第八章 常用微波元件
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j 2
对短路活塞的基本要求是：
1） 保证接触处的损耗要小；
2） 当活塞沿线移动时，接触损耗不应随活塞位臵而变； 3） 当工作在大功率时，应防止活塞与波导壁间接触处发生 花现象。 为保证上述基本要求，通常把活塞做成接触式和扼流式 结构两种形式。 在小功率时，经常采用 接触式短路活塞，如图所示。
b Γ a
单 口 元 件
L
单口元件
一端口元件 这里着重讨论三种：匹配负载 短路负载 失配负载
L 0
L e
j
| L | Constant.
这三种单口元件所要解决的主要矛盾各不相同。 匹配负载——解决波反射和吸收两者之间的矛盾； 短路负载——解决理想短路和活动间隙之间的矛盾； 失配负载——解决宽带和反射系数变化之间的矛盾。
谐振窗口而送到接收机。
销钉 销钉是垂直对穿波导宽边的金属棒。在波导中起电感作用， 可用作匹配元件和谐振元件，常用于构成波导滤波器。 销钉的相对电感与棒的粗细有关，棒越细，电感量越大，其 相对电纳就越小；同样粗细的棒，根数越多，则相对电纳就越 大。 从场的观点来看，销钉的根数越多，几何尺寸越大，所引起 的高次模就越多，这些TE高次截止波在销钉附近所储存的磁场 就越大，其等效感性电纳就越大。从路的观点来看，它与低频 电路中电感的并联道理一样，并联后的电感值越小，电纳值增 大。
这种类型衰减器的最大优点在于它可以根据圆波导旋转 的角度来确定衰减量，而不需要用其它衰减器来定标，故可
作为精密的标准衰减器用。
极化衰减器
v y u
θ
0
x
图 极化衰减器
特别要提及的是圆波导(采用 H11 模)极化衰减器， 它利用高损耗材料的吸收片，将其中一种极化吸收掉。 如图所示，它专门吸收u向极化波。
jX
T
jB jX T
图 典型数据
X 2, B 1
［解]任何微波元件的网络参数都有参考面，即它对 参考面等效。元件的网络参数是利用场论的方法获 得的。
1 [ A] [ Ai ] i 1 0
3
jX 1 1 jB
0 1 1 0
jX 1 0 1
螺钉 螺钉插入波导的深度可 以调节，电纳的性质和大小 可随之改变，使用方便，是 小功率微波设备中常采用的 调谐和匹配元件。
实际使用中，考虑到螺 钉引入的损耗，大功率时还 考虑到击穿场强等问题， 因此，螺钉插入深度一般 比较浅，所以宽壁插入的 螺钉一般作可变电容用。
波导可调螺钉及其等效电路
4. 衰减器与移相器
阻抗为
Z ce Z 02 ZL
2
即ce面是等效开路面，Zce与 电阻Rde串联，故cd面上的输入 阻抗为 Z Z R 。在经特性阻抗为Z01的一段四分
cd ce de
之一波长传输线变换到其始端的ab面上，输入阻抗为
Z a b Z 0 1 / Z cd 0
2
因此， ab面为等效短路面，满足了短路活塞的要求。实验 表明，在传输线终端采用这种活塞时，所得到的驻波比远 大于100。此类活塞的缺点是扼流特性与工作波长有关，
dB
吸收式衰减器
百度文库
在波导内放入与电场方向平行的吸收片，当微波能量通 过吸收片时，将吸收一部分能量而产生衰减，这种衰减器称 为吸收衰减器，如图所示。
极化衰减器是吸收式衰减器中最精密的一种类型。其衰 减量为
A 1 0 lg Pin Po u t 2 0 lg 1 co s
2
4 0 lg co s
sin e al cos 0
0 cos j l e sin
sin Ex cos Ey
in
in
也即
Ex Ey cos 2 e al sin 2 e j l out al j l sin cos (e e ) out
这种接触式短路活塞其电性能主要决定于制造工艺，一般 可获得大于50的驻波比。但活塞移动时接触片容易磨损，限制 了活塞的寿命。
下图所示扼流式短路活塞具有良好的电性能。活塞与波导壁的 接触电阻接在高频电流的波节，接触电阻对活塞中损耗的影响 可减少到最小的程度。
由等效电路终端短路面fg处Zfg ＝0，经过特性阻抗为Z02 的一段四分之一波长传输线变换后，其始端ce面上的输入
