无源微波元件课件

1.无耗网络无耗网络参数的关系？参数的关系？2.传传输输系系数数、插插入入衰衰减减、回回波波损损耗耗、插插入入相相移移与与参数之间的关系？参数之间的关系？3.无耗、互易、对称网络特性？无耗、互易、对称网络特性？4.同轴线、矩形波导、圆波导的主模？同轴线、矩形波导、圆波导的主模？5.矩矩形形波波导导TE10、圆圆波波导导TE11、TM01横横截截面面的的模模式分布图式分布图复习复习1.无耗网络参数的关系？复习第四章第四章 无源微波元件无源微波元件4.1微波微波电阻性电阻性元件元件衰减器和匹配负载衰减器和匹配负载 4.2几种简单不均匀性场的几种简单不均匀性场的电抗电抗性质性质 4.3转换元件转换元件 4.2.1膜片、谐振窗和销钉膜片、谐振窗和销钉4.3.1同轴波导转换器同轴波导转换器4.3.2矩形圆波导转换器矩形圆波导转换器4.3.3波导波导微带转接器微带转接器4.3.4同轴线同轴线微带转接器微带转接器接头、方向元件、转换元件接头、方向元件、转换元件第四章 无源微波元件4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载微波元件是微波系统的重要组成部分。了解各种微微波元件是微波系统的重要组成部分。了解各种微波元件的原理、结构和作用是十分必要的。本书仅讨论波元件的原理、结构和作用是十分必要的。本书仅讨论无源元件，且只择其部分常用的元件如无源元件，且只择其部分常用的元件如匹配、转换、分匹配、转换、分支、定向耦合及铁氧体元件支、定向耦合及铁氧体元件等加以介绍。如果从元件的等加以介绍。如果从元件的结构类型考虑，则主要是介绍同轴和波导元件，也涉及结构类型考虑，则主要是介绍同轴和波导元件，也涉及部分微带元件。部分微带元件。第四章第四章 无源微波元件无源微波元件 微波元件是微波系统的重要组成部分。了解各种微4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和匹配负载衰减器和匹配负载 在低频电路中可利用在低频电路中可利用电阻电阻这一消耗功率、吸收能量这一消耗功率、吸收能量的元件构成分压器、分流器或电阻网络以控制沿线电压、的元件构成分压器、分流器或电阻网络以控制沿线电压、电流的幅度；电流的幅度；在微波波段欲实现类似的功能，如控制传输线内的在微波波段欲实现类似的功能，如控制传输线内的传输功率，则需在传输线中接入传输功率，则需在传输线中接入衰减器衰减器。对波的吸收、。对波的吸收、反射或截止。根据构成衰减的机理不同可将衰减器分为反射或截止。根据构成衰减的机理不同可将衰减器分为吸收式和截止式吸收式和截止式二类。二类。4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载 在第一，衰减器为双端口器件，一般接在传输线的始第一，衰减器为双端口器件，一般接在传输线的始端或中间某一位置，而匹配负载为单端口器件，接在传端或中间某一位置，而匹配负载为单端口器件，接在传输线终端。输线终端。第二，衰减器只是第二，衰减器只是部分吸收部分吸收传输线中的功率以控制传输线中的功率以控制传输功率电平，而匹配负载要求无反射地吸收传输到终传输功率电平，而匹配负载要求无反射地吸收传输到终端的全部功率以建立传输系统中的行波状态。端的全部功率以建立传输系统中的行波状态。4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 至于匹配负载，本质上也属于吸收式衰减器，但两至于匹配负载，本质上也属于吸收式衰减器，但两者又有区别：者又有区别：补充补充 第一，衰减器为双端口器件，一般接在传输线的始4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 补充4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 补充 对衰减器通常提出的要求有：一定的工作频带；较对衰减器通常提出的要求有：一定的工作频带；较小的小的输入端驻波比输入端驻波比；较小的较小的起始衰减量以及起始衰减量以及确定的确定的衰减衰减频率特性。当衰减器作为频率特性。当衰减器作为测量仪器测量仪器的一个构成部件时，的一个构成部件时，还应具有可靠的还应具有可靠的衰减频率校正曲线衰减频率校正曲线。对匹配负载提出的主要要求有：宽工作频带、小输对匹配负载提出的主要要求有：宽工作频带、小输入驻波比及适当的功率容量。按其功率容量的大小可将入驻波比及适当的功率容量。按其功率容量的大小可将匹配负载分为小功率和大功率两种。匹配负载分为小功率和大功率两种。4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充 对衰减器通常提出的要求有：一定的工作频带；较衰减器的衰减器的主要应用主要应用有：有：1)“去耦去耦”，即消除，即消除负载失配负载失配对信号源的影响，这是保对信号源的影响，这是保证微波系统稳定工作的重要措施；证微波系统稳定工作的重要措施；2)调节微波源输出功率电平。调节微波源输出功率电平。匹配负载主要用于建立传输系统中的行波状态。匹配负载主要用于建立传输系统中的行波状态。