微波工程基础(李宗谦)-第五章1
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5.1 引言
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、 衰减、隔离、分路、 吸收、反射、 滤波等; 又有晶体管等有源元器件, 以实现 信号产生、放大、调制、变频等。 微波系统由馈线、无源微波电路、有源微波电路以及天 线组成。各种无源、有源元器件的功能是对微波信号进行必 要的处理或变换, 它们是微波系统的重要组成部分，需要研 究其功能，结构和特性。对微波元件共同考虑的问题是：工 作频带、驻波系数、功率容量、体积和成本等。
调节参考面，使 0
第五章
无源微波电路
5. H—T接头的[s]
对称性:s11 s22 性质:s23 s13 互易性:sij s ji
s11 令s33 0 s s12 s13
s12 s11 s13
1 s13 1 1 s13 2 0 2
2014-8-5
第五章
无源微波电路
1
5.1 引言
本章无源微波电路研究的内容：
一端口到六端口的各种微波器件与电路的工作原理与基本性能， 并导出它们的散射参量——利用传输线理论、导波理论和微波网络 理论分析。 微波铁氧体器件对不同方向传输的导波呈现不同的衰减特性和相 移特性，在于器件中的铁氧体材料在外加恒定磁场时呈现各向异性， 研究铁氧体非互易器件。
2014-8-5
第五章
无源微波电路
8
5.4 短路器
接触式短路活塞， 短路面是电压波节点， 电流波腹点，弹簧片 长为1/4波导波长， 使接触点位于高频电 流的节点，以减小损 耗，且不易打火。
2014-8-5
第五章
无源微波电路
9
扼流活塞及其等效电路
2014-8-5
第五章
无源微波电路
10
同轴“S”型扼流式活塞
通过模式：
0 s jkz l e
TM01模式抑制 器
2014-8-5
wenku.baidu.com
e jkz l 0
对被抑制的模式，该结构破坏 其边界条件，对能通过的模式， 该结构顺应其边界条件。
第五章 无源微波电路
16
5.7 波导的T形分支
一、波导T型分支结构
E－T接头的分支波导平面与主波导TE10 波的电场E平行。 H－T接头的分支波导平面与主波导TE10 波的磁场H平行。 波导T型分支可用来将功率进行分配与合成
1 1 2
2 2 0
由 s s
H
s 2 s 2 s 2 1 12 13 11 2 1 2 s13 1 * * s s s s 11 13 12 13 0
1 s s 11 12 2 s13 1 2
对较小较轻的接头需求，SMA接头发展于20世纪60年代， 插座的直径为0.25in，它可以应用频率高至18～25GHz的 范围，是目前应用最广泛的微波连接器，一般生产商会 给出其性能指标。
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第五章
无源微波电路
7
5.4 短路器
不吸收入射波的任何能量而使其产生全反射。实用的短 路器都作成可调的，称为可调短路活塞。
s12 s11 s13
s13 1 0 0 s13 0 1 0 0 0 0 1
2 s 2 1 （第3行 第3列） 13 2 2 2 s s s 1 （第1行 第1列） 11 12 13 * * s11 s13 s12 s13 0 （第3行 第1列）
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第五章
无源微波电路
22
1 1 2 1 E T 分支： [ s] 1 1 2 2 2 2 0
1端口激励
1 1 H T 分支： [ s ] 1 2 2 1 1 2 2 2 0
E T : s11 H T : s11
2014-8-5 4
第五章
无源微波电路
5.3 波导接头与同轴接头——连接元件
(1) 波导接头——TE10模的矩形波导
0 / 2
(a )
波导平接头
(b )
波导轭流接头
无机械接触但有良好的电接触，另外可用于大功率系统，但工作频带较窄。
2014-8-5
第五章
无源微波电路
5
(2) 同轴接头 要求：低驻波比，高频下没有高阶模工作、在连接－拆开反复操作之后 的高重复性以及机械强度。接头有插头和插座之分。这里介绍N型和 SMA型。
2014-8-5
第五章
无源微波电路
11
5.5 衰减器
衰减器主要用途： (1)改变和控制沿微波系统中传输的功率；(2)在微波信 号源与微波系统间插入衰减器可消除系统变化对信号 源的影响，起去偶的作用；(3) 精度高的衰减器，可作 微波衰减测量的标准。 对衰减器的要求： 衰减量适当、可调节、并保证足够的精度。
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第五章
无源微波电路
12
5.5 衰减器
1. 吸收式矩形波导衰减器 (a)横向可调：吸收片移向波导中央时衰减量加大；
(b)垂直可调：吸收片从波导宽壁中央深入到波导中时衰减量加大； 吸收式衰减器指标：起始衰减量，最大衰减量、衰减器的输入驻波 系数和工作频带。