2 2
展开可得
| S11| | S 22 | 212 (11 22 )
上式中第一个称为振幅条件，第二个称为相位条件。 若S 1 1 0 , 则
S 1 2 S 2 1 1, S 2 2 0;
若
S 1 2 1,
则
S11 S 22 0 ,
或相反。因此得到如下无耗互易网络的基本性质： • • • 若一个端口匹配，则另一个端口自动匹配； 若网络是完全匹配的，则必然是完全传输的，或相反； S11、 S12、 S22的相角只有两个是独立的。
1. 匹配负载 匹配负载是一种接在传输系统终端的单端口微波元件， 它被用来吸收沿传输线的全部入射波功率，既没有反射 波，也没有功率向空间辐射。因此，当需要在传输系统 中建立起行波状态时，都需用匹配负载。匹配负载的主 要技术指标是功率容量、工作频带和输入驻波比。
小功率匹配负载 功 率 中功率匹配负载 大功率水负载
电容性膜片
在矩形波导的横向放臵一块金属膜片，在其上对称或不 对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，如图所示。
电纳的近似计算公式为
d B Y 0 ln c s c g 2b
4b
电容膜片及其等效电路
、电感膜片 矩形波导中的电感膜片及其等效电路如图所示。当在 波导窄壁上放臵金属膜片后，会使波导宽壁上的电流产生 分流，于是在膜片的附近必然会产生磁场，并存储一部分 磁能，因此这种膜片称为电感膜片。
j 2 j 2 2 j
S11
j 2 j
1 5
2
e
j116.56552
PL P (1 | | ) 0.8 P 0 0
据分析，直角拐角的反射系数 比=2.618。
1
5 0.4472
，对应驻波
3. 电抗元件
对系统进行调配时，电抗元件往往是必不可少的。常用 电抗元件有膜片、销钉和短路活塞等。
衰减器是用来改变（降低）微波传输系统中高频振荡功 率电平的元件。为了将测量设备中的振荡器及负载去耦， 通常，必须将信号减弱。
理想的衰减器应是只有衰减而无相移的二端口网络， 其散射矩阵为
0 S l e e
l
0
衰减器的衰减量表示为：
A 1 0 lo g Pi Po
频 带
宽带匹配负载
窄带匹配负载
材 料
木材、石墨、羰基铁、吸收负载
2. 短路负载
短路负载又称终端短路器，其作用是将微波能量全部 反射回去。只要把一段波导或同轴线用金属短路片将终端 短路，即构成波导或同轴短路器。 在微波测量和一些微波系统中，常用到传输系统中的可 移动的短路面，则成为短路活塞。 短路器的输入阻抗为
构牢固，装拆方便，易于加工等。
波导 接头
弯头 当传输线方向改变时，中间就要接入弯头。对弯头的一 般要求就是选择波导弯曲区域内的尺寸，使其产生的反射 最小，以及注意弯曲时波导不变形。 扭转 扭转的作用是为了变化极化面，也就是将波导传输方向 旋转90。
波导拐角
波导扭转
［例］
T
直角拐角的网络分析
T
我们可以用网络给出完整的分析(输入v 输出都是y 向 极化)。
输出 E xout E yout
Eu2 Ev 2
e 0
al
0 jl e
E u1 E v1
入 E xln E yln
图 19-12
极化衰减器分析框图
Ex Ey
out
cos out sin
双 口 元 件
1.无耗二端口网络的基本性质 已经知道，双口网络可以用S参数加以表示。
a1 b2
Network
b1 a2
双口网络的S参数
b1 b2 S11 S 21 S12 a1 S 22 a2
对于无耗网络，［S］*［S］=［I］具体到双口网络是
A11 A12 A21 A22 2 det[ A]
1 X B jB
jX (1 X B ) 1 1 X B j
[S ]
1 A11 A12 A21 A22 2 2 j j 2 j
A11 A12 A21 A22 2
sin Eu 2 cos Ev 2 sin Ex cos Ey in
in
Eu1 cos Ev1 sin
Ex Ey
out
cos out sin
Network
多次提供负载的图象
l?
