第八章 微波元件分解

优点：体积小、频带宽。 缺点：机械加工要求高。
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波导平接头
12
波导抗流接头
平法兰盘
抗流法兰盘 短路
接触电阻 开路
0 0
短路
优点：电气性能上接触良好。 缺点：频带窄、制作困难。
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4
4
13
• 抗流式接头的工作原理：
c d a b
公式法：
Zin jZ0 tan l
S13= S23
S41= S31
3口入，同相等分给1、2口。
1口入，同相等分给3、4口。
S42=﹣S32
2口入，反相等分给3、4口。
故
0 0 1 S 2 1 1
0 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 0
（8-3-7）
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魔T的应用：
a. 电桥： 如
TE10 模
同轴线外导体与 波导宽壁连在一 起，内导体插入 矩形波导中。
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探针 为了使同轴线与矩形波导相匹配，需要 调节同轴线内导体的插入深度 h 、偏心 距 d 与短路活塞位置 l 。
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4、同轴—微带转换器 将同轴的内导体向外延伸一小段，与微带线的中心导带搭 接；将同轴线的外导体与微带线的接地板相连，就构成了 同轴—微带转换器。
y
x
当TE10波从1、2 当TE10波从1、2口 口等幅同相输入 等幅反相输入时， 时，则3口有输出。 则3口无输出。
24
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等效电路：
+
jX + _
根据（c),则分 支可等效为并 联电抗。 若分支波导终接短 路活塞，则串联电 抗为可变电抗。
主波导等效为双线，分支波导 等效为并联双线。
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5 调谐螺钉:
• 单螺钉
1) 等效电纳与插 入深度有关。
l＜

4
l

4
l
＞

4
2) 实际上，螺钉插入深度都较浅——考虑损耗及击 穿，故调谐螺钉引入的都是容性电纳。容性电纳 的大小与螺钉直径、插入深度、插入位置都有关。
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• 在波导宽面上旋入二个或三个螺钉， 就构成双螺或三螺匹配器。
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4) 谐振窗实用举例：
工作原理：
1
2
接收机
P入 1、2分别为两个谐振窗。P 出
其间进行充气处理——所充气 体容易电离。当雷达发射的功 率到达谐振窗1时，气体电离使 谐振窗成为一短路面，波将被 反射而不进入接收机，但当工 作于接收状态时，因功率小， 不足以使气体电离，接收的信 号将无反射地穿过谐振窗口而 传送到接收机。
d 2 d1 d
匹配原理相当于传输理论中的双跨线或 三跨线匹配器。
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8.2 连接元件
连接元件包含接头和转接元件。将相同传输线连接在 一起的微波元件统称为接头。常用的接头有波导接头 和同轴接头。将不同传输线连接在一起的微波元件称 为转接元件。
8.2 .1 波导接头（法兰）
有平接头与抗流接头两种
4
+
jX
+
1
2
-
1
2
-
若分支波导终接短路活塞，则串联电抗为可变电抗。
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H-T接头（面分支）
结构：
16
分支在主波导的窄壁上，且与TE10波的磁力线所 在平面平行，故称H面分支。也称H T接头(分支).
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23
定性分析其工作特性：（用电力线描述）
z
24 当TE10波从3口输 入时，1口与2口将 有等幅同相的输出。
4
2) 膜片的作用：
a. 磁场结构，如图所示：相对而言，有金属膜片 的横截面上，其磁力线的密度将增大，因磁力 线是闭合曲线。 b. 其作用相当于在膜片之间集中了磁场。
3)
等效电路：
电感
P ~ 2 a B cot a 2a
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（8.1.2）
5
3、谐振窗：
等 效 电 路 图8.7
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同轴线尺寸变换器
16
2、阶梯阻抗变换器
单节突变
结构
多节突变
多节渐变 等效电路
频带窄
图8.8
同轴线阻抗变换器
频带宽
可以做到在一定带宽内，使反射系数 比较小，基本达到匹配的目的。
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3、同轴—波导转接器
信号从同轴线向矩 形波导传输
信号从矩形波导向 同轴线传输
特性
在双T的接头处放入膜片、销钉之类的元件，通 过调节，使3、4口匹配，即得匹配双T——魔T。
即调3、4口同时匹配，则1、2口自动匹配。
其 S参数表现为 S11=S22=S33=S44=0
22 证明：设双T是无耗的，则由S参量的么正性，
即
∵
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SS [1]
3、4口匹配 S33=S44 = 0
a) 当TE10波从4口输入时，1与2口将有等幅反相的输出。
4 24
2
b) 当TE10波从1、2口等幅反相输入时，4口有输出。 c) 当TE10波从1、2口等幅同相输入时，4口无输出。
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31
73
21

