第八章 常用微波元件
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常用微波元件
常用微波元件关键词：微波元件、隔离器、环行器引言：微波元件的功能在于微波信号进行各种变换，按其变换性质可将微波元件分为以下三类：一：线性互易元件凡是元件中没有非线性和非互易性物质都属于这一类。
常用的线性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。
衰减器作为线性互易元件，其频率范围可以从0至26.5GHz, 功率高达2000W。
被应用于民用，军事，航天，空间技术等。
高标准的达到“两高一低”，高功率，高隔离度，低插损。
其频率的范围，主要由客户的需求，从而去定制频率。
以下简单介绍50W功率的同轴衰减器，此衰减值可达到60Db, 频率可为8GHz, 12.4GHz, 18GHz，N型接头。
正面背面侧面二：线性非易元件这类元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒介，具有非互易特性，其散射矩阵是不对称的。
但仍工作于线性区域，属于线性元件范围。
常用的线性非互易性元件有隔离度、环形器等。
三：非线性元件这类元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换，从而引起频率的改变，并能通过电磁控制以改变元件的特性参量。
常用的非线性元件有检波器，混频器，变频器以及电磁快控元件等。
微波元件分类：近年来，为了实现微波系统的小型化，开始采用由微带和集中参数元件组成的微波集成电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组成复杂的微波系统，完成各种不同功能。
简要的介绍波导型，同轴型，微带型的产品。
波导隔离器频率范围主要为：2.4-110GHz （具体的频段由客户定制）于衰减器的使用范围类同，主要使用在民用，军事，航天，空间技术等。
同样具备“低插损，高隔离度，高功率”的特性。
优译波导隔离器同轴：A ：低频率12MHz 至 1875MHz, 含FM, VHF, UHF 等。
B ：700MHz 至26.5GHz, 含GSM, CDMA, WCDMA, LTE, L.S.C.X 波段等。
优译同轴隔离器微带（基片）：其频率主要为：1.9 – 27.5GHz分为1-3W的反射功率和3 -10W 的反射功率，其连接形式是Microstrip.产品实图为：优译微带隔离器以上均为常用微波元件的简要介绍。
常见微波元件PPT课件
• 尖劈形吸收体——小功率 • 楔形吸收体——大功率
中功率负载
大功率风冷匹配负载
3 2
4
波导型定向耦合器，其
1
4端口配置了一个小功 率匹配负载。
4
1
微带线型耦合器，其 4端口 配置了一个50 欧姆的匹配 负载。
• 短路负载 • 作用：将电磁能量全部反射回去 • 基本要求： 保证接触处||=1；当活塞移动时，接触损耗变化小；大功率时，活塞与波导壁间不应 产生打火现象。 • 种类：
隔离口④：一路经lg/4、另一路经3lg/4（等幅反相）在④口输出，④无输出。
由端口①输入的功率：
端口①匹配无反射；
S11 0
直通臂②输出功率为一半，相位滞后 /2；
耦合臂③输出功率为一半，相位滞后 ；
隔离口④无输出。
S41 0
分支耦合线具有结构对称性，其任一
端口都可作输入端口，两输出端口总
是在与输入端口相反的一边。
• 同轴线微带转换器
① 工作原理：同轴线中心导体 电流在微带线上激励场
② 注意：与微带连接处的同轴 线内导体的直径的选取与微 带线的特性阻抗有关，通常 使内导体直径等于微带线宽 度。
• 波导微带转换器
作用：将TE10 波转换为TEM 工作原理：在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段，使微带线与波
3 1
E-T的S矩阵为：
2
1
1
1
2
2
2
S
1
1
1
2
2
