5微波元器件

线性非互 易元器件
散射矩阵不对称， 但仍工作在线性区
• 一、终端负载元件
元器件
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短路负载 单端口互易元件 匹配负载 失配负载
Chpt4 微波网络基础
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1
•短路负载

一、终端负载元件
短路负载
作用：实现微波系统短路，将所有电磁能量全部反射回 去，一点能量都不吸收(ρ=∞,Γ=1) 常用器件：短路片、短路活塞。 对短路活塞的基本要求：保证接触处的损耗要小，并有良 好的电接触，使其反射系数的模接近于1；传输大功率时 保证接触处不发生跳火现象。
变换器共有N 节，每节的长度为0 / 4，参考面分别为T0、T1、 、TN；
对于小的反射，作为第一次近似，可认为在传输线输入端总的 反射系数是由各个不连续处产生的反射的叠加，即：
0 1e j 2 2e j 2 N 1e j 2( N 1) N e j 2 N
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Chpt5 微波元器件
• 作业：

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5.6 5.11 说明矩形波导扼流式短路活塞的结构和工作原理 说明矩形波导双孔定向耦合器的结构和工作原理 说明矩形波导双分支定向耦合器的结构和工作原理 说明匹配魔T的工作原理，并写出其S矩阵
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•微波元器件的分类
☆衰减元件和相移元件
•☆转换接头

二、微波连接元件
功能：对电磁波只产生一定的相移而不产生能量衰减；
理想相移器的S参数：
S
0 j e
e
j
0
微波从一种传输系统过渡到另一种传输系统时，需要 用到转换器。 基本要求：既要保证形状转换器时阻抗的匹配，以保 证信号有效传送；又要保证工作模式的转换。 a）同轴线―波导转接器
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•☆扭转和弯曲元件

二、微波连接元件
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。
E面弯曲 H面弯曲
扼流 法兰
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
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当需要改变电磁 波的方向时用波 导弯曲
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同轴线匹配负载
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二、微波连接元件
☆波导接头 平法兰
平法兰接头特点： 加工方便，体积小，频带宽， 驻波比可做到1.002以下，但 要求接触表面光洁度较高； 常用于低功率、宽频带场合。 扼流法兰接头的特点： 功率容量大、接触表面光洁度 要求不高，但工作频带较窄， 驻波比的典型值为1.02； 常用于高功率、窄频带场合。
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•☆衰减元件和相移元件

二、微波连接元件

☆衰减元件和相移元件
吸收式衰减器
衰减元件

功能：按需要减小微波信号的振幅；
0 理想衰减器：S参数： S l e
e l 0
：衰减系数 l：衰减器长度
沿电场方向 放置衰减片 ◇优点：频带宽，功率容量大， 起始衰减量小，稳定性好； ◇缺点：精度较差
螺钉调配器可分为单螺钉、双螺钉、三螺钉和四螺钉四种。 由于螺钉调配器的螺钉间距与工作波长直接相关，因此螺钉 调配器是窄频带的。 波导形
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同轴线形
微带形
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☆多阶梯阻抗变换器

三、阻抗匹配元件
• ☆渐变型阻抗变换器
增加阶梯的级数就可以增加工作带宽，但增加了阶梯级 数，变换器的总长度也要增加，尺寸会过大，因此用渐 变线代替多阶梯——渐变型阻抗变换器。
§5.1连接匹配元件
波导匹配负载
波导接头 相移器 双端口互易元件 衰减器 转换器
☆波导接头
对接头的基本要求是： 连接点接触可靠；不引起电磁波的反射，输入驻波比尽可能 小，一般在1.2以下；工作频带要宽；电磁能量不会泄漏到 接头外面；而且结构要牢靠，装拆方便，容易加工等。
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P 衰减量（插入衰减）：A 10lg 1 P2
20lg S21 a2 0
吸收片沿波导横向移 动即可改变其衰减量
吸收衰减器 常见衰减器 旋转衰减器（极化衰减器） 截止衰减器
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•相移元件

微带线匹 配负载
•失配负载

一、终端负载元件
作用：既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率， 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。 制作与匹配负载类似，只是将尺寸略改一下，使之和原 传输系统失配。
功率容量较大 时，采用水负载
eg：将匹配负载的波导窄边b 制作成和标准波导窄边b0不 一样，使之有一定的反射。 设驻波比为ρ，则有：
线性互易 元器件
引起频率的改变， 从而实现放大、调 非线性 制、变频等
Chpt5 微波元器件
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
§5.1连接匹配元件
实现终端短路、匹配或标准失配等功能 终端负载元件： 包括：短路负载、匹配负载和失配负载等 将作用不同的两微波系统按一定要求连接 微波连接元件： 包括：波导接头、微波连接元件、相移器等 调整传输系统与终端间阻抗匹配的器件 阻抗匹配元件： 包括：螺钉调配器、多阶梯及渐变型变换器等
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输入端口①的驻波比

1 S11 1 S11
◇工作带宽：定向耦合器上述C、I、D、ρ等参数 都满足要求时的工作频率范围。
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一、定向耦合器
一、定向耦合器
• 耦合装置的耦合方式有许多种，结构上差异较大， • 定向耦合器的分类
工作原理也不尽相同。
损耗小， 活塞频带 较窄
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/4的距离
接触式 短路活塞
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宽带
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•匹配负载