4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充 衰减器的主要应用有：4.1 微波电阻性元件衰减器4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 在波导内放入与电场方向平行的吸收片，当微波能量通过吸收在波导内放入与电场方向平行的吸收片，当微波能量通过吸收片时，将吸收一部分能量而产生衰减，这种衰减器称为吸收衰减器，片时，将吸收一部分能量而产生衰减，这种衰减器称为吸收衰减器，如图所示。如图所示。(一一)、吸收式、吸收式补充补充4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 在波导内放4.1.1 吸收式衰减器吸收式衰减器图图4-1一种吸收式衰减器一种吸收式衰减器4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 图图4-2吸收片的支撑杆吸收片的支撑杆 补充补充4.1.1 吸收式衰减器 图4-1一种吸收式衰减图图4-3另一种吸收式衰减器另一种吸收式衰减器 以上所述的吸收片可用玻璃、陶瓷或胶本等介质材以上所述的吸收片可用玻璃、陶瓷或胶本等介质材料做基片。表面涂敷金属粉末、石墨粉或蒸发上镍铬合料做基片。表面涂敷金属粉末、石墨粉或蒸发上镍铬合金等电阻材料。表面电阻约金等电阻材料。表面电阻约200300cm2。为使性能。为使性能稳定，通常还要浸渍一层氧化硅或氟化镁做保护层。稳定，通常还要浸渍一层氧化硅或氟化镁做保护层。4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充图4-3 另一种吸收式衰减器 以上所述的吸收衰减器衰减量衰减器衰减量的大小用的大小用A表示，常以自然对数或常用表示，常以自然对数或常用对数来度量，单位分别为对数来度量，单位分别为NP和和dB。对于吸收式衰减器。对于吸收式衰减器设设Ei和和E0分别为衰减器的输入和输出电场强度，则分别为衰减器的输入和输出电场强度，则，其中，其中或或一般说来，吸收式衰减器的衰减量一般说来，吸收式衰减器的衰减量A与吸收片的位置与吸收片的位置及频率之间没有一个简单的数学关系，必须用及频率之间没有一个简单的数学关系，必须用功率计或功率计或标准衰减器进行点频定标标准衰减器进行点频定标，获得刻度，获得刻度-衰减量定标曲线以衰减量定标曲线以备查用。备查用。(4-1a)(4-1b)4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充 衰减器衰减量的大小用A表示，常以自然对数或常用4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充4.1.2 极化衰减器极化衰减器4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 补充4.1.2 极当旋转衰减片当旋转衰减片“2”与两端衰减片的夹角与两端衰减片的夹角=0时，衰减最时，衰减最小；当小；当=90时，衰减最大。即时，衰减最大。即从从090变化时，衰减变化时，衰减量可从量可从0dB变化。另外，这种衰减器的衰减量变化。另外，这种衰减器的衰减量A与旋转与旋转角角的余弦的对数成正比，的余弦的对数成正比，而与三个吸收片本身的衰减量而与三个吸收片本身的衰减量(当然要求各自的衰减量足够大当然要求各自的衰减量足够大)无关无关。因此这种衰减器。因此这种衰减器可作为一种定标的标准衰减器。可作为一种定标的标准衰减器。但由于这种衰减器结构复杂，体积大，价格贵，故一但由于这种衰减器结构复杂，体积大，价格贵，故一般只作为衰减量的标准用来般只作为衰减量的标准用来校刻校刻其他衰减器或用于衰减其他衰减器或用于衰减量的量的精密测量精密测量。(4-2)4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充当旋转衰减片“2”与两端衰减片的夹角=0时，衰减最小；当4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 截止式截止式截截止止衰衰减减器器是是在在传传输输线线中中插插入入一一小小段段横横向向尺尺寸寸较较小小的的传传输输线线段段，使使电电磁磁波波在在这这一一小小段段传传输输线线内内处处在在截截止止状状态态下下传传输输，即即电电磁磁波波经经过过这这段段传传输输线线后后微微波波能能量量很很快快衰衰减减，控控制制截截止止传传输输线线的的长长度度，就就可可以以调节衰减量的大小，如图所示。调节衰减量的大小，如图所示。补充补充4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 截止式 4.1.3 截止式衰减器截止式衰减器截止式衰减器是利用波导的截止特性做成的。图中截止式衰减器是利用波导的截止特性做成的。图中是一种截止式衰减器的结构示意图。这种截止式衰减器是一种截止式衰减器的结构示意图。