第五章 微波元件新
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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。
第5章 常用微波元器件
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。
第5章 常用微波元器件
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
第5章 常用微波元器件
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
第5章 常用微波元器件
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
第5章 微波元件
螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件 , 它 是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配元件, 如图 5 - 7 所示。 螺钉深度的不同等效为不同的电抗元件, 使用时为了避免波导 短路击穿, 螺钉都设计成容性, 即螺钉旋入波导中的深度应小于 3b/4(b为波导窄边尺寸)。 由第1章的支节调配原理可知：多个 相距一定距离的螺钉可构成螺钉阻抗调配器, 不同的是这里支 节用容性螺钉来代替。
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。
(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。
第5章 微波元器件
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
第5章 微波元器件
第5章 微波元器件
5.1 连接匹配元件 5.2 功率分配元器件 5.3 微波谐振器件
5.4 微波铁氧体器件Leabharlann 返回主目录第5章 微波元器件
第5章 微波元器件
无论在哪个频段工作的电子设备, 都需要各种功能的元器件, 既有如电容、电感、电阻、滤波器、分配器、谐振回路等无源 元器件, 以实现信号匹配、 分配、 滤波等; 又有晶体管等有源
微波技术课件-常用微波元件
同軸線波導
波導微帶
第五章 常用微波元件
3、 同軸線微帶轉接器
同軸線微帶轉接器的結構如圖所示。與微帶連接處的同軸線內導體 直徑的選取與微帶線的特性阻抗有關，通常使內導體直徑等於微帶線寬 度。
4、矩形波導圓波導模式變換器
矩形波導圓波導模式變換器，大多採用波導橫截面的逐漸變化來 達到模式的變換。
同 軸 線
m arccos
2 m
Z0ZL
1
2 m
ZL
Z0
通常用分數帶寬Wq表示頻帶寬度，Wq與 m有如下關係
Wq
f2 f0
f1
2 1 0
m m
2
2
4
m
當已知ZL 和Z0，且給定頻帶內容許的 m時，則由式可計算出相對帶寬
Wq值；反之，若給定Wq值，也可求出變換器的 m，計算中 m取小於 /2的值。
作用的反射波數量也增多，從而在m相同的條件下，使工作頻
帶增寬。
對於N節階梯變換器
2e jN 0 cos N 1 cosN 2
其模值為
2 0 cos N 1 cosN 2
第五章 常用微波元件
三、漸變線阻抗變換器
所謂漸變線，是指其特性阻抗按一定規律平滑地由一條傳輸線 的特性阻抗過渡到另一條傳輸線的特性阻抗。
在波導內放入與電場方向平行的吸收片，當微波能 量通過吸收片時，將吸收一部分能量而產生衰減， 這種衰減器稱為吸收衰減器，如圖所示。
第五章 常用微波元件
（二）、截止式
截止衰減器是在傳輸線中插入一小段橫向尺寸較小的傳輸線段，使電 磁波在這一小段傳輸線內處在截止狀態下傳輸，即電磁波經過這段傳 輸線後微波能量很快衰減，控制截止傳輸線的長度，就可以調節衰減 量的大小，如圖所示。
微波课件第5章
0 [Sα ] = −αl e
e −αl 0
而理想相移元件的散射矩阵应为
0 [Sθ ] = − jθ e
e − jθ 0
最常用衰减器的是吸收式衰减器, 最常用衰减器的是吸收式衰减器 它是在一段矩形波导中平行于 电场方向放置吸收片而构成, 有固定式和可变式两种。 电场方向放置吸收片而构成 有固定式和可变式两种。
= ( Γ 0 + Γ N e − j2 Nθ ) + ( Γ 1e − j 2θ + Γ N −1e − j2( N −1)θ ) + 3; e − jNθ ) + Γ 1 (e − j( N − 2 )θ + e j( N − 2 )θ ) + ⋯] = 2e − jNθ [ Γ 0 cos Nθ + Γ 1 cos( N − 2)θ + ⋯]
等效电纳的性质与其粗细及插入深度有关. 等效电纳的性质与其粗细及插入深度有关
(2) 多阶梯阻抗变换器
l=λp/4 λp/4 TE10 b1 Ze3 b3
Ze1
Ze2 b2
a）结构图 ）
b）等效电路 ）
设变换器共有N节，参考面分别为T0, T1, T2, …, TN共(N+1)个, 设变换器共有 节 参考面分别为 个 如果参考面上局部电压反射系数对称选取, 即取 如果参考面上局部电压反射系数对称选取 即取
