【正文】 場最強 , 逐漸向兩邊減小到零 , 因此 , 當吸收片沿波導橫向移動時 , 就可改變其衰減量 。 (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 ， 需要用轉換器 , 第 2章討論的同軸波導激勵器和方圓波導轉換器等傳輸系統(tǒng)中都有轉換器 。 另一類轉換器是極化轉換器 , 由于在雷達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 , 為此需要進行極化轉換 , 這就需要極化轉換器 。 而幅度相等的兩個線極化波 。 相移 , 再合成起來便是一個圓極化波了 。 這兩種結構都是慢波結構 , 其相速要比空心圓波導小 。 角 , 這個線極化分量將分解為垂直和平行于慢波結構所在平面的兩個分量 Eu和 Ev, 它們在空間互相垂直 , 且都是主模 TE11, 只要螺釘數(shù)足夠多或介質板足夠長 , 就可以使平行分量產(chǎn)生附加 90176。 于是 ， 在極化轉換器的輸出端兩個分量合成的結果便是一個圓極化波 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 6 極化轉換器 l1 23 m m 6 . 4 m m?51 對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 。 (1) 螺釘是低功率微波裝置中普遍采用的調諧和匹配元件 , 它是在波導寬邊中央插入可調螺釘作為調配元件 , 如圖 5 7 所示 。 由第 1章的支節(jié)調配原理可知：多個相距一定距離的螺釘可構成螺釘阻抗調配器 , 不同的是這里支節(jié)用容性螺釘來代替 。 單螺釘調配器通過調整螺釘?shù)目v向位置和深度來實現(xiàn)匹配 , 如圖 5 8(a)所示 。 雙螺釘調配器有匹配盲區(qū) , 故有時采用三螺釘調配器 。 由于螺釘調配器的螺釘間距與工作波長直接相關 , 因此螺釘調配器是窄頻帶的 。 但嚴格來說 ， 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 。 它們都可等效為如圖 5 10 所示的電路 。 這就是說 ， 在許多工作頻率上都能實現(xiàn)阻抗匹配 , 從而拓寬了頻帶 。 第 5章 微波元器件 (3) 漸變型阻抗變換器 由前面分析可知 , 只要增加階梯的級數(shù)就可以增加工作帶寬 , 但增加了階梯級數(shù) , 變換器的總長度也要增加 , 尺寸會過大 , 結構設計就更加困難 , 因此產(chǎn)生了漸變線代替多階梯 。 當 βΔz→ 0時 , tanβΔz≈βΔz, 代入上式可得 ])( )(1)][()()([)(2zzz zzzjZzZzZzZ ininininin ??????? ??忽略高階無窮小量 , 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)整理可得關于 Γ(z)的非線性方程 0)(ln)](1[21)(2)( 2 ??????? dz zzdzzjdz zd ? 當漸變線變化較緩時 , 近似認為 1Γ2(z)≈1, 則可得關于 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) 。 由圖可見 , 當漸變線長度一定時 , |Γin|隨頻率的變化而變 。 極限情況下 λ→ 0, 則 |Γin|→ 0, 這說明指數(shù)漸變線阻抗變換器工作頻帶無上限 , 而頻帶下限取決于 |Γin|的容許值 。 實現(xiàn)這一功能的元件稱為功率分配元器件 , 主要包括 : 定向耦合器 、 功率分配器以及各種微波分支器件 。 下面就分別介紹這三類元器件 。 圖中 “ ① 、 ② ” 是一條傳輸系統(tǒng) , 稱為主線； “ ③ 、 ④ ” 為另一條傳輸系統(tǒng) , 稱為副線 。 本節(jié)首先介紹定向耦合器的性能指標 , 然后介紹波導雙孔定向耦合器 、 雙分支定向耦合器和平行耦合微帶定向耦合器 。 描述定向耦合器的性能指標有 : 耦合度 、 隔離度 、 定向度 、 輸入駐波比和工作帶寬 。 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。 1443 13lg20lg10ssppD ??第 5章 微波元器件 (4) 端口 “ ② 、 ③ 、 ④ ” 都接匹配負載時的輸入端口 “ ① ”的駐波比定義為輸入駐波比 ， 記作 ρ。 2) 波導雙孔定向耦合器是最簡單的波導定向耦合器 , 主 、 副波導通過其公共窄壁上兩個相距 d=(2n+1)λg0/4 的小孔實現(xiàn)耦合 。 耦合孔一般是圓形 , 也可以是其它形狀 。 根據(jù)耦合器的耦合機理 , 畫出如圖 5 14(b)所示的原理圖 。 