微波技术 第六章 微波元件

第六章微波元件
§6-1 引言
在微波系统中，实现对微波信号的定向传输、衰减、隔离、滤波、相位控制、波型与极化变换、阻抗变换与调配等功能作用的，统称为微波元（器）件。

微波元件的型式和种类很多，其中有些与低频元件的作用相似。

如在波导横截面中插入金属膜片或销钉，起类似低频中的电感、电容的作用；沿波导轴线放置适当长度的吸收片，可以起消耗电磁能量的作用，相当于低频中的衰减器；在E面或H面使波导分支，可以起类似于低频中的串联、并联作用，等等。

将若干微导元件组合起来，可以得到各种重要组件。

如在波导中将膜片或销钉放在适当位置，可以构成谐振腔；由适当组合的谐振腔，可以得到不同要求的微波滤波器等等。

但是，有不少微波元件在低频电路中是没有的。

如滤除寄生波的滤除器，波型变换器，极化变换器等。

由于微波属于分布参数系统，因此绝大多数现波元件的分析和设计问题，严格地讲是一个过错整流器的电磁场边值问题。

由于边界条件比较复杂，利用场的方法进行分析，涉及到复杂的电磁理论和应用数学问题，因此是十分繁难的。

只有少数几何形状比较简单的元件才能利用该方法进行严格的求解。

目前，最切实际的方法是以场的物理概念作指导，采用网络的方法（即等效电路法），场、路结合进行分析和综合，最后将所得结果用场结构元件去模拟。

所以，等效电路法是研究微波元件的基本方法。

微波系统是由许多元件和均匀传输线组成的，应力求做到在连接外没有反射，亦即处于阻抗匹配状态。

由于微波元件种类繁多，本章不可能全部涉及，只能选择其中最主要的，作以较详细的论述。

§6-2 终端负载
终端我载是一种单口元件。

常用的终端负载有两类，一类是匹配负载，一类是可变短路器。

这些终端装置广泛地用于实验室，以测量微波元件的阻抗和散射参量。

匹配负载是用来
全部吸收入射波功率，保证传输系统的终端不产生反射的终端装置，它相当于终接特性阻抗的线。

可变短路器是一种可调整的电抗性负载，是用来把入射波功率全部反射的终端装置。

反射波的相位随短路器位置的变化而变化，因而，改变短路器的位置，相当于改变终端负载的电抗。

波导型匹配负载是嵌入波导中的有耗材料做成的一块渐变的尖劈或片，如图6-2-1所示。

渐变片可以是1片也可以用多片。

因为材料是有耗的，所以入射波功率被它吸收了。

同时由于波是逐渐地进入有耗材料做成的尖劈中而避免了反射，因此，这种终端负载可以认为是一段有损耗的渐变传输线。

实践表明，劈尖做得愈长，匹配性能愈好。

一般劈长取为2~3波导波长。

吸收体的形状和长度一般是由实验确定的。

我们曾用国产材料（WXF-5型）做过实验，制成的终端匹配负载的性能优良，驻波系数可达到1.01以下。

图6-2-1 波导匹配负载
图6-2-2 一种简单的波导短路器
可变短路器。

用于波导中的可调短路器的最简形式是用铜或其它良导体做成的活塞，它与波导内壁是密接的，如图6-2-2所示。

利用千分尺的传动，可改变活塞的位置。

但是，这种简单的装置在电气性能上不是很满意的。

因为在活壁之间不规律的接触，使有效的电短路位置无规则地偏离活塞前面的实际短路位置。

同时，由于短路的不完善，通过活塞可能引起
一些功率泄漏，其结果使。

采用下面介绍的扼流型活塞，可以解决这些问题。

扼流式活塞是变换器的应用实例之一。

活塞做成如图6-2-3（a）所示的形式，此活塞的宽度是均匀的且比波导内壁宽度稍小，但是，活塞的高度并不一样，活塞比波导高度
b小（为活塞与波导的间隙，应尽可能地小），第二段是机械连杆，在保证活塞连
杆强度的条件下，使尽可能地大，两段的长度均为；最后一段是底座，做成与
波导没动配合。

