第五章 微波元件

图5-1
矩形波导小功率匹配负载
二、大功率匹配负载
由于吸收片做成的匹配负载对微波功率的吸收发生在 其表面很薄的一层电阻膜中，是“面”吸收，故不能承受 大功率。大功率匹配负载必须采用“体”吸收的方法，并 要考虑到散热问题。
散热 片 法兰 盘
散热片 法兰盘
吸收 材料
(a ) 吸收材料 (b )
(c ) 吸收材料
1 2 3
方－ 圆过渡段
可旋转圆波导段 方－ 圆过渡段 (a)
1
2
3
方－圆过渡段
可旋转圆波导段 (a)
方－圆过渡段
E1
1
2
E1
(b)

E

E2
3

E
三、截止式衰减器（P99图5－11） 方法：截止衰减器是在传输线中插入一小段横向尺寸较小的同 轴传输线段，使电磁波在这一小段传输线内处在截止状态下 传输，即电磁波经过这段传输线后微波能量很快衰减，控制 截止传输线的长度，就可以调节衰减量的大小，如图所示。
玻璃水负载
进水 出水 （a）炮弹式矩形波导水负载示意图
图5-2（b)是“斜插水管式”水负载，常用于波导尺寸 较小的毫米及短厘米波段。它是在H10波导宽壁中心线上电 场最强处斜插一根玻璃管，其中通以流动的水，用来吸收微 波功率并带走所产生的热量。玻璃管斜插也是为了缓变过渡 以改善匹配，一般当倾角θ≈10°左右时，可以得到较好的 匹配。实测表明：水负载的驻波比为ρ=1.05-1.20左右，能 承受的平均功率可达到数百瓦到几十千瓦。
（1）横向移动式衰减器 方法：在一段矩形波导中平行于电场方向放置吸收片而构成,
有固定式和可调式两种， 分别如图 5 - 9(a)、 (b)所示。
（b ）
图 5 – 9 吸收式衰减器
图（b）为固定吸收式衰减器。此时吸收片的位置是固定 不变的，所以其衰减量是固定的。在微波系统中人们常 把固定衰减器当作去耦元件使用。所谓“去耦”就是消 除信号源所造成的二次反射波。二次反射波的存在将造 成信号源工作状态不稳定，故而需用到去耦元件 。
g
b a 矩形波导中的H10波
4
c
d e

g a b
f
b
g
4
c d e
5-4 矩形波导的一种抗流活塞
g
g
b a 矩形波导中的H10波
4
c
d eຫໍສະໝຸດ g a bfbg
4
c d e
5-4 矩形波导的一种抗流活塞
g
c a Zcd d Zce e f
b
Ze1
Zde
Zez 4
g
4
图5-5 抗流活塞的等效电路
出 水
玻璃水管

