路器和可移式短路器 兩種類型，其中可移式短路器又稱為短路活塞，而 短路活塞又分為接觸式短路活塞和扼流式短路活塞 。接觸式短路活塞用富有彈性的磷青銅片做成梳狀接觸片，由于接觸點(diǎn)的頻繁移動(dòng)很容易使波導(dǎo)內(nèi)壁磨損，如果在大功率時(shí)使用，在磨損處可能會(huì)引起打火現(xiàn)象。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和同軸結(jié)構(gòu)的接觸式短路活塞分別如圖 5. 4(a)和 (b)所示。 12 圖 5. 4 接觸式短路活塞 (a) 波導(dǎo)結(jié)構(gòu) (b) 同軸結(jié)構(gòu) 13 圖 5. 5為同軸線 S形扼流活塞結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，主要是利用 傳輸線歸一化阻抗 1/4波長(zhǎng)的倒置性來(lái)實(shí)現(xiàn)等效短路 。 圖 同軸線 S形扼流活塞 14 S形扼流結(jié)構(gòu)， a點(diǎn)是短路點(diǎn) ,ab間是一段特性阻抗為 Zc1的同軸線，其長(zhǎng)度是 1/4波長(zhǎng)，所以 b點(diǎn)是開(kāi)路點(diǎn) ,bc間又是一段同軸線，其特性阻抗為 Zc2，長(zhǎng)度仍是 1/4波長(zhǎng)，所以 c點(diǎn)是等效短路點(diǎn)。 c點(diǎn)雖無(wú)機(jī)械接觸，但等效短路，由于無(wú)機(jī)械接觸，因而移動(dòng)活塞時(shí)不會(huì)磨損金屬內(nèi)壁，這是它最大的優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)是工作頻帶不夠?qū)?。除了上面分析?abc這條路外，還有 a′ b′ c′ ，這條路，它的原理是一樣的。 15 圖 5. 6 S形扼流活塞等效電路 16 根據(jù)上述阻抗變換關(guān)系，如能設(shè)法使得兩段傳輸線的特性阻抗之間滿足關(guān)系式 ,即使 Za并不等于零，只要其數(shù)值比較小，仍能使 Zc≈0。另一類可移短路器就是根據(jù)這樣的原理制作的，例如圖 5. 7所示啞鈴形波導(dǎo)扼流式短路活塞。 短路器作為單端口網(wǎng)絡(luò)，只有一個(gè)散射參量，在理想條件下 s11＝ Г＝ 1。 圖 5. 7波導(dǎo)扼流式短路活塞 17 衰減器 在微波系統(tǒng)中為了控制傳輸功率的大小，有必要在系統(tǒng)中接入衰減器。 5. 吸收式矩形波導(dǎo)衰減器 吸收式矩形波導(dǎo)衰減器分為橫向可調(diào)和垂直可調(diào)兩種。 吸收片是鍍鎳鉻薄膜的玻璃片 ，吸收片移向波導(dǎo)中央時(shí)衰減量加大，或吸收片從波導(dǎo)寬壁中央深入到波導(dǎo)中時(shí)衰減量加大。吸收式衰減器的技術(shù)指標(biāo)有 起始衰減量、最大衰減量和衰減器的輸入駐波系數(shù)及工作頻帶 等幾項(xiàng)。 18 圖 5. 8 可調(diào)波導(dǎo)衰減器 (a) 橫向 (b) 垂直 19 5. 5. 2 截止式衰減器 同軸型圓波導(dǎo) TE11模截止式衰減器 結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5. 9(a) 。 式中 當(dāng) ??c時(shí)， ? 近似為常數(shù)，與工作頻率無(wú)關(guān)，即 衰減器的輸入、輸出端是同軸線，中間一段是圓波導(dǎo)，同軸線中工作模式為 TEM波，圓波導(dǎo)中工作模式為 TE11 模， TE11模的截止波長(zhǎng) ?c=, R是圓波導(dǎo)段的半徑。若選擇工作波長(zhǎng)大于圓波導(dǎo)中 TE11模的截止波長(zhǎng)，使圓波導(dǎo)段處于截止工作狀態(tài)，那么 TE11模的場(chǎng)是衰減的場(chǎng)，其場(chǎng)的幅度沿 z方向是指數(shù)衰減 20 圖 5. 