2
1
1
0
2
2
H-T分支
1. 当信号由③口入时，①和②口都有等幅同 相输出
2. 当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口 输出最大
中功率负载
大功率风冷匹配负载
3 2
4
波导型定向耦合器，其
1
4端口配置了一个小功 率匹配负载。
4
1
微带线型耦合器，其 4端口 配置了一个50 欧姆的匹配 负载。
• 短路负载 • 作用：将电磁能量全部反射回去 • 基本要求： 保证接触处||=1；当活塞移动时，接触损耗变化小；大功率时，活塞与波导壁间不应 产生打火现象。 • 种类：
隔离口④：一路经lg/4、另一路经3lg/4（等幅反相）在④口输出，④无输出。
由端口①输入的功率：
端口①匹配无反射；
S11 0
直通臂②输出功率为一半，相位滞后 /2；
耦合臂③输出功率为一半，相位滞后 ；
隔离口④无输出。
S41 0
分支耦合线具有结构对称性，其任一
端口都可作输入端口，两输出端口总
是在与输入端口相反的一边。
• 同轴线微带转换器
① 工作原理：同轴线中心导体 电流在微带线上激励场
② 注意：与微带连接处的同轴 线内导体的直径的选取与微 带线的特性阻抗有关，通常 使内导体直径等于微带线宽 度。
• 波导微带转换器
作用：将TE10 波转换为TEM 工作原理：在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段，使微带线与波
3 1
E-T的S矩阵为：
2
1
1
1
2
2
2
S
1
1
1
2
2
2
1
1
0
2
2
H-T分支
1. 当信号由③口入时，①和②口都有等幅同 相输出
2. 当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口 输出最大
精选第八章常用微波元件资料
2、短路负载 的实现形式：接触式和扼流式两种
(1)接触式
波导接触式短路器
同轴接触式短路器
短路器的电流分布
从电流分布可以看出，其在短路处的电流为最大值，相应的开路端为 电流节点。
优缺点：结构简单；缺点是活塞移动时接触不恒定，弹簧片会逐渐磨损， 大功率时，容易发生打火现象。
(2)扼流式
波导扼流式短路器
(S11) (S22 ) 2(S12 ) (5) 即2 arg(S12 ) [arg(S11) arg(S22 )]
综合上面的介绍：得到无耗互易二端口网络的性质如下：
(1)若一个端口匹配，则另一个端口自动匹配
(2)若网络是完全匹配的，则是完全传输的。
(3)S11,
1、电感膜片： 如图所示的膜片波导中传输的TE10模的磁场在膜片处集中，得到
加强，呈电感性。称为电感膜片。
电感膜片及其等效电路
当膜片的厚度可以忽略的时候，膜片的归一化电纳近似表示为：
b
BL Y0
g
a
ctg 2
d 2a
2、电容膜片：
如图所示的膜片波导中传输的TE10模的电场在膜片处集中，得到 加强，呈电容性，称为电容膜片。
如果 S12 1 S11 S22 0
令S11
S11 e j(S11) , S12
S e j(S12 ) 12
S21
S12 e , j(S12 ) S22
S e j(S22 ) 22
由公式(3)、(4)有
S e S e S e S e 0 j(S11)
j( S12 )
S11S1*1
S
(1)接触式
波导接触式短路器
同轴接触式短路器
短路器的电流分布
从电流分布可以看出，其在短路处的电流为最大值，相应的开路端为 电流节点。
优缺点：结构简单；缺点是活塞移动时接触不恒定，弹簧片会逐渐磨损， 大功率时，容易发生打火现象。
(2)扼流式
波导扼流式短路器
(S11) (S22 ) 2(S12 ) (5) 即2 arg(S12 ) [arg(S11) arg(S22 )]
综合上面的介绍：得到无耗互易二端口网络的性质如下：
(1)若一个端口匹配，则另一个端口自动匹配
(2)若网络是完全匹配的，则是完全传输的。
(3)S11,
1、电感膜片： 如图所示的膜片波导中传输的TE10模的磁场在膜片处集中，得到