这两段活塞相当于两个变换器，它们的等效阻抗分别令为Z01和Z02，
显然这两段阻抗分别与和成正比。

其等效电路如图6-2-3（b）所示。

图6-2-3 扼流式可调短路活塞及其等效电路
由图（b）可算出输入端的阻抗，为
(6-2-1) 故有
(6-2-2)
由上式可见，（因）就是说采用扼流式活塞比直接接触式活塞，
在性能上有很大改善。

比如，叵，则电性能将提高100倍。

另一种折叠式扼流活塞也是经常使用的，这种装置的结构如图6-2-4所示。

图6-2-4 折叠式扼波型短路活塞
由于面有金属短路面，故经到达面成为理想开路，再经到达
面即成为理想短路面。

这种类型的短路活塞具有良好的性能。

利用这种折叠变换原理，还可以做成连接两段波导的扼流接头，以及制做天馈系统中的旋转关节等等。

§6-3 电抗元件
下面介绍微波元件中起电抗作用的波导元件。

这些常用的电抗元件有膜片、谐振窗、销钉、T形接头等。

一、膜片
根据膜片在皮导中放置方法的不同，又分为容性膜片和感性膜片两种。

1．容性膜片在波导横截面上放置平行宽边的金属薄片，这就是容性膜片，如图6-3-1所示。

图6-3-1 容性膜片
膜片的窗口尺寸为，膜片厚度非常薄。

膜片的上下位置可以是对称，也可以是不对称的。

其位置的对称与否只能影响电容的大小而不会影响电抗性质。

从物理概念
上看，由于缝隙上下之间距离的缩短（）引起了缝隙间电场的集中，这相当于在该处并联了一个电容，其等效电路如图6-3-2（a）所示。

我们知道，H10波的等效阻抗，为
膜片缝隙可看成长度为d口径为的短波导，其等效阻抗，为
对比上二式，显然。

图6-3-2 波导中容性膜片
同时，我们从无耗传输线理论知道，在等效电路中ab处的输入导纳可用下面关系式表示
(6-3-1)
式中，是短波导中的相位常数。

因，故。

于是，式
（6-3-1）简化为
(6-3-2) 其中
(6-3-3)
因为，故。

这就证明了这种膜片是属于电容性的。

2．感性膜片在波导横截面上沿左右窄边放置对称或不对称的金属膜片这就构成了感性膜片，如图6-3-3所示。

由图可见，在膜片缝隙处磁力线相对集中，因而相当于在该处并联一感性电纳。

感性膜片的等效电路示于图6-3-4（a）中。

(6-3-4)
图6-3-4 对称电感膜片
由于，故，代入式（6-3-3）得知，即为感性电纳。

故称它为感性
膜片。

上述两种膜的电气参量与膜片形状尺寸的关系已绘成曲线如图6-3-2（b）和6-3-4（b）所示。

在一般微波设计手册中可以查到，给设计提供了方便。

制作和安装膜片的工艺要求比较高，膜片与波导的接触也很重要，因为接触不良将使膜片得到一定的电阻，这就不是单纯的电抗元件了。

二、谐振窗
常用的谐振窗窗口形状有矩形、圆形、椭圆形及哑铃形等几种，如图6-3-5所示。

图6-3-5 谐振窗形式
通过对电容、电感膜片的分析，可以把小窗想象为感性和容性膜片的组合，因而谐振窗的等效电路可以近似地看作为接在传输线中的并联谐振回路。

实用中谐振窗口常用介质（如玻璃等）封闭。

谐振窗的等效电路，如图6-3-6所示。

图6-3-6 矩形谐振窗的等效电路
图6-3-7 矩形无介质小窗及其等效电路
下面具体研究谐振窗的性质。

为简便计，这里选用空气填充的矩形波导中的不带介质的矩形窗口，如图6-3-7所示。

当矩形波导中装入矩形窗口以后，要使其在小窗截面处不产生反射，其基本条件是波
导段与窗口的等效阻抗相等。

令窗口尺寸为，则有
即
(6-3-5)