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第五章
无源微波电路
衰减量：L 10lg Pi Po
E 10 lg 40 lg cos E1
2014-8-5
2
0 s 2 cos
cos 2 0
15
第五章
无源微波电路
5.6 模式抑制器
被抑制模式：
TE01模式抑制 器
1 0 s 0 1
1 s13 2 s s 1 12 11 2
1 1 [ s] 1 2 2 1 1 2 2 2 0
21
1 j s13 e 2 s s 1 e j 12 11 2
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等效电路
(a) 1、2等幅同相输出 s13= s23 ，功率均分（3dB) (b) 1、2等幅同相激励，3有输出，功率合成
(c) 1、2等幅反相激励，3无输出
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第五章
无源微波电路
19
4. E-T分支的[s]
对称性:s11 s22
互易性:sij s ji
s23 s13
性质:3端口激励，1、2端口反相输出
第五章
网络无耗： [ s]H [ s] [1]
s13 1 0 0 s13 0 1 0 0 0 0 1
无源微波电路
20
s11* * s12 s13*
s12* s11* s13*
s13* s11 s13* s12 0 s13
13
2.截止式衰减器 圆波导处于截止状态：
>(c )TE11
H e z
衰减系数：
kc2 k 2
2
2 1 , c c
2
c
0 s l e
e l 0
L(l ) L(0) 8.68 l (dB)
N型接头 发展于1942年，以贝尔实验室P.Neil命名，插座的外直径大约0.625in (1in＝2.54cm)，使用的频率上限范围为11－18GHz，取决于同轴线尺寸 大小，结构结实但体积较大。
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第五章
无源微波电路
6
(2) 同轴接头
SMA接头(SubMiniature version A )
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1 1 2 , s22 , s32 2 2 2 1 1 2 H T : s12 , s22 , s32 2 2 2
23
第五章
无源微波电路
5.7.2 无耗互易三端口网络的性质
性质1：无耗、互易三端口网络不能同时匹配，即Sii不可能全部为 零 0 s12 s13 s 0 s 反证法： 设： S 23 12 s13 s23 0
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第五章
无源微波电路
17
2. E－T分支的场结构图及性质
等效电路
(a) 1、2等幅反相输出 s13= -s23 ，功率均分（3dB) (b) 1、2等幅反相激励，3有输出，功率合成 (c) 1、2等幅同相激励，3无输出
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第五章
无源微波电路
18
2. H－T分支的场结构图及性质
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截止衰减器通常有20～30dB的起始衰减， 最大衰减量可达120dB～160dB。频带宽， 量程大，精度高是其优点。
无源微波电路
14
第五章
3.旋转极化式衰减器 模片I：固定极化作用 模片II：衰减作用
E1 E cos
模片III：衰减、固定极化作用
E1 cos E cos2 E1
要求： (1)保证接触处损耗小，其反射系数的模值应接近于1； (2)当活塞移动时，接触损耗的变化要小； (3)大功率运用时，活塞与波导(同轴线内外壁)间不应发生打 火现象。
S11 Zin Z e jZ e tan l Z e e j ( 2 l ) Zin Z e jZ e tan l Z e
无耗、互易和全匹配三个条件只能同时满足两个
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第五章
无源微波电路
24
性质2 ： 无耗互易三端口网络的两个端口不可能同时实现匹配，否则退 化为二端口网络。 反证法
2端口激励
1 1 2 , s21 , s31 2 2 2 1 1 2 , s21 , s31 2 2 2
3端口激励
E T : s13
2 2 , s23 , s33 0 2 2
E T : s12
2 2 H T : s13 , s23 , s33 0 2 2
