微波技术11常用微波元件资料课件

常用微波元件常用微波元件 微波元件的功能在于对微波信号进行各种变微波元件的功能在于对微波信号进行各种变微波元件的功能在于对微波信号进行各种变微波元件的功能在于对微波信号进行各种变换，按其变换性质可将微波元件分为如下三类：换，按其变换性质可将微波元件分为如下三类：换，按其变换性质可将微波元件分为如下三类：换，按其变换性质可将微波元件分为如下三类：线性互易元件线性互易元件线性非互易元件线性非互易元件非线性元件非线性元件线性互易元件线性互易元件线性互易元件线性互易元件 凡凡凡凡是是是是元元元元件件件件中中中中没没没没有有有有非非非非线线线线性性性性和和和和非非非非互互互互易易易易性性性性物物物物质质质质都都都都属属属属于于于于这这这这一一一一类类类类。常常常常用用用用的的的的线线线线性性性性互互互互易易易易元元元元件件件件包包包包括括括括：匹匹匹匹配配配配负负负负载载载载、衰衰衰衰减减减减器器器器、移移移移相相相相器器器器、短短短短路路路路活活活活塞塞塞塞、功功功功分分分分器器器器、微微微微波波波波电电电电桥桥桥桥、定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。线性非互易元件线性非互易元件线性非互易元件线性非互易元件 这这这这类类类类元元元元件件件件中中中中包包包包含含含含磁磁磁磁化化化化铁铁铁铁氧氧氧氧体体体体等等等等各各各各向向向向异异异异性性性性媒媒媒媒质质质质，具具具具有有有有非非非非互互互互易易易易特特特特性性性性，其其其其散散散散射射射射矩矩矩矩阵阵阵阵是是是是不不不不对对对对称称称称的的的的。但但但但仍仍仍仍工工工工作作作作于于于于线线线线性性性性区区区区域域域域，属属属属于于于于线线线线性性性性元元元元件件件件范范范范围围围围。常常常常用用用用的的的的线线线线性非互易元件有隔离器、环行器等。性非互易元件有隔离器、环行器等。性非互易元件有隔离器、环行器等。性非互易元件有隔离器、环行器等。常用微波元件常用微波元件非线性元件非线性元件 这类元件中含有非线性物质，能对微波信号这类元件中含有非线性物质，能对微波信号这类元件中含有非线性物质，能对微波信号这类元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换，从而引起频率的改变，并能通进行非线性变换，从而引起频率的改变，并能通进行非线性变换，从而引起频率的改变，并能通进行非线性变换，从而引起频率的改变，并能通过电磁控制以改变元件的特性参量。过电磁控制以改变元件的特性参量。过电磁控制以改变元件的特性参量。过电磁控制以改变元件的特性参量。常用的非线性元件有检波器、混频器、变频常用的非线性元件有检波器、混频器、变频常用的非线性元件有检波器、混频器、变频常用的非线性元件有检波器、混频器、变频器等。器等。器等。器等。常用微波元件常用微波元件微波元件分类微波元件分类 近年来，为了实现微波系统的小型化，通近年来，为了实现微波系统的小型化，通近年来，为了实现微波系统的小型化，通近年来，为了实现微波系统的小型化，通常采用由微带和集中参数元件组成的微波集成常采用由微带和集中参数元件组成的微波集成常采用由微带和集中参数元件组成的微波集成常采用由微带和集中参数元件组成的微波集成电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组成复杂的微波系统，完成各种不同功能。成复杂的微波系统，完成各种不同功能。成复杂的微波系统，完成各种不同功能。成复杂的微波系统，完成各种不同功能。常用微波元件常用微波元件应用于应用于 Microwave DivisionMicrowave Division 一端口元件对外只有一个物理端口，其功能一般是一端口元件对外只有一个物理端口，其功能一般是对确定频率微波信号产生谐振以及作为微波传输系统末对确定频率微波信号产生谐振以及作为微波传输系统末端的负载。端的负载。三种负载类型，其端口的反射系数分别表现为：三种负载类型，其端口的反射系数分别表现为：l匹配负载匹配负载=0=0 l短路负载短路负载=l失配负载失配负载|=|=常数。常数。