會計學1常用微波元件

線性互易元器件只對微波信號進行線性變換而不改變頻率特性，并滿足互易定理,它主要包括各種微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件等;線性非互易元器件主要是指鐵氧體器件,它的散射矩陣不對稱,但仍工作在線性區域,主要包括隔離器、環行器等;非線性元器件能引起頻率的改變,從而實現放大、調制、變頻等,主要包括微波電子管、微波晶體管、微波固態諧振器、微波場效應管及微波電真空器件等。本章主要介紹一些常用元件的工作原理和基本特性第1頁/共74頁

短路負載又稱為短路器，它的作用是將電磁能量全部反射回去。將同軸線和波導終端短路，即分別成為同軸線和波導固定短路器。

實際很多情況下將短路負載做成可調的，其主要的要求為：1)保證接觸處的損耗小，其反射系數的模接近12)當活塞移動時，接觸損耗的變化要小。3)大功率條件下，活塞與波導(同軸導體)之間不能發生打火現象。1、短路負載8.1一端口元件一端口元件常用的有短路負載、匹配負載以及失配負載。2、短路負載的實現形式：接觸式和扼流式兩種(1)接觸式波導接觸式短路器第2頁/共74頁同軸接觸式短路器短路器的電流分布

從電流分布可以看出，其在短路處的電流為最大值，相應的開路端為電流節點。

優缺點：結構簡單；缺點是活塞移動時接觸不恒定，彈簧片會逐漸磨損，大功率時，容易發生打火現象。第3頁/共74頁(2)扼流式波導扼流式短路器同軸扼流式短路器扼流式短路器的等效電路從等效電路可以看出，其輸入阻抗第4頁/共74頁(二)匹配負載

匹配負載能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。當需要在傳輸系統工作于行波狀態時，都要用到匹配負載。

對匹配負載的基本要求是：（1）有較寬的工作頻帶，（2)輸入駐波比小和一定的功率容量。

第5頁/共74頁6.2二端口元件1.無耗二端口網絡的基本性質二端口元件等效為二端口微波網絡，其散射矩陣為：第6頁/共74頁第7頁/共74頁2.連接元件連接元件的作用是將作用不同的微波元件連接成完整的系統。主要技術指標：插入損耗、駐波比，功率容量、工作頻帶等。第8頁/共74頁（二）轉接元件

在將不同類型的傳輸線或元件連接時，不僅要考慮阻抗匹配，而且還應該考慮模式的變換。

1、同軸線波導轉換器

連接同軸線與波導的元件，稱為同軸線波導轉換器，其結構如圖所示。2、波導微帶轉接器

通常在波導與微帶線之間加一段脊波導過渡段來實現阻抗匹配。

同軸線波導

波導微帶

第9頁/共74頁(2)拐角、彎曲和扭轉元件同軸線微帶

3、

同軸線微帶轉接器

微波系統中為了改變電磁波傳播的方向，需要采用拐角和彎曲元件；當需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向的時候，需要用到扭轉元件。技術指標：反射應盡可能的小、工作頻帶盡可能的寬，功率容量。第10頁/共74頁第11頁/共74頁3、匹配元件(1)膜片

波導中的膜片是垂直于波導管軸的金屬片，有對稱和不對稱之分。一般在調諧的時候采用不對稱膜片結構，而當負載輸出要求對稱輸出的時候很，則需要對稱膜片。膜片可分成感性膜片、容性膜片。膜片實現匹配的原理：利用膜片產生的反射波來抵消負載不匹配而產生的反射波(注意是相差造成的抵消)1、電感膜片：如圖所示的膜片波導中傳輸的TE10模的磁場在膜片處集中，得到加強，呈電感性。稱為電感膜片。

電感膜片及其等效電路第12頁/共74頁當膜片的厚度可以忽略的時候，膜片的歸一化電納近似表示為：2、電容膜片：如圖所示的膜片波導中傳輸的TE10模的電場在膜片處集中，得到加強，呈電容性，稱為電容膜片。當膜片的厚度可以忽略的時候，膜片的歸一化電納近似表示為：

電容膜片及其等效電路第13頁/共74頁3、諧振窗當感性膜片和容性膜片組合在一起，如圖所示，即構成所謂的諧振窗。其等效電路相當于并聯諧振回路，針對于某個頻率，將產生諧振，從而使得電磁波無衰減的通過。平行耦合帶線的奇偶模電場線分布