(3) 失配负载 失配负载既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率, 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。 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 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 和原传输系统失配。 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 比如波导失配负载，就是将匹配负载的波导窄边 制作成与标准 波导窄边b0不一样 使之有一定的反射。设驻波比为 则有 波导窄边 不一样, 使之有一定的反射。设驻波比为ρ, 则有
第五章微波元件
玻璃水负载
（a）炮弹式矩形波导水负载示意图
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 出水
进水
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。除了水负载以外，还有一种干式（固 体吸收材料，如SiC）的大功率匹配负载。
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。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。
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
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。
矩形波导直接精密接头（图（a）平法兰接头）
0 / 2
(a)
(b)
优点: 加工方便, 体积小, 频带宽, 其驻波比可达1.002以下 缺点：要求接触表面光洁度较高。
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。
第五章 微波元件新
E-T分支的场分布图
波导分支接头
当TE10模从端口3输入时，1和2口输出等幅反相波
当TE10模从端口1和2等幅同相输入时，3口无输出主波导内 为驻波。对称面为电场的波腹位置 当TE10模从端口1和2等幅反相输入时，3口有最大输出， 对称面为电场的波节位置
由波导臂上的电流分布可以看出E-T分支相当于串接在主波 导上
膜片，销钉和螺钉
在一段波导上下对称放置金属膜片，当波导宽臂上纵向电流 到达膜片时被截断，在膜片端口聚集电荷，随着导行波的传 输电荷量也随之变化。
因此上下膜片相当于构成了一个并联的电容，称为电容膜片
c
z0
z0
当膜片在波导窄臂上时则等效为一个电感，这样放置的膜片 又称为电感膜片。
L
z0
z0
如果在波导的横截面上同时放上电容和电感膜片，这样就形 成了一个谐振腔，波导传输信号的频率等效为谐振频率，谐 振频率决定于窗口的尺寸。 在矩形波导中置放与波导上下宽臂连接的金属棒，称为电感 销钉或电感棒，它可以看作是电感膜片的变形，其电感量与 棒的粗细有关。
实际应用中端口4都要接匹配负载,用来吸收传来的信号功率. 为了展宽工作频带,可以采用多孔耦合方式.
5.4.3几种常见定向耦合器
图5.4.4 耦合线耦合器
图5.4.5分支线耦合器
图5.4.6 兰格耦合线
图5.4.7 180度混合电桥 （a）环形电桥（b）波导魔T
L
图5.5.2 波导谐振窗
图5.5.4 波导中的螺钉和其等效电路
波导和同轴短路活塞
目前广泛使用的是同轴型和波导型抗流短路活塞，它们 利用四分之一波长线的阻抗变换作用，使活塞形成短路 面，这种结构损耗小，寿命长，但是工作频带较窄。
微波元器件
微波连接匹配元器件
微波连接匹配元件可分为终端负载元件、微波连 接元件以及阻抗匹配元器件三大类。 一 、终端负载元件是典型的一端口互易元件，主要 包括短路负载、匹配负载和失配负载。
匹配负载
二 、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。
接触头：平法兰盘、 普通螺母、螺 栓…… 抗（扼）流头：扼 流法兰盘……
新型器件
1、混频器 变频（或混频），是 将信号频率由一个量 值变换为另一个量值 的过程。具有这种功 能的电路称为变频器 （或混频器）。混频 器通常由非线性元件 和选频回路构成。
2 、压控振荡器 输出频率与输入控制电 压有对应关系的振荡电 路(VCO)。压控振荡器的 类型有LC压控振荡器、 RC压控振荡器和晶体压 控振荡器。对压控振荡 器的技术要求主要有： 频率稳定度好，控制灵 敏度高，调频范围宽， 频偏与控制电压成线性 关系并宜于集成等。
第五章 微波元器件
按变换性质分
（1）线性互易元件 • 元件中没有非线性和非互易性物质，之进行线性变换而不 改变频率。 • 常用元件：微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波谐 振器件、微波滤波器等。 （2）线性非互易元件 • 元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质，具有非互易特性， 其散射矩阵是不对称的。但工作于线性区域，仍属于线性 元件范围。 • 常用元件：隔离器、环行器等。 （3）非线性元件 • 元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换， 从而引起频率的改变，并能通过电磁控制来改变元件的特 性参量。 • 常用元件：微波晶体管、微波电子管、微波固态谐振器、 微波场效应管及微波电真空器件等。
2 、铁氧体环行器
环行器是一种具有非 互易特性的分支传输 系统，常用的铁氧体 环行器是Y形结环行 器，它是由三个互成 120°的角对称分布 的分支线构成。
第5章 微波元件
第5章
5―1 5―2 引言
微波元件
波导中的电抗元件
5―3
5―4 5―5 5―6 5―8 5―9
微波连接元件和终接元件
衰减器和移相器 阻抗调配器和阻抗变换器 定向耦合器 微波谐振器 微波铁氧体元件
