1、 微波技術基礎微波技術基礎徐銳敏 教授電子科技大學電子工程學院 地點：清水河校區科研樓地點：清水河校區科研樓C309 電話：電話：61830173 電郵：電郵：第第8章章 常用微波元件常用微波元件微波系統微波無源元件有源電路（部件）微波系統微波無源元件有源電路（部件）基基 低頻低頻集總參數的電容、電感和電阻等集總參數的電容、電感和電阻等本本 微波微波按端口分：一端口、二端口、三端口、四端口按端口分：一端口、二端口、三端口、四端口元元 按功能分：匹配負載、短路負載、調配器、連按功能分：匹配負載、短路負載、調配器、連件件 接器、濾波器、功分器、定向耦合接器、濾波器、功分器、定向耦合 器、魔器、魔T

2、、鐵氧體器件等。、鐵氧體器件等。補：微波網絡補：微波網絡 S矩陣參數矩陣參數微波網絡參數微波網絡參數散射矩陣或散射矩陣或 S矩陣，在微波頻段矩陣，在微波頻段應用最為廣泛，相當于低頻中的應用最為廣泛，相當于低頻中的Z和和Y。第第8章章 常用微波元件常用微波元件第第8章章 常用微波元件常用微波元件iUiUiiiiaUbU在在n端口網絡中，如端口網絡中，如果選取各端口參考面果選取各端口參考面Ti上歸一化入射波電上歸一化入射波電壓壓 為自變量，歸一為自變量，歸一化出射波電壓化出射波電壓 為因為因變量，則可得下面的變量，則可得下面的線性方程組，通常設，線性方程組，通常設，iU11111221nnbS a

3、S aS a221 12222nnbS aS aS a1122nnnnnnbS aS aS a bSa用矩陣記為用矩陣記為 111212122212nnnnnnSSSSSSSSSS S 稱為散射矩陣，稱為散射矩陣，階數為階數為nn 第第8章章 常用微波元件常用微波元件散射矩陣的矩陣元定義如下：散射矩陣的矩陣元定義如下：即是除了端口即是除了端口 I 接波源外，其余所有端口接匹配負載時，端接波源外，其余所有端口接匹配負載時，端口口i的電壓反射系數。的電壓反射系數。即是端口即是端口 j 接波源外，其余所有端口接匹配負載時，從端口接波源外，其余所有端口接匹配負載時，從端口i到端口到端口j的電壓傳輸系數

4、。的電壓傳輸系數。由于反射系數和傳輸系數是微波波段易于測量的量，因此采由于反射系數和傳輸系數是微波波段易于測量的量，因此采用用S矩陣研究微波網絡問題更為方便。矩陣研究微波網絡問題更為方便。 00jjiiiijaiabSa 1,2,jn ji， 00iiiijijajabSa 1,2,in ij， 第第8章章 常用微波元件常用微波元件第第8章章 常用微波元件常用微波元件8.1 8.1 一端口元件一端口元件一端口元件對外只有一個物理端口，其功能一般是對確定一端口元件對外只有一個物理端口，其功能一般是對確定頻率微波信號產生諧振以及作為頻率微波信號產生諧振以及作為微波傳輸系統末端的負載微波傳輸系統末端

5、的負載。有三種負載類型，有三種負載類型，其端口的反射系數分別表其端口的反射系數分別表現為：現為：短路負載短路負載=匹配負載匹配負載= 0 = 0 失配負載失配負載| =| =常數。常數。 單端口元件單端口元件baba jel短路負載短路負載-短路器短路器對短路活塞的主要要求是：對短路活塞的主要要求是：保證接觸處的損耗小，其保證接觸處的損耗小，其反射系數模應接近反射系數模應接近1 1；當活塞移動時，接觸損耗的變化要小；當活塞移動時，接觸損耗的變化要小；大功率運用時，活塞與波導壁（或者同軸線的內外導體大功率運用時，活塞與波導壁（或者同軸線的內外導體 壁）間不應發生打火現象。壁）間不應發生打火現象。

6、短路器的輸入阻抗為短路器的輸入阻抗為:短路器的輸入端反射系數為短路器的輸入端反射系數為:in00ZjZ tgjZ tg l20001100011jininZZjZ tgZjtgSeZZjZ tgZjtg 第第8章章 常用微波元件常用微波元件這表明短路器的輸入端反射系數的模應等于這表明短路器的輸入端反射系數的模應等于1 1，而相，而相角是可變的。在結構上，短路活塞可做成接觸式角是可變的。在結構上，短路活塞可做成接觸式( (左圖）左圖）和扼流式（右圖）兩種和扼流式（右圖）兩種: : 第第8章章 常用微波元件常用微波元件上圖所示的扼流活塞的優點是損耗小，且損耗穩定；缺上圖所示的扼流活塞的優點是損耗小