諧振窗的材料：玻璃、聚四氟乙烯、陶瓷片，金屬片等等。第14頁/共74頁(2)、銷釘銷釘是垂直于波導寬邊的金屬圓棒。如圖所示，在波導中其電感作用，常用于構成波導濾波器。第15頁/共74頁銷釘的相對電納和棒的粗細有關，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，相對電納越大。置于a/2處的單根銷釘相對電納的近似值可以通過下面的式子來求：(3)、螺釘調配器用膜片和銷釘第16頁/共74頁4衰減器和移相器

衰減器和移相器均屬于二端口網絡。衰減器的作用是對通過它的微波能量產生衰減；移相器的作用:對通過它的微波信號產生一定的相移，微波能量可無衰減地通過。衰減器和移相器聯合使用，可以調節導行系統中的電磁波的傳播常數。一、衰減器

理想的衰減器應是只有衰減而無相移(相移量為0)的二端口網絡，其散射矩陣為

:衰減器的衰減量表示為：

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在波導內放入與電場方向平行的吸收片，當微波能量通過吸收片時，將吸收一部分能量而產生衰減，這種衰減器稱為吸收衰減器，如圖所示。

(1)吸收式衰減器第18頁/共74頁二、移相器

移相器是對電磁波只產生一定的相移而不產生能量衰減的微波元件，它是一個無反射、無衰減的二端口網絡，其散射矩陣為：其中移相器的相移量為：

因此，可變移相器與可變衰減器在結構形式上完全相似，所不同的是：衰減器使用的是衰減片，而移相器使用的是介質片。第19頁/共74頁8.3三端口元件即具有三個端口波導、微帶、同軸接頭的器件，如功率分配器，環形器等等。1、無耗三端口網絡的性質第20頁/共74頁第21頁/共74頁第22頁/共74頁上述散射參數矩陣[ST]和[SR]不同，表示的是非互易無耗三端口網絡為一個理想的環形器，對應的功率流的方向不同。第23頁/共74頁第24頁/共74頁2.三端口功率分配/合成元件通常有E-T、H-T以及電阻性功率分配器和wilkinson功率分配器1)T型接頭

如圖所示，T型接頭是一種最簡單的功率分配、合成器件。其可以用任何的導行系統來實現。有互易、無耗網絡的性質，可以知道其不可能實現三個端口同時匹配。第25頁/共74頁無耗T型接頭的傳輸線模型第26頁/共74頁3.波導分支器

將微波能量從主波導中分路接出的元件稱為波導分支器,它是微波功率分配器件的一種,常用的波導分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配雙T。

(1)E-T分支E面T型分支器是在主波導寬邊面上的分支,其軸線平行于主波導的TE10模的電場方向,簡稱E-T分支。其結構及等效電路如圖5-22所示,由等效電路可見,E-T分支相當于分支波導與主波導串聯。圖5-22E-T分支結構及等效電路第27頁/共74頁

當微波信號從端口“③”輸入時,平均地分給端口“①、②”,但兩端口是等幅反相的;當信號從端口“①、②”反相激勵時,則在端口“③”合成輸出最大;而當同相激勵端口“①、②”時,端口“③”將無輸出。由此可得E-T分支的［S］參數為第28頁/共74頁第29頁/共74頁第30頁/共74頁第31頁/共74頁(2)H-T分支H-T分支是在主波導窄邊面上的分支,其軸線平行于主波導TE10模的磁場方向,其結構及等效電路如圖5-23所示,可見H-T分支相當于并聯于主波導的分支線。當微波信號從端口“③”輸入時,平均地分給端口“①、②”,這兩端口得到的是等幅同相的TE10波;當在端口“①、②”同相激勵時,端口“③”合成輸出最大,而當反相激勵時端口“③”將無輸出。H-T分支的散射矩陣為：圖5-23H-T分支結構及等效電路第32頁/共74頁第33頁/共74頁第34頁/共74頁第35頁/共74頁第36頁/共74頁(3)匹配雙T