等效电路：
主波导用双线等效，则根据C），分支波 导对称面处一定为电流的波节，故分支波导 用串联电抗等效。
32

∴
展开S参量的么正性并整理化简得：
S11=S22=0
匹配特性证毕。 隔离特性
平分特性
同时，还可得到
S12=0
1 S13=S14= 2
2) 隔离特性：
S12= S21 = 0 互易
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即3、4口互相隔离时（本身特有），有1、2口自动隔离。
3) 平分特性：
S14=﹣S24 4口入，反相等分给1、2口。
匹配源
的信号经短路活塞全反射到对称面恰好反相叠加，
17
可以证明：4口输出的信号与3口输入的信号 j 2 l1 之间产生了一定的相移。 b a e
4 3
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c. 平衡混频器：
③、 ④口分别接本振信号与接收信号，在①或 ②口之后的微波管中合成。 完全隔离
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Z1 ④
匹配功率指示器
a3 b4 (1 2 ) 2
①
Γ1
Γ2
Z2 ②
③
～ 匹配源
当且仅当Z1= Z2时，电桥平衡
1 2
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则
b4 0
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b. 标准移相器： 若保持
匹配负载
E l1
1
4
l2
3
l2 l1
g
4
短路活塞
H
2
短路活塞
则由3口输入至1、2两口 此时信号全部从4口输出。
c.
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3) 金属膜片的等效电路：
容性膜片等效为一跨接于双线上的电容。
对称性膜片的归一化电纳为
~ 4b b B ln csc （8.1.1） p 2b
3
2、电感膜片：——宽边变窄
1) 结构：
立体图
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横向图
等效电路
图8.2 矩形波导中的电感膜片及等效电路
Z in
也可用圆图法求输入阻抗。如图所示。
a、b之间相当于
0
2
长的短路线， a、b之间的输入
电阻等于零。即a、b之间在机械上并不接触，但 在电气性上却保证了良好的接触。
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2 l
l l