2. 连接元件 把两段相同类型和相同波形的传输线连接在一起的装 臵称为连接元件。例如，同轴线接头和波导接头。 对连接元件的要求是：连接点电接触可靠，不引起反
射，没有能量泄漏，较宽的工作频带，以及在结构上加工 容易，且便于装拆等。
接头
对接头的基本要求是：连接点接触可靠，不引起电磁的反射，输入 驻波比尽可能小，一般在1.2以下；工作频带要宽；电磁能量无泄漏；结
第八章 常用微波元件
8.1 一端口元件
微波元件在微波技术领域中有着广泛的应用，是微波系统的重要组成 部分之一。
微波元件的种类很多，从大的方面来说可分为三类：线性互易元件、 线性非互易元件和非线性元件。 从网络结构方面来考虑，可以按照等效电路的“端口”数来划分元件， 在这种划分中称具有一个分支的元件为一端口元件。依此类推，对具有 几个分支的元件为n端口元件。 所谓单口元件，也就是向外只有一个端口，它是作为负载来应用的。 a 作为网络它只须用一个反射系数ΓL来表示 。 L b
通常只有在中心频率10％～15％的频带范围内可满足要求。
8.2 二端口元件
Two - Port Element
双口元件是在微波中应用最多的一种元件，按功能分类 如下图所示。与单口元件相似，双口元件一般采用网络理论 进行分析。但是，在这里值得指出：元件的网络参数本身还 是需要用场论方法求得，或者实际测量得到。从这个意义上 讲，场论是问题的内部本质，而网络则是问题的外部特性。 方向变换 信号变换 波形变换 连接元件，拐角，扭转 移相器，衰减器，滤波器 同轴波导转换，方圆转换
为了加深印象，进一步讨论共轭匹配的物理意义。 首先要看到，所谓匹配仅仅是网络前端无反射波。事 实上，失配负载 PL始终是有反射的。因此问题的核心 是要把反射的功率，再次“喂给”负载，恰如给婴孩 喂食。振幅要恰当|S22|=|L| ， 时间要恰当，即相位 22=－L，才能使它“吃完”。
in=0
电感膜片电纳的
近似计算公式为
d B Y 0 c tg a 2a
2
g
电感膜片及其等效电路
谐振窗
图示两个谐振窗是雷达中天线收发开关的示意图。在 两个谐振窗间的空气充以容易电离的气体，当雷达发射的 功率Pr到达谐振窗1时，因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，由 于功率小，不足以使气体电离，接收信号将无反射地穿过
Z in jZ 0 tg
2 l / g
式中，Z0为波导（或同轴线）的特性阻抗，l为短路面 与参考面间的长度，g为波导波长。 短路器的输入端反射系数为
S11 Z in Z 0 Z in Z 0 jZ 0 tg Z 0 jZ 0 tg Z 0 e
S11 * S12
*
S21 S11 * S22 S21
*
S12 1 S22 0
0 1
具体写为
| S11 | | S 21 | 1 2 2 | S 22 | | S12 | 1 * * S11S12 S 21S 22 0
对短路活塞的基本要求是：
1） 保证接触处的损耗要小；
2） 当活塞沿线移动时，接触损耗不应随活塞位臵而变； 3） 当工作在大功率时，应防止活塞与波导壁间接触处发生 花现象。 为保证上述基本要求，通常把活塞做成接触式和扼流式 结构两种形式。 在小功率时，经常采用 接触式短路活塞，如图所示。
b Γ a
单 口 元 件
L
单口元件
一端口元件 这里着重讨论三种：匹配负载 短路负载 失配负载
L 0
L e
j
| L | Constant.
这三种单口元件所要解决的主要矛盾各不相同。 匹配负载——解决波反射和吸收两者之间的矛盾； 短路负载——解决理想短路和活动间隙之间的矛盾； 失配负载——解决宽带和反射系数变化之间的矛盾。
谐振窗口而送到接收机。
销钉 销钉是垂直对穿波导宽边的金属棒。在波导中起电感作用， 可用作匹配元件和谐振元件，常用于构成波导滤波器。 销钉的相对电感与棒的粗细有关，棒越细，电感量越大，其 相对电纳就越小；同样粗细的棒，根数越多，则相对电纳就越 大。 从场的观点来看，销钉的根数越多，几何尺寸越大，所引起 的高次模就越多，这些TE高次截止波在销钉附近所储存的磁场 就越大，其等效感性电纳就越大。从路的观点来看，它与低频 电路中电感的并联道理一样，并联后的电感值越小，电纳值增 大。
这种类型衰减器的最大优点在于它可以根据圆波导旋转 的角度来确定衰减量，而不需要用其它衰减器来定标，故可
作为精密的标准衰减器用。
极化衰减器
v y u
θ
0
x
图 极化衰减器
特别要提及的是圆波导(采用 H11 模)极化衰减器， 它利用高损耗材料的吸收片，将其中一种极化吸收掉。 如图所示，它专门吸收u向极化波。
jX
T
jB jX T
图 典型数据
X 2, B 1