单端口元件单端口元件常用微波元件常用微波元件一端口元件一端口元件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 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。外导体壁）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:常用微波元件常用微波元件短路负载短路负载-短路活塞短路活塞 这表明短路器的输入端反射系数的模应等于这表明短路器的输入端反射系数的模应等于1 1，而相角是可变的。，而相角是可变的。常用微波元件常用微波元件 在结构上，短路活塞可做成接触式在结构上，短路活塞可做成接触式(左图）和扼流式左图）和扼流式（右图）两种（右图）两种:扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞太长。太长。为了减小长度可以采用下图所示山字形和为了减小长度可以采用下图所示山字形和S S形扼流活形扼流活塞。缺点是频带窄，一般只能做到塞。缺点是频带窄，一般只能做到101015%15%的带宽。的带宽。常用微波元件常用微波元件 低功率波导匹配负载一般为一段终端短路的波导，低功率波导匹配负载一般为一段终端短路的波导，在其里面沿电场方向放置一块或者数块劈形吸收片或者在其里面沿电场方向放置一块或者数块劈形吸收片或者楔形吸收体，如图所示：楔形吸收体，如图所示：匹配负载匹配负载波导型波导型常用微波元件常用微波元件 同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥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：形或者阶梯型吸收体，如图所示：同轴型同轴型常用微波元件常用微波元件 高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。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）。液体（通常用水）。常用微波元件常用微波元件高功率型高功率型常用微波元件常用微波元件大功率水冷匹配负载大功率水冷匹配负载失配负载失配负载 实用中的失配负载都是做成标准失配负载，实用中的失配负载都是做成标准失配负载，实用中的失配负载都是做成标准失配负载，实用中的失配负载都是做成标准失配负载，具有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测具有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测具有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测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。量中作标准终端负载。量中作标准终端负载。量中作标准终端负载。失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导口径的尺寸口径的尺寸口径的尺寸口径的尺寸b b不同而已。不同而已。不同而已。不同而已。设设设设b0b0为标准波导窄边尺寸，为标准波导窄边尺寸，为标准波导窄边尺寸，为标准波导窄边尺寸，b b为失配负载波为失配负载波为失配负载波为失配负载波导的窄边尺寸，由于导的窄边尺寸，由于导的窄边尺寸，由于导的窄边尺寸，由于常用微波元件常用微波元件则：则：则：则：可见对于不同的可见对于不同的可见对于不同的可见对于不同的b b b b可以得到不同的驻波比。可以得到不同的驻波比。可以得到不同的驻波比。可以得到不同的驻波比。