这种截止式衰减器的主体是一段处于截止状态的圆波导，选择圆波导的半的主体是一段处于截止状态的圆波导，选择圆波导的半径满足截止条件径满足截止条件4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充4.1.3 截止式衰减器 截止式衰减器是利用波这种截止场的磁场这种截止场的磁场H沿圆波导纵向沿圆波导纵向(z方向方向)呈指数律衰减，呈指数律衰减，即即，其中衰减系数，其中衰减系数为为输出同轴线通过一个小环与圆波导作磁耦合，圆波导中输出同轴线通过一个小环与圆波导作磁耦合，圆波导中的的TE11模截止场激励小环，使得一部分功率进入输出同模截止场激励小环，使得一部分功率进入输出同轴线中，这部分功率正比于小环所在处的磁场强度的平轴线中，这部分功率正比于小环所在处的磁场强度的平方，即方，即。4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充这种截止场的磁场H沿圆波导纵向(z方向)呈指数律衰减，即 设小环位于设小环位于z=0处的起始位置时处的起始位置时耦合到输出同轴线中的功率为耦合到输出同轴线中的功率为P(0)=P0，则当输出同轴线被拉出，则当输出同轴线被拉出到使小环处于到使小环处于z=l时的耦合功率为时的耦合功率为这也即为此时的输出功率，它相对于输入功率这也即为此时的输出功率，它相对于输入功率P1的衰减的衰减量为量为其中其中为为z=0时的起始衰减量。时的起始衰减量。4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充设小环位于z=0处的起始位置时耦合到输出同轴线中的功率为P(这种截止衰减器具有如下特点：这种截止衰减器具有如下特点：1)衰减量衰减量(dB数数)与移动距离与移动距离l之间成线性关系，如图之间成线性关系，如图所示；因此这种衰减器也可作为标准衰减器。所示；因此这种衰减器也可作为标准衰减器。4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 截止衰减器结构示意图截止衰减器结构示意图补充补充 这种截止衰减器具有如下特点：1)衰2)当当c时，衰减系数时，衰减系数很大，移动不太长的一段距很大，移动不太长的一段距离，就可得到很大的衰减量，例如最大可达离，就可得到很大的衰减量，例如最大可达120dB。3)由于截止圆波导中不存在吸收性材料，故其衰减由于截止圆波导中不存在吸收性材料，故其衰减不是由于损耗而是由于不是由于损耗而是由于反射反射所引起，所以截止式衰减器所引起，所以截止式衰减器属于反射式衰减器一类。由于圆波导输入、输出端反射属于反射式衰减器一类。由于圆波导输入、输出端反射都很大，因此无论对输入同轴线还是输出同轴线而言都都很大，因此无论对输入同轴线还是输出同轴线而言都是严重失配的。是严重失配的。4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充 2)当c时，衰减系数很大，移动不太4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 终端负载终端负载 传输线终端所接元件称为终端负载，常用的终端负载有匹配传输线终端所接元件称为终端负载，常用的终端负载有匹配负载和短路负载两种。匹配负载是将所有的电磁能量全部吸收而无负载和短路负载两种。匹配负载是将所有的电磁能量全部吸收而无反射；而短路负载是将所有的电磁能量全部反射回去，一点能量也反射；而短路负载是将所有的电磁能量全部反射回去，一点能量也不吸收不吸收这里着重讨论三种：匹配负载这里着重讨论三种：匹配负载 短路负载短路负载 失配负载失配负载L为反射系数反射系数补充补充4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 终端负载 4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在传匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在传输系统工作于行波状态时，都要用到匹配负载。输系统工作于行波状态时，都要用到匹配负载。对匹配负载的基本要求是：对匹配负载的基本要求是：(1)有较宽的工作频带，有较宽的工作频带，(2)输入驻波比小和一定输入驻波比小和一定的功率容量。的功率容量。4.1.4 匹配负载匹配负载补充补充匹配负载匹配负载解决波反射解决波反射和吸收两者之间的矛盾；和吸收两者之间的矛盾；4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和匹配负载衰减器和匹配负载 尖劈尖劈是一种缓变是一种缓变过渡结构过渡结构，实践表明，由此引起的，实践表明，由此引起的对波的反射远小于突变结构，且尖劈劈角越小，即斜面对波的反射远小于突变结构，且尖劈劈角越小，即斜面拉得越长，匹配性能愈好。这种小功率匹配负载允许耗拉得越长，匹配性能愈好。这种小功率匹配负载允许耗散的平均功率达瓦级，一般可在散的平均功率达瓦级，一般可在1015频带内达到频带内达到驻波比驻波比1.05的近于理想的匹配程度。的近于理想的匹配程度。