【正文】 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 。 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≥。 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 。 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 。 相移 , 再合成起來(lái)便是一個(gè)圓極化波了 。 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。 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 。 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(lái)代替 。 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 。 但嚴(yán)格來(lái)說(shuō) ， 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 。 這就是說(shuō) ， 在許多工作頻率上都能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配 , 從而拓寬了頻帶 。 當(dāng) βΔz→ 0時(shí) , tanβΔz≈βΔz, 代入上式可得 ])( )(1)][()()([)(2zzz zzzjZzZzZzZ ininininin ??????? ??忽略高階無(wú)窮小量 , 并整理可得 )]()([)(2zzzz zjdz zdz inin ?? ?若令電壓反射系數(shù)為 Γ(z), 則 )()()()(zzzzzzzzinin????第 5章 微波元器件 代入式 (5 1 9)并經(jīng)整理可得關(guān)于 Γ(z)的非線性方程 0)(ln)](1[21)(2)( 2 ??????? dz zzdzzjdz zd ? 當(dāng)漸變線變化較緩時(shí) , 近似認(rèn)為 1Γ2(z)≈1, 則可得關(guān)于 Γ(z)的線性方程 dzedz zzdzjdz zd zj ?? 2)(ln)(2)( ?????其通解為 dzedz xzdez xjzj ?? 22 )(ln21)( ????故漸變線輸入端反射系數(shù)為 dzedzxzde zjLLLjin?? 222)(ln ?????第 5章 微波元器件 這樣 ， 當(dāng)漸變線特性阻抗 Z(z)給定后 , 由式 (5 1 14)就可求得漸變線輸入端電壓反射系數(shù) 。 極限情況下 λ→ 0, 則 |Γin|→ 0, 這說(shuō)明指數(shù)漸變線阻抗變換器工作頻帶無(wú)上限 , 而頻帶下限取決于 |Γin|的容許值 。 下面就分別介紹這三類元器件 。 本節(jié)首先介紹定向耦合器的性能指標(biāo) , 然后介紹波導(dǎo)雙孔定向耦合器 、 雙分支定向耦合器和平行耦合微帶定向耦合器 。 第 5章 微波元器件 圖 513 定向耦合器的原理圖 耦合裝置①④②③P1P2P4P3第 5章 微波元器件 )(1lg20lg101331 dBsppc ?? (2) 輸入端 “ ① ” 的輸入功率 P1和隔離端 “ ④ ” 的輸出功率 P4之比定義為隔離度 , 記作 I。 2) 波導(dǎo)雙孔定向耦合器是最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)定向耦合器 , 主 、 副波導(dǎo)通過其公共窄壁上兩個(gè)相距 d=(2n+1)λg0/4 的小孔實(shí)現(xiàn)耦合 。 根據(jù)耦合器的耦合機(jī)理 , 畫出如圖 5 14(b)所示的原理圖 。 當(dāng)偏離中心頻率時(shí) , secβd具有一定的數(shù)值 , 此時(shí) D不再為無(wú)窮大 。 為了增加定向耦合器的耦合度 ， 拓寬工作頻帶 , 可采用多孔定向耦合器 , 關(guān)于這方面的知識(shí) , 讀者可參閱有關(guān)文獻(xiàn) 。 