常用微波元件常用微波元件二端口元件二端口元件b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2a1 端口端口1的电压入射波的电压入射波 S11 端口端口1的反射系数的反射系数a2 端口端口2的电压入射波的电压入射波 S22 端口端口2的反射系数的反射系数b1 端口端口1的电压出射波的电压出射波 S12 反向传输系数（增益）反向传输系数（增益）b2 端口端口2的电压出射波的电压出射波 S21 正向传输正向传输系数（增益）系数（增益）a1b1a2b2S11S22S21 S12常用微波元件常用微波元件 二端口元件可以等效为二端口网络，其散射二端口元件可以等效为二端口网络，其散射二端口元件可以等效为二端口网络，其散射二端口元件可以等效为二端口网络，其散射矩阵为矩阵为矩阵为矩阵为常用微波元件常用微波元件(1)(1)波导接波导接波导接波导接头头头头常用微波元件常用微波元件连接元件连接元件 其主要指标要求是接触损耗小、驻波比小、功其主要指标要求是接触损耗小、驻波比小、功率容量大、工作频带宽。率容量大、工作频带宽。波导连接方法分波导连接方法分接触连接接触连接接触连接接触连接和和扼流连接扼流连接扼流连接扼流连接两种。它们是两种。它们是借助于焊在待连接元件波导端口上的法兰盘来实现的。法借助于焊在待连接元件波导端口上的法兰盘来实现的。法兰盘结构形式分兰盘结构形式分平法兰盘平法兰盘和和扼流法兰扼流法兰盘盘两种，如图两种，如图所示。所示。功率容量大功率容量大,频带窄频带窄平接头平接头扼流接头扼流接头扭波导扭波导 当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，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。则要用到扭转元件。则要用到扭转元件。则要用到扭转元件。常用微波元件常用微波元件(2)(2)拐角、弯曲和扭转元件拐角、弯曲和扭转元件拐角、弯曲和扭转元件拐角、弯曲和扭转元件 对这些元件的要求是：引入的反射尽可能小、工作频对这些元件的要求是：引入的反射尽可能小、工作频对这些元件的要求是：引入的反射尽可能小、工作频对这些元件的要求是：引入的反射尽可能小、工作频带宽、功率容量大。带宽、功率容量大。带宽、功率容量大。带宽、功率容量大。E弯弯H弯弯(1)膜片膜片常用微波元件常用微波元件匹配元件匹配元件 匹配元件的种类很多，这里只介绍膜片，销钉和螺钉匹匹配元件的种类很多，这里只介绍膜片，销钉和螺钉匹配器。配器。波导中的膜片是垂直于波导管轴放置的薄金属波导中的膜片是垂直于波导管轴放置的薄金属片，有对称和不对称之分。片，有对称和不对称之分。膜片是波导中常用的匹配元件，一般在调匹配膜片是波导中常用的匹配元件，一般在调匹配时多用不对称膜片，而当负载要求对称输出时，则时多用不对称膜片，而当负载要求对称输出时，则需用对称膜片。需用对称膜片。膜片匹配的原理是膜片匹配的原理是利用膜片产生的反射来利用膜片产生的反射来抵消由于负载不匹配所产生的反射波抵消由于负载不匹配所产生的反射波。常用微波元件常用微波元件 电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中磁场和存储磁能的元件；而电容器是指能够集中电场和存磁场和存储磁能的元件；而电容器是指能够集中电场和存储电能的元件。储电能的元件。电容膜片电容膜片 电容膜片及其等效电路电纳的近似计算公式为电纳的近似计算公式为 常用微波元件常用微波元件 矩矩形形波波导导中中的的电电感感膜膜片片及及其其等等效效电电路路如如图图所所示示。当当在在波波导导窄窄壁壁上上放放置置金金属属膜膜片片后后，会会使使波波导导宽宽壁壁上上的的电电流流产产生生分分流流，于于是是在在膜膜片片的的附附近必然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜片。近必然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜片。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常用微波元件常用微波元件谐振窗谐振窗 下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。即在横向金属膜片上开设一个小窗，称为谐振窗。即在横向金属膜片上开设一个小窗，称为谐振窗。即在横向金属膜片上开设一个小窗，称为谐振窗。即在横向金属膜片上开设一个小窗，称为谐振窗。