图图4-6匹配负载匹配负载补充补充4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载 尖4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和匹配负载衰减器和匹配负载 功功率率小功率匹配负载小功率匹配负载中功率匹配负载中功率匹配负载大功率水负载大功率水负载频频带带宽带匹配负载宽带匹配负载窄带匹配负载窄带匹配负载材材料料木材、石墨、羰基铁、吸收负载木材、石墨、羰基铁、吸收负载补充补充4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载 功率小功率匹配负载4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和匹配负载衰减器和匹配负载 补充补充同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥形或者阶梯型同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥形或者阶梯型吸收体，如图所示：吸收体，如图所示：4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载 补充同轴线匹配负载4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和匹配负载衰减器和匹配负载 补充补充高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。吸收物体可以高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。吸收物体可以是固体（如石墨和水泥混合物）或液体（通常用水）。是固体（如石墨和水泥混合物）或液体（通常用水）。4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载 补充高功率时需要考4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 短路负载短路负载 短路负载又称为短路器，短路负载又称为短路器，它的作用是将电磁能量全部反它的作用是将电磁能量全部反射回去。将同轴线和波导终端射回去。将同轴线和波导终端短路，即分别成为同轴线和波短路，即分别成为同轴线和波导固定短路器。导固定短路器。补充补充短路负载短路负载解决理想短路解决理想短路和活动间隙之间的矛盾；和活动间隙之间的矛盾；失配负载失配负载=1.2，解决解决宽带和反射系数变化之间的宽带和反射系数变化之间的矛盾。矛盾。4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 短路负载 4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充 短路活塞要移动，太紧的配合会使移动不方短路活塞要移动，太紧的配合会使移动不方短路活塞要移动，太紧的配合会使移动不方短路活塞要移动，太紧的配合会使移动不方便，间隙便，间隙便，间隙便，间隙又会造成不理想短路。因此，间隙又会造成不理想短路。因此，间隙又会造成不理想短路。因此，间隙又会造成不理想短路。因此，间隙和理想短路构成了设计的主要矛盾。和理想短路构成了设计的主要矛盾。和理想短路构成了设计的主要矛盾。和理想短路构成了设计的主要矛盾。平板活塞平板活塞平板活塞平板活塞 4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 补充 短路活4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充扼流活塞扼流活塞扼流活塞扼流活塞 糖葫芦活塞糖葫芦活塞糖葫芦活塞糖葫芦活塞 4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 补充扼流活塞 4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充短路负载短路负载-短路器短路器对短路活塞的主要要求是：对短路活塞的主要要求是：保证接触处的损耗小，其反射系数模应接近保证接触处的损耗小，其反射系数模应接近1；当活塞移动时，接触损耗的变化要小；当活塞移动时，接触损耗的变化要小；大功率运用时，活塞与波导壁（或者同轴线的内外导体大功率运用时，活塞与波导壁（或者同轴线的内外导体壁）间不应发生打火现象。壁）间不应发生打火现象。短路器的输入阻抗为短路器的输入阻抗为:短路器的输入端反射系数为短路器的输入端反射系数为:4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 补充短路负载-短4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充这表明短路器的输入端反射这表明短路器的输入端反射系数的模应等于系数的模应等于1，而相角是可，而相角是可变的。在结构上，短路活塞可做变的。在结构上，短路活塞可做成成接触式接触式(左图）和左图）和扼流式扼流式（右（右图）两种图）两种:4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 补充这表明短路4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充上图所示的扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺上图所示的扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞太长。