9 截止式衰減器 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 衰減量 L隨距離 l 線性變化 21 重要特點(diǎn)： TE11模的截止波長(zhǎng)可以精確計(jì)算，因而其衰減常數(shù)也可以精確計(jì)算，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定標(biāo)時(shí)可提供參考數(shù)據(jù)。 同軸線與圓波導(dǎo)的耦合是通過(guò)小環(huán)耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，耦合的方式不同，起始衰減量也就不同，功率衰減與移動(dòng)距離的關(guān)系 衰減量為 式中， L(0)是起始衰減量， ?近似為常數(shù)，所以 L(l)與 l成線性關(guān)系。當(dāng) ??c時(shí)， ?很大，因此可具有很大的衰減量。 截止式衰減器是一電抗性器件 ，工作在嚴(yán)重的失配狀態(tài)。 在截止式衰減器的輸入端和輸出端加入固定吸收式匹配元件，例如 盤(pán)形金屬膜電阻。 22 5. 5. 3 旋轉(zhuǎn)極化式衰減器 旋轉(zhuǎn)極化式衰減器結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5. 10所示。 圖 5. 10旋轉(zhuǎn)極化式衰減器 衰減器由兩端的方圓過(guò)渡波導(dǎo)和中間的圓波導(dǎo)段構(gòu)成， 在方圓過(guò)渡波導(dǎo)中，吸收片 Ⅰ 、 Ⅲ 平行于波導(dǎo)寬壁，而圓波導(dǎo)中的吸收片 Ⅱ 則可以繞縱軸旋轉(zhuǎn)。輸入矩形波導(dǎo)的 TE10模，經(jīng)過(guò)方圓過(guò)渡波導(dǎo)段后轉(zhuǎn)換成圓波導(dǎo)中的 TE11 模 ，由于電場(chǎng) E的極化方向垂直于吸收片 Ⅰ ，故其能量基本上不衰減，此時(shí)吸收片 Ⅰ 起固定極化的作用。 23 當(dāng)圓波導(dǎo)中的吸收片 Ⅱ 旋轉(zhuǎn)為與水平面成 θ角時(shí)，可將電場(chǎng) E1分解為與吸收片 Ⅱ 垂直的 E1分量和平行的 E2分量，其中E２ 分量的能量被吸收片 Ⅱ 吸收， E1分量通過(guò)，如圖 5. 11(b)所示。 E1分量的大小為 當(dāng)圓波導(dǎo)中的 TE11模傳輸?shù)轿掌?Ⅲ 處，其電場(chǎng) E1再次被分解為平行分量 E2′和垂直分量 E1′，如圖 5. 11(c)所示。能通過(guò)的 E1′分量的大小為 24 圖 旋轉(zhuǎn)極化式衰減器中各段電場(chǎng)示意圖 25 可見(jiàn)這種衰減器的衰減量為 上式表明衰減量 L是吸收片 Ⅱ 旋轉(zhuǎn)角度 θ的函數(shù)，因而可以用角度 θ來(lái)定標(biāo)衰減量，故旋轉(zhuǎn)極化式衰減器是一種可以作為衰減量標(biāo)準(zhǔn)的精密衰減器。 若該衰減器制作理想，即僅有吸收衰減而無(wú)反射衰減，將其當(dāng)作二端口網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的散射矩陣應(yīng)為 26 模式抑制器 模式抑制器的功能是抑制傳輸線中不需要的模式，而讓工作模式順利通過(guò)。 當(dāng)傳輸線的工作頻率高于某幾種模式的截止頻率時(shí)，在系統(tǒng)中可加入各種模式抑制器，以便實(shí)現(xiàn)單一模式傳輸。 圓波導(dǎo) TE01模式抑制器的 結(jié)構(gòu)示意圖 。 細(xì)導(dǎo)線繞成半徑不等的圓環(huán)，把它們同心地安裝在圓波導(dǎo)的同一橫截面上 ，由于環(huán)狀導(dǎo)線平行于 TE01模的電力線，所以 TE01模被反射而不能通過(guò)。