矩形波导谐振膜片的应用矩形波导谐振膜片的应用波导滤波器波导滤波器常用微波元件常用微波元件阶梯阻抗变换器阶梯阻抗变换器矩形波导谐振膜片的应用矩形波导谐振膜片的应用常用微波元件常用微波元件（3）销钉）销钉 它在波导中起电感作用，可用作匹配元件和谐振元件，它在波导中起电感作用，可用作匹配元件和谐振元件，常用于构成波导滤波器。常用于构成波导滤波器。常用微波元件常用微波元件 销钉的相对感纳与棒的粗细有关，棒越细，销钉的相对感纳与棒的粗细有关，棒越细，电感量越大，其相对电纳越小；同样粗细的棒，电感量越大，其相对电纳越小；同样粗细的棒，根数越多，相对电纳越大。根数越多，相对电纳越大。置于置于a a/2/2处的单销钉相对电纳的近似式为处的单销钉相对电纳的近似式为常用微波元件常用微波元件 螺钉调配器调整较为方便。螺钉是低螺钉调配器调整较为方便。螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件。件。常用微波元件常用微波元件螺钉调配器螺钉调配器 实用时，为避免波导短路和击穿，通实用时，为避免波导短路和击穿，通常设计螺钉成容性，作可变电容用，螺钉常设计螺钉成容性，作可变电容用，螺钉旋入波导的深度应小于旋入波导的深度应小于3b/4,b3b/4,b为矩形波导为矩形波导窄边的尺寸。窄边的尺寸。常用微波元件常用微波元件 衰减和相移元件分别用来改变导行系统中电磁场的幅度衰减和相移元件分别用来改变导行系统中电磁场的幅度和相位，衰减器和相移器联合使用，可以调节导行系统和相位，衰减器和相移器联合使用，可以调节导行系统中电磁波的传播常数。中电磁波的传播常数。理想衰减器在衰减量连续可变时，相移量应固定不变。理想衰减器在衰减量连续可变时，相移量应固定不变。衰减量可变的二端口网络，其散射矩阵为：衰减量可变的二端口网络，其散射矩阵为：常用微波元件常用微波元件衰减与相移元件衰减与相移元件 理想相移器应该是一个具有单位振幅，即相位变化过程理想相移器应该是一个具有单位振幅，即相位变化过程中，其衰减量固定不变。相移量可变的二端口网络，其中，其衰减量固定不变。相移量可变的二端口网络，其散射矩阵为：散射矩阵为：吸收式衰减器结构变移相器吸收式衰减器结构变移相器 常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件波型变换元件波型变换元件 为了从一种导行系统元件过渡到另一种导行系统元件为了从一种导行系统元件过渡到另一种导行系统元件为了从一种导行系统元件过渡到另一种导行系统元件为了从一种导行系统元件过渡到另一种导行系统元件或过渡到同种导行系统的另一种元件并要求产生所需要的或过渡到同种导行系统的另一种元件并要求产生所需要的或过渡到同种导行系统的另一种元件并要求产生所需要的或过渡到同种导行系统的另一种元件并要求产生所需要的工作模式，就需要采用波型变换元件。工作模式，就需要采用波型变换元件。工作模式，就需要采用波型变换元件。工作模式，就需要采用波型变换元件。波导激励的一般方法与装置波导激励的一般方法与装置波导激励的一般方法与装置波导激励的一般方法与装置（1 1）探针激励探针激励常用微波元件常用微波元件（2 2）环激励）环激励（3 3）孔或缝激励）孔或缝激励常用微波元件常用微波元件（4 4）直接过渡）直接过渡 通过波导截面形状的逐渐变形，可将原波导中的模式转通过波导截面形状的逐渐变形，可将原波导中的模式转换成另一种波导中所需要的模式。换成另一种波导中所需要的模式。矩形波导矩形波导TETE1010模转换成圆波导模转换成圆波导TETE1111模的方模的方 -圆过渡圆过渡 常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件在微波技术中常用作分路元件或功率分配器在微波技术中常用作分路元件或功率分配器/合成器：合成器：常用微波元件常用微波元件三端口元件三端口元件三端口元件三端口元件任意三端口网络的散射矩阵为任意三端口网络的散射矩阵为若元件是互易的，有若元件是互易的，有常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件 性质性质1：无耗互易三端口网络不可能完全匹配，无耗互易三端口网络不可能完全匹配，即三个端口不可能同时都匹配。