从上式可见，在固定波长情况下，满足这一关系式的窗口尺寸、有很多组值。

但窗口的最小值应为，否则上式将失去意我，因当时，。

现在具体确定能够满足式（6-3-5）的与所应服从的规律。

取图6-3-8的坐标关系，有
将其代入式（6-3-5）中，得
(6-3-6)
这是我们熟知的双曲线方程。

因此，只要窗口尺寸满足上述关系，小窗就没有反射。

显然，
窗口的最小尺寸是，；最大尺寸，。

其规律如图6-3-9
所示。

图6-3-8 谐振窗的坐标选择
图6-3-9 小窗尺寸分布规律
窗口厚度对匹配造成的影响比较复杂，目前还只能从实验数据中找到。

实践表明，不仅矩形窗口具有谐振特性，而且其它形状的小窗也具有谐振的性质。

谐振窗引入波导系统会使在窗口的宽边中间产生电场的过分集中，从而引起高频击穿。

这种高频击穿被广泛地用在雷达技术——天线收发开关中，作为高频谐振窗，如图6-3-10所示。

图6-3-10 谐振窗——放电间隙
图中，在两上窗口之间先抽成真空，再充以惰性气体。

当较大的发射功率从波导中通过时，在输入窗口中发生高频放电，致使导电层封闭了小窗、窗口成了一个短路的金属面。

结果，波将被反射回去，如图6-3-10（a）所示，当功率较小，则不足以发生气体击穿时，电磁能量可无反射地通过窗口传输过去，如图（b）所示。

三、销钉
当在矩形波导宽边中央位置插入销钉（或螺钉）时，主要电场将在该处集中。

改变其插入深度，即可改变它在波导中所呈现的并障碍民纳的性质和大小。

波导中的销钉及其效电路示于图6-3-11中。

当销钉插入深度时，由于销钉顶部电场集中，并联电纳呈现容性（）。

随l不断增加，容性电纳也不断增加；当时，呈现串联谐振特性；当
时，并联电纳呈感性（）。

图6-3-12示出了当销钉直径d一定的情况下，
与的实验曲线。

为保证销钉与波导宽边有良好的电接触，在结构上采用如图6-3-13所示的结构。

这种
折叠式扼流结构的工作原理，已在上节讨论过，它可保证在处有良好的电接触。

图6-3-11 波导宽壁置销钉
图6-3-12 销钉相对电纳实验曲线
图6-3-13 波导销钉的扼流结构
四、波导分支
在实际工作中，常需要把功率一分为二，这就需要波导分支元件。

最常用的有E面分支和H面分支两种。

1．E面分支
E面分支又称E-T接头。

分支在波导宽边上，与H10波的电场分量相平行，如图6-3-14所示。

我们令主波导两臂为“1”和“2”，分支臂为“4”。

图6-3-14 波导E面分支
在接口处的场分布是异常复杂的，为简化起见，我们忽视了分支区域的高次模式。

即认为分支仅有H10波存在。

下面我们用场的分布定性分析E面分支的特性，如图6-3-15所示。

由图可见，1、2臂对4臂有几何对称的。

由电场的分布特点可以看出：
当波从“4”输入时，1、2臂等幅反相输出，即有。

如图（a）所示。

当波从1、2两臂等幅反相输入时，4臂应有“和”输出，如图（b）所示。

图6-3-15 E面分支各臂的输入、输出情况
当波从1、2两臂等幅同相输入时，4臂有“差”输出，当1、2两臂状态完全相同时，4臂应为零输出，即无输出，如图（c）所示。

当波从1臂输入时，则由2、4臂均有输出，它们的相位关系，见图（d）所示。

我们注意到，当4臂输入时，其电场相对于对称面T来说具有反称生质，因此，它在1、2两臂中激励起等幅反相波是很自然的。

由于E面分支是由波导宽边分出来的，而从矩形波导中H10波的电流分布来看，主波导和分支波导中的主电流恰好是连续的，因此其等效电路可简化成如图6-3-16所示的串联形式。

