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)