常用微波元器件

第5章 常用微波元器件
为了改善其输入端的匹配，在输入同轴线的终端接
以匹配负载； 为了改善其输出端的匹配，在小环上装有 一个电阻，使其阻值R=Z0。经如此改善后的输入、输出 同轴线几乎都接近匹配。 在需要获得很大衰减量或者要求衰减调节范围很宽 时可采用截止式衰减器。
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3. 匹配负载 匹配负载是一种接在传输系统终端的单端口微波元件， 它几乎能无反射地吸收入射波的全部功率。图5-3(a)所示的 是一种矩形波导小功率匹配负载，它是内置有吸收片的终端 短路的一段波导。吸收片的存在对波导系统来说总是引入了 一种不连续性，为了尽量减小反射，吸收片应做成尖劈形， 且其长度应为λp/2的整数倍，如图5-3(b)所示。只有这样才能 使吸收片在斜面上的每一点引起的电磁波的反射都能被与其 相距λp/4的另一点引起的反射所抵消，从而使波导系统得到 良好的匹配。 尖劈是一种缓变过渡结构。实践表明，由此引起的对波 的反射远小于突变结构，且尖劈劈角越小，即斜面拉得越长， 匹配性能愈好。这种小功率匹配负载允许耗散的平均功率达 W级，一般可在10%~15%的频带内达到驻波比ρ<1.05的近于 理想的匹配程度。
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图5-4 电感膜片处的场分布及等效电路 (a) 电感膜片附近的场分布； (b) (b) 电感膜片在传输线中的等效电路
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窗口面积为b×d的电感膜片，当膜片的厚度t极薄可以
不予考虑时，其相对电纳B的近似计算公式为
p B 2 d B cot Y0 a 2a
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衰减器衰减量的大小用A来表示，设Ei和Eo分别为衰减
器的输入和输出电场强度, 则
E o Ei e A
(5-1-1)
Ei (5-1-2) A 2 0lg dB Eo 一般说来，吸收式衰减器的衰减量Ａ与吸收片的位置
及频率之间没有一个简单的数学关系，必须用功率计或标 准衰减器进行点频定标，从而获得刻度—衰减量曲线。
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图5-3 匹配负载 (a) 矩形波导小功率匹配负载； (b) 匹配负载的吸收片
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5.1.2 电抗性微波元件
电抗性微波元件在微波系统中起着类似于低频电路
中L、C及其组合元件的作用。利用在传输线中插入某种 由于不连续性而激起的高次模截止场所呈现的不同特性 来构成一个相当于集总参数的电感或电容，这便是微波 电抗元件的构成思想。
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1. 吸收式衰减器
图5-1给出了一种矩形波导吸收式衰减器。它是利用 吸收片吸收部分能量而达到吸收效果的。在一段矩形波导 中，垂直于宽壁沿纵向放一块两端做成尖劈形(以减小反 射)的介质片，片上涂有电阻膜片以构成吸收片。由于吸
收片与矩形波导中TE10模的电场平行，故其片上将有电流
1) 电感膜片
对于矩形波导中TE10模的场，电感膜片的插入将激发 起高次模TE30, TE50，TE70…, 这是因为只有这些高次模才 能抵消TE10波在膜片处的切向电场分量以满足膜片处的边 界条件。而这些高次模对于选定的单模传输线来说为截
止波，它们不能沿波导传输，只能集中在膜片附近，但
它们也各自携有能量。从图5-4(a)所示的电感膜片附近的 场分布可见，TE10波的磁场在膜片附近较为集中，故等效 电路呈感性电纳。电感膜片在传输线中的等效电路为图54(b)所示。
~ ~
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3. 可调电抗元件——螺钉 膜片和销钉有一个共同的缺点，那就是尺寸一旦确定， 就只能作为一个固定的电抗元件使用。而螺钉则不同，由 于螺钉插入波导的深度可以调节，故其等效电纳值连续可 变。在低功率设备中，它是一种被普遍采用的调谐和匹配 元件。 螺钉可从波导宽壁插入也可从波导窄壁插入。当螺钉 从波导宽壁插入时，一方面, 它与电容膜片一样，其附近 高次模的电场较为集中，具有容性电纳； 另一方面，波导 宽壁上的轴向电流要流入螺钉，产生附加磁场，具有电感 量。但当插入深度h较浅时，电感量较小，容抗占优势， 总的作用等效为一个电容。