7、，且損耗穩定；缺點是活塞太長。為了減小長度可以采用下圖所示山字形點是活塞太長。為了減小長度可以采用下圖所示山字形和和S S形扼流活塞。缺點是頻帶窄，一般只能做到形扼流活塞。缺點是頻帶窄，一般只能做到101015%15%的帶寬的帶寬 第第8章章 常用微波元件常用微波元件l匹配負載匹配負載低功率波導匹配負載一般為一段終端短路的波導，在其低功率波導匹配負載一般為一段終端短路的波導，在其里面沿電場方向放置一塊或者數塊劈形里面沿電場方向放置一塊或者數塊劈形吸收片吸收片或者楔形或者楔形吸收體吸收體，如圖所示：，如圖所示： 第第8章章 常用微波元件常用微波元件同軸線匹配負載是在內外導體之間放入圓錐形或者階梯

8、同軸線匹配負載是在內外導體之間放入圓錐形或者階梯型吸收體，如圖所示：型吸收體，如圖所示：第第8章章 常用微波元件常用微波元件高功率時需要考慮熱量的吸收和發散問題。吸收物體可高功率時需要考慮熱量的吸收和發散問題。吸收物體可以是固體（如石墨和水泥混合物）或液體（通常用水）。以是固體（如石墨和水泥混合物）或液體（通常用水）。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件l失配負載失配負載實用中的失配負載都是做成標準失配負載，實用中的失配負載都是做成標準失配負載，具有某一固定的駐波比。失配負載常用于微波具有某一固定的駐波比。失配負載常用于微波測量中作標準終端負載。測量中作標準終端負載。失配負載的結構與匹配負載

9、一樣，只是波導失配負載的結構與匹配負載一樣，只是波導口徑的尺寸口徑的尺寸b不同而已。設不同而已。設b0為標準波導窄邊尺為標準波導窄邊尺寸，寸，b為失配負載波導的窄邊尺寸，由于為失配負載波導的窄邊尺寸，由于00ZZZZ 第第8章章 常用微波元件常用微波元件則：則：可見對于不同的可見對于不同的b b可以特到不同的駐波比。可以特到不同的駐波比。8.2 8.2 二端口元件二端口元件l無耗二端口網絡的基本性質無耗二端口網絡的基本性質二端口元件可以等效為二端口網絡，其散射矩陣為二端口元件可以等效為二端口網絡，其散射矩陣為000bbZbZb或 22211211SSSSS第第8章章 常用微波元件常用微波元件若

10、網絡無耗，可互易，則由幺正性得到：若網絡無耗，可互易，則由幺正性得到：因此得到如下無耗互易二端口網絡的基本性質：因此得到如下無耗互易二端口網絡的基本性質：若一個端口匹配，則另一個端口自動匹配；若一個端口匹配，則另一個端口自動匹配；若網絡是完全匹配的，則必然是完全傳輸的或相反；若網絡是完全匹配的，則必然是完全傳輸的或相反；S S1111，S S2222，S S1212的相角只有兩個是獨立的，已知其中的相角只有兩個是獨立的，已知其中 兩個相角，則第三個相角便可確定。兩個相角，則第三個相角便可確定。 11221221SSSS2211122SSS第第8章章 常用微波元件常用微波元件l連接元件連接元件其

11、主要指標要求是接觸損耗小、駐波比小、功率容量大其主要指標要求是接觸損耗小、駐波比小、功率容量大、工作頻帶寬。、工作頻帶寬。波導接頭波導接頭波導連接方法分接觸連接和扼流連接兩種。它們是借助波導連接方法分接觸連接和扼流連接兩種。它們是借助于焊在待連接元件波導端口上的法蘭盤來實現的。法蘭于焊在待連接元件波導端口上的法蘭盤來實現的。法蘭盤結構形式分平法蘭盤和扼流法蘭盤兩種，如圖所示。盤結構形式分平法蘭盤和扼流法蘭盤兩種，如圖所示。 l拐角、彎曲和扭轉元件拐角、彎曲和扭轉元件當需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向時，當需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向時，則要用到扭轉元件。對這些元件的要求