加强，呈电感性。称为电感膜片。
电感膜片及其等效电路
当膜片的厚度可以忽略的时候，膜片的归一化电纳近似表示为：
b
BL Y0
g
a
ctg 2
d 2a
2、电容膜片：
如图所示的膜片波导中传输的TE10模的电场在膜片处集中，得到 加强，呈电容性，称为电容膜片。
如果 S12 1 S11 S22 0
令S11
S11 e j(S11) , S12
S e j(S12 ) 12
S21
S12 e , j(S12 ) S22
S e j(S22 ) 22
由公式(3)、(4)有
S e S e S e S e 0 j(S11)
j( S12 )
S11S1*1
S
第八章微波控制电路(2.数字移相器)
s
in
2
2 22
tan 2
tan( 2
) 2
tan tan
1
2 tan
2 tan
22
1
Y02
Z
2 01
sin
2
Y0 Z 01 sin
微波电子线路
由上式可以求出 则
Y01
Y0
s in
sec
2
B
Y0
(s
ec
2
c os
tan ) 2
B
Y0
(s
ec
2
c os
180度对应长度 98.6842mm
(39.0395mm)
90度对应长度 49.3421mm
(19.5197mm)
45度对应长度 24.6711mm
(9.7599mm)
高边频率 1665MHz 波长180.1800mm
(35.6396mm)
tan
) 2
按照上述方程设计移相器，虽然在中心频率上驻波系数等于1，相移误差 为零，单偏离中心频率时，因 B 和 B 都是频率的函数，相移量和驻波系数将
随频率变化而变化。所以，当移相精度和驻波系数规定时，移相器的带宽就
受到限制。进一步分析表明移相器的带宽与 有关。当驻波系数小于1.2，相
位误差小于2度时，对于45度移相器来说， ＝90度时，相对带宽为20％, 而 ＝80度时，相对带宽为15％。所以 值要根据实际的需求来选择或计算 。
2 l g
上式表明，用一般均匀传输线组成的开关线移相器是窄带的，因为 与频 率成正比。
微波电子线路
我们设计一个中心频率为1592.5MHz开关线型三位数字移相器。如下图所示；
微波元件
主要电气性能 频率范围 VSWR 插入损耗 隔离度
常用微波元件
多普勒雷达系统
常用微波元件（非线性元件）
对欧姆定律不适用的导体和器件 ，即电流和电压不成正比的电学元件叫做非线性 元件。非线性元件是一种通过它的电流与加在它两端电压不成正比的电工材料，即 它的阻值随外界情况的变化而改变。热敏电阻、二极管，三极管，场效应晶体管等
实用中的失配负载都是做成标准失配负载， 具有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测 量中作标准终端负载。
失配负载的结构与匹配负载一样，只是 波导口径的尺寸b不同而已。
常用微波元件
衰减器
衰减器是一种提供衰减的电子元器件，是一个二端口器件， 广泛地应用 于电子设备中，它的主要用途是： （1）调整电路中信号的大小； （2）在比较法测量电路中，可用来直读被测网络的衰减值； （3）改善阻抗匹配，若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时， 则可在此电路与实际负载阻抗之间插入一个衰减器，能够缓冲阻抗的变 化。 1）频率范围 2）衰减 3）VSWR 4）最大平均功率 5）最大峰值功率 6）插入损耗的功率系数 7）温度系数 8）插入损耗的频率响应
4b
电容膜片及其等效电路
电感膜片电纳的近似计算公 式为
B
电感膜片及其等效电路
g
d Y0ctg 2 a 2a
常用微波元件 •谐振窗 下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。 即在横向金属膜片上开设一个小窗，称为谐振窗。
常用微波元件
常用微波元件
常用微波元件 转换过度器件
三阶截取点(IP3)是表示线性度或失真性能 的参数。IP3越高表示线性度越好和更少的 失真
常用微波元件