防辐射套管 （b）斜插水管式矩形波导水负载示意图
进水
5-3 短路活塞和抗流结构
作用：将电磁波能量全部反射回去，形成可以移动的 短路面，理想情况下驻波比为无穷大，实际中达到 100～170即可。 一、接触式短路活塞 （P92，图5－3）
为了使活塞与传输线内壁保持良好的接触而又能平滑地 移动，一般采用固定在活塞上的富有弹性的磷青铜片做成梳 形的接触片，以保持与传输系统内壁有良好的弹性接触。由 于短路面是电压波节和电流波腹，故短路面附近有很大的高 频电流。大电流流过接触点时，不仅会引起很大的损耗，而 且容易发生打火。所以弹簧片向前伸出1/4波长，使接触点 位于电流波节附近，接触损耗减小，不容易发生打火。 接触式短路活塞的特点： 优点：结构简单，加工容易，驻波比可大于50 缺点： 存在机械接触，容易磨损，限制使用寿命，多用于不 需要经常调节的场合（如检波器）
(c)
内导内导体 体
(e)
(f)
内导体
(f)
( (g )g )
二、大功率匹配负载
图5-2给出了两种常用的大功率水负载的结构示意图。 其中(a)是所谓“炮弹式”水负载，它由玻璃做成，形状 很象中空的炮弹头。其底部为圆柱形，直径近似于矩形波 导窄边的尺寸在底面上接入了两根玻璃管分别作为进水管 和出水管，它们被用来通水吸收微波功率并带走所产生的 热量。“炮弹”的端部是圆锥形的，形成一种缓变过渡部 分以利于匹配。(微波能穿透玻璃，水是微波良吸收体。 参考微波炉加热原理)
g
4
g f d c e
g
4
b
a
图5-6
矩形波导的抗流接头
作用：使两段波导的端面连接处能获得良好的电接触。特别 是在当由于某种原因两段波导的之间无法实现直接的机械 接触时（例如要求两者对直流绝缘），采用这种抗流连接 可以防止微波功率从连接处的隙缝中漏出。
优点：光洁度要求不高，允许有不太大的安装偏差；功率容 量较大，连接处驻波比可达到<1.02
Zc
a1 b1
s
a2=0 b2
Zc
Z0=Zc
衰减量：输出端接匹配负载，输入端进波功率与输出端出波 功率之比。 P1 1 L分贝＝ 10 lg ＝20 lg P2 s 21 相位移：输出端接匹配负载，输入端进波相位与输出端出波 相位之差。
1 arg S 21
（1）是否有源：有源、无源 （2）按端口数：一端口、二端口、三端口、四端口 （3）按变换性质： A、线性互易元件： 特点：满足互易定理，对信号进行线性变换，不改变信号频率 代表：匹配负载、短路活塞、微波电桥、定向耦合器 B、线性非互易元件 特点：不满足互易定理，但仍然工作在线性区 代表：各种磁化铁氧体元件，如隔离器、环形器等 C、非线性元件 特点：对信号进行非线性变换，从而可引起微波频率的改变， 并能通过电磁控制以改变元件的特性参量 代表：检波器、混频器以及电磁快控元件等 （4）按用途：匹配连接元件、功率分配元件等
y
x 吸收片 （ a） 支撑杆
图（a）为可调吸收式衰减器。吸收片由胶木板表面涂覆 石墨或在玻璃片上蒸发一层厚的电阻膜组成, 一般两端为 尖劈形，以减小反射。由矩形波导H10模的电场分布可知, 波导宽边中心位置电场最强, 逐渐向两边减小到零, 因此, 当吸收片沿波导横向移动时, 就可改变其衰减量。这类衰 减器的最小衰减量为0分贝，最大衰减量可达30-50分贝。 通过调节机构来改变吸收片的位置，从而使衰减器的衰减 量达到连续可调。
第五章 微波元件
5－1 引言
1、微波元件 泛指能够控制导行电磁波的模式、极化方向、幅值、 相位、频率等的装置。其各种控制作用是通过装置的边界 条件（形状和尺寸）、媒质的变化（不均匀或不连续）来 实现的。即构成微波元件的基础是微波传输线（波导和微 带线），因此也把微波元件叫做不规则波导，和传输线一 起构成微波系统。 2、分析方法 分析微波元件的工作原理及确定其参数。严格的方 法是分析内部的电磁场结构，由于其不均匀性，求解十分 困难，因此用网络中的外特性来描述微波元件，把其等效 成相应的电路，从而不必求解内部场分量。 3、 微波元件分类
5－4 衰减器和移相器
衰减器和移相器都是插入传输系统中的双口元件，但两者具 有不同的功能。衰减器的作用是使通过它的微波产生一定量的衰 减，衰减量固定的称为固定衰减器，衰减器可在一定范围内调节 的称为可调衰减器。移相器的作用是使微波能无衰减地通过，但 产生一定量的相位移，移相器所产生的相位移都是可以调节的. 一、双口网络的传输特性 在具体讨论衰减器与移相器以前，我们先对一般双口网络的传 输特性作简单地分析，以找出双口网络的衰减量和相位移与网络 参量之间的关系。知道了这种关系不仅对定义衰减器和移相器的 特性参量有用，而且在以后讨论阻抗变换器等双口微波元件时也 是有用的。
5－2 匹配负载
匹配负载是一种接在传输系统终端的单口微波元件， 它能几乎无反射地吸收入射波的全部功率，因此当需要在 传输系统中建立起行波状态时，都要用到匹配负载。匹配 负载按其功率容量可分为小功率和大功率两种。
图 5 – 1 各种匹配负载
§5-2 匹配负载
• 波导匹配负载结构示意 图
低功率波导式匹配负载是由一段终端短路 的波导和安装在波导中的吸收体组成。
g
g
其他抗流式短路活塞
图 山字形及S形扼流短路活塞
用于微波测量的定标短路活塞，应具有精密 的定位刻度，附有游标尺或螺旋测微计。
短路器
三、抗流接头与抗流轴承
作用：抗流结构不仅可以用于短路活塞，也可以应用于其他需 要良好的电接触，但无法实现或希望避免机械接触的地方， 抗流结构还可以用来防止微波功率漏出。 1、矩形波导抗流接头（抗流法兰）（P94图5－6）
作用：需要有一根金属轴杆通过波导 壁引入到波导中时，如果既要使 轴杆可以转动或移动，又要保持 它与波导壁之间有良好的电接触， 以防止微波功率漏出和产生损耗， 波导 就可以采用这种抗流结构。 特点：由两段同心的长度均为四分之 一波长的同轴线所组成 ，轴杆与 波导壁之间并不接触，而是留有 间隙ab。然而这种抗流轴承工作 时ab却能等效为短路，因此有良 好的电接触，并能保证无功率漏 出或者损耗。
散热片
法兰盘
(a ) 劈形玻璃容器 吸收材料
(b )
吸收材料
(c)
内导体 (d )
(e)
内导体
(f)
(g )
当功率较小时，可采用在波导内放置一块或几块劈 形吸收片,如图 5 - 1(a)所示; 当功率较大时可以在短 路波导内放置锲形吸收体, 或在波导外侧加装散热片以 利于散热, 如图 5 - 1(b)、(c)所示; 当功率很大时, 还可采用水负载， 如图 5 - 1(d)所示, 由流动的水将 热量带走。同轴线匹配负载是由在同轴线内外导体间放 置的圆锥形或阶梯形吸收体而构成的, 如图 5 - 1(e)、 (f)所示。微带匹配负载一般用半圆形的电阻作为吸收体, 如图 5 –1(g)所示, 这种负载不仅频带宽，而且功率容 量大。
缺点：工作频带窄（用到波长关系），故除了某些特殊情况 以外，矩形波导的连接一般还是采用直接的精密机械接触。