5―1 微波元件的分类:
引言
一、按传输线型式：波导型、同轴型和微带型等; 二、按功能：连接元件、终端元件、匹配元件、 衰减元件、相移元件、分路元件、波型变换元 件、滤波元件等。
3. 同轴线―微带转接器
图5―3―4(a)和(b)表示常用的同轴
线与微带的转接器的结构示意图。 将同轴线的内导体向外延伸一小段 (长度约为12mm)与微带线中心导带 搭接,同轴线的外导体与微带线的接 地平面相连的外壳通过法兰相连,这 种接头根据报导,在10GHz以下的频 率范围内,可得到小于1.15的驻波比,
问题：
有没有高次模？能 传输吗？
2.波导―微带转接器
由于矩形波导的等效阻抗通常在300Ω400Ω之间,而微带线特 性阻抗一般为50Ω;而且矩形波导的高度b又比微带线衬底高度 h大得多,因此两种传输线不能直接相接,常在波导和微带线之 间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。图5―3―3(a)和(b) 分别表示脊波导高度是渐变和阶梯变化的过渡段的转接器。
只要在两段所需要匹配的传输线之间,插入一
段或多段传输线段, 就能完成不同阻抗之间的变
ห้องสมุดไป่ตู้
换,以获得良好匹配,故称为阻抗变换器。
二 阻抗变换器
分类：
按结构可分为同轴线阻抗变换器矩形波导阻抗 变换器带状线和微带线阻抗变换器; 按阻抗变换的规律可分为阶梯阻抗变换器和渐变式 阻抗变换器。
(一)单节阻抗变换器
C 1 0 lg
5―1 5―2 引言
微波元件
波导中的电抗元件
5―3
5―4 5―5 5―6 5―8 5―9
微波连接元件和终接元件
衰减器和移相器 阻抗调配器和阻抗变换器 定向耦合器 微波谐振器 微波铁氧体元件
5―1 微波元件的分类:
引言
一、按传输线型式：波导型、同轴型和微带型等; 二、按功能：连接元件、终端元件、匹配元件、 衰减元件、相移元件、分路元件、波型变换元 件、滤波元件等。
3. 同轴线―微带转接器
图5―3―4(a)和(b)表示常用的同轴
线与微带的转接器的结构示意图。 将同轴线的内导体向外延伸一小段 (长度约为12mm)与微带线中心导带 搭接,同轴线的外导体与微带线的接 地平面相连的外壳通过法兰相连,这 种接头根据报导,在10GHz以下的频 率范围内,可得到小于1.15的驻波比,
问题：
有没有高次模？能 传输吗？
2.波导―微带转接器
由于矩形波导的等效阻抗通常在300Ω400Ω之间,而微带线特 性阻抗一般为50Ω;而且矩形波导的高度b又比微带线衬底高度 h大得多,因此两种传输线不能直接相接,常在波导和微带线之 间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。图5―3―3(a)和(b) 分别表示脊波导高度是渐变和阶梯变化的过渡段的转接器。
只要在两段所需要匹配的传输线之间,插入一
段或多段传输线段, 就能完成不同阻抗之间的变
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换,以获得良好匹配,故称为阻抗变换器。
二 阻抗变换器
分类：
按结构可分为同轴线阻抗变换器矩形波导阻抗 变换器带状线和微带线阻抗变换器; 按阻抗变换的规律可分为阶梯阻抗变换器和渐变式 阻抗变换器。
(一)单节阻抗变换器
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第5章 微波元件1
集总参数电路网络组合而成。
分布参数电路由规则导行系统等效而成； 集总参数网络则由微波电路或系统中的不连续性等效
而组成。
第5章 微波元器件
研究微波元件要注意其等效网络的电路模 型，S参数的特点，具体的应用方式等问 题。 一种电路功能可能存在多种不同结构的实 现方法（与传输线型、功率容量，频带 宽窄等有关）。
( Z in ) ab
2 Z 01 = ( Z in ) cd
其损耗小且稳定，但活塞长且频带只能做到10~15%的带宽。
第5章 微波元器件 (2) 匹配负载
全部吸收输入功率的元件。
Z L Z0
主要技术指标：工作频率f、输入驻波比、功率容量。
用途：为匹配标准、模拟等效天线、吸收负载等。
第5章 微波元器件 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 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,
1）短路负载
短路器，可调短路活塞 要求：
ZL 0
(1) 保证接触处的损耗小， 1 ；
(2) 当活塞移动时，接触损耗变化小； (3) 大功率时，活塞与波导壁间不应产生打火现象。 可用为调配器，纯电抗元件 结构方式：接触式、扼流式 直接短路，则短路点位电 流的波腹点，损耗较大
第5章 微波元器件
第5章 微波元器件
微波系统是由有源微波电路和微波无源元件组成。
《微波技术》[第5章]
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第五章
第一节
第 五 章 微 波 元 件
微波元件
引 言
低频电路有电阻、电容、电感元件。微波电路中 也有一些微波元件，如匹配负载、电抗元件等。 微波元件的功能：对微波信号进行各种变换。 微波元件的分类：
1. 按传输线类型分：
合肥工业大学物理学院
2. 按变换性质分：
（1）线性互易元件 元件中没有非线性和非互易性物质。
合肥工业大学物理学院
第二节
一、终端负载
终端负载和连接元件
ห้องสมุดไป่ตู้终端负载：传输线终端所接元件。
第 五 章 微 波 元 件