图6-3-16 E面分支简化等效电路
图6-3-17 E面分支实际等效电路
当考虑高次模式的作用时，E面分支的等效电路如图6-3-17所示。

参量、、
、的值若用场的方法精确计算是非常困难的，一般是用实验方法确定，需要时可在有关手册中查到，遇到特殊需要，E面分支也可以做成互成120°的完全对称形式。

如果在分支臂“4”中加一个可变短路器，改变活塞位置，就能得到不同大小的串联电抗，如图6-3-16所示。

根据以上有关E面分支的特点，可以写出其散射矩阵
(6-3-7) 2．H面分支
H面分支又称H-T接头。

分支波导是接在主波导的窄壁上，与H10波的磁场平面相平行，如图6-3-18（a）所示。

图6-3-18 H面分支及其各端口输入、输出情况
我们仍令主波导的两个壁为“1”和“2”，令分支臂为“3”。

同样，忽略分支处高次模的影响，定性分析H面分支的特性。

H面分支结构也具有某种对称性，即1、2两臂相对于3臂是几何对称的。

而当3口输入波时，其电场相对于对称面T而言具有对称性质，根据奇偶禁戒法则，它在1、2臂只能激励起偶对称波，即等幅同波。

再加上分支元件又是无耗和互易的，故H面分支有如下特性：
当波由3臂输入时，1、2两臂有等幅同相输出，如图6-3-18（b）所示，即有。

当波由1、2两臂等幅同相输入时，则在3臂有“和”输出，如图（c）所示。

当波由1、2两臂等幅反相输入时，则在3臂有“差”输出；若1、2臂状态完全相同时3臂应无输出，如图（d）所示。

当波由1臂输入时，则在2、3臂有等幅同相输出（关于等幅问题将在以后讨论的双匹
配双T中得到证实），如图（e）所示。

于是有。

根据上述分析，H面分支的散射矩阵为
(6-3-8)
H面分支的简化等效电路相当于一个具有并联分支的传输线。

若在H臂（即3臂）上安置一活塞，调节其位置，即可改变并接电纳的大小，构成一个可变电抗元件，如图6-3-1所示。

若考虑分支区域的高次模式的影响，H面分支的等效电路就相当复杂了，如图6-3-20
所示。

参量、、、同样可以通过实验确定，也可以在有关手册中查到。

§6-4 衰减器
衰减器是用来限制或控制系统中功率电平的。

衰减器又分固定和可变的两种。

只要求提供固定衰减量时使用固定衰减器；需要随意改变系统中功率电平时使用可变衰减器。

下面介绍几种常用的衰减器的结构组成及工作原理。

一、吸收式衰减器
在波导内装置吸收片，使与吸收片平行的电场被吸收或部分吸收，以达到控制系统功率电平的目的，这种衰减装置称为吸收式衰减器，如图6-4-1所示。

图6-4-1 吸收式衰减器
图（a）中吸收片做成两端呈尖壁形的薄片，固定安装在波导内，构成固定衰减器。

图（b）为可变衰减器的结构。

图（c）为刀形衰减器，是可变衰减器的一种。

它的吸收片呈刀形，从矩形波导宽边中央上的无辐射窄缝中插入波导内。

由上图可见，吸收片不论做成尖臂形还是刀形都是为使波导内的等效阻抗逐渐变化，以
减小反射。

同时，吸收片的支撑杆应尽量细和具有一定强度。

通常用两相根相距的
小杆支撑。

图（b）所示尖劈形可变衰减器，通过吸收片调节在波导中的位置，使衰减量可以0~35dB范围内变化，其主要缺点是有一定起始衰减。

图（c）所示的刀形可变衰减器，其衰减量可以0~50dB内变化，有的最大衰减量可达80dB，当刀片全部抽出，衰减为零，故这种衰减器无起始衰减。

二、回旋式衰减器
回旋式衰减器又称极化衰减器，图6-4-2（a）为其结构示意图。

其主体是一段波圆波导，沿中心轴线放置一片可与圆波导一起旋转的吸收片，圆波导的两端各通过方-圆过渡过波导与输入和输出H10波的矩形波导相连，在前后两个过渡段中积肥一片平行于矩形波导宽边的固定吸收片。

