【正文】 ninininin ???????????第 5章 微波元器件 圖 5 –11 漸變型阻抗變換器 Z0zz z ＋ ? z2L2L0第 5章 微波元器件 式中 , β為漸變線的相移常數(shù) 。 顯然 , 階梯級數(shù)越多 , 頻帶越寬 。 分別為 T0, T1, T2, …, TN共 (N+1)個 , 如果參考面上局部電壓反射系數(shù)對稱選取 , Γ0=ΓN Γ1=ΓN1 Γ2=ΓN2 則輸入?yún)⒖济?T0上總電壓反射系數(shù) Γ為 第 5章 微波元器件 圖 5 – 9 各種多階梯阻抗變換器 ( a ) ( b ) ( c )第 5章 微波元器件 圖 5 – 10 多階梯阻抗變換器的等效電路 ? ? ?Z0Ze1Ze NZlTNT2T1T0Ze2第 5章 微波元器件 ???? NjNNjNjj eeee 2)1(242210 . .. ????? ????????????.. .).()( )1(212120 ????????? ????? ??? NjNjNjN eee. ..)()([ )2()2(10 ??????? ????? ????? NjNjjNjNjN eeeee.. .])2c o s (c o s[2 10 ?????? ? ??? NNe jN于是反射系數(shù)模值為 |Γ|=|Γ0cosNθ+Γ1cos(N2)θ+…| 當 Γ0, Γ1, … 等值給定時 , 上式右端為余弦函數(shù) cosθ的多項式 , 滿足 |Γ|=0的 cosθ有很多解 , 亦即有許多 λg使 |Γ|=0。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 8 螺釘調(diào)配器 lT1T1T2d1d2法蘭負載波源 波源 負載yly1y2yaybbab yl y1 y( a )( b )第 5章 微波元器件 要使變換器在較寬的工作頻帶內(nèi)仍可實現(xiàn)匹配 , 必須用多階梯阻抗變換器 , 圖 5 9 所示分別為波導 、 同軸線 、 微帶的多階梯阻抗變換器 。 (2) 在第 1章中我們已經(jīng)知道 , 用 λ/4阻抗變換器可實現(xiàn)阻抗匹配 。 其工作原理在此不再贅述 。 雙螺釘調(diào)配器是在矩形波導中相距 λg/ λg/4或3λg/8 等距離的兩個螺釘構(gòu)成的 , 如圖 5 8(b)所示 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 7 波導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 。 螺釘深度的不同等效為不同的電抗元件 , 使用時為了避免波導短路擊穿 , 螺釘都設計成容性 , 即螺釘旋入波導中的深度應小于3b/4(b為波導窄邊尺寸 )。 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 。 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 。 的相位滯后 。 如果變換器輸入端輸入的是線極化波 , TE11模的電場與慢波結(jié)構(gòu)所在平面成 45176。 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)。 另一方面 , 一個線極化波也可以分解為在空間互相垂直 、 大小相等 、 相位相同的兩個線極化波 , 只要設法將其中一個分量產(chǎn)生附加 90176。 由電磁場理論可知 , 一個圓極化波可以分解為在空間互相垂直 、 相位相差 90176。 在這一類轉(zhuǎn)換器的設計中 ， 一方面要保證形狀轉(zhuǎn)換時阻抗的匹配 ， 以保證信號有效傳送；另一方面要保證工作模式的轉(zhuǎn)換 。 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 , 就構(gòu)成了移相器 , 這是因為電磁波通過一段長波為 l的無耗傳輸系統(tǒng)后相位變化為 gl??? 2? 其中 λg為波導波長 , 在波導中改變介質(zhì)片位置 ， 會改變波導波長 , 從而實現(xiàn)相位的改變 。 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 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 4 波導扭轉(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行系統(tǒng)中電磁波的幅度和相位 。 波導彎曲可分為 E面彎曲和H面彎曲 。 當需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向時 ， 用波導扭轉(zhuǎn)元件 。 因此平接頭常用低功率 、 寬頻帶場合 ， 而扼流接頭一般用于高功率 、 窄頻帶場合 。 平法蘭接頭的特點是 : 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 。 2. 微波連接元件是二端口互易元件 , 主要包括 : 波導接頭 、 衰減器 、 相移器 、 轉(zhuǎn)換接頭 。 比如波導失配負載 ， 就是將匹配負載的波導窄邊 b制作成與標準波導窄邊 b0不一樣 , 使之有一定的反射 。 (3) 失配負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準失配負載 , 主要用于微波測量 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 2 各種匹配負載 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)導體( e )內(nèi)導體( f )( g )第 5章 微波元器件 同軸線匹配負載是由在同軸線內(nèi)外導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 。 當功率較大時可以在短路波導內(nèi)放置鍥形吸收體 , 或在波導外側(cè)加裝散熱片以利于散熱 , 如圖 5 2(b)、 (c)所示 。 