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1、常用微波元件,微波元件的功能在于對微波信號進行各種變換，按其變換性質可將微波元件分為如下三類：,線性互易元件 線性非互易元件 非線性元件,線性互易元件,凡是元件中沒有非線性和非互易性物質都屬于這一類。常用的線性互易元件包括：匹配負載、衰減器、移相器、短路活塞、功分器、微波電橋、定向耦合器、阻抗變換器和濾波器等。,線性非互易元件,這類元件中包含磁化鐵氧體等各向異性媒質，具有非互易特性，其散射矩陣是不對稱的。但仍工作于線性區(qū)域，屬于線性元件范圍。常用的線性非互易元件有隔離器、環(huán)行器等。,常用微波元件,非線性元件,這類元件中含有非線性物質，能對微波信號進行非線性變換，從而引起頻率的改變，并能通過電磁
2、控制以改變元件的特性參量。 常用的非線性元件有檢波器、混頻器、變頻器等。,常用微波元件,微波元件分類,近年來，為了實現(xiàn)微波系統(tǒng)的小型化，通常采用由微帶和集中參數(shù)元件組成的微波集成電路，可以在一塊基片上做出大量的元件，組成復雜的微波系統(tǒng)，完成各種不同功能。,常用微波元件,應用于, ,Microwave Division,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微波傳輸系統(tǒng)末端的負載。 三種負載類型，其端口的反射系數(shù)分別表現(xiàn)為： 匹配負載= 0 短路負載= 失配負載| =常數(shù)。,常用微波元件,一端口元件,對短路活塞的主要要求是： 保證接觸處的損耗小，其反射系數(shù)
3、模應接近1； 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壁）間不應發(fā)生打火現(xiàn)象。 短路器的輸入阻抗為: 短路器的輸入端反射系數(shù)為:,常用微波元件,短路負載-短路活塞,這表明短路器的輸入端反射系數(shù)的模應等于1，而相角是可變的。,常用微波元件,在結構上，短路活塞可做成接觸式(左圖）和扼流式（右圖）兩種:,扼流活塞的優(yōu)點是損耗小，且損耗穩(wěn)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和S形扼流活塞。缺點是頻帶窄，一般只能做到1015%的帶寬。,常用微波元件,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(shù)塊劈形吸收片或者
4、楔形吸收體，如圖所示：,匹配負載,波導型,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型吸收體，如圖所示：,同軸型,常用微波元件,高功率時需要考慮熱量的吸收和發(fā)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）。,常用微波元件,高功率型,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測量中作標準終端負載。,失配負載的結構與匹配負載一樣，只是波導口徑的尺寸b不同而已。,設b0為標準波導窄邊尺寸，b為失配負載波導的窄邊尺寸，由于,常用微波元件,則： 可見對于不同的b可以得到不同的駐波比。,常用微波元件,二端口元件,b1=S
5、11a1+S12a2 b2=S21a1+S22a2,a1 端口1的電壓入射波 S11 端口1的反射系數(shù) a2 端口2的電壓入射波 S22 端口2的反射系數(shù) b1 端口1的電壓出射波 S12 反向傳輸增益 b2 端口2的電壓出射波 S21 正向傳輸增益,常用微波元件,二端口元件可以等效為二端口網絡，其散射矩陣為,常用微波元件,(1)波導接頭,常用微波元件,連接元件,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。,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(xiàn)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。,當需要改變電磁波的極化方