工作时两边的1、3部分保持不动，中间的圆波导段2则可绕轴手动旋转。

图6-4-2 回旋式衰减器
这也属于吸收式衰减器，其衰减量由吸收片2的旋转角度所确定。

其工作原理是，当H10波由输入端进入后，用于入射波场强E1与吸收片1垂直，故不被吸收地入圆波导段。

当吸收片2相对于水平面旋转一个角度时，E1与吸收片2的平面既不平行也不垂直，其
夹角也为。

于是相对于吸收片2，电场E1可分解为垂直和平地两个分量：
及。

其中被吸收，则可无衰减地通过圆波导段而达到输出端的方
圆过渡段。

在这里，片3平面与又成角，又分解为垂直和平行两个分量，其中
的水平分量被片3吸收掉；垂直分量
则不受片3的影响，即无衰减地通过圆过渡段，而从矩形波导中输出，因此有
(6-4-1)
衰减器的衰减量定义为输入功率与输出功率之比的分贝数。

由于功率正比于电场强度的平方，故有
(6-4-2)
将式（6-4-1）代入上式得
(6-4-3) 这就是回旋式衰减器衰减量的计算公式。

由此可见该类型衰减器的衰减量只与中间圆波导段
回旋的角度有关，而角的测量可以帮得很精确，通常是用光学装置读取。

同时，当
从0°~90°变化时，理论上衰减量可从0~dB变化，但实际上在接近90°之前，即使用光学方法也很难读准了。

虽如此，回旋式衰减器仍不失为高精度大衰减范围的精密仪器。

目前世界上各先进国家都利用它作为国家级的衰减标准，我国也在S波段和C波段上把它作为衰减计量标准。

除上述几种衰减器外，还有一种截止式衰减器（又称过极限衰减器）也是很重要的。

在§4-8中，叙述截止波导时顺便对截止式衰减器也做了介绍，这里就不再详细讨论了，必要时，读者可查阅有关论著。

§6-5 移相器
移相器是能改变电磁相位的装置。

它的应用十分广泛，相控阵天线有多达成千上万个单元，每个单元都要用一个移相器；要改变电磁波的极化方式时需要移相器；在检测系统中也常用到移相器。

移相器可分为固定和可变两类；有机械控制（有惯性）和电子控制（无惯性）之分。

移相器有各种各样的结构。

本节只讨论两种类型，即介质移相器和旋转式移相器。

一、介质移相器
介质移相器根据介质片的移动方式，可分为横向移动式和纵向移动式两种。

1．横向移动式移相器
在矩形波导中平行于电场放置介质片，利用传动机构，介质片可沿波导宽边横向移动，这就是横向移动式移相器，如图6-5-1所示。

如果介质片位置固定就得到固定移相器；否则就是可变移相器。

图6-5-1 横向移动介质片移相器
如果介质片高等于波导窄边，厚度很薄，则由微扰理论可求得其相移常数增量，为
(6-5-1)
式中，为空心波导的相移常数；
为含介质片波导的相多常数；
为空心波导的横截面宽边尺寸；
为介质片的厚度；
为中心工作波长；
为空心波导的中心波导波长；
为介质片的相对介电常数；
对介质片中心至波地窄边的距离。