常用微波元件
振荡器
振荡器简单地说就是一个频率源。详细说就是一个不需要外信号激励、自 身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两 种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振 荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化，这样的装置就 可以称为“振荡器”。 电气性能指标： 频率 频率稳定性 噪声 谐波功率 调谐范围
微波原件
微波原件在振动筛的筛分选矿中也是市场用到的。
下文就给大家讲解一下常用的常用微波元件有哪些，特点和原理又是什么。
微波元件在微波技术领域中有着广泛的应用，是微渡系统的重要组成部分之一。
微波元件的种类很多，从大的方面可以分为3大类：线性互易元件、线性非互易元件和非线性元件。
当然也可按其他标准划分为波导型，同轴线型、带状线和微带型。
因为微波元件种类繁多，性能各异，而且处于日新月异的发展变化中．因此，下面仅介绍微波加热常用的几种元件。
1 测量线测量线又称为驻波测量器．它分为渡导型和同轴线型两种，主要由开槽线和装在探针上的探针及晶体检渡器组成图1-1所示为波导型测量线，开槽线1为一段标准的矩形波导．在波导宽通的中心线上开槽缝2，在高频电流的分布中分析过，此槽缝并不影响波导壁上的电流分布。
检波器3通过探针4插入波导的槽缝中耦合出部分微波功率。
探针可以上下移动，控制探钊插入渡导中的深度可以调节耦合的强弱。
耦台出来的微波功率经检渡器检波，用测量放大器或光点检测计5读取。
当改变频率时，要调节装在探针座6 上的谐振腔7中的短路活塞8，使谐振腔在所测信号额率上谐振．此时检波电流最大，反应灵敏。
探针座带着探针在开槽波导上左右自由移动。
开槽波导有几个半渡长，当移动探针座时，可以测出几个驻波最大点和最小点，两相邻最大点或最小点之间的距离为一波导波长，探针的位置由标尺9精密地读出。
2环流量环流器又称环行器，一般具有3个分支，如图1-12所示，环流器上标有环行的方向，输入到某一个分支的微波只能接环流方向传到下一个分支中去。
这样一束，就保征了微波管的稳定工作，防止了微波因多次反射损坏微波管。
在大功率的微波加热器中，为了降低成本．缩小体积，对输出功率小要求恒定的前提下，在微渡管能承受得的了外界驻波比范围内．一般也可不用环流器．。
新微波第8章 常用微波元件
一端口元件
一端口元件是一类负载元件，种类不多。 常用一端口元件：
短路负载 匹配负载 失配负载
短路负载（短路器） (Short-circuiting load)
作用：将电磁被能量全部反射回去。
结构：将波导或同轴线的终端短路(用金属导体全部封闭起来) 即构成波导或同轴线的短路负载。
实：短路负载都做成可调的，称可调短路活塞。
主要技术指标
工作频率 输入驻波比
功率容量
按吸收功率大小分类
低功率负载(小于1w) 高功率负载(大于1w）
低功率匹配负载
高功率匹配负载
构造原理：与低功率负载同，还需考虑热量的吸收和发散问题。
吸收物质可以是固体(如石墨和水泥混合物)或液体 (通常用水)。 水负载：水作吸收物质，水流动携出热量。在波导终端安装劈形 玻璃容器，其内通水以吸收微波功率；进水吸收微波功率后温度升 高，根据水的流量和进出水的温度差可测量微波输出功率值。
输入阻抗
Zin jZ0tg
其中：Z0为波导或同轴线的特性阻抗，θ＝2πl/λg， l 是短路面与参考面之间的长度，λg为导波波长。
短路活塞(shorting piston)
主要要求：
①接触处的损耗小，其反射系数的模应接近1; ② 当活塞移动时，接触损耗的变化要小； ③大功率运用时，活塞与波导壁(或同轴线内外导体壁) 间不应发生打火现象。
扼流式活塞
形式：有效短路面不在活塞与传输线内壁直接接触处。
优点：损耗小，且损耗稳定 。 缺点：活塞太长；
频带窄，带宽一般10～15％。
匹配负载
概念：是一种能全部吸收输入功率的一端口元件。