6、向而不改變其傳輸方向時， 則要用到扭轉元件。,常用微波元件,(2) 拐角、彎曲和扭轉元件,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。,(1) 膜片,常用微波元件,匹配元件,匹配元件的種類很多，這里只介紹膜片，銷釘和螺釘匹配器。,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。 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，而當負載要求對稱輸出時，則需用對稱膜片。,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。,常用微波元件,電抗元件包括電感器和電容器。電感器是指能夠集中磁場和存儲磁能的元件；而電容器是指能夠集
7、中電場和存儲電能的元件。,電容膜片,常用微波元件,矩形波導中的電感膜片及其等效電路如圖所示。當在波導窄壁上放置金屬膜片后，會使波導寬壁上的電流產生分流，于是在膜片的附近必然會產生磁場，并存儲一部分磁能，因此這種膜片稱為電感膜片。,電感膜片,常用微波元件,諧振窗 下圖給出了諧振窗的結構示意圖和等效電路。即在橫向金屬膜片上開設一個小窗，稱為諧振窗。,（3）銷釘 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。,常用微波元件,銷釘?shù)南鄬Ω屑{與棒的粗細有關，棒越細，電感量越大，其相對電納越??；同樣粗細的棒，根數(shù)越多，相對電納越大。 置于a/2處的單銷釘相對電納的近似式為,常用微
8、波元件,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。,常用微波元件,螺釘調配器,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3b/4,b為矩形波導窄邊的尺寸。,常用微波元件,衰減和相移元件分別用來改變導行系統(tǒng)中電磁場的幅度 和相位，衰減器和相移器聯(lián)合使用，可以調節(jié)導行系統(tǒng) 中電磁波的傳播常數(shù)。 理想衰減器在衰減量連續(xù)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：,常用微波元件,衰減與相移元件,理想相移器應該是一個具有單位振幅，即相位變化過程 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：
9、 吸收式衰減器結構變移相器,常用微波元件,常用微波元件,波形變換元件,為了從一種導行系統(tǒng)元件過渡到另一種導行系統(tǒng)元件 或過渡到同種導行系統(tǒng)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。,波導激勵的一般方法與裝置 （1）探針激勵,常用微波元件,（2）環(huán)激勵 （3）孔或縫激勵,常用微波元件,（4）直接過渡 通過波導截面形狀的逐漸變形，可將原波導中的模式轉 換成另一種波導中所需要的模式。 矩形波導TE10模轉換成圓波導TE11模的方 - 圓過渡,常用微波元件,在微波技術中常用作分路元件或功率分配器/合成器：,常用微波元件,三端口元件,任意三端口網絡的散射矩陣為 若元件是互易的，有,