［解]任何微波元件的网络参数都有参考面，即它对 参考面等效。元件的网络参数是利用场论的方法获 得的。
1 [ A] [ Ai ] i 1 0
3
jX 1 1 jB
0 1 1 0
jX 1 0 1
螺钉 螺钉插入波导的深度可 以调节，电纳的性质和大小 可随之改变，使用方便，是 小功率微波设备中常采用的 调谐和匹配元件。
实际使用中，考虑到螺 钉引入的损耗，大功率时还 考虑到击穿场强等问题， 因此，螺钉插入深度一般 比较浅，所以宽壁插入的 螺钉一般作可变电容用。
波导可调螺钉及其等效电路
4. 衰减器与移相器
阻抗为
Z ce Z 02 ZL
2
即ce面是等效开路面，Zce与 电阻Rde串联，故cd面上的输入 阻抗为 Z Z R 。在经特性阻抗为Z01的一段四分
cd ce de
之一波长传输线变换到其始端的ab面上，输入阻抗为
Z a b Z 0 1 / Z cd 0
2
因此， ab面为等效短路面，满足了短路活塞的要求。实验 表明，在传输线终端采用这种活塞时，所得到的驻波比远 大于100。此类活塞的缺点是扼流特性与工作波长有关，
dB
吸收式衰减器
百度文库
在波导内放入与电场方向平行的吸收片，当微波能量通 过吸收片时，将吸收一部分能量而产生衰减，这种衰减器称 为吸收衰减器，如图所示。
极化衰减器是吸收式衰减器中最精密的一种类型。其衰 减量为
A 1 0 lg Pin Po u t 2 0 lg 1 co s
2
4 0 lg co s
sin e al cos 0
0 cos j l e sin
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也即
Ex Ey cos 2 e al sin 2 e j l out al j l sin cos (e e ) out
这种接触式短路活塞其电性能主要决定于制造工艺，一般 可获得大于50的驻波比。但活塞移动时接触片容易磨损，限制 了活塞的寿命。
下图所示扼流式短路活塞具有良好的电性能。活塞与波导壁的 接触电阻接在高频电流的波节，接触电阻对活塞中损耗的影响 可减少到最小的程度。
由等效电路终端短路面fg处Zfg ＝0，经过特性阻抗为Z02 的一段四分之一波长传输线变换后，其始端ce面上的输入
2 2
展开可得
| S11| | S 22 | 212 (11 22 )
上式中第一个称为振幅条件，第二个称为相位条件。 若S 1 1 0 , 则
S 1 2 S 2 1 1, S 2 2 0;
若
S 1 2 1,
则
S11 S 22 0 ,
或相反。因此得到如下无耗互易网络的基本性质： • • • 若一个端口匹配，则另一个端口自动匹配； 若网络是完全匹配的，则必然是完全传输的，或相反； S11、 S12、 S22的相角只有两个是独立的。
1. 匹配负载 匹配负载是一种接在传输系统终端的单端口微波元件， 它被用来吸收沿传输线的全部入射波功率，既没有反射 波，也没有功率向空间辐射。因此，当需要在传输系统 中建立起行波状态时，都需用匹配负载。匹配负载的主 要技术指标是功率容量、工作频带和输入驻波比。
小功率匹配负载 功 率 中功率匹配负载 大功率水负载
电容性膜片
在矩形波导的横向放臵一块金属膜片，在其上对称或不 对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，如图所示。
电纳的近似计算公式为
d B Y 0 ln c s c g 2b
4b
电容膜片及其等效电路
、电感膜片 矩形波导中的电感膜片及其等效电路如图所示。当在 波导窄壁上放臵金属膜片后，会使波导宽壁上的电流产生 分流，于是在膜片的附近必然会产生磁场，并存储一部分 磁能，因此这种膜片称为电感膜片。
j 2 j 2 2 j
S11
j 2 j
1 5
2
e
j116.56552
PL P (1 | | ) 0.8 P 0 0
据分析，直角拐角的反射系数 比=2.618。
1
5 0.4472
，对应驻波
3. 电抗元件
对系统进行调配时，电抗元件往往是必不可少的。常用 电抗元件有膜片、销钉和短路活塞等。
衰减器是用来改变（降低）微波传输系统中高频振荡功 率电平的元件。为了将测量设备中的振荡器及负载去耦， 通常，必须将信号减弱。
理想的衰减器应是只有衰减而无相移的二端口网络， 其散射矩阵为
0 S l e e
l
0
衰减器的衰减量表示为：
A 1 0 lo g Pi Po
频 带
宽带匹配负载
窄带匹配负载
材 料
木材、石墨、羰基铁、吸收负载
2. 短路负载
短路负载又称终端短路器，其作用是将微波能量全部 反射回去。只要把一段波导或同轴线用金属短路片将终端 短路，即构成波导或同轴短路器。 在微波测量和一些微波系统中，常用到传输系统中的可 移动的短路面，则成为短路活塞。 短路器的输入阻抗为
