第5章微波元器件微波元件分類傳輸線類型波導型、同軸型、微帶型功能連接元件、終端元件、匹配元件、衰減元件、相移元件、功分元件、波型變換元件、濾波元件等變換性質互易元件、非互易元件和非線性元件等分析方法-----網絡-----等效電路終端負載元件短路負載匹配負載失陪負載微波連接元件波導接頭衰減器、移相器、轉換接頭匹配元件螺釘調配器多階梯阻抗變換器漸變型阻抗變換器5.1連接匹配元件終接元件----傳輸線終端所接的元件單端口網絡匹配負載將所有的電磁能量全部吸收而無反射ρ=1,Γ=0短路器將所有的電磁能量全部反射ρ=∞,Γ=1短路負載短路負載------短路器作用----將電磁能量全部反射回去產生駐波分布的元件終端開路終端短路純電抗元件向外輻射能量，不能形成純駐波無損耗的純電抗負載幾乎沒有最容易實現短路負載短路器分類固定短路器可調短路器固定短路器將傳輸線完全短路特點對于任何頻率的電磁波，反射系數都恒等于1短路面的位置不能移動可調短路器-----短路活塞特點在特定的微波頻率范圍內，反射系數約等于1短路面的位置可以移動設計短路活塞的基本原則盡可能多地反射微波功率輻射損耗，吸收損耗都應盡量小工作頻帶盡量寬電接觸良好，移動平滑，磨損小傳輸大功率時保證接觸處不發生打火現象短路負載可調短路器：短路活塞分類：接觸式和抗流式接觸式短路活塞與傳輸線內壁有良好的電接觸并能平滑移動接觸過緊——活塞移動困難接觸過松——增加輻射損耗甚至造成接觸點打火彈性材料-----鈹青銅，磷青銅短路負載短路活塞-----扼流式優點：損耗小

駐波比可以大于100短路活塞-----扼流式缺點：頻帶較窄,一般只有10%~15%的帶寬同軸S型扼流短路活塞，它具有寬帶特性。可調短路器-----短路活塞優點無機械接觸，無磨損電性能穩定交流短路，直流開路，可以通過它來為微波腔體內的有源器件提供直流偏置缺點工作頻帶窄機械加工難度較大，不適于在微波高頻段使用匹配元件匹配元件全匹配負載作用------在傳輸系統中建立行波狀態要求較寬的工作頻帶輸入駐波比小一定的功率容量匹配元件匹配負載是由吸收材料和匹配段構成根據吸收材料的幾何形狀面吸收式：用于小功率微波系統體吸收式：用于大功率微波系統根據吸收材料的種類固體：金屬電阻膜，碳化硅，羥基鐵液體：水測試實驗表明，水負載的駐波比為<1.05~1.20，能承受數百至幾十千瓦的平均功率，是良好的微波匹配負載。匹配元件設計和評價微波匹配負載的基本原則

端口在盡量寬的頻帶內保持阻抗匹配，要求吸收材料的邊界緩慢過渡。采用功率容量大的吸收材料，吸收材料盡量放置在強電場區匹配元件匹配負載的主要技術指標功率容量功率容量為數百毫瓦以下的匹配負載為小功率匹配負載工作帶寬相對帶寬>10％的屬于寬帶匹配負載帶內駐波比為1.05~1.20是比較好的匹配負載，相當于99.998％~99.2％的入射功率被負載吸收常用的匹配負載小功率同軸線匹配負載的應用

一、儀器、設備校準微波元器件的閑置端口都必須配置匹配負載。右圖為波導型定向耦合器，其4端口配置了一個小功率匹配負載。123414匹配負載的應用微波元器件的閑置端口都必須配置匹配負載。右圖為微帶線型耦合器，其4端口配置了一個50歐姆的匹配負載。盡管從理論上講4端口是沒有輸出的。連接元件接頭：把相同傳輸線連接在一起的裝置轉接元件：把不同類型傳輸線連接在一起的裝置接頭連接點接觸可靠;輸入駐波比盡可能小<1.2;工作頻帶要寬;無泄漏結構要牢靠，裝拆方便，容易加工等微波連接元件常用射頻/微波接頭接頭（法蘭盤）平接頭機械加工要求高抗流接頭真正短路波導接頭抗流法蘭盤轉接元件-----將不同類型傳輸線或元件連接阻抗匹配模式的變換同軸線―波導轉接器內導體插入深度h偏心距d短路活塞位置l轉換接頭（1）波導―微帶轉接器波導(Ze=400-500Ω)微帶線(Z0=50Ω)中間加脊波導過渡段實現阻抗匹配轉換接頭（2）同軸線―微帶轉接器同軸線內導體直徑的選取