原理：吸收片在平行于其表面的微波电场作用下，吸收微波功率，吸 收片作成尖劈形为了得到良好的匹配。劈面长度是几倍波导波长，入 射波进入匹配负载时，使波通过尖劈时逐渐被吸收而衰减。 要求：较宽的工作频带，输入驻波比小，有一定的功率容量 小功率匹配负载在10％－15％的频带内作到驻波比小于1.01到 1.05的匹配程度。 大功率水负载的驻波比小于1.05到1.20，能承受的平均功率为数 百瓦到几十千瓦。
微波谐振腔——金属矩形腔、圆柱腔、同轴腔、微带谐振腔和介 质谐振腔，同时介绍微波中的一种近似方法微扰法。
微波滤波器——按功率衰减的频率特性有低通、高通、带通和带 阻；按传输线类型有波导型、同轴线型和微带型。
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第五章
无源微波电路
2
5.2 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。在理想情况下
s11 0, 1
各 种 匹 配 负 载
(a)(b)波导型、(e)(f)同轴型、(g)微带型宽带匹配负载、 (c) 大功率匹配干负载、 (d)大功率匹配水负载。
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第五章
无源微波电路
3
5.2 匹配负载
结构与原理
结构：吸收片由薄片状介质(如玻璃)上面敷一薄层金属电阻膜( 常用钽或者镍-铬合金)，根据匹配条件确定膜的厚度；
无耗网络的酉条件：
S S
H
1
s 2 s 2 1 * 13 s13 s23 0 12 2 2 * s12 s23 1 和 s12 s13 0 2 * 2 s s 23 12 0 s13 s23 1
于是在S12，S13，S23至少有 两个为0，但这与振幅条件 相矛盾
设在端口3上将网络本身调好匹配：s33 0
s11 则： s s12 s13
s11* * s12 s13*
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s12 s11 s13
s12* s11* s13*
s13 s13 0
s13* s11 s13* s12 0 s13 s12 s11 s13
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、 衰减、隔离、分路、 吸收、反射、 滤波等; 又有晶体管等有源元器件, 以实现 信号产生、放大、调制、变频等。 微波系统由馈线、无源微波电路、有源微波电路以及天 线组成。各种无源、有源元器件的功能是对微波信号进行必 要的处理或变换, 它们是微波系统的重要组成部分，需要研 究其功能，结构和特性。对微波元件共同考虑的问题是：工 作频带、驻波系数、功率容量、体积和成本等。
调节参考面，使 0
第五章
无源微波电路
5. H—T接头的[s]
对称性:s11 s22 性质:s23 s13 互易性:sij s ji
s11 令s33 0 s s12 s13
s12 s11 s13
1 s13 1 1 s13 2 0 2
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无源微波电路
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5.1 引言
本章无源微波电路研究的内容：
一端口到六端口的各种微波器件与电路的工作原理与基本性能， 并导出它们的散射参量——利用传输线理论、导波理论和微波网络 理论分析。 微波铁氧体器件对不同方向传输的导波呈现不同的衰减特性和相 移特性，在于器件中的铁氧体材料在外加恒定磁场时呈现各向异性， 研究铁氧体非互易器件。
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第五章
无源微波电路
8
5.4 短路器
接触式短路活塞， 短路面是电压波节点， 电流波腹点，弹簧片 长为1/4波导波长， 使接触点位于高频电 流的节点，以减小损 耗，且不易打火。
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第五章
无源微波电路
9
扼流活塞及其等效电路
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无源微波电路
10
同轴“S”型扼流式活塞
通过模式：
0 s jkz l e
TM01模式抑制 器
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e jkz l 0
对被抑制的模式，该结构破坏 其边界条件，对能通过的模式， 该结构顺应其边界条件。
第五章 无源微波电路
16
5.7 波导的T形分支
一、波导T型分支结构
E－T接头的分支波导平面与主波导TE10 波的电场E平行。 H－T接头的分支波导平面与主波导TE10 波的磁场H平行。 波导T型分支可用来将功率进行分配与合成
1 1 2
2 2 0
由 s s
H
s 2 s 2 s 2 1 12 13 11 2 1 2 s13 1 * * s s s s 11 13 12 13 0