构牢固，装拆方便，易于加工等。
波导 接头
弯头 当传输线方向改变时，中间就要接入弯头。对弯头的一 般要求就是选择波导弯曲区域内的尺寸，使其产生的反射 最小，以及注意弯曲时波导不变形。 扭转 扭转的作用是为了变化极化面，也就是将波导传输方向 旋转90。
波导拐角
波导扭转
［例］
T
直角拐角的网络分析
T
我们可以用网络给出完整的分析(输入v 输出都是y 向 极化)。
输出 E xout E yout
Eu2 Ev 2
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0 jl e
E u1 E v1
入 E xln E yln
图 19-12
极化衰减器分析框图
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cos out sin
双 口 元 件
1.无耗二端口网络的基本性质 已经知道，双口网络可以用S参数加以表示。
a1 b2
Network
b1 a2
双口网络的S参数
b1 b2 S11 S 21 S12 a1 S 22 a2
对于无耗网络，［S］*［S］=［I］具体到双口网络是
A11 A12 A21 A22 2 det[ A]
1 X B jB
jX (1 X B ) 1 1 X B j
[S ]
1 A11 A12 A21 A22 2 2 j j 2 j
A11 A12 A21 A22 2
sin Eu 2 cos Ev 2 sin Ex cos Ey in
in
Eu1 cos Ev1 sin
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cos out sin
Network
多次提供负载的图象
l?
2. 连接元件 把两段相同类型和相同波形的传输线连接在一起的装 臵称为连接元件。例如，同轴线接头和波导接头。 对连接元件的要求是：连接点电接触可靠，不引起反
射，没有能量泄漏，较宽的工作频带，以及在结构上加工 容易，且便于装拆等。
接头
对接头的基本要求是：连接点接触可靠，不引起电磁的反射，输入 驻波比尽可能小，一般在1.2以下；工作频带要宽；电磁能量无泄漏；结
第八章 常用微波元件
8.1 一端口元件
微波元件在微波技术领域中有着广泛的应用，是微波系统的重要组成 部分之一。
微波元件的种类很多，从大的方面来说可分为三类：线性互易元件、 线性非互易元件和非线性元件。 从网络结构方面来考虑，可以按照等效电路的“端口”数来划分元件， 在这种划分中称具有一个分支的元件为一端口元件。依此类推，对具有 几个分支的元件为n端口元件。 所谓单口元件，也就是向外只有一个端口，它是作为负载来应用的。 a 作为网络它只须用一个反射系数ΓL来表示 。 L b
通常只有在中心频率10％～15％的频带范围内可满足要求。
8.2 二端口元件
Two - Port Element
双口元件是在微波中应用最多的一种元件，按功能分类 如下图所示。与单口元件相似，双口元件一般采用网络理论 进行分析。但是，在这里值得指出：元件的网络参数本身还 是需要用场论方法求得，或者实际测量得到。从这个意义上 讲，场论是问题的内部本质，而网络则是问题的外部特性。 方向变换 信号变换 波形变换 连接元件，拐角，扭转 移相器，衰减器，滤波器 同轴波导转换，方圆转换
为了加深印象，进一步讨论共轭匹配的物理意义。 首先要看到，所谓匹配仅仅是网络前端无反射波。事 实上，失配负载 PL始终是有反射的。因此问题的核心 是要把反射的功率，再次“喂给”负载，恰如给婴孩 喂食。振幅要恰当|S22|=|L| ， 时间要恰当，即相位 22=－L，才能使它“吃完”。
in=0
电感膜片电纳的
近似计算公式为
d B Y 0 c tg a 2a
2
g
电感膜片及其等效电路
谐振窗
图示两个谐振窗是雷达中天线收发开关的示意图。在 两个谐振窗间的空气充以容易电离的气体，当雷达发射的 功率Pr到达谐振窗1时，因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，由 于功率小，不足以使气体电离，接收信号将无反射地穿过
Z in jZ 0 tg
2 l / g
式中，Z0为波导（或同轴线）的特性阻抗，l为短路面 与参考面间的长度，g为波导波长。 短路器的输入端反射系数为
S11 Z in Z 0 Z in Z 0 jZ 0 tg Z 0 jZ 0 tg Z 0 e
S11 * S12
*
S21 S11 * S22 S21
*
S12 1 S22 0
0 1
具体写为
| S11 | | S 21 | 1 2 2 | S 22 | | S12 | 1 * * S11S12 S 21S 22 0