圖 5. 12 (b)為圓波導(dǎo) TM01模式抑制器結(jié)構(gòu)示意圖，細(xì)導(dǎo)線由圓心處輻射狀安裝， 平行于 TM01模的橫向電力線。 27 圖 5. 12 模式抑制器結(jié)構(gòu)示意圖 (a) TE01 (b) TM01 圖 5. 12(a)中的結(jié)構(gòu)可以讓 TM01模順利通過(guò)，故又名為T(mén)M01模式濾波器，而圖 5. 12(b)中的結(jié)構(gòu)又名為 TE01模式濾波器。 由圖不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)被抑制的模式，該結(jié)構(gòu)破壞其邊界條件，而對(duì)能通過(guò)的模式，該結(jié)構(gòu)順應(yīng)其邊界條件。 28 一段長(zhǎng)度為 l 的模式抑制器，可視作二端口網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其制作理想時(shí)，對(duì)被抑制的模式，其散射矩陣應(yīng)為 而對(duì)順利通過(guò)的工作模式，其作用如同一段均勻傳輸線，其散射矩陣應(yīng)為 29 波導(dǎo) T形分支 ET和 HT分支 在微波系統(tǒng)中， 波導(dǎo) T形分支用來(lái)將功率進(jìn)行分配或合成 ，常見(jiàn)的有 ET分支和 HT分支，分別如圖 (a)和 (b)所示。 圖 波導(dǎo) T型分支 (a) ET分支 (b) HT分支 30 當(dāng)分支波導(dǎo)在主波導(dǎo)的寬壁上 ， 分支平面與主波導(dǎo)中TE10波的電場(chǎng) E平行時(shí) ， 這種分支稱為 ET分支； 如果分支波導(dǎo)在主波導(dǎo)的窄壁上 ， 分支平面與主波導(dǎo)中 TE10波的磁場(chǎng) H平行時(shí) ， 則稱這種分支為 HT分支 。 定性 將 T型分支看作三端口網(wǎng)絡(luò) ， 對(duì)各臂進(jìn)行編號(hào) ， 主波導(dǎo)的臂稱作端口 1和端口 2， 分支臂稱作端口 3， 工作波型為 TE10波 ，根據(jù)邊界條件可以大致地畫(huà)出 T形分支中的電場(chǎng)分布 。 圖 中的三張圖畫(huà)出了 ET分支中三種不同激勵(lì)情況下的電場(chǎng)分布示意圖 ， 需要說(shuō)明的是 ， 在波導(dǎo)非均勻處的場(chǎng)是非常復(fù)雜的 ，這里僅是一種示意圖 。 31 圖 (a) :波從端口 3輸入時(shí)，端口 1和 2有等幅反相波輸出 ； 圖 (b) :端口 1和 2等幅反相激勵(lì)時(shí)，端口 3有輸出 ； 圖 (c):端口 1和 2等幅同相激勵(lì)時(shí)，端口 3無(wú)輸出。 圖 ET分支激勵(lì)情況 功率分配 功率合成 32 對(duì)于 HT分支，三種激勵(lì)情況 :。 圖 (a)中 波從端口 3輸入時(shí) ， 端口 1和 2有等幅同相波輸出 ；圖 (b)中 端口 1和 2等幅同相激勵(lì)時(shí)，端口 3有輸出 。 圖 (c)中 端口 1和 2等幅反相激勵(lì)時(shí)端口 3無(wú)輸出 。 圖 HT分支激勵(lì)情況 33 以上僅僅是 根據(jù)場(chǎng)的概念所作的定性的判斷推測(cè) ， 根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論作進(jìn)一步的分析 對(duì)于 ET分支，由于其 結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性 ，應(yīng)有 1 1 2 2ss?ij jiss?因其是 互易網(wǎng)絡(luò) ，必有 ( i j 1 2 3 )， ＝ ， ，由圖 (a)所示特性，應(yīng)有 2 3 1 3ss??34 11 12 1312 11 13