與微帶線的特性阻抗有關通常使內導體直徑等于微帶線中心導帶寬度轉換接頭（3）矩形波導―圓波導模式變換器大多采用波導橫截面的逐漸變化來達到模式的變換轉換接頭（4）

衰減器和移相器

二端口網絡衰減器作用：對通過它的微波能量產生衰減移相器作用：對通過它的微波信號產生一定的相移，但能量無衰減衰減器分類按是否可調分固定衰減器可變衰減器按工作原理分吸收衰減器截止衰減器極化衰減器吸收式衰減器工作原理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截止式衰減器的工作原理在傳輸線中插入一小段橫向尺寸較小的傳輸線段，使電磁波在這一小段傳輸線內處在截止狀態下傳輸，即電磁波經過這段傳輸線后微波能量很快衰減，控制截止傳輸線的長度，就可以調節衰減量的大小移相器移相器對電磁波只產生一定的相移的微波元件，是一個無反射、無衰減的二端口網絡原理相移量常用的移相器：介質移相器改變相位的方法改變l或改變p阻抗調配器和阻抗變換器

在微波系統中經常會遇到反射問題負載阻抗與傳輸線的特性阻抗不相等相同類型而不同特性阻抗的傳輸線相連接不同類型的傳輸線相連接傳輸線中接入一些必要的器件反射波的影響使負載得不到最大功率功率容量和效率都會降低在大功率時還會出現打火現象在微波測量系統中又會影響測量精度消除反射波螺釘電感，易擊穿串聯諧振電容2.定向耦合器應用監視功率、頻率、頻譜功率分配、合成混頻器、測量電橋測量反射波分類定向耦合器-----分類（a）微帶分支定向耦合器（b）波導單孔定向耦合器（c）平行耦合線定向耦合器（d）波導匹配雙T（e）波導多孔定向耦合器（f）微帶混合環4端口隔離端口2端口直通端口1

端口輸入端口3端口耦合端口定向耦合器的技術指標耦合度C輸入端口的輸入功率P1和耦合端口的輸出功率P3之比的分貝數可逆四端口網絡耦合度越大耦合越弱定向性D耦合端口和隔離端口的輸出功率之比的分貝數來表示定向耦合器的定向傳輸性能，稱為定向性DD愈大,隔離端口輸出愈小,定向性愈好輸入駐波比ρ將定向耦合器除輸入端口外,其余各端口均接上匹配負載時,輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比。工作頻帶寬度滿足定向耦合器指標要求的頻率范圍雙分支定向耦合器①和③端口反向，反向定向耦合器②和③端口的輸出信號相位差90°,故又稱為90°反向定向耦合器①輸入,A→B→CA→D→C，路程相同C點相加,③有輸出①輸入，A→DA→B→C→D兩路路程差為λp0/2相位差為π,④口無輸出

將一路微波功率按一定比例分成n路輸出的功率元件稱為功率分配器。等功率分配器和不等功率分配器大功率往往采用同軸線，中小功率常采用微帶線

3.功率分配器

(1)兩路微帶功率分配器兩路微帶功率分配器的平面結構如圖5-19所示,其中輸入端口特性阻抗為Z0,分成的兩段微帶線電長度為λg/4,特性阻抗分別是Z02和Z03,終端分別接有電阻R2和R3。功率分配器的基本要求如下:功率分配器圖5–19兩路微帶功率分配器的平面結構