为了减小长度可以采用下图所示山字形点是活塞太长。为了减小长度可以采用下图所示山字形和和S形扼流活塞。缺点是频带窄，一般只能做到形扼流活塞。缺点是频带窄，一般只能做到1015%的带宽的带宽4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 补充上图所示的扼流4.1微波电阻性元件微波电阻性元件衰减器和终端负载衰减器和终端负载 补充补充失配负载失配负载实用中的失配负载都是做成实用中的失配负载都是做成标准失配负载标准失配负载，具有某一固，具有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测量中作标准终端负载。定的驻波比。失配负载常用于微波测量中作标准终端负载。失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导口径的尺寸失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导口径的尺寸b不同而已。设不同而已。设b0为标准波导窄边尺寸，为标准波导窄边尺寸，b为失配负载波导的窄为失配负载波导的窄边尺寸，由于边尺寸，由于则：则：可见对于不同的可见对于不同的b可以特到不同的驻波比。可以特到不同的驻波比。4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载 补充失配负载4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 4.2.1 矩形波导中的膜片、谐振窗和销钉矩形波导中的膜片、谐振窗和销钉一、电容膜片一、电容膜片在在矩矩形形波波导导的的横横向向放放置置一一块块金金属属膜膜片片，在在其其上上对对称称或或不不对对称称之之处处开开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，如图所示。一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，如图所示。电纳的近似计算公式为电纳的近似计算公式为容性膜片一压缩电场容性膜片一压缩电场4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 4.2 几种简单不均匀4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 二、二、电感膜片电感膜片电感膜片及其等效电路电感膜片及其等效电路电感膜片电纳的近似计算公式为电感膜片电纳的近似计算公式为感性膜片一压缩磁性感性膜片一压缩磁性 4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 二、电感膜片 电感膜片4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 三、三、谐振窗谐振窗 下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。即在下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。即在横向金属膜横向金属膜片上开设一个小窗片上开设一个小窗，称为谐振窗。，称为谐振窗。谐振窗及谐振窗及其等效电路其等效电路谐谐振振窗窗可可以以看看作作是是感感性性膜膜片片和和容容性性膜膜片片的的结结合合，构构成成无无反反射射元元件件。(窗窗的的特特性性阻阻抗抗等等于于波波导导主主模模的的特特性性阻阻抗抗，它在概念上有力地说明：有障碍未必有反射它在概念上有力地说明：有障碍未必有反射)。4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 三、谐振窗谐振窗及谐4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 图图含有谐振窗的雷达天线收、发开关含有谐振窗的雷达天线收、发开关图图 给给出出了了谐谐振振窗窗在在雷雷达达设设备备中中的的应应用用。当当发发射射机机发发射射的的大大功功率率信信号号经经过过单单向向器器到到达达由由介介质质封封闭闭的的谐谐振振窗窗 I I 时时，大大功功率率信信号号将将使使两两封封闭闭谐谐振振窗窗之之间间的的高高频频放放电电气气体体放放电电，在在谐谐振振窗窗附附近近形形成成导导电层电层而封闭谐振窗，使之成为而封闭谐振窗，使之成为短路面短路面大大功功率率信信号号在在谐谐振振窗窗表表面面将将被被全全反反射射，只只能能通通过过波波导导到到达达天天线线而而发发射射出去出去。补充补充4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 图 给出了谐振窗在4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 由由此此可可见见，两两介介质质填填充充的的谐谐振振窗窗之之间间的的空空间间起起到到了了开开关关的的作作用用，故故称称为为天天线线收收、发发开开关关，简简称称TR管管。