电磁场、微波技术与天线图文 (7)

第7章 微波元件
7.2.3 波导分支结构
1. E-T 如图7-2-14所示，分支在波导的宽边上，且与TE10波 的Ey分量平行，故也称为E面分支。 其结构特点为主波导 的两臂1、2以分支臂4(称为电臂) 当TE10波从4端口输入时，1与2端口将有等幅反相的 输出，其电场力线的分布如图7-2-15(a)所示。同理可得图 7-2-15(b)、(c)的力线分布图。
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图7-2-5 小功率波导匹配负载
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小功率同轴线匹配负载如图7-2-6所示，它是通过在同轴
大功率匹配负载须采用“体”吸收的方法。考虑到热量吸 收的同时，还要考虑到散热问题。吸收物体可以是固体(如石 墨和水泥混合物)或液体(通常采用水)。大功率匹配负载常采用 “水负载”，利用流动的水作为微波吸收物质。水是一种很好 的微波吸收材料，其损耗角正切很大，能强烈地吸收微波功率。 水的比热很大，在流动的情况下，可以耗散很大的功率，故适 宜作为大功率微波吸收材料。图7-2-7给出了大功率波导水负 载示意图，它是在波导终端安置劈形玻璃容器，其内通以水， 吸收微波功率。流进的水吸收微波功率后温度升高，根据水的
(1) 当波由3臂输入时，1、2两臂有等幅同相输出，如图 7-2-18(a)所示，即S13=S23
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图7-2-17 H-T分支
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图7-2-18 H-T分支各臂输入输出情况
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(2) 当波由1、2两臂等幅同相输入时，则在3臂有“和” 输出，如图7-2-18(b)
2π
c
2
1
2π
c
c
上式说明，衰减常数仅与λc有关而与频率无关，具有宽频带 特性。
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截止式衰减器结构如图7-2-12所示，其输入输出部分是 同轴线，而起衰减作用的是一圆波导。圆波导的工作模式是 TE○11模，其截止波长λc=3.41R，R为圆波导的半径。若选择 工作波长大于圆波导中TE○11模的截止波长，则圆波导处于 截止工作状态，其中的场将按e－αz规律衰减。这种衰减器的
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图7-2-8 波导弯头
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如果波导采取缓慢变形就形成圆弧弯头，如图7-2-9所 示。 它同样可分E面弯头和H面弯头两种形式。其圆弧要求 并不严格，一般所用弧度半径R对于E面弯头R≥1.5b，对于H 面弯头R≥1.5a
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图7-2-9 波导弯曲
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由矩形波导输入的TE□10波，经矩-圆过渡波导转换成圆 波导中的TE○11模，由于电场E1的极化方向垂直于吸收片1， 故能量不被吸收地进入圆波导段。当圆波导中的吸收片2相
对于水平面旋转一个θ角时，可将电场E1分解成与吸收片2垂 直的E⊥分量和与吸收片2平行的E∥分量，其大小分别为 E⊥=E1 cosθ，E∥=E1 sinθ。其中，E⊥分量不受衰减地通过， 而E∥分量将被吸收。当E⊥分量传输至圆-矩波导段时，再次
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扼流式结构的应用相当广泛，其结构的具体形式虽各有 不同，但扼流的基本原理是相同的，即利用等效传输线的概 念，特别是利用λg/4传输线的阻抗变换性质，把有高频电流 流过需要有良好电接触的地方，恰好处于电压的波腹处，从 而得到等效短路面；并把可能产生损耗或可能有功率漏出的 地方，又恰好安排在电流波节处，从而避免功率损耗和漏出。
低频电路中的基本元件是电阻、电容和电感，它们属于 集总参数元件。如同第4章所言，在微波波段，这类元件寄 生参数的影响不能再忽略，它们甚至会完全改变原集总参数 元件的性质。因此在微波波段，必须使用与集总参数元件完 全不同的元件，它们是基于传输线的分布参数性质而制成的。
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7.2 简单元件
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图7-2-6 小功率同轴匹配负载
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图7-2-7 高功率波导水负载
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3. 当传输线方向改变时，中间就要接入弯头， 弯头有折
