第5章 微波元器件

一般吸收片由胶木板表面涂覆石墨或在玻璃片上蒸发一层厚
的电阻膜组成, 一般两端为尖劈形，以减小反射。 由矩形波导TE10模的电场分布可知 , 波导宽边中心位置电场 最强, 逐渐向两边减小到零, 因此, 当吸收片沿波导横向移动时, 就 可改变其衰减量。
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
并设其散射矩阵为［S］。 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。下面分别加以介绍。
图5-13 定向耦合器的原理图
(1)耦合度 输入端“①”的输入功率P1与耦合端“③”的输出功率P3
之比定义为耦合度，记作C。
P 1 1 C 10 lg 20 lg P3 S13
将功率分成几路的器件称为功率分配元器件，主要包括：
定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。 还有将几个不同窄频段的信号合成一路宽频信号或将几 路窄频信号合成一路宽频信号的器件称为合路器或多工器。 这些器件一般都是线性多端口互易网络，因此可用微波 网络理论进行分析。
1. 定向耦合器 定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件, 它是由 耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的, 如图5-13所示。
3. 阻抗匹配元件
(1) 螺钉调配器 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, 如图5-7所示。
图 5–7 波导中的螺钉及其等效电路
螺钉深度的不同等效为不同的电抗元件 , 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)。
b0 b (或 ) b b0
(5-1-1)
例如: 3 cm的波段标准波导BJ-100的窄边为10.16 mm, 若要求
驻波比为 1.1 和 1.2, 则失配负载的窄边分别为 9.236 mm 和 8.407
mm。
2. 微波连接元件
微波连接元件是二端口互易元件, 主要包括: 波导接头、衰减
器、相移器、转换接头。
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λg/2的整数倍。 如图 5 - 2(a)所示;
当功率较大时可以在短路波导内放置锲形吸收体 , 或在波导
外侧加装散热片以利于散热, 如图5-2(b)、(c)所示;
第5章 微波元器件
5.1 连接匹配元件
1. 终端负载元件
(1) 短路负载
短路负载是实现微波系统短路的器件 , 对金属波导最方便的
短路负载是在波导终端接上一块金属片。 但在实际微波系统中往往需要改变终端短路面的位置 , 即需 要一种可移动的短路面, 这就是短路活塞。 短路活塞可分为接触式短路活塞和扼流式短路活塞两种 , 前 者已不太常用, 下面介绍一下扼流式短路活塞。
P3 S13 D 10lg 20lg I C (dB) P4 S14
(4) 输入驻波比
(5-2-3)
端口“②、 ③、 ④”都接匹配负载时的输入端口“①”的 驻波比定义为输入驻波比，记作ρ。 (5) 工作带宽
1 S11 1 S11
(5-2-4)
工作带宽是指定向耦合器的上述C、I、D、ρ等参数均满足要 求时的工作频率范围。
由前面分析可知, 只要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, 结构
设计就更加困难, 因此产生了渐变线代替多阶梯。 设渐变线总长度为L, 特性阻抗为Z(z), 并建立如图 5-11所示 坐标：
图 5–11 渐变型阻抗变换器
5.2 功率分配元器件
在射频与微波无线系统中，往往需将一路微波功率在一 定频段内按比例分成几路，这就是功率分配问题。
为了增加定向耦合器的耦合度，拓宽工作频带，可采用多
孔定向耦合器。
扼流短路活塞的优点是损耗小 , 而且驻波比可以大于100, 但这种活塞频带较窄, 一般只有10%~15%的带宽。 如图 5-1(d) 所示的是同轴 S 型扼流短路活塞，它具有宽带 特性。
(2) 匹配负载
匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件。 对波导来说, 一般在一段终端短路的波导内放置一块或几块 劈形吸收片, 用以实现小功率匹配负载, 吸收片通常由介质片（如 陶瓷、胶木片等）涂以金属碎末或炭木制成。
(2) 隔离度
(dB)
(5-2-1)
输入端“①”的输入功率P1和隔离端“④”的输出功率P4之 比定义为隔离度, 记作I。
P 1 1 I 10 lg 20lg P4 S14
(dB)
(5-2-2)
(3) 定向度
耦合端“③”的输出功率 P3 与隔离端“④”的输出功率 P4 之比定义为定向度，记作D。
根据耦合器的耦合机理，
可将它画成如图5-14(b)所示 原理图。
1) ，第一个小孔耦合到副波导中 设端口①入射 TE10 波 (u1
的归一化出射波为 u 41

