第5章微波元器件.

第5章微波元器件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。5.1连接匹配元件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。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。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;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：例如:3cm的波段标准波导BJ-100的窄边为10.16mm,若要求驻波比为1.1和1.2,则失配负载的窄边分别为9.236mm和8.407mm。)(00bbbb或(5-1-1)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。(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。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5-4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。波导弯曲可分为E面弯曲和H面弯曲。为了使反射最小,扭转长度应为(2n+1)λg/4,E面波导弯曲的曲率半径应满足R≥1.5b,H面弯曲的曲率半径应满足R≥1.5a。(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。对于理想的衰减器，其散射矩阵应为:而理想相移元件的散射矩阵应为:(5-1-2)0ee0llS(5-1-3)0ee0jjS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。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：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。gπ2l(5-1-4)(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。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。常用的线-圆极化转换器有两种：多螺钉极化转换器和介质极化转换器(如图5-6)。这两种结构都是慢波结构,其相速要比空心圆波导小。如果变换器输入端输入的是线极化波,其TE11模的电场与慢波结构所在平面成45°角,这个线极化分量将分解为垂直和平行于慢波结构所在平面的两个分量Eu和Ev,它们在空间互相垂直,且都是主模TE11,只要螺钉数足够多或介质板足够长,就可以使平行分量产生附加90°的相位滞后。于是，在极化转换器的输出端两个分量合成的结果便是一个圆极化波。至于是左极化还是右极化，要根据极化转换器输入端的线极化方向与慢波平面之间的夹角确定。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)。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)双螺钉调配器有匹配盲区,故有时采用三螺钉调配器。其工作原理在此不再赘述。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。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5–10多阶梯阻抗变换器的等效电路图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。设变换器共有N节，参考面分别为T0,T1,T2,…,TN共(N+1)个,如果参考面上局部电压反射系数对称选取,则输入参考面T0上总电压反射系数Γ为：(5-1-5)22110NNNΓΓΓΓΓΓ])2cos(cos[e2])ee()ee([e)ee()e(eeee10j)2(j)2(j1jj0j)1(2j1212j02j)1(2j14j22j10NΓNΓΓΓΓΓΓΓΓΓΓΓΓΓNNNNNNNNjNNNNNN(5-1-6)当Γ0,Γ1,…等值给定时,上式右端为余弦函数cosθ的多项式,满足|Γ|=0的cosθ有很多解,亦即有许多λg使|Γ|=0。这就是说，在许多工作频率上都能实现阻抗匹配,从而拓宽了频带。显然,阶梯级数越多,频带越宽。于是反射系数模值为：|Γ|=|Γ0cosNθ+Γ1cos(N-2)θ+…|(5-1-7)(3)渐变型阻抗变换器由前面分析可知,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渐变型阻抗变换器渐变线上任意微分段z→z+Δz,对应的输入阻抗为Zin(z)→Zin(z)+ΔZin(z),由传输线理论得：)tan()]()([j)()tan()(j)]()([)()(inininininzzZzZzZzzZzZzZzZzZ(5-1-8a)式中,β为渐变线的相移常数。当βΔz→0时,tanβΔz≈βΔz,代入上式可得：])()()(j1][)(j)()([)(inininininzzzzzzzzzZzZzZzZ(5-1-8b)忽略高阶无穷小量,并整理可得：若令电压反射系数为Γ(z),则：)()()(jd)(2ininzZzZzZzzdZ(5-1-9))()()()(ininzZZzZzZzΓ(5-1-10)])()()(j1][)(j)()([)(inininininzzzzzzzzzZzZzZzZ(5-1-8b)代入式(5-1-9)并经整理可得关于Γ(z)0d)(lnd)](1[21)(2jd)(d2zzZzΓzΓzzΓ(5-1-11)当渐变线变化较缓时,近似认为1-Γ2(z)≈1,则可得关于Γ(z)的线性方程：其通解为：故渐变线输入端反射系数为：0d2)(lnd)(j2d)(dzzZzΓzzΓ(5-1-12)zzzZzΓzzded)(lnd21e)(2j2j(5-1-13)zzzZΓzLLLded)(lnd21e2j22jin(5-1-14)0d)(lnd)](1[21)(2jd)(d2zzZzΓzΓzzΓ(5-1-11)这样，当渐变线特性阻抗Z(z)给定后,由式(5-1-14)就可求得渐变线输入端电压反射系数。通常渐变线特性阻抗随距离变化的规律有：指数型、三角函数型及切比雪夫型,下面就来介绍指数型渐变线的特性,其特性阻抗满足：可见当时，Z(z)=Z0,而当时，Z(z)=Zl,于是有：2Lz2Lz010ln21exp)(ZZLzZzZ(5-1-15)01ln1d)(lndZZLzzZ(5-1-16)两边取模得：输入端反射系数为：012j2201jlnsin21deln21eZZLLzZZLΓzLLLin(5-1-17)01inlnsin21ZZLLΓ(5-1-18)图5-12给出了|Γin|与βL的关系曲线。由图可见,当渐变线长度一定时,|Γin|随频率的变化而变。λ越小,βL越大,|Γin|越小;极限情况下λ→0,则|Γin|→0,这说明指数渐变线阻抗变换器工作频带无上限,而频带下限取决于|Γin|的容许值。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。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