劈尖的長度越長吸收效果越好 , 匹配性能越好 , 劈尖長度一般取 λg/2的整數(shù)倍 。 對波導來說 , 一般在一段終端短路的波導內(nèi)放置一塊或幾塊劈形吸收片 , 用以實現(xiàn)小功率匹配負載 , 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 。 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 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段相當于 λg/4終端短路的傳輸線 , bc段相當于 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 , 于是當活塞移動時實現(xiàn)了短路面的移動 。 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 。 第 5章 微波元器件 (1) 短路負載是實現(xiàn)微波系統(tǒng)短路的器件 , 對金屬波導最方便的短路負載是在波導終端接上一塊金屬片 。 下面分別介紹這些元器件 。 微波連接元件用以將作用不同的兩個微波系統(tǒng)按一定要求連接起來 ,主要包括波導接頭 、 衰減器 、 相移器及轉(zhuǎn)換接頭等 。 第 5章 微波元器件 微波連接匹配元件包括終端負載元件 、 微波連接元件以及阻抗匹配元器件三大類 。 非線性元器件能引起頻率的改變 , 從而實現(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 、 微波場效應管及微波電真空器件等 。 第 5章 微波元器件 線性互易元器件只對微波信號進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 。 微波系統(tǒng)也不例外地有各種無源 、 有源元器件 , 它們的功能是對微波信號進行必要的處理或變換 , 它們是微波系統(tǒng)的重要組成部分 。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 無論在哪個頻段工作的電子設備 , 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 , 以實現(xiàn)信號匹配 、 分配 、 濾波等 。 又有晶體管等有源元器件 , 以實現(xiàn)信號產(chǎn)生 、 放大 、 調(diào)制 、 變頻等 。 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 。 線性非互易元器件主要是指鐵氧體器件 , 它的散射矩陣不對稱 ,但仍工作在線性區(qū)域 , 主要包括隔離器 、 環(huán)行器等 。 微波元器件品種繁多 , 而且隨著技術的進步不斷出現(xiàn)新的元器件 , 因此不能一一列舉 , 本章從工程應用的角度出發(fā) , 重點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 。 終端負載元件是連接在傳輸系統(tǒng)終端實現(xiàn)終端短路 、 匹配或標準失配等功能的元件 。 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 。 1. 終端負載元件是典型的一端口互易元件 , 主要包括短路負載 、 匹配負載和失配負載 。 但在實際微波系統(tǒng)中往往需要改變終端短路面的位置 , 即需要一種可移動的短路面 , 這就是短路活塞 。 應用于同軸線和波導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 λg/2的距離 。 扼流短路活塞的優(yōu)點是損耗小 , 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 。 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) 匹配負載是一種幾乎能全部吸收輸入功率的單端口元件 。 當吸收片平行地放置在波導中電場最強處 , 在電場作用下吸收片強烈吸收微波能量 , 使其反射變小 。 如圖 5 2(a)所示 。 當功率很大時 , 還可采用水負載 ， 如圖 5 2(d)所示 , 由流動的水將熱量帶走 。 微帶匹配負載一般用半圓形的電阻作為吸收體 , 如圖 5 2(g)所示 , 這種負載不僅頻帶寬 ， 而且功率容量大 。 失配負載和匹配負載的制作相似 , 只是尺寸略微改變了一下 , 使之和原傳輸系統(tǒng)失配 。 設駐波比為 ρ, 第 5章 微波元器件 例如 : 3 cm的波段標準波導 BJ100的窄邊為 mm, 若要求駐波比為 , 則失配負載的窄邊分別為 mm和 mm。 (1) 波導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 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 3 波導法蘭接頭 ?0 / 2( a )( b )第 5章 微波元器件 扼流法蘭接頭由一個刻有扼流槽的法蘭和一個平法蘭對接而成 , 扼流法蘭接頭的特點是 : 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 。 波導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 。 當需要改變電磁波的方向時 ， 可用波導彎曲 。 為了使反射最小 , 扭轉(zhuǎn)長度應為 (2n+1)λg/4, E面波導彎曲的曲率半徑應滿足 R≥, H面彎曲的曲率半徑應滿足R≥。 對于理想的衰減器 ， 其散射矩陣應為 ［ Sα］ = 而理想相移元件的散射矩陣應為 ［ 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中平行于電場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 。 由矩形波導 TE10模的電場分布可知 , 波導寬邊中心位置電