假設(shè)輸入電壓信號(hào)從端口 “ ① ” 經(jīng) A點(diǎn)輸入 , 則到達(dá) D點(diǎn)的信號(hào)有兩路 , 一路是由分支線直達(dá) , 其波行程為 λg/4, 另一路由A→B→C→D, 波行程為 3λg/4。 耦合端輸出信號(hào)的大小同樣取決于各線的特性阻抗 。 此時(shí) 第 5章 微波元器件 00 2 ZZ P ?021 ZZZ tt ??213 ?rU此時(shí)散射矩陣為 ? ?????????01021 js100jj001??????010j第 5章 微波元器件 分支線定向耦合器的帶寬受 λg/4的限制 , 一般可做到 10%~20%, 若要求頻帶更寬 , 可采用多節(jié)分支耦合器 。 Z0e① ②Z0Z0~U0第 5章 微波元器件 oeo zzz 00 ?0000oeoezzzzk??? 其中 ， Z0為匹配負(fù)載阻抗 , K為電壓耦合系數(shù) 。 由奇偶模等效電路得端口 “ ① ” 的奇偶模電壓和電流分別為 001 21 UZZZUOinOino ?? 001 21 UZZZUeineine ??001 211 UZZI Oino ?? 001 211 UZZI eine ??第 5章 微波元器件 代入式 （ 5 2 15） 并利用式 （ 5 2 17） 則有 00002)()( zzzzzzzzzzzeinoineinoinoineinin ???????可見端口 “ ① ” 是匹配的 , 所以加上的電壓 U0, 即為入射波電壓 , 由對(duì)稱性可知其余端口也是匹配的 。 值得指出的是 : 在上述分析中假定了耦合線奇偶模相速相同 , 因而電長(zhǎng)度相同 , 但實(shí)際上微帶線的奇偶模相速是不相等的 , 所以按上述方法設(shè)計(jì)出的定向耦合器性能會(huì)變差 。 在結(jié)構(gòu)上 , 大功率往往采用同軸線而中小功率常采用微帶線 。 ② 端口 “ ② 、 ③ ” 。 其中端口 “ ① ” 為輸入端 , 該端口無(wú)反射 , 端口 “ ② 、 ④ ”等幅同相輸出 , 而端口 “ ③ ” 為隔離端 , 無(wú)輸出 。 則滿足上述端口輸入輸出條件下 , 各環(huán)路段的歸一化特性導(dǎo)納為 a=b=c= 21而對(duì)應(yīng)的散射矩陣為 ? ?????????jjs002100jj?jj?00????????00jj第 5章 微波元器件 3. 將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的元件稱為波導(dǎo)分支器 , 它是微波功率分配器件的一種 , 常用的波導(dǎo)分支器有 E面 T型分支 、 H面 T型分支和匹配雙 T。 當(dāng)信號(hào)從端口 “ ① 、 ② ” 反相激勵(lì)時(shí) , 則在端口 “ ③ ” 合成輸出最大 。 當(dāng)在端口 “ ① 、② ” 同相激勵(lì)時(shí) , 端口 “ ③ ” 合成輸出最大 , 而當(dāng)反相激勵(lì)時(shí)端口 “ ③ ” 將無(wú)輸出 。 ③ 當(dāng)端口 “ ③ ” 輸入 , 端口 “ ① 、 ② ” 有等幅同相波輸出 , 端口 “ ④ ” 隔離 。 端口 “ ③ ” 稱為魔 T的 H臂或和臂 , 而端口 “ ④ ” 稱為魔 T的 E臂或差臂 。 在帶通或帶阻濾波器中作為選頻元件等 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 25 各種微波諧振器 ( a )矩形諧振腔( b )圓柱諧振腔( c )同軸諧振腔( d )微帶諧振腔( e )介質(zhì)諧振腔第 5章 微波元器件 1. 低頻電路中的 LC回路是由平行板電容 C和電感 L并聯(lián)構(gòu)成 ， 如圖 5 26(a)所示 。 進(jìn)一步增加線圈數(shù)目 , 以致相連成片 , 形成一個(gè)封閉的中間凹進(jìn)去的導(dǎo)體空腔 ， 如圖 5 26(d)所示 , 這就成了重入式空腔諧振器 。 集總參數(shù)諧振回路的基本參量是電感 L、 電容 C和電阻 R, 由此可導(dǎo)出諧振頻率品質(zhì)因數(shù)和諧振阻抗或?qū)Ъ{ 。 可見諧振頻率由振蕩模式 、 腔體尺寸以及腔中填充介質(zhì) (μ, ε)所確定 , 而且在諧振器尺寸一定的情況下 , 與振蕩模式相對(duì)應(yīng)有無(wú)窮多個(gè)諧振頻率 。 因此只要求得諧振器內(nèi)場(chǎng)分布 , 即可求得品質(zhì)因數(shù) Q0。 