分类：常用的终端负载有短路负载和匹配负载。 1、短路负载 短路负载：将电磁能量全部反射回去。 将同轴线和波导终端短路，即分别成为同轴线和 波导固定短路器。短路负载又称为短路器。 一般是可调象活塞状短路器。也称短路活塞。
圆 耦 波 合 导 环
输出同轴线
截 止 衰 减 器
输入同轴线
合肥工业大学物理学院
二、移相器 移相器是对电磁波只产生一定的相移而不产生能 量衰减的微波元件，它是一个无反射、无衰减的二 端口网络，其散射矩阵为
第 五 章 微 波 元 件
0 [ S] = − jθ e
e− jθ 0
其中移相器的相移量为 θ = β l = 2πl λ p 可变移相器与可变衰减器在结构形式上完全相似， 所不同的是：前者是改变介质片的位置，后者是 改变吸收片的位置。
合肥工业大学物理学院
（1）接触活塞 由细弹簧片构成，活塞移动时，接触有时不好， 会发生打火现象，现在基本不用。
第 五 章 微 波 元 件
（2）扼流活塞 有“山”、“S”型的波导、同轴元件短路器。 如“山”型：
第一节
第 五 章 微 波 元 件
微波元件
引 言
低频电路有电阻、电容、电感元件。微波电路中 也有一些微波元件，如匹配负载、电抗元件等。 微波元件的功能：对微波信号进行各种变换。 微波元件的分类：
1. 按传输线类型分：
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2. 按变换性质分：
（1）线性互易元件 元件中没有非线性和非互易性物质。
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第二节
一、终端负载
终端负载和连接元件
ห้องสมุดไป่ตู้终端负载：传输线终端所接元件。
第 五 章 微 波 元 件
分类：常用的终端负载有短路负载和匹配负载。 1、短路负载 短路负载：将电磁能量全部反射回去。 将同轴线和波导终端短路，即分别成为同轴线和 波导固定短路器。短路负载又称为短路器。 一般是可调象活塞状短路器。也称短路活塞。
圆 耦 波 合 导 环
输出同轴线
截 止 衰 减 器
输入同轴线
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二、移相器 移相器是对电磁波只产生一定的相移而不产生能 量衰减的微波元件，它是一个无反射、无衰减的二 端口网络，其散射矩阵为
第 五 章 微 波 元 件
0 [ S] = − jθ e
e− jθ 0
其中移相器的相移量为 θ = β l = 2πl λ p 可变移相器与可变衰减器在结构形式上完全相似， 所不同的是：前者是改变介质片的位置，后者是 改变吸收片的位置。
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（1）接触活塞 由细弹簧片构成，活塞移动时，接触有时不好， 会发生打火现象，现在基本不用。
第 五 章 微 波 元 件
（2）扼流活塞 有“山”、“S”型的波导、同轴元件短路器。 如“山”型：
微波技术课件第5章 微波元器件(有源无源 4次课)
微波谐振器-------简介
2a 圆波导 同轴线 2a 2b
在圆波导两端用导体短路可构 成微波圆柱谐振腔
在同轴线两端用抗流活塞或低通 滤波器短路可构成微波同轴谐振 腔
D = 4 mm， h = 3.5 mm f0 = 12 GHz，Ku 波段 D = 11 mm，h = 8 mm f0 = 4.2 GHz ，C 波段
小功率同轴线匹配负载 的 应 用 一、仪器、设备校准
匹配负载的应用
4
微波元器件的闲 置端口都必须配 置匹配负载。 右图为波导型定 向耦合器，其 4 端口配置了一个 小功率匹配负载。
3
1
2 4 1
微波元器件的闲置端 口都必须配置匹配负载。 右图为微带线型耦合 器，其 4 端口配置了一 个 50 欧姆的匹配负载。 尽管从理论上讲 4 端 口是没有输出的。
–
匹配元件
• 匹配负载的主要技术指标
– 功率容量
• 功率容量为数百毫瓦以下的匹配负载为小功率匹配 负载
– 工作带宽
• 相对带宽 > 10％ 的属于宽带匹配负载
– 带内驻波比
• 为1.05 ~ 1.20是比较好的匹配负载，相当于 99.998％ ~ 99.2％ 的入射功率被负载吸收
常用的匹配负载
抗流接头 真正短路
• 抗流法兰盘
转换接头（1）
• 转接元件-----将不同类 型传输线或元件连接
– 阻抗匹配 – 模式的变换
• 同轴线―波导转接器
– 内导体插入深度h – 偏心距d – 短路活塞位置l
19_15
转换接头（2）
• 波导―微带转接器
波导(Ze=400-500 Ω)
微带线(Z0=50 Ω) 中间加脊波导过渡段 实现阻抗匹配
微波技术基础第五章课后答案
5-2若一两端口微波网络互易，则网络参量[]Z 、[]S 的特征分别是什么？ 解： 1221Z Z = 1221S S =5-4 某微波网络如右图。
写出此网络的[ABCD]矩阵，并用[ABCD]矩阵推导出对应的[S]及[T]参数矩阵。
根据[S]或[T]阵的特性对此网络的对称性做出判断。