將E-T分支和H-T分支合并,并在接頭內加匹配以消除各路的反射,則構成匹配雙T,也稱為魔T,如圖所示。它有以下特征：:魔T的結構第37頁/共74頁

①四個端口完全匹配;②端口“①、②”對稱,即有S11=S22;③當端口“③”輸入,端口“①、②”有等幅同相波輸出,端口“④”隔離;④當端口“④”輸入,端口“①、②”有等幅反相波輸出,端口“③”隔離;⑤當端口“①”或“②”輸入時,端口“③、④”等分輸出而對應端口“②”或“①”隔離;第38頁/共74頁⑥當端口“①、②”同時加入信號,端口“③”輸出兩信號相量和的倍,端口“④”輸出兩信號差的倍。端口“③”稱為魔T的H臂或和臂,而端口“④”稱為魔T的E臂或差臂。根據以上分析,魔T各散射參數有以下關系:第39頁/共74頁網絡是無耗的,則有［S］+［S］=［I］以上兩式經推導可得魔T的［S］矩陣為

總之,魔T具有對口隔離,鄰口3dB耦合及完全匹配的關系,因此它在微波領域獲得了廣泛應用,尤其用在雷達收發開關、混頻器及移相器等場合。

第40頁/共74頁(4)對稱Y分支三個端口對稱且互易第41頁/共74頁第42頁/共74頁第43頁/共74頁3)電阻性功率分配器根據三端口網絡的性質，當網絡含有有耗元件的時候，可以將所有端口實現匹配。如圖所示，其端口均接Z0的特性阻抗，從接頭看，其端口阻抗Z為：等分三端口電阻性功率分配器第44頁/共74頁第45頁/共74頁第46頁/共74頁Wilkinson微帶功分器T型接頭的確定是三個端口不能同時做到匹配，輸出端口之間沒有任何隔離，電阻性功率分配可以實現三個端口完全匹配，但是輸出端口之間仍然達不到隔離要求，由三端口的網絡特性可以知道，有耗元件能實現端口完全匹配且輸出端口之間具有隔離。功率分配器中大功率微波功分器采用波導或同軸線結構，中小功率則采用帶狀線或微帶線結構即(Wilkinson功率分配器)。右圖是微帶三端口功分器原理圖。信號由1端口(所接傳輸線的特性阻抗為Z0)輸入，分別經過特性阻抗為Z02、Z03的兩段微帶線從2和3端口輸出，負載電阻分別為R2及R3。兩段傳輸線在中心頻率時電長度均為

=/2，它們之間沒有耦合。微帶三端口功分器原理圖第47頁/共74頁功分器應滿足下列條件：2端口與3端口的輸出功率比可為任意指定值；

1端口無反射；

2端口與3端口的輸出電壓等幅、同相。

由于2端口、3端口的輸出功率與輸出電壓的關系分別為：如由條件(1)要求輸出功率比為：第48頁/共74頁按條件(3)，由上式可得若取，則有由條件(2)，即1端口無反射，所以要求由Zin2與Zin3并聯而成的總輸入阻抗等于Z0。如圖由于在中心頻率處電刻度

=/2，Zin2=Z022/R2，Zin3=Z032/R3為純電阻，則端口1的輸入導納為：如以輸入電阻表示功率比,則：可解得：第49頁/共74頁8.4四端口元件即具有四個端口波導、微帶、同軸接頭的器件，如雙T、魔T、定向耦合器和混合電橋等等。1、無耗互易四端口網絡的基本性質第50頁/共74頁第51頁/共74頁第52頁/共74頁第53頁/共74頁第54頁/共74頁第55頁/共74頁第56頁/共74頁第57頁/共74頁第58頁/共74頁2、定向耦合器的技術指標

耦合器的對稱性指標種類和結構

第59頁/共74頁第60頁/共74頁第61頁/共74頁定向耦合器一般屬于四端口網絡，它有輸入端、直通端、耦合端和隔離端，分別對應右圖所示的1、2、3和4端口。定向耦合器的主要技術指標有耦合度、隔離度(或方向性)、輸入駐波比和工作帶寬。

(一)

耦合度C耦合度C定義為輸入端的輸入功率P1與耦合端的輸出功率P3之比的分貝數，即（dB)第62頁/共74頁由此可見耦合度的分貝數愈大耦合愈弱。通常把耦合度為-10~0dB的定向耦合器稱為強耦合定向耦合器；把耦合度為-20~-10dB的定向耦合器稱為中等耦合