结构：一 段终端短路的波导或同轴线，其中放有吸波物质。
用途：微波测量中常用作匹配标准； 调整仪器和机器(如调整雷达发射机)时用作等效天线。
一端口元件是一类负载元件，种类不多。 常用一端口元件：
短路负载 匹配负载 失配负载
短路负载（短路器） (Short-circuiting load)
作用：将电磁被能量全部反射回去。
结构：将波导或同轴线的终端短路(用金属导体全部封闭起来) 即构成波导或同轴线的短路负载。
实：短路负载都做成可调的，称可调短路活塞。
主要技术指标
工作频率 输入驻波比
功率容量
按吸收功率大小分类
低功率负载(小于1w) 高功率负载(大于1w）
低功率匹配负载
高功率匹配负载
构造原理：与低功率负载同，还需考虑热量的吸收和发散问题。
吸收物质可以是固体(如石墨和水泥混合物)或液体 (通常用水)。 水负载：水作吸收物质，水流动携出热量。在波导终端安装劈形 玻璃容器，其内通水以吸收微波功率；进水吸收微波功率后温度升 高，根据水的流量和进出水的温度差可测量微波输出功率值。
输入阻抗
Zin jZ0tg
其中：Z0为波导或同轴线的特性阻抗，θ＝2πl/λg， l 是短路面与参考面之间的长度，λg为导波波长。
短路活塞(shorting piston)
主要要求：
①接触处的损耗小，其反射系数的模应接近1; ② 当活塞移动时，接触损耗的变化要小； ③大功率运用时，活塞与波导壁(或同轴线内外导体壁) 间不应发生打火现象。
扼流式活塞
形式：有效短路面不在活塞与传输线内壁直接接触处。
优点：损耗小，且损耗稳定 。 缺点：活塞太长；
频带窄，带宽一般10～15％。
匹配负载
概念：是一种能全部吸收输入功率的一端口元件。
结构：一 段终端短路的波导或同轴线，其中放有吸波物质。
用途：微波测量中常用作匹配标准； 调整仪器和机器(如调整雷达发射机)时用作等效天线。
微波技术08章-微波铁氧体器件
1. 相移式铁氧体环行器
3分贝裂缝电桥的[s]为
0 - j90 e [ s] = 1 2 0 1 e
0
- j90 0
0 1 0 e - j90
0
1 0 e - j90 0
0
0 1 0
0 - j90 e [ s] = 1 2 0 1
Bx µ1 jµ = B µ 0 2 y B 0 z − jµ 2
µ1
0
0 0 1
H x H y H z
(8-2.4)
即
B=µ⋅H
Bx = µ 0 ( µ1 H x − jµ 2 H y ) B y = µ 0 ( jµ 2 H x + µ1 H y ) Bz = µ 0 H z
e - j90
0
0
0 1 0 e - j90
0
1 0 e - j90 0
0
0 1 0
对于第一个3分贝裂缝电桥，有 1 − j900 + 1 − + v2 ' + v4 ' v1 = 2 e 2 1 − j900 + 1 + − e v2 ' = v1 + v3 2 2 v − = 1 v ' + + 1 e − j900 v ' + 4 3 2 2 2 0 1 1 − + + − j 90 v ' = e v v + 1 3 4 2 2
Bx = µ 0 (µ1 µ 2 )H x B y = µ 0 (µ1 µ 2 )H y Bz = 0
微波元器件介绍
定向耦合器 • 作用： 从主传输线中取出一些电磁能量并向设定的方向传输。
3臂（4臂）输入的TE10 模可以在4臂（3臂）中激励起高次模，但高次模式不能传输，不能输出。
率变换，得到对应的低通滤波器衰减特 两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相反，则3臂输出两信号之差，称为差信号。
任何端口都与外接传输线相匹配；
性； 用低阻抗线实现并联电容：
低通滤波器：最平坦式、切比雪夫式、椭圆函数式 1、2均有输入：3输出差信号，4输出和信号；
经过计算确定每段微带的长度、宽度，使其等效电抗值与集总元件电路中的对应电抗值的相等。
c
• 一段窄的短微带线可等效为串联电感； 3输入：1、2等幅、反相输出，4无输出；
最大正向损耗：0.