75Z j =Ω解： 因为，312150275,2125025j j A A A jj --⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦所以，12313754212004j A B A A A jC D ⎡⎤--⎢⎥⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥--⎢⎥⎣⎦因为，归一化电压和电流为：()()()i i i V z a z b z ==+()(()()i i i i I z I z a z b z ==-(1)归一化ABCD 矩阵为： 00/AB Z a b CZ D c d ⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦(2)所以： 1122220()()/a b A a b B a b Z +=++-1102222()()a b CZ a b D a b -=++-(3)从而解得：1001100221(/)1(/)1()1()A B Z A B Z b a CZ D CZ D b a ----+⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥----+⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦(4)所以进而推得[S]矩阵为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+----++++=D CZ Z B A BC AD D CZ Z B A D CZ Z B A S 000000/2)(2//1][ (5) ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--+-=j jj S 2722274211][ (6)由(3)式解得⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-++++----+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡220000000011////21b a D CZ Z B A D CZ Z B A D CZ Z B A D CZ Z B A a b (7)所以， ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-++++----+=D CZ Z B A DCZ Z B A D CZ Z B A DCZ Z B A T 00000000////21][(8)⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--+--=j j j j T 274214212721][ （9）因为[S]阵的转置矩阵][][S S t=，所以，该网络是互易的。
微波技术微波技术第五章(1)
当GA、GB 都远小于1 时，在A-A’处的总反射系数可近似为
令q = l，得
j 2l0
G = G = GA GBe 4 G = GA GBe j2q = GA (1+e j2q )
= GAe jq (e jq e jq ) = 2GAe jq cos q
(3-158)
以保证接头处 (如图示1、2之间) 有良好的电接触。扼流接头安装方
便、功率容量大；但频带较窄。
扼流接头
平接头
2. 拐角、弯曲与扭转元件
改变电磁波的传输方向用拐角、弯曲元件；改变电磁波的极化
方向而不改变其传输方向用扭转元件。要求r 小、频带宽、功率容 量大。为使反射最小, 拐角和扭转段长度l =(2n+1)lg/4。E面弯波
Γ = Z Z0 Z Z0
1
r=
1
Γ Γ
=
Z
e
Z
=
b
a
b
Z0 b0
Z0 = b0 Zb
(Z Z0) (Z Z0)
(5 5) ( 5 – 6)
第二节 二端口元件
无耗二端口网络的基本性质（已在课件第四章(1) 讲解）
一、连接元件 连接元件的作用是将作用不同的微波元件连接成完整的系统。 要求接触损耗小, 驻波比小, 功率容量大, 工作频带宽。 这里只介绍单纯起连接作用的接头、拐角、弯曲和扭转元件。
Rmax Z0 Rmax Z0
B-B’处的局部反射系数为
GB
=
Rmax Rmax
Z01 Z01
=
Rmax Rmax
微波技术第五章
0
Z1 Z1
Z0 Z0
1
Z2 Z2
Z1 Z1
2
ZL ZL
Z2 Z2
Байду номын сангаас
微波技术第五章
第五章 常用微波元件
T0参考面上，
U r0 U i 1 U ie j2 2 U ie j4
T0面上总的电压反射系数为
U r
U i
0
1ej2
2ej4
然而在多节阶梯的情况下，由于多节突变面数目增多，参与抵消
第五章 常用微波元件
5-5 阻抗变换器
为了消除不良反射现象，可在其间接入一阻抗变换器，以获得良好的匹 配。
常用的阻抗变换器有两种：一种是由四分之一波长传输线段构成的阶 梯阻抗变换器(包括单节和多节)；另一种是渐变线阻抗变换器。
一、单节/4阻抗变换器
如右图所示，若主传输线的特性 阻抗为Z0，终端接一纯电阻性负载 ZL ，但ZL Z0，则可以在传输线 与负载之间接入一特性阻抗为Z01、
这类元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质，具有非互易特性，其散 射矩阵是不对称的。但仍工作于线性区域，属于线性元件范围。常用 的线性非互易元件有隔离器、环行器等。
微波技术第五章
第五章 常用微波元件
三、非线性元件
这类元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换，从而引 起频率的改变，并能通过电磁控制以改变元件的特性参量。常用的非 线性元件有检波器、混频器、变频器以及电磁快控元件等。
微波元件分类：
微波元件
波导型 同轴型 微带型
近年来，为了实现微波系统的小型化，开始采用由微带和集中参数 元件组成的微波集成电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组 成复杂的微波系统，完成各种不同功能。
第五章微波元件
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。 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。
