微波元器件

波导管一般采用法兰盘连接, 可分为平法兰接头和扼流法兰接头, 分别如图 5 3(a)、 (b)所示。平法兰接头的特点是: 加工方便, 体积小, 频带宽, 其驻波比可以做到 1.002以下, 但要求接触表面光洁度较高。
图 5 – 3 波导法兰接头
扼流法兰接头由一个刻有扼流槽的法兰和一个平法兰对接而成, 扼流法兰接头的特 点是: 功率容量大, 接触表面光洁度要求不高, 但工作频带较窄, 驻波比的典型值是1.02。 因此平接头常用低功率、宽频带场合，而扼流接头一般用于高功率、窄频带场合。
将衰减器的吸收片换成介电常数εr＞1的无耗介质片时, 就构成了移相器, 这是因为 电磁波通过一段长波为l的无耗传输系统后相位变化为
2πl g
(5-1-4)
其中λg为波导波长, 在波导中改变介质片位置， 会改变波导波长, 从而实现相位
的改变。
(3) 转换接头
在这一类转换器的设计中，一方面要保证形状转换时阻抗的匹配，以保证信号有 效传送；另一方面要保证工作模式的转换。另一类转换器是极化转换器, 由于在雷达通 信和电子干扰中经常用到圆极化波, 而微波传输系统往往是线极化的, 为此需要进行极 化转换, 这就需要极化转换器。由电磁场理论可知, 一个圆极化波可以分解为在空间互 相垂直、相位相差90°而幅度相等的两个线极化波; 另一方面, 一个线极化波也可以分 解为在空间互相垂直、大小相等、相位相同的两个线极化波, 只要设法将其中一个分量 产生附加90°相移, 再合成起来便是一个圆极化波了。
常用的线-圆极化转换器有两种: 多螺钉极化转换器和介质极化转换器(如图 5 6)。 这两种结构都是慢波结构, 其相速要比空心圆波导小。 如果变换器输入端输入 的是线极化波, TE11模的电场与慢波结构所在平面成45°角, 这个线极化分量将 分解为垂直和平行于慢波结构所在平面的两个分量Eu和Ev, 它们在空间互相垂直, 且 都是主模TE11, 只要螺钉数足够多或介质板足够长, 就可以使平行分量产生附加 90° 的相位滞后。 于是，在极化转换器的输出端两个分量合成的结果便是一个圆极化 波。至于是左极化还是右极化，要根据极化转换器输入端的线极化方向与慢波平面 之间的夹角确定。
这种结构是由两段不同等效特性阻抗的λg/4变换段构成, 其工作原理可用如图 5 - 1(c)所示的等效电路来表示, 其中cd段相当于λg/4终端短路的传输线, bc段相当于 λg/4终端开路的传输线, 两段传输线之间串有电阻Rk, 它是接触电阻, 由等效电路不 难证明ab面上的输入阻抗为: Zab=0, 即ab面上等效为短路, 于是当活塞移动时实现了 短路面的移动。扼流短路活塞的优点是损耗小, 而且驻波比可以大于100, 但这种活 塞频带较窄, 一般只有10%~15%的带宽。如图5-1(d)所示的是同轴S型扼流短路活塞， 它具有宽带特性。
图 5 – 2 各种匹配负载
(3)
失配负载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驻 波的标准失配负载, 主要用于微波测量。失配负载和匹配负载的制作相似, 只是尺寸略 微改变了一下, 使之和原传输系统失配。比如波导失配负载，就是将匹配负载的波导窄 边b制作成与标准波导窄边b0不一样, 使之有一定的ห้องสมุดไป่ตู้射。设驻波比为ρ,
图 5 – 4 波导扭转与弯曲元件
(2)
衰减元件和相移元件用来改变导行系统中电磁波的幅度和相位。 对于理想的衰 减器，其散射矩阵应为
0 el
S el
0
(5-1-2)
而理想相移元件的散射矩阵应为
0 ej
S ej
0
(5-1-3)
衰减器的种类很多, 最常用的是吸收式衰减器, 它是在一段矩形波导中平行于电
波导连接头除了法兰接头之外, 还有各种扭转和弯曲元件(如图 5-4 所示)以满足不 同的需要。当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，用波导扭转元件; 当 需要改变电磁波的方向时，可用波导弯曲。波导弯曲可分为E面弯曲和H面弯曲。 为 了使反射最小, 扭转长度应为(2n+1)λg/4, E面波导弯曲的曲率半径应满足R≥1.5b, H面弯 曲的曲率半径应满足R≥1.5a。
b0 (或 b )
b b0
(5-1-1)
例如: 3 cm的波段标准波导BJ-100的窄边为10.16 mm, 若要求驻波比为1.1和1.2, 则失配 负载的窄边分别为9.236 mm和8.407 mm。
2.
微波连接元件是二端口互易元件, 主要包括: 波导接头、 衰减器、相移器、转 换接头。
(1)
5.1
1.
(1)
短路负载是实现微波系统短路的器件, 对金属波导最方便的短路负载是在波导 终端接上一块金属片。 但在实际微波系统中往往需要改变终端短路面的位置, 即需 要一种可移动的短路面, 这就是短路活塞。短路活塞可分为接触式短路活塞和扼流 式短路活塞两种, 前者已不太常用, 下面介绍一下扼流式短路活塞。 应用于同轴线 和波导的扼流式短路活塞如图 5 - 1(a)、 (b)所示, 它们的有效短路面不在活塞和系统 内壁直接接触处, 而向波源方向移动λg/2的距离。
场方向放置吸收片而构成, 有固定式和可变式两种， 分别如图 5 - 5(a)、 (b)所示。
图 5 – 5 吸收式衰减器
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TE10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。
图 5 – 1 扼流短路活塞及其等效电路
(2)
匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件。 对波导来说, 一般在一段 终端短路的波导内放置一块或几块劈形吸收片, 用以实现小功率匹配负载, 吸收片通常 由介质片（如陶瓷、胶木片等）涂以金属碎末或炭木制成。 当吸收片平行地放置在波 导中电场最强处, 在电场作用下吸收片强烈吸收微波能量, 使其反射变小。劈尖的长度 越长吸收效果越好, 匹配性能越好, 劈尖长度一般取λg/2的整数倍。 如图 5 - 2(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 - 2(b)、(c)所示; 当功率很大时, 还可采用水负载， 如图 5 - 2(d)所示, 由流动的水 将热量带走。