上述討論的品質(zhì)因數(shù) Q0 是未考慮外接激勵(lì)與耦合的情況 , 因此稱之為無(wú)載品質(zhì)因數(shù)或固有品質(zhì)因數(shù) 。 對(duì)復(fù)雜的諧振器 , 只能用等效電路的概念 , 通過測(cè)量來(lái)確定 f0、 Q0和 G0。 下面討論在主模條件下矩形空腔諧振器的主要參量 。 根據(jù)并聯(lián)諧振條件 Yin=0, 式中 , λg0為帶內(nèi)諧振波長(zhǎng) 。 但終端導(dǎo)帶斷開處的微帶線不是理想的開路 , 因而計(jì)算的諧振長(zhǎng)度要比實(shí)際的長(zhǎng)度要長(zhǎng) , 一般有 2go?2go?4go?4go?2201gpll ????第 5章 微波元器件 式中 , l1為實(shí)際導(dǎo)帶長(zhǎng)度 , Δl為縮短長(zhǎng)度 。 4. 前面介紹的都是孤立諧振器的特性 , 實(shí)際的微波諧振器總是通過一個(gè)或幾個(gè)端口和外電路連接 , 我們把諧振器和外電路相連的部分稱作激勵(lì)裝置或耦合裝置 。 一般用耦合系數(shù) τ來(lái)表征外接電路和諧振器相互影響的程度 , 即 er 0?第 5章 微波元器件 于是 ??? 101 這說(shuō)明 τ越大 , 耦合越緊 , 有載品質(zhì)因數(shù)越小 。 為了解決這樣的問題 , 最好在負(fù)載和信號(hào)源之間接入一個(gè)具有不可逆?zhèn)鬏斕匦缘钠骷?, 如圖 5 30 所示 , 即微波從振蕩器到負(fù)載是通行的 , 反過來(lái)從負(fù)載到振蕩器是禁止通行的 。 鐵氧體是一種黑褐色的陶瓷 , 最初由于其中含有鐵的氧化物而得名 。 在加上恒定磁場(chǎng)以后 , 它在各方向上對(duì)微波磁場(chǎng)的磁導(dǎo)率是不同的 , 就是說(shuō)其具有各向異性的 。 常用的隔離器有諧振式和場(chǎng)移式兩種 。 第 5章 微波元器件 所謂鐵氧體的鐵磁諧振效應(yīng) ， 是指當(dāng)磁場(chǎng)的工作頻率 ω等于鐵氧體的諧振角頻率 ω0時(shí) , 鐵氧體對(duì)微波能量的吸收達(dá)到最大值 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 31 諧振式隔離器的鐵氧體位置 X2 H0NSxzy第 5章 微波元器件 鐵氧體諧振式隔離器就是在波導(dǎo)的某個(gè)恰當(dāng)位置上放置鐵氧體片而制成的 , 在這個(gè)位置上 ， 往一個(gè)方向傳輸?shù)氖怯倚艌?chǎng) , 另一方向上傳輸?shù)氖亲笮艌?chǎng) 。 在其它位置上 , 若 |Hx|≠|(zhì)Hz|,則合成磁場(chǎng)矢量是橢圓極化的 , 并以寬邊中心為對(duì)稱軸 , 波導(dǎo)兩邊為極化性質(zhì)相反的兩個(gè)磁場(chǎng) 。 這時(shí) , 沿 +z方向傳輸?shù)牟◣缀鯚o(wú)衰減通過 , 而沿 z方向傳輸?shù)牟ㄒ驖M足圓極化諧振條件而被強(qiáng)烈吸收 , 從而構(gòu)成了諧振式隔離器 。 2) 場(chǎng)移式隔離器是根據(jù)鐵氧體對(duì)兩個(gè)方向傳輸?shù)牟ㄐ彤a(chǎn)生的場(chǎng)移作用不同而制成的。 實(shí)際隔離器一般用以下性能參量來(lái)描述 : )(1lg10lg10 221101 dBsppa ??? 式中 , P01為正向傳輸輸入功率； P1為正向傳輸輸出功率 , 理想情況下 |S21|=1, α+=0。 2. 環(huán)行器是一種具有非互易特性的分支傳輸系統(tǒng) , 常用的鐵氧體環(huán)行器是 Y形結(jié)環(huán)行器 , 如圖 5 33（ a） 所示 , 它是由三個(gè)互成 120176。 當(dāng)外加合適的磁場(chǎng)時(shí) , 鐵氧體磁化 , 由于各向異性的作用 , 在鐵氧體結(jié)上激發(fā)如圖 5 33（ c） 所示的電磁場(chǎng) , 這比不加磁場(chǎng)時(shí)旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度 θ。 時(shí) , 分支 “ ② ” 處有信號(hào)輸出 , 而分支 “ ③ ” 處電場(chǎng)為零 , 沒有信號(hào)輸出