而且功率容量大。
一、小功率匹配负载
图5-1（a）所示的是典型的H10波导小功率匹配负载，它是一 片尖劈状的吸收片，平行于电场方向置于矩形波导H10波的电 场最强处（平行于窄边，宽边中心线处），可以强烈地吸收 H10波的功率。吸收片通常由薄玻璃片制成，其表面涂敷一层 金属电阻膜或碳膜。为了得到良好的匹配，人们把吸收片的端 部做成尖劈形状。原则上讲，当尖劈投影的长度为半个波导波 长的整数倍时，能达到良好的匹配。为了在较宽的频带内都有 较好的匹配，在条件允许的情况下，尽量把尖劈部分的尺寸选 得长一些。这种小功率吸收片匹配负载，一般可以在 10~15%的频带内做到驻波比ρ＜1.01~1.05的匹配程度，
散热片 法兰盘
(a) 劈形玻璃容器
(b) 吸收材料
吸收材料 (c)
(d )
内导体 (e)
内导体 (f)
(g)
图 5 – 1 各种匹配负载
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。
一、小功率匹配负载
图5-1（a）所示的是典型的H10波导小功率匹配负载，它是一 片尖劈状的吸收片，平行于电场方向置于矩形波导H10波的电 场最强处（平行于窄边，宽边中心线处），可以强烈地吸收 H10波的功率。吸收片通常由薄玻璃片制成，其表面涂敷一层 金属电阻膜或碳膜。为了得到良好的匹配，人们把吸收片的端 部做成尖劈形状。原则上讲，当尖劈投影的长度为半个波导波 长的整数倍时，能达到良好的匹配。为了在较宽的频带内都有 较好的匹配，在条件允许的情况下，尽量把尖劈部分的尺寸选 得长一些。这种小功率吸收片匹配负载，一般可以在 10~15%的频带内做到驻波比ρ＜1.01~1.05的匹配程度，
散热片 法兰盘
(a) 劈形玻璃容器
(b) 吸收材料
吸收材料 (c)
(d )
内导体 (e)
内导体 (f)
(g)
图 5 – 1 各种匹配负载
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，
《微波技术与天线》第五章 微波元件
;2
2 2
0 r2
,2
0 r2
b
0
b'
0
a 1 ( 0 )2 a' r 1 ( 2 )2
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2a
2a' r
15
微波电抗性元件
波导元件的实现方法
谐振窗
0 2a'
r
( a a'
1(
)2( b b'
b )2
)2
(r1
1, r 2
第五章 微波元件
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1
引言
微波元件按变换性质分类
线性互易元件
只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性，并满足互 易定理。
包括微波连接匹配元件、功率分配元件、微波滤波元件、 微波谐振器。
线性非互易元件
元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质。
铁氧体元件：它的散射矩阵不对称，但仍工作在线性区域。
越大。
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17
微波电抗性元件
波导元件的实现方法
对穿电感销钉
单电感销钉的相对电纳：
bL
BL
/
Y0
2g
4a
/[ a ln( de2
)]
三电感销钉的相对电纳：
bL
BL
/
Y0
4g
/{ a[ln(
a 24.66 r
)
40.4 a 2
10002
]}
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8/16/2019
27
微波电抗性元件
微带元件的实现方法
串联电感的实现（方法I）
第5章 微波元器件
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。
第5章 微波元器件
图 5 – 1 扼流短路活塞及其等效电路
第5章 微波元器件 (2) 匹配负载 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
第5章 微波元器件
图 5 – 6 极化转换器
第5章 微波元器件 3. 阻抗匹配元件 (1) 螺钉调配器 螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件, 它 是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配元件, 如图 5 - 7 所示。
螺钉深度的不同等效为不同的电抗元件, 使用时为了避免波导
短路击穿, 螺钉都设计成容性, 即螺钉旋入波导中的深度应小于 3b/4(b为波导窄边尺寸)。 由第1章的支节调配原理可知：多个 相距一定距离的螺钉可构成螺钉阻抗调配器, 不同的是这里支 节用容性螺钉来代替。
而向波源方向移动λg/2的距离。
第5章 微波元器件 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
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 S l e 而理想相移元件的散射矩阵应为
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波导窄壁双孔定向耦合器
A 4 1 A’ B’
l
B 3 2
如图,主副矩形截面波导窄壁为公共壁,上有两个形状相同的 间距为l的小孔.信号由主波导口1输入,并令波幅为1.