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图5-6 销钉 (a) 单销钉； (b) 三销钉
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电感销钉的相对电纳近似值计算公式为
2 p B B Y0 a
~
1 4a ln 2 de
(单销钉)
(5-1-6a)
式中，d=2r，r为销钉半径。
B
~
4 p a 40.4a 2 a ln 24.66r 1000 2
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在实际的微波传输系统中不可避免地会出现各种形式的 不连续性，如在波导传输线中引入膜片、销钉、拐角、分支 等都会导致微波系统的不连续性。不连续性会引起波的反射 和激发高次模，而局限在不连续性近区中的处于截止状态下 的高次模，其电场与磁场的储能是不均衡的。若截止场中以 磁能为主，则这种不连续的简单等效电路就为电感，反之， 就等效为电容。高次模对单模传输系统的工作状态将产生不 利影响。但当传输系统原本存在有反射时，我们可在传输线 上适当的位置人为地引入一定量的不连续性以产生附加反射 来抵消传输系统原有的反射，从而使传输系统获得近似于匹 配的状态。所以，有时也称像波导中的膜片、销钉和螺钉等 一类的电抗性元件为调配元件。
~
(5-1-4a)
~
当膜片的厚度t不能忽略不计时，则 B 的计算公式为
d t B cot a 2a
~
p
2
(5-1-4b)
窗口宽度d越小，等效的相对电纳越大； 当d=0时，窗 口消失，膜片成为一短路片，则相对电纳值为无穷大。公
式(5-1-4)的精确度大约在10%左右。
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在实际使用时，考虑到螺钉引入的损耗，大功率时还
应考虑到击穿场强等问题，因此，螺钉插入深度一般都较
浅，所以宽壁插入的螺钉一般作可变电容用。 对于窄壁插入螺钉的情况可从场分布受干扰的角度来
理解，当窄壁螺钉插入较浅时，主要是TE10模的磁力线受
“挤压”而使螺钉处的磁能比原先集中，故螺钉主要呈感 性； 随着螺钉插入深度的增加，TE10模的电力线需在螺钉 处满足其边界条件而渐变垂直于螺钉，故出现了Ez分量， 即螺钉激起了TM高次截止模，所以也呈容性，此时销钉 等效为LC并联回路，当销钉插入深度继续增加至穿过窄 壁时，螺钉成为电容销钉，等效为一电容。
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2. 截止式衰减器 截止式衰减器是利用波导的截止特性做成的。图5-2是 一种截止式衰减器的结构示意图。这种截止式衰减器的主 体是一段处于截止状态的圆波导。选择圆波导的半径应满 足截止条件
(c ) TE 11
(5-1-3)
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图5-2 一种截止式衰减器 (a) 截止式衰减器结构图； (b) 衰减量与移动距离的关系
(三销钉)
(5-1-6b)
式中, λ和λp分别为工作波长和波导波长。
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其他电感销钉的相对电纳计算公式见微波工程手册。 在实际应用中应注意两点： (1) 棒径越大，公式误差越大，计算结果要比实测值小。 若给定所需的 B 值，则计算出的棒径值在 B 较大时往往太 ~ 粗，而在 B 很小时算出的棒径值又太细。 (2) 电感销钉的等效电路实际上不是单纯的电感，而是 电容和电感构成的T型网络。但当d=2r<<a时，即销钉很细 时，其串联电容的作用可忽略不计。
J=ζE流过，于是一部分能量将在电阻膜上转化为热能，构 成衰减。
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图5-1 一种吸为TE10波的电场沿波导宽边的分布是中间强，两边
弱，于是吸收片位于波导中间时衰减最大，移向窄壁时衰 减最小。利用这个原理设法将吸收片沿波导宽边移动便可 做成可变衰减器。移动吸收片位置的支撑杆可用细介质棒 做成，若吸收片较长需用两根杆支撑时，杆距l常取λp/4的 奇数倍，目的是使两根介质棒产生的反射波在波导输入口 处反相而抵消。 另一种矩形波导吸收式可变衰减器是沿波导宽壁纵向 开槽的，槽中插入吸收片，片与TE10模的电场平行。这种 衰减器的衰减量随吸收片插入深度的不同而改变大小。