1 s s 11 12 2 s13 1 2
对较小较轻的接头需求，SMA接头发展于20世纪60年代， 插座的直径为0.25in，它可以应用频率高至18～25GHz的 范围，是目前应用最广泛的微波连接器，一般生产商会 给出其性能指标。
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第五章
无源微波电路
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5.4 短路器
不吸收入射波的任何能量而使其产生全反射。实用的短 路器都作成可调的，称为可调短路活塞。
s12 s11 s13
s13 1 0 0 s13 0 1 0 0 0 0 1
2 s 2 1 （第3行 第3列） 13 2 2 2 s s s 1 （第1行 第1列） 11 12 13 * * s11 s13 s12 s13 0 （第3行 第1列）
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无源微波电路
22
1 1 2 1 E T 分支： [ s] 1 1 2 2 2 2 0
1端口激励
1 1 H T 分支： [ s ] 1 2 2 1 1 2 2 2 0
E T : s11 H T : s11
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第五章
无源微波电路
5.3 波导接头与同轴接头——连接元件
(1) 波导接头——TE10模的矩形波导
0 / 2
(a )
波导平接头
(b )
波导轭流接头
无机械接触但有良好的电接触，另外可用于大功率系统，但工作频带较窄。
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第五章
无源微波电路
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(2) 同轴接头 要求：低驻波比，高频下没有高阶模工作、在连接－拆开反复操作之后 的高重复性以及机械强度。接头有插头和插座之分。这里介绍N型和 SMA型。
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5.5 衰减器
衰减器主要用途： (1)改变和控制沿微波系统中传输的功率；(2)在微波信 号源与微波系统间插入衰减器可消除系统变化对信号 源的影响，起去偶的作用；(3) 精度高的衰减器，可作 微波衰减测量的标准。 对衰减器的要求： 衰减量适当、可调节、并保证足够的精度。
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5.5 衰减器
1. 吸收式矩形波导衰减器 (a)横向可调：吸收片移向波导中央时衰减量加大；
(b)垂直可调：吸收片从波导宽壁中央深入到波导中时衰减量加大； 吸收式衰减器指标：起始衰减量，最大衰减量、衰减器的输入驻波 系数和工作频带。
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衰减量：L 10lg Pi Po
E 10 lg 40 lg cos E1
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2
0 s 2 cos
cos 2 0
15
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5.6 模式抑制器
被抑制模式：
TE01模式抑制 器
1 0 s 0 1
1 s13 2 s s 1 12 11 2
1 1 [ s] 1 2 2 1 1 2 2 2 0
21
1 j s13 e 2 s s 1 e j 12 11 2
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等效电路
(a) 1、2等幅同相输出 s13= s23 ，功率均分（3dB) (b) 1、2等幅同相激励，3有输出，功率合成
(c) 1、2等幅反相激励，3无输出
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4. E-T分支的[s]
对称性:s11 s22
互易性:sij s ji
s23 s13
性质:3端口激励，1、2端口反相输出
第五章
网络无耗： [ s]H [ s] [1]
s13 1 0 0 s13 0 1 0 0 0 0 1
无源微波电路
20
s11* * s12 s13*
s12* s11* s13*
s13* s11 s13* s12 0 s13
13
2.截止式衰减器 圆波导处于截止状态：
>(c )TE11
H e z
衰减系数：
kc2 k 2
2
2 1 , c c
2
c
0 s l e
e l 0
L(l ) L(0) 8.68 l (dB)