一段窄的短微带线可等效为串联电感；
一段宽的短微带线可等效为并联电容。
L Zcl 2 2v p C Ycl
vp
•用高阻抗微带短线实现串联电感
4输入：1、2等幅、同相输出，3无输出； 3、4相互隔离（相互不可传送信号）
2 4（H）
“3臂、4臂隔离”的原因：
3臂输入的TE10 模式关于中 轴面T反对称，而4臂中TE10模 式关于中轴面T对称，故相互 不能激励。
3臂（4臂）输入的TE10 模可 以在4臂（3臂）中激励起高次 模，但高次模式不能传输，不 能输出。
3 1
T 3 1
T
2
3臂输入，4臂 无输出
2
4臂输入，3臂 无输出
4、波导魔T（四端口元件）
调匹配的装置
3（E） 2
1
4（H）
• 主要特性：
• 任何端口都与外接传输线相匹配；3、4匹配之后，1、2自动匹配；
第八章 常用微波元件
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
sin Eu 2 cos Ev 2 sin Ex cos Ey in
in
Eu1 cos Ev1 sin
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
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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2 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
第八章 微波铁氧体器件
第八章微波铁氧体器件§8－1 概论铁氧体：是一种铁磁材料，它是由二价金属锰、铜、镁、锌、镍、钇等氧化物与烧结而成的多晶或单晶材料，外表很象陶瓷。
工作条件：外加恒定磁场。
在此恒定磁场作用下，铁氧体内部的电子产生进动，使铁氧体具有张量磁导率，成为各向异性媒质，具有非互易性。
特点：1. 有较大的磁导率; 2. 有很高的电阻率（一般在欧姆/厘米之间）。
所以铁氧体的趋肤深度()较大，微波电磁场能够深入到铁氧体内部，从而使铁氧体的非互易特性能够对微波电磁场起作用，因此利用铁氧体可以构成非互易器件。
§8－2 铁氧体中的张量磁导率铁氧体在未加恒定磁场时是一种高介电常数的介质，此时铁氧体呈各向同性特性，磁导率和介电常数都是标量，但在外加恒定磁场作用下，铁氧体具有各向异性特性，磁导率变成了张量。
张量磁导率的表示式与外加恒定磁场的方向有关，当外加恒定磁场强度矢量沿+方向，即时，张量磁导率的表达式为(8-2.1)上式中(8-2.2)而其中(8-2.3)上两式中，是磁化强度，是磁场强度，e是自由电子电荷，m是自由电子质量，是荷质比。
此时外加微波磁场强度矢量与铁氧体内部磁化后的磁感应强度矢量的关系为(8-2.4)亦即(8-2.5)展开式(8-2.4)，则有(8-2.6)上式表明，铁氧体中的高频磁感应强度矢量的方向与磁场强度矢量的方向并不完全一致，和的量值都是既取决于分量，又取决于分量，表现为各向异性特性。
显然，张量磁导率使问题变得复杂化，但是如果微波电磁场是沿着方向传播的圆极化波，即与两分量的关系为(8-2.7)则张量磁导率将退化为标量磁导率。
正旋圆极化波：微波圆极化波磁场矢量的旋转方向与恒定磁场矢量成右手螺旋关系。
此时式（8-2.7）中，取“－”号。
负旋圆极化波：微波圆极化波磁场矢量的旋转方向与恒定磁场矢量成左手螺旋关系。
此时式(8-2.7)取“＋”号。
在这两种情况下，式(8-2.6)将变为(8-2.8)即(8-2.9)上式等号右边的“－”号对应于正旋圆极化波，而“＋”号对应于负旋圆极化波。
微波技术基础课件第八章常用微波元件
第8章 常用微波元件
第8章 常用微波元件
8.1 一端口元件 8.2 二端口元件 8.3 三端口元件 8.4 四端口元件 8.5 微波周期结构 本章提要 习题
第8章 常用微波元件
8.1 一 端 口 元 件
一端口元件是一类负载元件，种类不多，常用的有短 路负载、匹配负载和失配负载。下面分别加以介绍。
1. 短路负载 短路负载(short-circuiting load) 又称短路器，其作用是 将电磁波能量全部反射回去。将波导或同轴线的终端短路 (用金属导体全部封闭起来)即构成波导或同轴线短路负载。 实用中的短路负载都做成可调的，称为可调短路活塞。 对短路活塞(shorting piston)的主要要求是：①保证接触处的 损耗小，其反射系数的模应接近1；②当活塞移动时，接触 损耗的变化要小；③大功率运用时,活塞与波导壁(或同轴线 内外导体壁)间不应发生打火现象。
膜片的分析方法与其厚度有关。当膜片比较厚，与波 导波长相比不能忽略时，应将膜片当作一段波导来分析； 通常膜片很薄，如忽略其损耗，则可等效为一并联电纳。