图图含有谐振窗的雷达天线收、发开关含有谐振窗的雷达天线收、发开关当当天天线线接接收收小小功功率率信信号号时时，由由于于单单向向器器的的作作用用，信信号号不不能能进进入入发发射射机机，只只进进入入接接接接收收机机通通道道。这这时时信信号号功功率率较较小小，不不会会使使高高频频放放电电气气体体放放电电。因因此此，当当接接收收信信号号波波长长等等于于 0时时，两两介介质质填填充充谐谐振振窗窗之之间间隔隔成成的的空空间间对对接接收收信信号号没没有有影影响响，使使接接收收信信号号能能顺顺利利地进入接收机而被接收。地进入接收机而被接收。补充补充4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 由此可见，两介质填4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 四、螺钉四、螺钉 螺钉插入波导的深度可以调节，电纳的螺钉插入波导的深度可以调节，电纳的性质和大小可性质和大小可随之改变，随之改变，使用方便，是小功率微波设备中常采用的使用方便，是小功率微波设备中常采用的调谐和匹配元件调谐和匹配元件。波导可调螺钉及其等效电路波导可调螺钉及其等效电路4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 四、螺钉波导可调螺钉及4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 (一一)膜片膜片在工作于主模的矩形波导横截面内放入图在工作于主模的矩形波导横截面内放入图4.1(a)所所示的金属薄片，称为膜片。示的金属薄片，称为膜片。图图4.14.2 几种简单不均匀性场的电抗性质(一)膜片图4.14.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 膜片的引入改变了波导均匀膜片的引入改变了波导均匀的边界条件的边界条件，膜片处的场分，膜片处的场分布如图布如图4.1(b)所示。将膜片处的电场实行模式展开，容易所示。将膜片处的电场实行模式展开，容易看出它是由看出它是由TEn0(n为奇数为奇数)各模迭加而成。其中，高次模各模迭加而成。其中，高次模TE30，TE50对于只传输主模的矩形波导来说，均属于对于只传输主模的矩形波导来说，均属于截止模。截止模。图图4.14.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 膜片的引入改变了波导均4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 它们不能沿波导传输，只存在于膜片附近，由于它们不能沿波导传输，只存在于膜片附近，由于TE模截止场磁能占优势，因此，这样的膜片呈电感性，称模截止场磁能占优势，因此，这样的膜片呈电感性，称为为感性感性膜片。其等效电路是与波导等效传输线相并联的膜片。其等效电路是与波导等效传输线相并联的电感，如图电感，如图4.1(c)所示。所示。图图4.14.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 它们不4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 波导模横截面内的膜片也可按图波导模横截面内的膜片也可按图4.2(a)所示的方式引入。所示的方式引入。图图4.24.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 波导模横截面内的膜片4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 这种情况下，新的边界条件使件使场变为如图这种情况下，新的边界条件使件使场变为如图4.2(b)所示。由膜片处的场与所示。由膜片处的场与TE10模相比较可见，此时出现模相比较可见，此时出现的高次模是以的高次模是以TM12模为主的模为主的TM模，这些模，这些TM模对于只传模对于只传输主模的矩形波导仍属截止模。根据输主模的矩形波导仍属截止模。根据TM模截止场电能占模截止场电能占优势的特性，可知这种膜片呈电容性，称为优势的特性，可知这种膜片呈电容性，称为容性容性膜片。膜片。图图4.2TM11TM124.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 这种情4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 其等效电路如图其等效电路如图4.2(c)所示。所示。图图4.24.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 其等效电路如图 4.24.