假設小孔很小 , 到達第二個小孔的電磁波能量不變 , 只是引起相位差 (βd), 第二個小孔處耦合到副波導處的歸一化出射波分別為u42=qejβd和 u32=qejβd, 在副波導輸出端口 “ ③ ” 合成的歸一化出射波為 第 5章 微波元器件 514 波導雙孔定向耦合器 d?1u?41ud?31u?42u?32u④ ③②①( b )( a )第 5章 微波元器件 u3=u31ejβd+u32 =2qejβd 副波導輸出端口 “ ④ ” 合成的歸一化出射波為 u4=u41+u42ejβd=q(1+ej2βd )=2qcosβdejβd 由此可得波導雙孔定向耦合器的耦合度為 3234)(1 raabq???小圓孔耦合的耦合系數(shù)為 quuc 2lg20lg2031 ????? 式中 , a、 b分別為矩形波導的寬邊和窄邊； r為小孔的半徑；β是 TE10模的相移常數(shù) 。 當偏離中心頻率時 , secβd具有一定的數(shù)值 , 此時 D不再為無窮大 。 由式 (5 2 9)可見 , 這種定向耦合器是窄帶的 。 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 , 關于這方面的知識 , 讀者可參閱有關文獻 。 設主線入口線 “ ① ” 的特性阻抗為 Z1=Z0, 主線出口線 “ ② ” 的特性阻抗為 Z2=Z0k(k為阻抗變換比 ), 副線隔離端 “ ④ ” 的特性阻抗為 Z4=Z0, 副線耦合端 “ ③ ” 的特性阻抗為 Z3=Z0k, 平行連接線的特性阻抗為 Z0p, 兩個分支線特性阻抗分別為 Zt1和 Zt2。 假設輸入電壓信號從端口 “ ① ” 經(jīng) A點輸入 , 則到達 D點的信號有兩路 , 一路是由分支線直達 , 其波行程為 λg/4, 另一路由A→B→C→D, 波行程為 3λg/4。 第 5章 微波元器件 圖 515 雙分支定向耦合器 Z1Z4Z2Z3A BCDZt 1Zt 2Z0pZ0p①④②③?g/ 4?g/ 4第 5章 微波元器件 因此若選擇合適的特性阻抗 , 使到達的兩路信號的振幅相等 , 則端口 “ ④ ” 處的兩路信號相互抵消 , 從而實現(xiàn)隔離 。 耦合端輸出信號的大小同樣取決于各線的特性阻抗 。 設耦合端“ ③ ” 的反射波電壓為 |U3r|, 則該耦合器的耦合度為 各線的特性阻抗與 |U3r|的關系式為 )(lg10 23dBUkcr?第 5章 微波元器件 2300 rP UKZZ ??rpt UZZ301 ?rpt UkZZ302 ? 可見 ， 只要給出要求的耦合度 C及阻抗變換比 k, 即可由式 (5 2 10)算得 |U3r|, 再由式 (5 2 11)算得各線特性阻抗 , 從而可設計出相應的定向耦合器 。 此時 第 5章 微波元器件 00 2 ZZ P ?021 ZZZ tt ??213 ?rU此時散射矩陣為 ? ?????????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 。 下面簡單分析一下平行耦合微帶定向耦合器的工作原理 。 Z0e① ②Z0Z0~U0第 5章 微波元器件 oeo zzz 00 ?0000oeoezzzzk??? 其中 ， Z0為匹配負載阻抗 , K為電壓耦合系數(shù) 。 端口 “ ① ” 處輸入阻抗為 OeOein IIUUIUz111111???? 下面來證明端口 “ ① ” 是匹配的 。 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 , 由對稱性可知其余端口也是匹配的 。U0 022 1 UkjU ???? 可見端口 “ ② ” 、 “ ③ ” 電壓相差 90176。 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 , 因而電長度相同 , 但實際上微帶線的奇偶模相速是不相等的 , 所以按上述方法設計出的定向耦合器性能會變差 。 第 5章 微波元器件 圖 5 –18 平行耦合微帶定向耦合器的補償結構 w?r( a ) ( b )?rs wdh第 5章 微波元器件 2. 將一路微波功率按一定比例分成 n路輸出的功率元件稱為功率分配器 。 在結構上 , 大功率往往采用同軸線而中小功率常采用微帶線 。 (1) 兩路微帶功率分配器的平面結構如圖 5 19 所示 , 其中輸入端口特性阻抗為 Z0, 分成的兩段微帶線電長度為 λg/4, 特性阻抗分別是 Z02和 Z03, 終端分別接有電阻 R2和 R3。 ② 端口 “ ② 、 ③ ” 。 于是實際功率分配器平面結構如圖 5 20 所示 , 其中 Z0 Z05及 Rj 由以下公式確定 : KZZRZ 00204 ??KZZRZ 00305 ??kkzRj201 ??第 5章 微波元器件 圖 520 實際功率分配器平面結構圖 Z0Z0Z05Z04RjZ02Z03Z0?g / 4③④①②⑤第 5章 微波元器件 (2