第8章 常用微波元件
图8.2-3(a)、(b)所示薄膜片，使波导中TE10 模的磁场在 膜片处集中而得以加强，呈电感性。称之为电感性膜片。 薄对称电感膜片相对电纳的近似式为
第8章 常用微波元件
由传输线理论知，驻波比ρ与反射系数Γ的关系为
1 | | 1 | |
(8.1-4)
设b0为标准波导的窄边尺寸，b为失配负载波导的窄边尺寸。
由于
Z Z0
Z Z0
(8.1-5)
式中，Z0为标准波导的等效特性阻抗，Z为失配负载波导的
等效特性阻抗，则
Z b 或 b0
(c) 作用原理图；(d) S形同轴活塞
第8章 常用微波元件
8.1 一端口元件 8.2 二端口元件 8.3 三端口元件 8.4 四端口元件 8.5 微波周期结构 本章提要 习题
第8章 常用微波元件
8.1 一 端 口 元 件
一端口元件是一类负载元件，种类不多，常用的有短 路负载、匹配负载和失配负载。下面分别加以介绍。
1. 短路负载 短路负载(short-circuiting load) 又称短路器，其作用是 将电磁波能量全部反射回去。将波导或同轴线的终端短路 (用金属导体全部封闭起来)即构成波导或同轴线短路负载。 实用中的短路负载都做成可调的，称为可调短路活塞。 对短路活塞(shorting piston)的主要要求是：①保证接触处的 损耗小，其反射系数的模应接近1；②当活塞移动时，接触 损耗的变化要小；③大功率运用时,活塞与波导壁(或同轴线 内外导体壁)间不应发生打火现象。
膜片的分析方法与其厚度有关。当膜片比较厚，与波 导波长相比不能忽略时，应将膜片当作一段波导来分析； 通常膜片很薄，如忽略其损耗，则可等效为一并联电纳。
第8章 常用微波元件
图8.2-3(a)、(b)所示薄膜片，使波导中TE10 模的磁场在 膜片处集中而得以加强，呈电感性。称之为电感性膜片。 薄对称电感膜片相对电纳的近似式为
第8章 常用微波元件
由传输线理论知，驻波比ρ与反射系数Γ的关系为
1 | | 1 | |
(8.1-4)
设b0为标准波导的窄边尺寸，b为失配负载波导的窄边尺寸。
由于
Z Z0
Z Z0
(8.1-5)
式中，Z0为标准波导的等效特性阻抗，Z为失配负载波导的
等效特性阻抗，则
Z b 或 b0
(c) 作用原理图；(d) S形同轴活塞
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当Z01 Z02，Zin (ab) 0
优点：损耗小，且损耗稳定； 缺点：结构太长。
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为了减小长度，可采用山字形和S形扼流式活 塞，右图为山字形波导和同轴活塞。下图为S同轴 活塞。
其工作原理如下： cf段相当于四分之一波长终端短路的传输线， bc段相当于四分之一波长终端开路的传输线， 两段传输线之间串有接触电阻Rk； 可以证明ab面上的输入阻抗为零，等效为短路 。
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8.1 一端口元件
常用一端口微波元件主要有短路负载、匹配负载和失配负载。
一、短路负载：
短路负载又称为短路器，其作用是将电磁波能量全部反射回去。将同轴线和 波导终端短路，即分别成为同轴线和波导固定短路器。
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, 这就是可调短路活塞。可调短路活塞是一种标准的电抗元件：
对短路活塞的主要要求是： 1. 接触处的损耗小，反射系数的模接近于1； 2. 当活塞移动时，接触损耗的变化要小； 3. 大功率应用时，避免活塞与波导壁之间发生打火现象
在结构上短路活塞可分为接触式短路活塞和扼流式短路活塞两种。
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1. 接触式活塞：
接触式短路活塞通常由弹簧片组成，其 长度约为四分之一波导波长，目的使接触点 位于电流的波节点处，这样功率损耗小。
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第八章 常用微波元件
任何一个微波系统都是由许多作用不同的微波无源元件和有源电路组成。微 波元件的功能在于对微波信号进行各种变换。
按导行系统结构分：波导型、同轴型、微带型；
按工作波型分：单模元件、多模元件；
按作用分：连接元件、终端元件、匹配元件、滤波元件等；
按端口数分：分为一、二、三、四端口元件等 。
S11 S22
1.若一个端口匹配，则另一个端口自动匹配，且当网络完 全匹配时，则必然是完全传输；
S12 1 S11 2 2. 当网络完全匹配时，则必然传输；反之成立;