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 上述膜片等效电抗的大小只能通过上述膜片等效电抗的大小只能通过场解或实验场解或实验得出，得出，场解得到的近似计算公式有：场解得到的近似计算公式有：1对称感性膜片、零厚度情况下归一化电纳对称感性膜片、零厚度情况下归一化电纳T(膜片的厚度膜片的厚度)不为零时可近似修正为不为零时可近似修正为(4.1a)(4.1b)4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 上述膜片等效4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 2.对称容性膜片、零厚度归一化电纳为对称容性膜片、零厚度归一化电纳为t不为零时可近似修正为不为零时可近似修正为(4.2a)(4.2b)4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 2.对称容性膜片、零厚4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 (二二)谐振窗谐振窗在矩形波导的横截面内引入图在矩形波导的横截面内引入图4.3(a)的窗口形金属薄片的窗口形金属薄片可视为可视为感性膜片与容性膜片感性膜片与容性膜片的组合。的组合。图图4.34.2 几种简单不均匀性场的电抗性质(二)谐振窗在矩形波4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 (三三)销钉销钉在矩形波导或其他微波结构中，插入的金属圆柱体，在矩形波导或其他微波结构中，插入的金属圆柱体，称为销钉。称为销钉。图图4.4所示为所示为对穿销钉对穿销钉。采用与分析膜片相同的方法，。采用与分析膜片相同的方法，可分别得电感销钉和电容销钉。可分别得电感销钉和电容销钉。图图4.44.2 几种简单不均匀性场的电抗性质(三)销钉 4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 图图4.5所示为可调销钉，又称可调螺钉。它从矩形波导宽所示为可调销钉，又称可调螺钉。它从矩形波导宽边中心处插入，深度可调，其电抗性质随插入深度而定。边中心处插入，深度可调，其电抗性质随插入深度而定。插入深度较小时，销钉呈插入深度较小时，销钉呈容性容性，因为销钉主要起集中电，因为销钉主要起集中电场的作用，如图场的作用，如图4.5(a)所示；所示；图图4.54.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 图 4.5所示为可调销4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 图图4.5波导短路的实现波导短路的实现4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 图4.5波导短路的实现4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 4.2.2 导波系统中的阶跃不均匀性导波系统中的阶跃不均匀性(一一)同轴线、矩形波导横向尺寸的跃同轴线、矩形波导横向尺寸的跃变变图图4.6(a)为同轴线横向尺寸的跃变。图为同轴线横向尺寸的跃变。图4.6(b)为矩形波导为矩形波导窄边尺寸窄边尺寸的跃变。显然，这类结构的等效电路在阶跃面的跃变。显然，这类结构的等效电路在阶跃面两边表示为特性阻抗或两边表示为特性阻抗或等效特性阻抗等效特性阻抗不等的传输线，台不等的传输线，台阶的作用类似于阶的作用类似于容性膜片容性膜片，故等效为跨接在传输线间的，故等效为跨接在传输线间的电容，如图电容，如图4.6(c)所示。所示。图图4.64.2 几种简单不均匀性场的电抗性质 4.2.2 导波系统中4.2几种简单不均匀性场的电抗性质几种简单不均匀性场的电抗性质 (二二)两条不同特性阻抗微带线的连两条不同特性阻抗微带线的连接接在连接点必然发生导带宽度跃变，如图在连接点必然发生导带宽度跃变，如图4.7(a)所示。所示。微带尺寸跃变的等效性质，可用微带尺寸跃变的等效性质，可用对偶波导模拟法对偶波导模拟法进行分进行分析。析。图图4.74.2 几种简单不均匀性场的电抗性质(二)两条不同特性4.3转换元件转换元件 4.3转换元件转换元件 连接元件连接元件在在微微波波技技术术中中，把把相相同同类类型型传传输输线线连连接接在在一一起起的的装装置置统统称称为为接接头头。常常用用的的接接头头有有同同轴轴接接头头和和波波导导接接头头两两种种。把把不不同同类类型型的的传传输输线线连连接接在在一一起起的的装装置置称称为为转转接接元元件件，又又称称作作转转换换接接头头。常常用用的的有有同同轴轴线与波导、同轴线与微带线、波导与微带线间的转接元件。线与波导、同轴线与微带线、波导与微带线间的转接元件。(一一)接头接头 对接头的基本要求是：连接点接触可靠，不引起电磁的反射，对接头的基本要求是：连接点接触可靠，不引起电磁的反射，输入驻波比尽可能小，一般在输入驻波比尽可能小，一般在1.2以下；工作频带要宽；电磁能量以下；工作频带要宽；电磁能量无泄漏；结构牢固，装拆方便，易于加工等。无泄漏；结构牢固，装拆方便，易于加工等。(a)平接头平接头(b)扼流接头扼流接头4.3 转换元件 4.3 转换元件 连接元件 在微波技术4.3转换元件转换元件 4.3 转换元件 4.3转换元件转换元件(二二)拐角、弯曲和扭转元件。