和 u q 31
q，q为小孔耦合系数。
假设小孔很小，到达第二个小孔的电磁波能量不变，只是引
起相位差，第二个小孔处耦合到副波导处的归一化出射波分别为
j2 d
) 2q cosd e
jd
(5-2-6)
由此可得波导双孔定向耦合器的耦合度为：
u1 C 20lg 20lg u3 20lg 2q (dB) u3
小圆孔耦合的耦合系数为：
(5-2-7)
1 4 3 q r ab a 3
2
(5-2-8)
图5-13 定向耦合器的原理图
图中“①、 ②”是一条传输系统, 称为主线； “③、④”为另一条传输系统, 称为副线。 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。
1) 定向耦合器的性能指标
定向耦合器是四端口网络 , 端口“①”为输入端, 端口“②”
为直通输出端, 端口“③”为耦合输出端, 端口“④”为隔离端,
失配负载既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率, 而 且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。 失配负载和匹配负载的制作相似, 只是尺寸略微改变了一下, 使之和原传输系统失配。
比如波导失配负载，就是将匹配负载的波导窄边 b制作成与
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：
由第1章的支节调配原理可知：多个相距一定距离的螺钉可
构成螺钉阻抗调配器, 不同的是这里支节用容性螺钉来代替。
螺钉调配器可分为单螺钉、 双螺钉、 三螺钉和四螺钉四种。 单螺钉调配器通过调整螺钉的纵向位置和深度来实现匹配, 如图 5-8(a)所示; 双螺钉调配器是在矩形波导中相距λg/8、λg/4或3λg/8 等距离 的两个螺钉构成的, 如图5-8(b)所示。
应用于同轴线和波导的扼流式短路活塞如图 5-1(a)、(b)所示,
它们的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/2的距离。
这种结构是由两段不同等效特性阻抗的 λg/4 变换段构成 , 其工作原理可用如图 5-1(c)所示的等效电路来表示, 其中cd段 相当于λg/4终端短路的传输线, bc段相当于λg/4终端开路的传输 线, 两段传输线之间串有电阻Rk, 它是接触电阻, 由等效电路不 难证明ab面上的输入阻抗为: Zab=0, 即ab面上等效为短路, 于 是当活塞移动时实现了短路面的移动。
(1) 波导接头
波导管一般采用法兰盘连接 , 可分为平法兰接头和扼流法兰
接头, 分别如图 5-3(a)、 (b)所示。
平法兰接头的特点是: 加工方便, 体积小, 频带宽, 其驻波比可 以做到1.002以下, 但要求接触表面光洁度较高。
扼流法兰接头由一个刻有扼流槽的法兰和一个平法兰对接而
成, 扼流法兰接头的特点是: 功率容量大, 接触表面光洁度要求不 高, 但工作频带较窄, 驻波比的典型值是1.02。
另一类转换器是极化转换器 , 由于在雷达通信和电子干扰 中经常用到圆极化波, 而微波传输系统往往是线极化的, 为此需
要进行极化转换, 这就需要极化转换器。
由电磁场理论可知 , 一个圆极化波可以分解为在空间互相
垂直、相位相差90°而幅度相等的两个线极化波;
另一方面 , 一个线极化波也可以分解为在空间互相垂直、 大小相等、相位相同的两个线极化波 , 只要设法将其中一个分 量产生附加90°相移, 再合成起来便是一个圆极化波了。
3 4
(5-2-9)
当偏离中心频率时, secβd具有一定的数值, 此时D不再为无
穷大。
实际上双孔耦合器即使在中心频率上, 其定向性也不是无穷
大, 而只能在30dB左右。
由(5-2-9)可见，这种定向耦合器是窄带的。
总之，波导双孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而实现主
波导的定向输出，在耦合口上同相叠加，在隔离口上反相抵消。
式中, a、b分别为矩形波导的宽边和窄边； r为小孔的半径； β是TE10模的相移常数。而波导双孔定向耦合器的定向度为
波导双孔定向耦合器的定向度为：
2q u D 20 lg 20 lg 20 lg sec d u 2 q cos d
当工作在中心频率时, βd=π/2, 此时D→∞;
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, 图5-9 所示分别为波导、同轴线、微带的多阶梯阻 抗变换器。
图5–9 各种多阶梯阻抗变换器
图5–9 各种多阶梯阻抗变换器
它们都可等效为如图 5-10 所示的电路。
图5–10 多阶梯阻抗变换器的等效电路
(3) 渐变型阻抗变换器
u42 qe jd 和 u32 qe jd ，在副波导输出端口③合成的
归一化出射波为：
u u e
3
jd 31
u 2qe
32
jd
(5-2-5)
副波导输出端口“④”合成的归一化出射波为：
u u u e
4
41
jd 42
q(1 e
双螺钉调配器有匹配盲区, 故有时采用三螺钉调配器。
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。
(2) 多阶梯阻抗变换器
在第1章中我们已经知道，用λ/4阻抗变换器可实现阻抗匹配；
但严格说来只有在特定频率上才满足匹配条件，即 λ/4 阻抗 变换器的工作频带是很窄的。
当功率很大时, 还可采用水负载，如图5-2(d)所示, 由流动的 水将热量带走。
同轴线匹配负载是由在同轴线内外导体间放置的圆锥形或阶
梯型吸收体而构成的，如图5-2(e)、(f)所示。
微带匹配负载一般用半圆形的电阻作为吸收体，如图 5-2(g) 所示，这种负载不仅频带宽，而且功率容量大。
(3) 失配负载
成了移相器, 这是因为电磁波通过一段长波为l的无耗传输系统后 相位变化为：

2πl
g
(5-1-4)
其中：λg为波导波长, 在波导中改变介质片位置， 会改变波
导波长, 从而实现相位的改变。
(3) 转换接头 微波从一种传输系统过渡到另一种传输系统时，需要用转
换器。
在这一类转换器的设计中，一方面要保证形状转换时阻抗 的匹配，以保证信号有效传送；另一方面要保证工作模式的转 换。
因此，平接头常用低功率、宽频带场合，而扼流接头一般用
于高功率、窄频带场合。
波导连接头除了法兰接头之外, 还有各种扭转和弯曲元件(如
图 5பைடு நூலகம்4 所示)以满足不同的需要。
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; 当需要改变电磁波的方向时，可用波导弯曲。
(2) 衰减元件和相移元件 衰减元件和相移元件用来改变导行系统中电磁波的幅度和 相位。 衰减器的种类很多, 最常用的是吸收式衰减器, 它是在一段 矩形波导中平行于电场方向放置吸收片而构成, 有固定式和可变 式两种， 分别如图5-5(a)、 (b)所示。
2) 波导双孔定向耦合器
波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器 , 主、副波 导通过其公共窄壁上两个相距d=(2n+1)λg0/4 的小孔实现耦合。 其中，λg0是中心频率所对应的波导波长, n为正整数, 一般取 n=0。 耦合孔一般是圆形, 也可以是其它形状。 定向耦合器的结构如图 5-14(a)所示：