2arg S12 (arg S11 arg S22 ) 3. S11,S12,S22的相角只有两个是独立的。
证明互易无耗二端口网络的 S11 ,11,22
S11 2 S12 2 1 S12来自2 S22 2 1 S11S12 S12S22 0
S11 S22 S12 1 S11 2
2arg S12 (arg S11 arg S22)
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S11 S22 , S12 1 S11 2
2arg S12 (arg S11 arg S22)
优点：结构简单；
缺点：接触不恒定、磨损、容易打火。
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2.扼流式活塞：
有效短路面不在活塞与传输线内壁 直接接触，而是向左移动半波导波长。 由等效电路可得ab处的输入阻抗为：
Zin (cd )
Z022 Rk
Zin (ab)
Z021 Zin (cd )
Rk
(
Z01 Z02
)2
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8.2 二端口元件
大多数微波元件为二端口元件，本节首先介绍互易无耗二端口网络的基本 性质，然后介绍一些常用的二端口元件。
一、互易无耗两端口网络的性质
对于二端口元件等效为二端口网络
S
S1 1 S 2 1
S12
S
22
互易网络，散射矩阵具有对称性 S12 S21
无耗的网络，散射矩阵具有幺正性 [S]t[S] [U ]
a. 容性膜片
在矩形波导的横向放置一块金属膜片，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。
电容膜片及其等效电路
电纳的近似计算公式为
B
4b
p
Y0
ln
csc
πd 2b
l (2n 1)g 4
b. 波导扭转：为了减小反射，波导扭转的长度应为
l (2n 1)g 4
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c. 波导E面弯曲：其曲率半径应满足： R 1.5b
d. 波导H面弯曲：其曲率半径应满足： R 1.5a
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3. 匹配元件：
匹配元件的目的通过调谐电感或者电容达到匹配目的，因此匹配元件又称为 电抗元件，主要有膜片、稍钉和螺钉匹配器。
尽可能小，一般在1.2以下；工作频带要宽；电磁能量无泄漏；结构牢固，装拆 方便，易于加工等。可分为平接头和扼流接头。
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2. 拐角、弯曲和扭转元件：
在微波系统中，为了改变电磁波的传输方向，需要用到拐角和弯曲元件，为了改变 电磁波的极化方向，需要用到扭转元件。
a. 波导拐角：为了减小反射，拐角的长度应为
确定后，网络的所有散射参数就被完全确定。
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二、连接元件： 连接元件是将不同的微波元件连接成系统，连接元件的主要指标要求：接
触损耗小、驻波比小、功率容量大、工作频带宽。在微波技术中，把相同类型传 输线连接在一起的装置统称为接头。常用的接头有同轴接头和波导接头两种。
1. 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
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二、匹配负载
匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的一端口元件。当需要的传输系统工作于 行波状态时，都要用到匹配负载。 根据吸收功率的大小可分为低功率匹配负载和高功率 匹配负载，在微波测量中常用作匹配标准。 1. 小功率
对于小功率匹配负载，一般在一段终端短路的波导或同轴线内放置一块或几块劈形 吸收片，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, 劈尖长度一般取二分之 一波导波长的整数倍。
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2. 大功率
当功率较大时，必须考虑热量的发散和吸收问题,吸收物质可以是固体也可以 是液体
加装散热片以利于散热
三、失配负载
流动的水将热量带走
失配负载是既吸收一部分功率又反射一部分功率的负载，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。