N型接头 发展于1942年，以贝尔实验室P.Neil命名，插座的外直径大约0.625in (1in＝2.54cm)，使用的频率上限范围为11－18GHz，取决于同轴线尺寸 大小，结构结实但体积较大。
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6
(2) 同轴接头
SMA接头(SubMiniature version A )
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1 1 2 , s22 , s32 2 2 2 1 1 2 H T : s12 , s22 , s32 2 2 2
23
第五章
无源微波电路
5.7.2 无耗互易三端口网络的性质
性质1：无耗、互易三端口网络不能同时匹配，即Sii不可能全部为 零 0 s12 s13 s 0 s 反证法： 设： S 23 12 s13 s23 0
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2. E－T分支的场结构图及性质
等效电路
(a) 1、2等幅反相输出 s13= -s23 ，功率均分（3dB) (b) 1、2等幅反相激励，3有输出，功率合成 (c) 1、2等幅同相激励，3无输出
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18
2. H－T分支的场结构图及性质
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截止衰减器通常有20～30dB的起始衰减， 最大衰减量可达120dB～160dB。频带宽， 量程大，精度高是其优点。
无源微波电路
14
第五章
3.旋转极化式衰减器 模片I：固定极化作用 模片II：衰减作用
E1 E cos
模片III：衰减、固定极化作用
E1 cos E cos2 E1
要求： (1)保证接触处损耗小，其反射系数的模值应接近于1； (2)当活塞移动时，接触损耗的变化要小； (3)大功率运用时，活塞与波导(同轴线内外壁)间不应发生打 火现象。
S11 Zin Z e jZ e tan l Z e e j ( 2 l ) Zin Z e jZ e tan l Z e
无耗、互易和全匹配三个条件只能同时满足两个
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24
性质2 ： 无耗互易三端口网络的两个端口不可能同时实现匹配，否则退 化为二端口网络。 反证法
2端口激励
1 1 2 , s21 , s31 2 2 2 1 1 2 , s21 , s31 2 2 2
3端口激励
E T : s13
2 2 , s23 , s33 0 2 2
E T : s12
2 2 H T : s13 , s23 , s33 0 2 2
原理：吸收片在平行于其表面的微波电场作用下，吸收微波功率，吸 收片作成尖劈形为了得到良好的匹配。劈面长度是几倍波导波长，入 射波进入匹配负载时，使波通过尖劈时逐渐被吸收而衰减。 要求：较宽的工作频带，输入驻波比小，有一定的功率容量 小功率匹配负载在10％－15％的频带内作到驻波比小于1.01到 1.05的匹配程度。 大功率水负载的驻波比小于1.05到1.20，能承受的平均功率为数 百瓦到几十千瓦。
微波谐振腔——金属矩形腔、圆柱腔、同轴腔、微带谐振腔和介 质谐振腔，同时介绍微波中的一种近似方法微扰法。
微波滤波器——按功率衰减的频率特性有低通、高通、带通和带 阻；按传输线类型有波导型、同轴线型和微带型。
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无源微波电路
2
5.2 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。在理想情况下
s11 0, 1
各 种 匹 配 负 载
(a)(b)波导型、(e)(f)同轴型、(g)微带型宽带匹配负载、 (c) 大功率匹配干负载、 (d)大功率匹配水负载。
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无源微波电路
3
5.2 匹配负载
结构与原理
结构：吸收片由薄片状介质(如玻璃)上面敷一薄层金属电阻膜( 常用钽或者镍-铬合金)，根据匹配条件确定膜的厚度；
无耗网络的酉条件：
S S
H
1
s 2 s 2 1 * 13 s13 s23 0 12 2 2 * s12 s23 1 和 s12 s13 0 2 * 2 s s 23 12 0 s13 s23 1
于是在S12，S13，S23至少有 两个为0，但这与振幅条件 相矛盾
设在端口3上将网络本身调好匹配：s33 0
s11 则： s s12 s13
s11* * s12 s13*
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s12* s11* s13*
s13 s13 0
s13* s11 s13* s12 0 s13 s12 s11 s13