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8.2.2
转接元件
1、传输线尺寸变换器 特性阻抗相同，但尺寸不同的二个同轴线之间的连接即 属于传输线变换器。 突变型 渐变型
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充气 雷达天线收发开关
功率较大 时
8
4、销钉
1）结构如下：矩形波导中一根或多根垂直对穿波导宽壁的金 属圆棒，称为电感销钉。
图8.4
销钉
电流越小
2）销钉上有电流通过，故在销钉周围产生磁场，使销钉呈感 性电抗。销钉的直径越大，感抗越小；直径越小，感抗越大。 所以，（b）图的感抗比（a）图的感抗小。
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双T分支及魔T
• 双T结构: E — T加H —T。
如图所示:
除输入端口有信号输入外，其余 端口均接匹配负载，
24
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27
26
~ ~ ~ ~ ~ U 1 S11U i1 S12U i 2 S123U i3 S14U i 4 ~ ~ ~ ~ ~ U 2 S21Ui1 S22U i 2 S23U i3 S24U i 4 ~ ~ ~ ~ ~ U 3 S31U i1 S32U i 2 S33U i 3 S34U i 4 ~ ~ ~ ~ ~ U 4 S41Ui1 S42U i 2 S43U i3 S44U i 4
4口：相对于对称面而言，电 场为奇对称； 3口：相对于对称面而言，电
场为偶对称；
由电磁场的激励理论：奇对称的场不可能 激发起偶对称的场。因而，3、4口互相隔离。
换句话说：3口的信号不可能激发起4口的信号；
4口的信号也不可能激发起3口的信号。
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双T的S矩阵：
S11 S12 S13 S14
第八章 微波元件
任何一个微波系统都是由传输线及 许多作用不同的微波元件和微波信号源 组成。对信号进行各种加工和处理的元 件——如对信号进行分配、衰减、隔离、 定向传输、相位控制、阻抗匹配与变换、 波型变换、滤波等，提供这些功用的设 备统称为微波元件。
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1
8.1 波导中的电抗元件（波导型） 1. 电容膜片——矩形波导窄边变窄
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d. 调配器：
～
④
短路活塞
E
①
ZL
③
②
H
短路活塞
1口的反射 系数为零
S14=﹣S24
S13=S23 S34=0
即
S=
S21 S22
SFra Baidu bibliotek1 S32
S23
S33
S24
S34
S41 S42
S11 S12
S43
S13
S44
S14
24
S=
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S12 S11
S13 S13 S14 S14
S13
S33 0
S14
0 S44
（8-3-6）
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• 魔T（匹配双T）
1) 匹配特性：
+ + + + + - - - - -
+ -
b.
矩形波导内的电磁场分布是变化的,即电磁场是沿纵 向传播的,在其后某一个时刻,上、下膜片上流过的电流 方向将与刚才分析的方向相反，则上膜片带负电，下 膜片带正电，相当于膜片放电。 如此周而复始，两膜片间的电场则周期性地变化， 其间有电场能的储存与释放。
3
1) 结构：
2) 等效电路：
1 3) 特性： 具有谐振特性—— f 2 LC
当信号频率等于谐振频率时， 信号可无反射地通过——匹配状态。
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综合电容性、电感性膜片，将谐振窗看成是 电容性、电感性膜片的组合，则其等效电路 可近似为LC并联回路。
图8.3 谐振窗及等效电路
当谐振窗处于失谐状态时：若工作频率小于谐 振频率，并联回路呈感性；若工作频率大于谐 振频率，并联回路呈容性。无论是哪种情况， 都会多波导中传输的波产生较大的反射。
22
E--T
H —T
当TE10波信号由1、2口等幅同相输入时, 4口无输出。 则 S34=0
当TE10波信号由1、2口等幅同相输入时,3口有（和）输出。
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（3、4口互相隔离） （8-3-2）
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当TE10波信号由1、2口等幅反相输入时, 4口有（和）输出。E-T 当TE10波信号由1、2口等幅反相输入时, 3口无输出。 H-T
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8.3
•
分支元件
将一路微波信号分成两路或多路的元件称 为分支元件。
1、矩形波导的T形接头 E-T接头（E面分支）
结构： 分支在主波导的宽边 上，且与TE10波的 E y 分量平行，故称E面分支，也称 E—T接头(分支)，如图所示。
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定性分析其工作特性：（用电力线描述） 令主波导的两臂1、2，以分支臂4为几何对称面。
1）结构: 如图所示。
立体图
横截面图
等效电路图
图8.1 矩形波导中的电容膜片及等效电路
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2) 膜片的作用:
a. 波导上、下宽壁面的壁面电流 分布形状相同,方向相反.假定如图 所示.则上膜片的电流流进膜片,下 膜片的电流从膜片流出,而上下膜 片之间因有介质,电流通路被截断, 此时相当于对该膜片充电,上膜 片带正电,下膜片带负电.
双T有如下特性：
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散射参量的定义式：
⑴ E— T特性:
17
当TE10波信号由4口输入时,1、2口有等幅反相的输出。 即 S14=﹣S24 （7-3-1）
26
⑵ H —T特性： 20 当TE10波信号由3口输入时,1、2口有等幅同相的输出。 即 ⑶ 双T特性： S13=S23
则
S43=0
（3、4口互相隔离） （8-3-3）
⑷ 双T结构： 对称： 互易 ∵ 双T内部无 非互易性介质
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关于互相隔离的分析，如 此说并不好理解。
S11=S22 S12=S21 S23=S32 S14=S41
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（8-3-4） S13=S31
（8-3-5）
S34=S43
关于3、4口互相隔离的分析：