令小孔的耦合系数为C,C+.C- 分别为向3口和4口传输的部 分,假定输入波经过小孔a,b后幅值不变.
A 4
l
B 3
在副波导中向端口 3传输的耦合波,由小孔a和b两部分组成 2 1 他们到达BB’时耦合波为
理想0°~180°混合电桥的散射矩阵为
0 1 0 1 0 1 1 S 2 0 1 0 1 0 1
1 0 1 0
定向耦合器的基本指标 耦合度：定义为1口输入功率P1 与3口输出P3功率之比的分贝数。
P C 10 lg 1 dB P3
4 1 2
H-T分支
H-T分支波导延伸方向与主波导的 TE10模的磁场平行，如图所示 仍把两臂端口令为1和2分支为4口 同样可以分析得出H-T的工作特性
1 2
4
当TE10模从端口4输入时，1和2口输出等幅同相波 当TE10模从端口1和2等幅同相输入时，4口有最大输出，主波 导内为驻波。对称面为电场的波腹位置 当TE10模从端口1和2等幅反相输入时，4口无输出，对称面为 电场的波节位置。
5.4.3几种常见定向耦合器
图5.4.4 耦合线耦合器
图5.4.5分支线耦合器
图5.4.6 兰格耦合线
图5.4.7 180度混合电桥 （a）环形电桥（b）波导魔T
2
L0 20 lg el L0 8.68l dB
极化式衰减器由两个矩形截面波导—圆截面波导转接器 和一段同轴波导构成。
旋转极化式可变衰减器
E E1 cos
当经过输出端的转接器后，转化为TE10模输出，其量值 为 E2 E cos E1 cos 2
设波导信号输入功率为P1，z=0处耦合信号功率为P0，在z=l 处耦合到同轴线中信号功率为Pl，则相对于P1的衰减量以分 贝表示为：
P P 0 1 1 P Ll 10 lg 10 lg Pl P P 0 1 10 lg F r. P 1 10 lg l P0 F r . e
L
图5.5.2 波导谐振窗
图5.5.4 波导中的螺钉和其等效电路
波导和同轴短路活塞
目前广泛使用的是同轴型和波导型抗流短路活塞，它们 利用四分之一波长线的阻抗变换作用，使活塞形成短路 面，这种结构损耗小，寿命长，但是工作频带较窄。
§4.4 定向耦合器
定向耦合器是利用小孔耦合.分支耦合及平行线耦合等方式, 把主传输线中的一部分信号取出,用于微波系统的监测,信号 功率的分配或合成.
这样，衰减器衰减量与圆截面波导的旋转角度有关，其衰减 量分贝为
E1 P 1 1 L 10 lg 10 lg 10 lg 4 P2 E cos 2
2
40 lg cos dB
电抗元件
膜片，销钉和螺钉
在一段波导上下对称放置金属膜片，当波导宽臂上纵向电流 到达膜片时被截断，在膜片端口聚集电荷，随着导行波的传 输电荷量也随之变化。
空气微带 微带
接地板
矩形——圆形截面波导转接器
因矩形和圆截面波导的主模的 场结构很相似，所以可以采用 波导截面渐变的结构来实现模 式转接。如图所示
微波铁氧体器件，可变衰减器和可变移相器
极化转换器
多螺钉极化转换器
介质极化转换器
E—T分支
3
Z0 Z0 2
1
T形接头是一种将一路信号分成两路的三端口元件，图示的是 E-T分支接头和其等效电路
H-T分支的场分布图
双T分支
双T为E-T分支和H-T分支的组合， 由前面的分析可以得出双T有如下 特性
当TE10模从端口4输入时，1和2口输 出等幅反相波，3口无输出 当TE10模从端3口输入时，1和2口有 等幅同相波输出，4口没有输出
4 1 2
3
当TE10模从端口 1 和 2等幅同相输入时， 3 口有输出， 4口没有 输出，若端口1和2等幅反相输入时， 4口有输出，3口没有输 出。
E-T分支的场分布图
波导分支接头
当TE10模从端口3输入时，1和2口输出等幅反相波 当TE10模从端口1和2等幅同相输入时，3口无输出主波导内 为驻波。对称面为电场的波腹位置 当TE10模从端口1和2等幅反相输入时，3口有最大输出，对 称面为电场的波节位置 由波导臂上的电流分布可以看出 E-T分支相当于串接在主波 导上
10 lg 4
I 10 lg
1 A4
2
10 lg
1 C cos l
2
10 lg 4
定向性为
D 10 lg
A3 A4
2 2
10 lg
C C
2 2
10 lg
1 cos l
2
若小孔无方向性,则有
D 20 lg cos l
实际应用中端口4都要接匹配负载,用来吸收传来的信号功率. 为了展宽工作频带,可以采用多孔耦合方式.