10、常用微波元件,常用微波元件,性質1：無耗互易三端口網絡不可能完全匹配，即三個端口不可能同時都匹配。,性質3：無耗互易三端口網絡的任意兩個端口可以實現(xiàn)匹配。,常用微波元件,T形接頭 對于無耗形接頭，可用傳輸線型來表示： 可以選擇輸出線的特性阻抗來獲得不同的功率分配比。,常用微波元件,三端口功率分配/合成元件,矩形波導T形接頭 矩形波導工作在主模工作TE10，分E-T和H-T接頭：,常用微波元件,左圖說明： 信號從1臂輸入時，主波導2、3臂中距1臂等距離的T2、T3處為等幅反向輸出。 當T2、T3處有等幅反相信號輸入時，則二者在1臂內同向疊加輸出。,常用微波元件,E-T特性分析,右圖說明： 當在2
11、、3臂的T2、T3處輸入等幅同相信號時，二者在1臂 中反向抵消而不能從1臂輸出，只能在2、3臂中形成駐波。,H-T特性分析,常用微波元件,左圖說明： 如上圖當信號從分支4臂輸入時， 2、3臂的T2、T3處信號等幅同相輸出； 2、3臂的T2、T3處輸入等幅同相信號時，二者在4臂同相疊加輸出。,右圖說明： 當2、3臂的T2、T3處輸入等幅反相信號時，二者在4臂反相抵消，4臂無輸出。,常用微波元件,H-T分支,總結： E-T特性：主臂 輸入，支臂臂 、臂等幅反相輸出； H-T特性：主臂輸入，支臂臂 、 臂等幅同相輸出。,常用微波元件,矩形波導對稱Y分支結構及其等效電路圖如圖所示，分為 E面分支和H面
12、分支；前者為串聯(lián)分支，后者為并聯(lián)分支。,E-Y分支,H-Y分支,常用微波元件,對稱Y分支,三種作為功率分配器的波導Y分支 分配給分支波導的功率與其高度成正比。因此，適當?shù)?選擇高度和就可以得到任意的功率分配比。,常用微波元件,假如三端口分配器含有有耗元件，便可以做到所有端口 匹配，而二個輸出端口則不可能完全隔離。 威爾金森功率分配器,常用微波元件,電阻性功率分配器,設計公式 為功率分配比,常用微波元件,四端口元件,定向耦合器,四端口S參數(shù)性質 性質1:無耗互易四端口網絡可以完全匹配，而為一理 想定向耦合器。 性質2:有理想定向性的無耗互易四端口網絡不一定四 個端口均匹配，即是說四個端口匹配是定
13、向耦合的充 分條件，而不是必要條件。 性質3:有二個端口匹配且相互隔離的無耗互易四端口 電路必然為一理想定向耦合器，且其余兩個端口亦匹 配并相互隔離。,常用微波元件,四端口元件,定向耦合器 耦合度： 定向性：,常用微波元件,四端口元件,隔離度： 有： 不同形式的定向耦合器 （1）Bethe孔耦合器 Bethe孔耦合器是一種單孔耦合器。為獲得定向性，該單 孔需開在兩個矩形波導的公共寬壁上，如圖所示,常用微波元件,工作原理：小孔可用電和磁偶極矩構成的等效源來代替，調節(jié)兩個等效源的相對振幅可以消除在隔離端口方向的輻射，而增強在耦合端口方向的輻射，從而獲得理想的 定向性。,常用微波元件,（2）波導多孔
14、定向耦合器 單孔耦合器的缺點是頻帶窄。寬頻帶應用時可采用多 孔耦合器。 以雙孔耦合器為例說明工作原理 設波導由端口輸入，大部分波向端口傳輸，一部分波通過兩個孔耦合到副波導中。由于兩孔相距/4，結果在端口方向的波相位同向而增強，在端口方向則因相位反向而相互抵消。,常用微波元件,（3）耦合線定向耦合器 其特性是: 由端口輸入的信號一部分傳至端口，一部分耦合至副線由端口輸出，端口無輸出。 對耦合微帶線或其它非TEM線，奇，偶模速度不相同，耦合器的定向性就要變差。為改變性能，需要采取相應的速度補償措施，如加介質覆蓋層，采用各向異性基片，耦合段做成鋸齒形等。,常用微波元件,（4）正交混合電橋 分支線耦合
15、器的特性是：當所有端口匹配時，由端口輸入的功率在端口和之間平分且有90相位差，端口無輸出（隔離端口）。其S矩陣為,常用微波元件,（5）180混合電橋 該圖為混合環(huán)1.5lTEM線（帶狀線或微帶線）并聯(lián)連接而成。 信號由端口輸入時，端口和等幅同相輸出，端口無輸出；信號由端口輸入時，端口和等幅反相輸出，端口無輸出。當用作功率合成器時，信號同時加于端口和，則端口輸出“和”信號，端口輸出“差”信號。,常用微波元件,魔T的重要特性： 1）四個端口完全匹配 2）臂和臂相互隔離，兩側臂 和相互隔離； 3）進入一側臂的信號，由臂和臂等分輸出，而另一側壁無輸出； 4）進入H臂的信號，由兩側臂等幅同相輸出，而E臂