由式（6-5-1）可见，当介质片由波导窄边（）移至波导中央（）时，移相器的相移量，为
(6-5-2)
或者写成
(6-5-3)
式中，为介质片的有效长度。

在结构上，介质的两端做成渐变形，以减小反射；支撑杆相距，使由支杆引起的反射相互抵消。

这种移相器的缺点是相移量与片的移动距离不成线性关系，而且由于移
相片有一定的厚度（），故这种移相器有一定的起始相移；另一个缺点是不够精密，很难做到精确刻度。

就是说这种移相器只能起到改变相应的作用，不能用做精确的相位计量。

按式（6-5-2）或式（6-5-3）计算相移量时，将出现较大的误差。

为提高精度，需要寻找新的计算方法。

这是一个专门问题，已超出本书范围，这里不再进行讨论。

2．纵向移动式移相器
这种移相器由矩形波导中纵向放置三块介质板组成，如图6-5-2所示。

中间板通过适当的传动机构可沿纵向自由移动，该传动机构可以用一个介质楔锁定，介质楔由开在波导的一
个宽面上的长中心缝隙伸出来。

介质板的每一端做成阶梯形式，以作为宽频带多节变
换器，使部分填充波导与空的和全部填充的波导相匹配。

图6-5-2 纵向移动式介质移相器
我们可以把该移相器看成是由四段长度不同、相移常数不同的波导段组成，从线1到
线4的相移常数分别令为，线1和3都是部分介质填充波导，线2为介质全填充波导，线4为空波导。

根据波导理论可以证明。

令
(6-5-4)
若中间介质块从起始位置向右移动，则、各增加了，而、各缩短了。

于是移相器总相移由起始值
变为
净增加相移量，为
(6-5-5)
反之，中间介质片向左移，就会使相移量减小。

由式（6-5-5）可见，相移量与滑动距离成正比关系，这是该种移相器的突出优点。

二、旋转式移相器
旋转式移相器是广泛用于微波测量的一种精密移相器。

它的基本结构类似于回旋式衰
减器，它的中间是可随圆波导段一起旋转的半波长介质板，两边各有一个板。

两块
板把线极化的波转化为圆极化波，或者反过来；板产生的相移，等于旋转
角的两倍。

下面分析其工作原理。

图6-5-3是旋转式移相器结构示意图。

板是一种这样的器件，即当级极化波经它
后便产生一个圆极人波。

板如图（b）所示，它与矩形波导的宽壁成45°角。

进入的
波波分解为两个极化波，即与板平行的和垂直的两个极化波，如图6-5-4所示。

图6-5-3 旋转式相器结构示意图
图6-5-4 入射的的分解
入射的波可用下式表示
(6-5-6)
把变化一下
同理
则式（6-5-6）可写成
(6-5-7)
场的极化方向平行于该介质板，而场的极化方向垂直于该介质板。

令平行极化和垂
直极化传播常数分别为和，且。

板的长度的选取是使相位差。

故这些场通过板后，便成为
(6-5-8)
(6-5-9)
由式（6-5-7）可知，，再由上二式知，和时间相位差90°（j因子）。

因此，合成场是由振幅相等，相位差90°的相互正交极化的波组成，因而合成为一个圆极化的输出场。

下面研究半径波长对上述圆极化场的作用。

设半波长相对板转过一个角度，
如图6-5-5所示。

这样，把角变量
的原点变到点，再利用如下关系式
图6-5-5 板的作用
就可以用相对于板平行极化和垂直极化的波来表示场和。

于是可得
(6-5-10)
(6-5-11) 这样合成场，为
(6-5-12) 式中
(6-5-13)
(6-5-14)
这两个场分量经过板后便成为（注意到：）
(6-5-15)
(6-5-16) 这个新的场在输出波导中可以再分解为两个场分量，其极化方向分别平行和垂直于后一
板，该板与第一块板平行，即角变量以为原点。

仿照前面的方法可
块
以得到
(6-5-17) 式中
(6-5-18)
(6-5-19)
最后，经过后一块板之后，输出场便成为
(6-5-20) 式中
(6-5-21)
(6-5-22) 于是合成场
(6-5-23)
这也是一个线极化的波，其极化方向与式（6-5-6）的入射场的极化方向相同。

但是，
必须注意其相位已经改变了（）。

由于，故实际相位变化是。

这
就是说，通过旋转式移相器后，波的相位变化了。

这种移相器的主要优点是相移量与机械旋转的关系简单。