【正文】 ) 微帶環(huán)形電橋是在波導(dǎo)環(huán)形電橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種功率分配元件 。 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 。 在這里不作詳細(xì)分析 , 只給出其特性參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足的條件 。 則滿(mǎn)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(chēng)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。 其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖 5 22 所示 , 由等效電路可見(jiàn) , ET分支相當(dāng)于分支波導(dǎo)與主波導(dǎo)串聯(lián) 。 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 。 由此可得 ET分支的 ［ S］ 參數(shù)為 ? ??s??????????212121212121????????????02121第 5章 微波元器件 (2)HT HT分支是在主波導(dǎo)窄邊面上的分支 , 其軸線(xiàn)平行于主波導(dǎo)TE10模的磁場(chǎng)方向 , 其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖 5 23 所示 , HT分支相當(dāng)于并聯(lián)于主波導(dǎo)的分支線(xiàn) 。 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 。 它有以下特征 : 第 5章 微波元器件 圖 5 – 24 魔 T的結(jié)構(gòu) ②④ ( E )③ ( H )①第 5章 微波元器件 ① 四個(gè)端口完全匹配 。 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 。 ⑤ 當(dāng)端口 “ ① ” 或 “ ② ” 輸入時(shí) , 端口 “ ③ 、 ④ ” 等分輸出而對(duì)應(yīng)端口 “ ② ” 或 “ ① ” 隔離 。 端口 “ ③ ” 稱(chēng)為魔 T的 H臂或和臂 , 而端口 “ ④ ” 稱(chēng)為魔 T的 E臂或差臂 。 第 5章 微波元器件 5. 3 在低頻電路中 , 諧振回路是一種基本元件 , 它是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)而成 , 在振蕩器中作為振蕩回路 ， 用以控制振蕩器的頻率 。 在帶通或帶阻濾波器中作為選頻元件等 。 微波諧振器一般有傳輸線(xiàn)型諧振器和非傳輸線(xiàn)諧振器兩大類(lèi) , 傳輸線(xiàn)型諧振器是一段由兩端短路或開(kāi)路的微波導(dǎo)行系統(tǒng)構(gòu)成的 , 如金屬空腔諧振器 、 同軸線(xiàn)諧振器和微帶諧振器等 , 如圖 5 25 所示 , 在實(shí)際應(yīng)用中大部分采用此類(lèi)諧振器 。 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 。 減小電容就要增大平行板距離 , 而減小電感就要減少電感線(xiàn)圈的匝數(shù) , 直到僅有一匝如圖 5 26(b)所示 。 進(jìn)一步增加線(xiàn)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 。 LCf ?210 ?第 5章 微波元器件 圖 5 – 26 微波諧振器的演化過(guò)程 ( a )( b )( c )( d )( e )第 5章 微波元器件 雖然它們與最初的諧振電路在形式上已完全不同 , 但兩者之間的作用完全一樣 , 只是適用于不同頻率而已 。 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{ 。 第 5章 微波元器件 (1) 諧振頻率 f0是微波諧振器最主要的參數(shù) 。 可見(jiàn)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 。 而諧振器的儲(chǔ)能為 dvEdvHuvvme222121 ?? ???? ? 諧振器的平均損耗主要由導(dǎo)體損耗引起 , 設(shè)導(dǎo)體表面電阻為 RS, 則有 dsHRdsRJPs tsSSS221 2121 ?? ?? 式中 , Ht為導(dǎo)體內(nèi)壁切向磁場(chǎng) ， 而 JS=n Ht, n為法向矢量 。 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。 可見(jiàn) : ① Q0 ∝ VS， 應(yīng)選擇諧振器形狀使其 VS大 。 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(chēng)之為無(wú)載品質(zhì)因數(shù)或固有品質(zhì)因數(shù) 。 以上討論的三個(gè)基本參量的計(jì)算公式都是針對(duì)一定的振蕩模式而言的 , 振蕩模式不同 ， 所得參量的數(shù)值不同 。 對(duì)復(fù)雜的諧振器 , 只能用等效電路的概念 , 通過(guò)測(cè)量來(lái)確定 f0、 Q0和 G0。 與矩形波導(dǎo)類(lèi)似 , 它也存在兩類(lèi)振蕩模式 ， 即 TE和 TM模式 。 下面討論在主模條件下矩形空腔諧振器的主要參量 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 28 各種微帶諧振器 ( a )? g / 2( c )( b ) ( d )第 5章 微波元器件 下面對(duì)線(xiàn)節(jié)型諧振器加以簡(jiǎn)單分析 。 根據(jù)并聯(lián)諧振條件 Yin=0, 式中 , λg0為帶內(nèi)諧振波長(zhǎng) 。 