按窄壁弯折(在电场平面弯折)的折角弯头称为E面弯头， 同样地，可按宽壁弯折(在磁场平面弯折)称为H面弯头，如 图7-2-8所示。对于这两种弯头，主要是选择折角尺寸d，使 工作波段内得到最佳匹配。对于3 cm标准波导，E面弯头 d=0.86b，而H面弯头d=0.93a
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图7-2-14 E-T分支
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图7-2-15 E-T分支各臂输入与输出情况
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应当注意到: ① 当TE10波从4端口臂输入时，几何对称 面为电场力线的反对称面，因此1臂与2臂的电特性相对于对 称面是反对称的；② 几何对称面上的驻波状况是与各分支
由于E-T分支是由波导的宽边分支出来的，主波导宽边 上的壁面电流与分支臂上宽边壁面电流是连续的。因此，如 果传输TE10波的主波导用双线等效，则分支臂就等效为一个 串联双线，可用一个电抗表示，如图7-2-16
7.2.1
1. 短路器又称短路负载，其作用是将电磁波能量全部反射 回去。将波导或同轴线的终端用金属导体全部封闭起来即构 成波导或同轴线短路器。实用中的短路器都做成了可调的， 称为短路活塞，可用作调配器、标准可变电抗，广泛应用于 微波测量。
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图7-2-1是矩形波导接触式短路活塞结构示意图。为使 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 均采用固定在活塞上富有弹性的磷青铜片做成梳形的接触片。 弹簧片长度为λ/4，其中λ为工作中心频率波长，这样短路面 是电压波节(电流波腹)点，经过λ/4变换，物理接触点恰好位 于电流波节点处，以减小损耗，避免发生打火。
分解为垂直分量 和E平' 行分量
E。/' /
无E衰' 减地通过，
其大小为
E' E cos E1 co。s2
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图7-2-13 旋转极化衰减器
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LA
10
lg
E1 E'
2
20
lg
E1 E'
40 lg
cos
可见，其衰减量只与旋转角θ有关，而θ可以精确定标，
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图7-2-2 矩形波导山字形扼流式短路活塞
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图7-2-3是两种同轴线结构的扼流活塞， 其原理相同， 不再重复。
图7-2-3 同轴线短路活塞
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接头用于连接传输线，也有接触式和扼流式两种。它们 借助于焊在被连接波导端口上的法兰盘来实现。法兰盘结构 形式有平法兰盘和扼流式法兰盘两种，如图7-2-4所示。
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图7-2-4 波导接头
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平面接触连接是将两个平接头用螺栓和螺帽旋紧连接， 或用弓形夹夹紧连接。扼流式连接是由一个刻有扼流槽的法 兰和一个平法兰对接而成，其工作原理与扼流式短路活塞相
平接头具有加工方便、体积小、频带宽的优点；缺点是 若机械接触不好，则电接触不良，易引起功率辐射，大功率 时还会发生打火。扼流式接头的优点是安装方便，可防止微 波功率从连接处的隙缝中漏出；缺点是频带较窄。
如果将分支臂4用短路活塞代替，改变短路活塞的位置l， 就可实现对串联电抗jX
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图7-2-16 E-T分支等效电路
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2. H-T 分支是在主波导的窄壁面上，且与TE10波的磁力线所在 平面平行，故也称为H面分支，如图7-2-17所示。一般标主 波导的两臂为1和2，分支臂为3 因经分支臂中心的几何对称面是3臂TE10波电场的偶对
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2. 匹配负载是一种能全部吸收输入功率的终端元件，由一 段终端短路的波导或同轴线构成，其中放有吸收微波功率的 物质构成。匹配负载是应用最广泛的微波元件之一，它在微 波测量中常用作匹配标准，在调整仪器和发射机时，可作为
匹配负载的主要技术指标是工作带宽、输入驻波比和功 率容量。匹配负载按其功率容量可分为小功率和大功率两种。 小功率匹配负载一般用于实验室作终端匹配器，在10%~ 15%的频带内做到驻波比ρ<1.01~ρ<1.05的匹配程度，允许耗 散的平均功率一般为瓦级。