d
h
激励： 探针接信号源可以作为发射天线在矩形波导 中激励起TE10模。
同时由互易定理：
耦合： 矩形波导接信号源，探针可以作为接收天 线接收波导激励起的电场。
耦合环转化器 结构： 同轴线从波导窄壁插入波导，其内导体 延伸作成小环再接在外导体上。外导体与波导窄 壁相连。小环平面垂直波导壁。
同轴线——微带线转接器
A’ B’
A3 C e jl C e jl 2C e jl
在向4口传输的波在AA’处的耦合叠加波为
A4 C C e j 2 l 2C cos le jl
1 A3
2
耦合度为
隔离度为
C 10 lg
10 lg
1 C
2
因此上下膜片相当于构成了一个并联的电容，称为电容膜片
c
z0
z0
当膜片在波导窄臂上时则等效为一个电感，这样放置的膜片 又称为电感膜片。
L z0 z0
如果在波导的横截面上同时放上电容和电感膜片，这样就形 成了一个谐振腔，波导传输信号的频率等效为谐振频率，谐 振频率决定于窗口的尺寸。 在矩形波导中置放与波导上下宽臂连接的金属棒，称为电感 销钉或电感棒，它可以看作是电感膜片的变形，其电感量与 棒的粗细有关。
吸收式衰减器是在一段波导内放置吸收片，用以吸收部分 信号功率而实现衰减。
截止波导衰减器是利用波导内的截止场量沿波导纵向呈指数 衰减的特性。对于圆截面波导的截止衰减器其截面半径满足 截止条件： c 3.41R
在截止圆截面波导始端激励起的TE11模幅值沿纵向按指数衰 减分布
z r . . z r . e F F
同轴线与微带线之间的转换如图所示。
同轴线
导体带
介质
接地板
图4-4（a）平行转换
（b）垂直转换
连接销 焊点 导带 基片
黄铜块 (a) 接头
接地块
调整片
导带
(b)
同轴线一微带转接器
矩形波导的等效阻抗通常在300 一400 之间 微带线特性阻抗一般为50 脊波导高度最高时的等效阻抗约为80-90
定向耦合器
3
隔离度：定义为1口输入功率P1与4口输出功率P4之比的分 贝数。
P I 10 lg 1 dB P4
方向性：定义为3口输出功率P3与4口输出功率P4之比的分贝 数。 P3 D 10 lg dB P4 此外,定向耦合器还有输入驻波比这一指标.与其它的微波元件 一样定向耦合器也有工作频带宽度的指标,它是指上述各项指 标都满足要求时的频率范围.
第五章 微波元件
§4.1 连接元件
平法兰盘：
b
a
波导抗流连接
对于两段波导的连接除了用法兰盘做机械连接外，还 要保证连接处有良好的电接触，这可以通过抗流连接 来实现。
抗流连接如图所示，
机械接触点
4
Hale Waihona Puke A 4B 2
4
抗流式同轴接头
同轴线——波导转接器
如图，这是一种连接同轴 线和波导的元件。
④ ①
b4 a1
b3 b2
③ ②
耦合器符号
y
a4 ④ b4
x
'
a3 ③ b3
四端口网络
a1 ① b1 y'
定向耦合器方框图
a2 b2 ②
x
90°理想混合电桥散射矩阵为
0 1 j 0 0 j 1 1 0 S 0 2 1 j 0 0 0 j 1
双T相当于在主波导的同一位置处同时开了一个串口和并口， 它可以等效为普通的平衡电路。
4 1
4
1
3 2
3
2
波导R,L,C元件
匹配负载用于吸收全部的入射功率，通常接于系统的终端。
导带
电阻 薄膜
介质基片
衰减器
衰减器用于在一定范围内调整微波信号的幅值，通过对信号产 生一定的衰减实现。按工作原理可以分为分为吸收式衰减器、 截止波导衰减器和极化衰减器三种类型。