当需要改变电磁波的极化方拐角、弯曲和扭转元件。当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，则要用到扭转元件。对这向而不改变其传输方向时，则要用到扭转元件。对这些元件的要求是：引入的反射尽可能小、工作频带宽、些元件的要求是：引入的反射尽可能小、工作频带宽、功率容量大。功率容量大。(a)波导拐弯波导拐弯(b)扭波导扭波导(c)E面弯曲面弯曲(d)H面弯曲面弯曲4.3 转换元件(二)拐角、弯曲和扭转元件。当需要改变电磁4.3转换元件转换元件(三三)转接元件转接元件 在将不同类型的传输线或元件连接时，不仅要考虑在将不同类型的传输线或元件连接时，不仅要考虑阻抗匹配阻抗匹配，而且还应该考虑而且还应该考虑模式的变换模式的变换。1、同轴线同轴线波导转换器波导转换器连连接接同同轴轴线线与与波波导导的的元元件件，称称为为同同轴轴线线波波导导转转换换器器，其其结结构构如如图所示。为了提高转换效率，可调节探针深度和短路活塞位置。图所示。为了提高转换效率，可调节探针深度和短路活塞位置。2、波导波导微带转接器微带转接器通常在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。通常在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。同轴线同轴线波导波导波导波导微带微带4.3 转换元件(三)转接元件 在将不同类型的传输线4.3转换元件转换元件 3、同轴线同轴线微带转接器微带转接器 同轴线同轴线微带转接器的结构如图所示。与微带连接处的同轴线微带转接器的结构如图所示。与微带连接处的同轴线内导体直径的选取与微带线的特性阻抗有关，通常使内导体直径等内导体直径的选取与微带线的特性阻抗有关，通常使内导体直径等于微带线宽度。于微带线宽度。4、矩形波导矩形波导圆波导模式变换器圆波导模式变换器 矩形波导矩形波导圆波导模式变换器，大多采用波导横截面的逐渐圆波导模式变换器，大多采用波导横截面的逐渐变化来达到模式的变换。变化来达到模式的变换。矩形波导矩形波导圆波导模式变换器圆波导模式变换器同轴线同轴线微带微带4.3 转换元件 3、同轴线微带转接器 同轴线微带4.3转换元件转换元件 图图4.294.3转换元件转换元件 a同轴波导同轴波导b 波导微带线波导微带线c矩形波导圆波导矩形波导圆波导b同轴带状线同轴带状线d同轴微带线同轴微带线4.3 转换元件 图4.294.3 转换元件 a 同轴波导4.3转换元件转换元件 4.3转换元件转换元件 工作于工作于TEM模的同轴线与工作于模的同轴线与工作于TE10模的矩形波导模的矩形波导之间的转换装置有多种结构形式。如图之间的转换装置有多种结构形式。如图4.29(a)所示的所示的探探针和耦合环针和耦合环是常用的两种。这里以是常用的两种。这里以探针探针为例进行分析。为例进行分析。4.3.1 同轴波导转换器同轴波导转换器图图4.294.3 转换元件 4.3 转换元件 工作于T4.3转换元件转换元件 探针探针电电激励激励“电激励电激励”的方法之一是将一根探针平行放置在波的方法之一是将一根探针平行放置在波导中所需激模式电场强度最强处，靠探针顶端的交变电导中所需激模式电场强度最强处，靠探针顶端的交变电荷产生时变电场，从而在波导中激起电磁波。矩形波导荷产生时变电场，从而在波导中激起电磁波。矩形波导中中TE10模就可由这种方法来激励，其激励装置如图所示。模就可由这种方法来激励，其激励装置如图所示。4.3 转换元件 探针电激励 “电激励”的方4.3转换元件转换元件 图图4.30宽带宽带模模模模互易定理互易定理4.3 转换元件 图4.30宽带4.3转换元件转换元件 设同轴线的特性阻抗为设同轴线的特性阻抗为Zc1，波导的等效特性阻抗为，波导的等效特性阻抗为Zc2，波导输出端接匹配负载。探针附近的高次模引起的，波导输出端接匹配负载。探针附近的高次模引起的电抗为电抗为jX，短路波导段短路波导段等效电抗为等效电抗为jX2。同轴线与波导的同轴线与波导的耦合作用耦合作用可用理想变压器代表，于是，转换器的等效电可用理想变压器代表，于是，转换器的等效电路如图路如图4.31所示。所示。图图4.314.3 转换元件 设同轴线的特性阻抗为Zc1，波导的4.3转换元件转换元件 小环磁激励小环磁激励图图4.294.3 转换元件 小环磁激励图4.294.3转换元件转换元件 4.3 转换元件 4.3转换元件转换元件 4.3.2 矩形圆波导转换器矩形圆波导转换器这里仅介绍两种常用的矩形这里仅介绍两种常用的矩形圆形波导转换器。圆形波导转换器。(一一)转换转换器器图图4.29(c)4.3 转换元件 4.3.2 矩形圆波导转换器这里仅介绍两4.3转换元件转换元件 4.3.2 矩形圆波导转换器矩形圆波导转换器这里仅介绍两种常用的矩形这里仅介绍两种常用的矩形圆形波导转换器。圆形波导转换器。(一一)转换转换器器4.3 转换元件 4.3.2 矩形圆波导转换器这里仅介绍两4.3转换元件转换元件(二二)转换转换器器图图4.324.3 转换元件 (二)4.3转换元件转换元件(二二)转换转换器器图图4.324.3 转换元件 (二)作业作业181.课本课本P335，4.11、4.16作业作业 作业18作业