12、是：引入的反射則要用到扭轉元件。對這些元件的要求是：引入的反射盡可能小、工作頻帶寬、功率容量大。盡可能小、工作頻帶寬、功率容量大。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件l匹配元件匹配元件匹配元件的種類很多，這里只介紹膜片，銷釘和螺釘匹匹配元件的種類很多，這里只介紹膜片，銷釘和螺釘匹配器。配器。膜片膜片波導中的膜片是垂直于波導管軸放置的薄金屬片，有對波導中的膜片是垂直于波導管軸放置的薄金屬片，有對稱和不對稱之分，如圖所示。膜片是波導中常用的匹配稱和不對稱之分，如圖所示。膜片是波導中常用的匹配元件，一般在調匹配時多用不對稱膜片，而當負載要求元件，一般在調匹配時多用不對稱膜片，而當負載要求對稱輸出時

13、，則需用對稱膜片。對稱輸出時，則需用對稱膜片。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件利用膜片進行匹配的原理便是利用膜片的產生的反射來利用膜片進行匹配的原理便是利用膜片的產生的反射來抵消由于負載不匹配所產生的反射波。抵消由于負載不匹配所產生的反射波。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件薄對稱電感膜片相對電納的近似式為薄對稱電感膜片相對電納的近似式為: :薄對稱電容膜片相對電納的近似式為薄對稱電容膜片相對電納的近似式為:將感性膜片和容性膜片組合在一起便得到示的諧振窗。將感性膜片和容性膜片組合在一起便得到示的諧振窗。它對某一特定頻率產生諧振，電磁波可以無反射的通過。它對某一特定頻率產生諧振，電磁波

14、可以無反射的通過。其等效電路相當于并聯諧振回路。如下圖所示：其等效電路相當于并聯諧振回路。如下圖所示：202gBdbctgYaa 04ln csc2gBbdbYb第第8章章 常用微波元件常用微波元件銷釘銷釘它在波導中起電感作用，可用作匹配元件和諧振元件，它在波導中起電感作用，可用作匹配元件和諧振元件，常用于構成波導濾波器。常用于構成波導濾波器。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件銷釘的相對感納與棒的粗細有關，棒越細，電感量越大，銷釘的相對感納與棒的粗細有關，棒越細，電感量越大，其相對電納越小；同樣粗細的棒，根數越多，相對電納其相對電納越小；同樣粗細的棒，根數越多，相對電納越大。置于越大。置于

15、a a/2/2處的單銷釘相對電納的近似式為處的單銷釘相對電納的近似式為 螺釘調配器螺釘調配器 螺釘調配器調整較為方便。螺釘是低功率微波裝置中普遍螺釘調配器調整較為方便。螺釘是低功率微波裝置中普遍采用的調諧和匹配元件。采用的調諧和匹配元件。1022ln()2gBabYar 第第8章章 常用微波元件常用微波元件實用時，為避免波導短路和擊穿，通常設計螺釘成容性，實用時，為避免波導短路和擊穿，通常設計螺釘成容性，作可變電容用，螺釘旋入波導的深度應小于作可變電容用，螺釘旋入波導的深度應小于3b/4,b3b/4,b為矩形為矩形波導窄邊的尺寸。波導窄邊的尺寸。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件l衰減與相

16、移元件衰減與相移元件衰減和相移元件分別用來改變導行系統中電磁場的幅度衰減和相移元件分別用來改變導行系統中電磁場的幅度和相位，衰減器和相移器聯合使用，可以調節導行系統和相位，衰減器和相移器聯合使用，可以調節導行系統中電磁波的傳播常數。中電磁波的傳播常數。理想衰減器在衰減量連續可變時，相移量應固定不變。理想衰減器在衰減量連續可變時，相移量應固定不變。衰減量可變的二端口網絡，其散射矩陣為：衰減量可變的二端口網絡，其散射矩陣為： 00alaleSe第第8章章 常用微波元件常用微波元件理想相移器應該是一個具有單位振幅，即相位變化過程理想相移器應該是一個具有單位振幅，即相位變化過程中，其衰減量固定不變。相移量可變的二端口網絡，其中，其衰減量固定不變。相移量可變的二端口網絡，其散射矩陣為：散射矩陣為：吸收式衰減器吸收式衰減器 00jjeeS第第8章章 常用微波元件常用微波元件l波形變換元件波形變換元件為了從一種導行系統元件過渡到另一種導行系統元件。為了從一種導行系統元件過渡到另一種導行系統元件。或過渡到同種導行系統的另一種元件并要求產生所需要或過渡到同種導行系統的另一種元件并要求產生所需要的工作模式，就需要采用波形變換元件。的工作模式，就需要采用波形變換元件。波導激勵的一般方法與裝置波導激勵的一般方法與