長(zhǎng)度為 奇數(shù)倍的一端開(kāi)路一端短路的微帶線(xiàn)構(gòu)成了 微帶諧振器 。 但終端導(dǎo)帶斷開(kāi)處的微帶線(xiàn)不是理想的開(kāi)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 。 εe, q分別為微帶線(xiàn)的有效介電常數(shù)和填充因子 。 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(guò)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(chēng)作激勵(lì)裝置或耦合裝置 。 第 5章 微波元器件 圖 5 – 29 微帶諧振器的耦合 微帶線(xiàn)導(dǎo)帶微帶腔第 5章 微波元器件 用平行耦合微帶線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)激勵(lì)和耦合 , 如圖 5 29 所示 。 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 。 第 5章 微波元器件 以上所介紹的各種微波元件 , 都是線(xiàn)性 、 互易的 , 但在許多情況下 , 我們卻需要具有非互易性的器件 。 為了解決這樣的問(wèn)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(guò)來(lái)從負(fù)載到振蕩器是禁止通行的 。 另一類(lèi)非互易器件是環(huán)行器 , 它具有單向循環(huán)流通功能。 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 。 目前常用的有鎳 鋅 、 鎳 鎂 、 錳 鎂鐵氧體和釔鐵石榴石 （ YIG） 等微波鐵氧體的電阻率很高 , 比鐵的電阻率大 1012~1016倍 , 當(dāng)微波頻率的電磁波通過(guò)鐵氧體時(shí) , 導(dǎo)電損耗是很小的 。 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 。 利用這種效應(yīng) , 便可以做成各種非互易微波鐵氧體元件 ， 最常用的有隔離器和環(huán)行器 。 常用的隔離器有諧振式和場(chǎng)移式兩種 。 設(shè)在含鐵氧體材料的微波傳輸線(xiàn)上的某一點(diǎn) , 沿 +z方向傳輸左旋磁場(chǎng) , 沿 z方向傳輸右旋磁場(chǎng) , 兩者傳輸相同距離 , 但對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率不同 , 故左右旋磁場(chǎng)相速不同 , 所產(chǎn)生相移也就不同 , 這就是鐵氧體相移不可逆性 。 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 。 對(duì)反向傳輸?shù)挠倚龢O化磁場(chǎng) ， 磁導(dǎo)率為 μ+， 它具有鐵磁諧振效應(yīng) ， 而對(duì)正向傳輸?shù)淖髽O化磁場(chǎng) ， 磁導(dǎo)率為 μ， 它不存在鐵磁諧振特性 , 這就是圓極化磁場(chǎng)的諧振效應(yīng) 。 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) 。 對(duì)于矩形波導(dǎo) TE10模而言 , 其磁場(chǎng)只有 x分量和 z分量 , 它們的表達(dá)式為 xaHaHZ??? s i n0??xaHH Z ?c os0?第 5章 微波元器件 可見(jiàn)兩者存在 π/2的相差 。 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(chēng)軸 , 波導(dǎo)兩邊為極化性質(zhì)相反的兩個(gè)磁場(chǎng) 。 可見(jiàn) ， 應(yīng)在波導(dǎo)x=x1處放置鐵氧體片 , 并加上如圖 5 31 所示的恒定磁場(chǎng) , 使 Hi與傳輸波的工作頻率 ω滿(mǎn)足 ω=ω0=γHi (5 4 5) 式中 , ω0為鐵氧體片的鐵磁諧振頻率； γ= 103/4πHz 這時(shí) , 沿 +z方向傳輸?shù)牟◣缀鯚o(wú)衰減通過(guò) , 而沿 z方向傳輸?shù)牟ㄒ驖M(mǎn)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 。 也就是單向傳輸?shù)姆较蚺c前述情形正好相反 。 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。 由于場(chǎng)移式隔離器具有體積小 , 重量輕 , 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且有較寬的工作頻帶等特點(diǎn) , 因此在小功率場(chǎng)合得到了較為廣泛的應(yīng)用 。 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） 反向衰減量 α )(1lg10lg10212202 dBsppa ???第 5章 微波元器件 式中 , P02為反向傳輸輸入功率； P2為反向傳輸輸出功率； 理想情況下 α→∞ 。 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)外加磁場(chǎng)為零時(shí) , 鐵氧體沒(méi)有被磁化 , 因此各個(gè)方向上的磁性是相同的 。 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。輸入口輸出口輸出輸入口輸出口隔離口①③②②①③( a ) ( b ) ( c )H0分支線(xiàn)鐵氧體Y 形結(jié)結(jié)構(gòu)( a )第 5章 微波元器件 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(méi)有信號(hào)輸出 。 由分支 “ ③ ” 輸入時(shí) , 分支 “ ① ” 有輸出而分支 “ ② ” 無(wú)輸出