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窗口面积为a×d的电容膜片，当膜片厚度t极薄可以不 ~ 予考虑时，其相对电纳 B 的近似计算公式为
B 4b d B ln csc Y0 p 2B
~
(5-1-5a)
当膜片厚度t不能忽略时，其相对电纳要加以修正，修 正值ΔB为
2t b d B p d b
~
~ ~
(5-1-5b)
修正后的电纳为 B B ，该公式的精确度为10%左 右。d越小，窗口面积越小，相对电纳越大。当d=0时，膜 片上的窗口消失，成为一短路片，其相对电纳值为无穷大。
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2. 销钉
对称电感销钉的结构如图5-6所示。图5-6(a)是单销钉， 图5-6(b)是三销钉，还有二销钉、四销钉、五销钉、七销钉 等等。它们是一根或多根垂直对穿波导宽壁的金属圆棒。 这些销钉起到电感的作用，其原理和电感膜片类似。 可将它们看作是具有一定宽度和厚度的窄条电感膜片。 电感销钉的相对电纳与电感棒的粗细有关。棒越粗， 相对电纳越大。同样直径的电感棒，根数越多，相对电纳 越大。从场的观点来看，销钉的根数越多，几何尺寸越大， 所引起的高次模就越多，这些TE高次截止波在销钉附近所 储存的磁场就越大，其等效感性电纳也就越大。
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5.1 基本微波元件 5.2 微波无源器件 5.3 微波谐振器 5.4 微波有源器件 习题
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5.1 基本微波元件
5.1.1 电阻性微波元件 在微波波段要控制传输线内的传输功率，就需在传输线 中接入衰减器，它相当于低频电路中的电阻元件。微波电阻 性元件主要是微波衰减器。衰减器一般有两类，即吸收式和 截止式。另外，匹配负载在本质上也属于吸收衰减器，只不 过一般衰减器为两端口，接在传输线始端或中间某一位置， 而匹配负载为单端口器件，接在传输线终端。 衰减器的主要作用是消除负载失配对信号源的影响，即 “去耦”，以及调节微波源输出功率电平。匹配负载主要用 于建立传输线中的行波状态。 对衰减器一般的要求是具有一定的工作频带, 有较小的 输入驻波比, 较少的起始衰减量和确定的衰减—频率特性。 对匹配负载的一般要求是具有宽工作频带、小输入驻波比和 适当的功率容量。
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这种截止衰减器具有如下特点： (1) 衰减量与移动距离l之间成线性关系，并且衰减系 数可由有关公式算出，因此这种衰减器也可作为衰减量的 标准。 (2) 当λc<<λ时，衰减系数α很大，移动不太长的一段距 离，就可得到很大的衰减量。 (3) 由于截止圆波导中不存在吸收性材料，故其衰减 不是由于损耗而是由于反射所引起的，所以截止式衰减器 属于反射式衰减器一类。 (4) 由于圆波导输入、输出端反射都很大，因此无论 对输入同轴线还是输出同轴线而言都是严重失配的。
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2) 电容膜片 由图5-5(a)所示的电容膜片附近的场分布可见，TE10波
的电场在膜片附近较为集中，故等效电路呈容性电纳。电
容膜片在传输线中的等效电路如图5-5(b)所示。
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图5-5 电容膜片处的场分布及等效电路 (a) 电容膜片附近的场分布； (b) 电容膜片在传输线中的等效电路
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5.1.3 微波移相器
微波移相器是能改变电磁波相位的装置。按控制其相 移量的手段不同可分为机械控制(有惯性控制)和电子控制 (无惯性控制)两种； 按构成移相器的材料和结构不同又可 分为介质移相器、PIN二极管移相器、场效应管移相器和 铁氧体移相器等。均匀传输线上两点之间的相位差等于相 移常数β与两点之间距离l的乘积，即
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1. 波导中的膜片——电感膜片和电容膜片
波导中的膜片包括电感膜片和电容膜片。膜片是配 置于波导横截面上的带有某种形状的金属片。膜片按其 本身的结构及与矩形波导中TE10模场分布的关系可分为感 性和容性两种，而每一种膜片本身的结构又有对称和不 对称之分。
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