16、 無輸出； 5）進入E臂的信號，由兩側臂等幅反相輸出，而H臂 無輸出； 6）兩側臂和同時輸入信號，臂為和口、臂為差口輸出。,常用微波元件,波導匹配魔T,定義：用完全相同的電抗元件以周期性間隔加載的導行 系統(tǒng)稱為微波周期結構。 所有的周期結構都具有如下共性： 類似于濾波器的帶通和帶阻特性； 周期結構上的導波為慢波，其相速度比未加載線的相 速度要慢。,微波周期結構-電磁慢波,常用微波元件,將系統(tǒng)移動周期長度的整數(shù)倍時，它與移動前的結 構完全重合。此時，在給定的穩(wěn)態(tài)頻率下，對于系統(tǒng)沿 其中某個特定傳輸波型，它在某截面處的場與相隔周期長 度整數(shù)倍處的場僅僅相差一個復數(shù)常數(shù)。 福羅奎定理可用電場矢量表示
17、成： 其周期與周期結構的空間周期相同，記作L，即有,常用微波元件,福羅奎（Floquet）定理,鐵氧體的一般性質,鐵氧體元件,常用微波元件,鐵氧體是由金屬氧化物混合燒結而成的磁性材料。其化學表示一般為MOFe2O3，其中M代表二價金屬如：錳、鎂、鋅、鎳、鎘等或者是它們的混合物。機械性能類似于陶瓷，其質硬而脆。,鐵氧體的張量磁導率為 式中,常用微波元件,1.在鐵氧體中沿恒定磁場方向傳播的平面波，是圓極化 TEM波； 2.對于圓極化波，鐵氧體的導磁率不再為張量而為標量， 這意味著磁化鐵氧體媒質對圓極化波表現(xiàn)為各向同性， 但導磁率的大小與圓極化波的旋轉方向有關。 旋磁效應 1.鐵磁諧振效應,常用微波
18、元件,注意：左旋波的旋轉方向與進動方向相反，在任何頻率上都無法同步，故不發(fā)生諧振。因此，鐵磁諧振僅對右旋波而言。,常用微波元件,正旋圓極化波的相速為零，波不傳播，這種現(xiàn)象稱為鐵磁諧振。,定義：線性極化波在縱向磁化鐵氧體內傳播過程中極化 而發(fā)生旋轉的效應。 產生機理：一個線性極化波可以分解為兩個旋轉方向相 反的圓極化波，而這兩個圓極化波在縱向磁化的鐵氧體 媒質中傳播的相速不同(相位常數(shù)不同)，因此，傳播途 中不同距離上兩圓極化波合成的線極化波的極化方向不 同，即極化面發(fā)生了旋轉。如下圖所示：,常用微波元件,法拉第旋轉效應,由于線性極化波是恒定磁場(順著磁場方向)分為右旋和左旋圓極化波，因此，只要
19、恒定磁場方向不變，無論波沿+z方向或沿-z方向傳播，極化面旋轉方向是不變。這一特性稱為法拉第旋轉的非互易性。,常用微波元件,常用微波元件,場移效應,定義：場移效應是對放入導波系統(tǒng)中的鐵氧體，外加橫向橫磁場(垂直于波的傳播方向)時，使導波場的分布產生橫向移動的效應。,非線性各向異性磁性材料 磁導率隨外加磁場而變（非線性） 電磁波從不同角度通過磁化鐵氧體，呈現(xiàn)出鐵磁諧振、諧振吸收和法拉第極化旋轉效應等非互易特性 可構成隔離器、環(huán)形器、移相器等,微波鐵氧體元件 隔離器常用于微波源與負載之間，使全部功率傳至負載而反射功率不到微波源。,常用微波元件,場移式隔離器 諧振式隔離器 法拉第旋轉式隔離器,鐵氧體側面上貼一薄電阻片(或電阻膜層)，電阻片可將 反向波吸收掉而只傳輸正向波，從而構成了一個隔離器， 如圖： 缺點：因靠電阻片吸收反射波，故僅適用于低功率。,常用微波元件,場移式隔離器,利用鐵氧體對右旋圓極化波產生諧振吸收的特性可作成 諧振式隔離器。 可用于高功率系統(tǒng)。,常用微波元件,諧振式隔離器,它由一段扭轉45的矩形波導和一段45法拉第旋轉圓波 導相連，圓波導的另一端為圓到矩形變換器。,常用微波元件,法拉第旋轉式隔離器,正向波：電場始終與電阻片垂直，電阻片不吸收 反向波：輸出端口與電阻片平行，吸收,環(huán)形器、移相器（略）,常用微波元件,作業(yè),8.4,
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