一、终端负载元件
作用：几乎将所有的电磁能量全吸收而无反射(ρ=1,Γ=0)。 当需要在传输系统中建立行波状态时，都要用到匹配负载。 基本要求：有较宽的工作频带，输入驻波比小和一定的功率 容量
件的结构，原理和特性；
• 功能：对微波信号进行必要的匹配、分配、放大、
调制等处理或变换。
微波连接元配元件 功率分配元器件 线性互易元器件 微波滤波器件 微波谐振器件 变换性质的不同 线性非互易元器件——铁氧体器件 微波电子管 微波晶体管 非线性元器件 微波固态谐振器 微波场效应管 微波电真空器件
Chpt5 微波元器件
1 连接匹配元件 功率分配元器件 微波谐振器件 微波铁氧体器件
第五章 微波元器件
电子科技大学中山学院电子工程系 卢晶琦 jingqilu@126.com
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本章要求
• 了解微波元器件的分类及它们在微波电路中的作用； • 理解典型的连接匹配元件结构和原理； • 掌握定向耦合器的性能指标及常见微波功率分配元器 • 了解微波谐振器和铁氧体器件的工作原理

b0 b (或 ) b b0
同轴失配负载
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同轴线匹配负载
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λ 9 g/2的整数倍。Chpt4 微波网络基础
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一、终端负载元件
•二、微波连接元件
•作用：

将一路微波功率按比例分成几路——功率分配。
•常见器件：

定向耦合器； 功率分配器； 各种微波分支器件；
• 分析方法：

由于这些器件一般都是线性多端口互易网络，因此一般 采用微波网络理论进行分析。
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• 指标参数； • 电路结构；
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•一、定向耦合器
耦合端
S P3 20 lg 31 I C (dB) P4 S41 ◇输入驻波比：端口“②③④”都接匹配负载时 ◇定向度：D 10 lg
耦合装置的耦合方式有许多种，一般有孔、分支线、 耦合线等，形成不同的定向耦合器。 描述定向耦合器的性能指标有：耦合度、隔离度、定 向度、输入驻波比和工作带宽。
参考面局部电压反射系数对称选取
( 0 N e j 2 N ) ( 1e j 2 N 1e j 2( N 1) ) 2 e j 2 2e
jN
0 cos N 1 cos( N 2)
几种典型的定向耦合器
(a)微带分支定向耦合器 (b)波导单孔定向耦合器 (d)波导匹配双T (e)波导多孔定向耦合器
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(c)平行耦合线定向耦合器 (f)微带混合环
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• ※极化转换器
☆转换接头

§5.1连接匹配元件
•三、阻抗匹配元件
作用：消除反射，提高传输效率，改善系统稳定性 “匹配”的实质：

如果变换器输入端输入的是线极化波，其TE11模的电场与慢波 结构所在平面成450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900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。
• ※形状转换器

• ※形状转换器

☆转换接头
b）矩形波导―圆波导模式变换器
d）同轴－微带变换器
TE10→TE11模式变换器，这种变换器主要用于微波铁氧体器件、 可变衰减器及可变相移器中。

c）波导－微带变换器
矩形波导与微带的连接， 通常用脊形波导来过渡，或者 采用渐变型过渡。
将同轴线的内导体延长与微带的导体带焊在一起。同轴 线的外导体与微带线接地板相连，通过法兰盘用螺钉固定。 由于连接处的不均匀性会引起反射，可将同轴线内导体延伸 出一小段，并切成平面与微带线的导体焊接起来进行补偿。
满足 0的 cos 对应的g 都可实现
0 cos N 1 cos( N 2)
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指数渐变线阻抗变 换器工作频带无上 限，下限取决于 |Γin|的容许值
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阻抗匹配
Chpt4 微波网络基础 Chpt4 微波网络基础
§5.2功率分配元器件
§5.2功率分配元器件
•☆多阶梯阻抗变换器

三、阻抗匹配元件
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。 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)。
用λ/4阻抗变换器可实现阻抗匹配；但λ/4阻抗变换器 的工作频带是很窄的。要使变换器在较宽的工作频带内 仍可实现匹配，必须用多阶梯阻抗变换器。

※形状转换器

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。 介质片愈向波导中间移 动，相移量愈大。调节介质片 的位置，即可调节相移量的大 小，则构成了一个移相器，相 移量可由读数装置中读出。
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探针激励
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☆转换接头
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设法在终端负载附近产生一新的反射波，使它恰好和负载 引起的反射波等幅反相，彼此抵消，从而达到匹配传输的 目的。

在微波电路中，常用的匹配方法有：
※电抗补偿法 ※阻抗变换法 ※反射吸收法
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•☆螺钉调配器
三、阻抗匹配元件
螺钉的不同深 度等效为不同 的电抗元件
输入端
① P1
§5.2功率分配元器件
①②是一条传输系 统，称为主线
•☆定向耦合器的性能指标
◇耦合度：C 10lg
直通端
②
一、定向耦合器
P2
隔离端
④ P4
耦合装置 ③ P3 ③④为一条传输系统，称为副线
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P 1 1 20 lg (dB ) P3 S31 P 1 ◇隔离度：I 10lg 1 20 lg (dB ) P4 S41