①端口“①”無反射;②端口“②、③”輸出電壓相等且同相;③端口“②、③”輸出功率比值為任意指定值,設為根據以上三條有由傳輸線理論有

實際，

在“②、③”端跨接電阻Rj,既不影響功率分配器性能,又可增加隔離度。于是實際功率分配器平面結構如圖5-20所示,其中Z04、Z05及Rj

由以下公式確定:圖5-20實際功率分配器平面結構圖5.3微波諧振器微波諧振器微波系統中常用的重要元件具有儲能與選頻特性的微波元件應用微波信號源、微波濾波器及波長計、速調管、磁控管等微波電子管的重要組成部分微波加熱器--------微波爐構成由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段組成低損耗介質塊圖5–25各種微波諧振器2a圓波導在圓波導兩端用導體短路可構成微波圓柱諧振腔2a2b同軸線在同軸線兩端用抗流活塞或低通濾波器短路可構成微波同軸諧振腔D=11mm，h=8mmf0=4.2GHz，C波段D=4mm，h=3.5mmf0=12GHz，Ku波段微波諧振器-------簡介分類傳輸線型諧振器----兩端被開路或短路的傳輸線矩形諧振器圓柱諧振器同軸諧振器帶狀線諧振器微帶諧振器開放式諧振腔非傳輸線型諧振器----特殊形狀諧振器速調管磁控管行波管微波源rr導體板的尺度遠大于微波波長LC諧振回路在高頻的局限性頻率升高，損耗急劇增加，品質因數大大降低，選頻特性變差；頻率升高，電感器和電容器制作困難圖5–26微波諧振器的演化過程與LC諧振回路的相似之處與LC諧振回路的區別能量分布LC諧振回路：電場能量C

，磁場能量L

微波諧振器：電場能量和磁場能量是空間分布的諧振頻率LC諧振回路：唯一諧振頻率f0

微波諧振器：無限多個諧振頻率f0品質因數微波諧振器集中較多的能量，損耗較小，因此它的品質因數遠大于LC集中參數回路的品質因數一、微波諧振器的基本參量三個基本參量諧振頻率f0(或諧振波長0)品質因數Q0等效電導G0諧振頻率f0諧振器中某個模式的場發生諧振的頻率諧振頻率可采用電納法分析諧振時,諧振器內電場能量和磁場能量自行彼此轉換,故諧振器內總的電納為零諧振頻率諧振頻率f0等效電路，將所有的等效電納歸算到同一個參考面上f0諧振頻率諧振頻率由振蕩模式、腔體尺寸以及腔中填充介質(μ,ε)所確定；在諧振器尺寸一定的情況下,與振蕩模式相對應有無窮多個諧振頻率。結論品質因數品質因數Q0描寫諧振器的選擇性的優劣和能量損耗的大小品質因數Q0諧振時,電磁場的總儲能為諧振器的損耗導體損耗介質損耗輻射損耗封閉腔=0無介質損耗壁電流的熱損耗無載品質因數描述了諧振腔儲能和諧振腔本身耗能的情況有載品質因數描述了諧振腔儲能和諧振腔及其耦合裝置的耗能情況外界負載吸收的功率結論:

①，應選擇諧振器形狀使其大;②因諧振器線尺寸與工作波長成正比即V∝,S∝,故有Q0∝,由于δ僅為幾微米,對厘米波段的諧振器,其Q0值將在104-105量級。∝二、同軸線諧振腔同軸線諧振腔利用同軸線中的駐波振蕩構成的諧振腔同軸線單模傳輸條件優點振蕩模式最簡單工作穩定工作頻帶寬同軸諧振腔的種類λ/4同軸腔λ/2同軸腔電容加載同軸腔/2型同軸諧振腔由兩端短路（或開路）的一段同軸線構成當腔的長度一定時每對應一個n值就有一個諧振波長,即對應于一種模式/2型同軸諧振腔的品質因數(D/d)=3.6時，同軸腔的品質因數Q0達最大λ/4同軸腔將同軸線一端短路,另一端開路諧振時,從參考面T

看進去的導納為零λ/4同軸腔的品質因數實際應用中，延長外導體長度，成為一截止圓波導，避免開路端向外輻射(D/d)=3.6時，同軸腔的品質因數Q0達最大電容加載同軸腔一端短路,另一端的內導體的端面與外導體的短路面之間形成一個集中電容由參考面T向右和向左看的電納分別為電容加載同軸腔將縫隙電場近似看作均勻分布，則式中C可按平板電容公式計算特點加載電容腔的長度總小于/4損耗大，Q值低矩形諧振腔構成在矩形波導上相距為l的兩處位置上用理想導體短路，就構成了矩形諧振腔振蕩模式及其場分布矩形波導TE模和TM模諧振腔T