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图7-2-1 矩形波导接触式短路活塞
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图7-2-2是采用扼流装置的波导短路活塞结构示意图， 图中cf段相当于终端短路的λg/4线，使bc段相当于终端开路 的λg/4线。于是，虽然a、b点在机械上并不接触，但λg/2重 复性使活塞在ab处形成一个有效的短路面，而物理接触点因 为λg/4变换性而使其接触电阻Rk正好在电流波节de处，使损 耗可以减小到最小。由于活塞与波导壁没有接触，无摩擦， 移动平稳，同时活塞的加工精度要求不高，这种活塞的驻波 比可以做到大于100。但因扼流槽尺寸与工作频率有关，故 有10%~15%的带宽限制。
弯头和弯曲改变的是传输方向，而极化方向不变。有时
需要改变极化方向而传输方向不变， 这就要用到均匀扭转，
其形状示于图7-2-10中，其长度一般选为
l 2n 。1 均g 匀
4
扭转加工比较简单，工作带较宽，但扭转段长度较长。
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图7-2-10 扭转波导
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7.2.2 衰减器与移相器
LA=LA(0)+10 lge－2αz=LA(0)+8.68αl 其中，LA(0)是起始衰减量，α近似恒定，因此LA与l成正比， 可以对l进行精确定标。这种衰减器可作为精密衰减器，成
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图7-2-12 截止式衰减器
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3. 旋转式极化衰减器如图7-2-13所示，它是由三段波导段 构成的。两端是矩-圆和圆-矩过渡波导，里面放一块很薄的 吸收片，其方向平行于矩形波导的宽边，这两段保持不动； 中间工作于TE○11波的圆波导可绕轴旋转，其中也放置一块 很薄的吸收片，并随圆波导一起旋转。其工作过程为：
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7.1 引言 7.2 简单元件 7.3 阻抗调配器和阻抗变换器 7.4 定向耦合器与功率分配器 7.5 微波谐振器 7.6 微波滤波器 7.7 微波铁氧体元件
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7.1 wenku.baidu.com 言
在微波系统中，微波元件是用来对信号进行各种加工和 处理的。例如对信号进行分配、衰减、隔离、定向传输、相
1. 如图7-2-11所示，它是内含吸收片的一段波导。吸收片 的平面与电力线平行，其对微波能的吸收作用与匹配负载中 吸收片的作用相似。为了减小衰减器输入和输出端的反射， 可以将薄片做成斜面形状(劈形)。
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图7-2-11 矩形波导吸收式衰减器
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2. 由第5章微波传输线所讲述的内容可知，当λ>λc时，波 不能在波导中传输，处于截止状态，这种波导称为截止波导。 此时波的振幅在波导中按e－αz衰减，且无相位变化。 根据这一特性，可将截止波导作为衰减器。由第5
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小功率波导匹配负载如图7-2-5所示，在一段终端短路 的波导段中垂直于波导宽面的中心位置放置一吸收片。吸收 片是用玻璃、陶瓷或胶木等介质做基片，上面涂敷金属粉末、 石墨粉或真空喷镀镍铬合金等电阻性材料。吸收片与电场力 线平行，电场通过时在电阻膜片上感应起电流，从而将吸收 的微波能转变为热能。吸收片的长度一般为几个λg，做成尖 劈形以减小反射。这种匹配负载在10%~15%带宽内可，且 其驻波比低于1.01
(3) 当波由1、2两臂等幅反相输入时，则在3臂有“差” 输出，如图7-2-18(c)
(4) 当波由1臂输入时，则在2、3臂有等幅同相输出，即 S21=S31；当波由2臂输入时，则在1、3两臂有等幅同相输出， 即S12=S32
H面分支的等效电路相当于一个具有并联分支的传输线， 如图7-2-19所示。
4. 理想的移相器应该是一个衰减为零、相移量可变的二端
S
0
e
l
其中，β为相移常数； l
el
0
(1) 改变传输线的长度l，可以改变相移。例如在波导宽 边中心加一个或几个螺钉即构成螺钉移相器，因为它相当于 改变了波导的等效长度。
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(2) 改变传输线的相位常数，也可以改变相移。因为介 质片所在处的高频电场越强，它对通过波的影响就越大，相 移就越大。所以将图7-2-11或图7-2-13中衰减器的吸收片换 成低损耗介质片(如石英、聚四氟乙烯等)便成为介质片可调 移相器，故通过调节机构改变介质在波导中的位置，可以改 变相移。移相器有各种各样的结构，在这里不再一一列举。