即三个端口不可能同时都匹配。性质性质2：任意完全匹配的无耗三端口网络必定非互任意完全匹配的无耗三端口网络必定非互任意完全匹配的无耗三端口网络必定非互任意完全匹配的无耗三端口网络必定非互易，且为环行器，其正、反旋环行器的散射矩阵为易，且为环行器，其正、反旋环行器的散射矩阵为易，且为环行器，其正、反旋环行器的散射矩阵为易，且为环行器，其正、反旋环行器的散射矩阵为和和 波导环形器波导环形器可以控制电磁波沿某一环形方可以控制电磁波沿某一环形方向传输，在微波系统中主要用于单向传输能量，向传输，在微波系统中主要用于单向传输能量，这种单向传输性能用于微波设备的级与级、级与这种单向传输性能用于微波设备的级与级、级与系统之间就能使它们各自独立工作、互相隔离。系统之间就能使它们各自独立工作、互相隔离。常用微波元件常用微波元件性质性质3 3：无耗互易三端口网络的任意两个端口可无耗互易三端口网络的任意两个端口可以实现匹配以实现匹配。常用微波元件常用微波元件 性质性质性质性质4 4：若三端口网络允许有耗，则网络可以是互若三端口网络允许有耗，则网络可以是互若三端口网络允许有耗，则网络可以是互若三端口网络允许有耗，则网络可以是互易和完全匹配的，且有耗的三端口网络可做到输出端易和完全匹配的，且有耗的三端口网络可做到输出端易和完全匹配的，且有耗的三端口网络可做到输出端易和完全匹配的，且有耗的三端口网络可做到输出端口之间隔离口之间隔离口之间隔离口之间隔离（例如（例如（例如（例如 ）。）。）。）。T T形接头形接头 对于无耗形接头，可用传输线型来表示：对于无耗形接头，可用传输线型来表示：可以选择输出线的特性阻抗来获得不同的功率分配比。可以选择输出线的特性阻抗来获得不同的功率分配比。可以选择输出线的特性阻抗来获得不同的功率分配比。可以选择输出线的特性阻抗来获得不同的功率分配比。常用微波元件常用微波元件三端口功率分配三端口功率分配三端口功率分配三端口功率分配/合成元件合成元件合成元件合成元件矩形波导矩形波导T T形接头形接头 矩形波导工作在主模矩形波导工作在主模TETE1010，分，分E-TE-T和和H-TH-T接头：接头：H-TH-T接头接头E-TE-T接头接头常用微波元件常用微波元件左图说明：左图说明：信号从信号从1 1臂输入时，主波导臂输入时，主波导2 2、3 3臂中距臂中距1 1臂等距离的臂等距离的T2T2、T3T3处为等幅处为等幅反向输出。反向输出。当当T2T2、T3T3处有等幅反相信号输入时，则二者在处有等幅反相信号输入时，则二者在1 1臂内同向叠加输出。臂内同向叠加输出。常用微波元件常用微波元件E-T特性分析特性分析右图说明：右图说明：右图说明：右图说明：当在当在2 2、3 3臂的臂的T2T2、T3T3处输入等幅同相信号时，二者在处输入等幅同相信号时，二者在1 1臂臂中反向抵消而不能从中反向抵消而不能从1 1臂输出，只能在臂输出，只能在2 2、3 3臂中形成驻波。臂中形成驻波。常用微波元件常用微波元件E-T特性分析特性分析H-TH-T特性分析特性分析常用微波元件常用微波元件说明：说明：说明：说明：如上图当信号从分支如上图当信号从分支4臂输入时，臂输入时，2、3臂的臂的T2、T3处处信号等幅同相输出；信号等幅同相输出；2、3臂的臂的T2、T3处输入等幅同相信号时，二者在处输入等幅同相信号时，二者在4臂同臂同相叠加输出。相叠加输出。当当2 2、3 3臂的臂的T2T2、T3T3处输入等幅反相信号时，处输入等幅反相信号时，二者在二者在4 4臂反相抵消，臂反相抵消，4 4臂无输出。臂无输出。常用微波元件常用微波元件H-TH-T分支分支分支分支常用微波元件常用微波元件H-TH-T分支分支分支分支总结：总结：E-T特性：主臂特性：主臂 输入，支臂臂输入，支臂臂、臂等幅反相输出；臂等幅反相输出；H-T特性：主臂特性：主臂输入，支臂臂输入，支臂臂、臂等幅同相输出。臂等幅同相输出。常用微波元件常用微波元件H-T分支分支功率分配设计结构功率分配设计结构调节膜片位置调节膜片位置x得到不同的得到不同的功率分配功率分配矩形波导对称矩形波导对称Y Y分支结构及其等效电路图如图所示，分为分支结构及其等效电路图如图所示，分为E E面分支和面分支和H H面分支；前者为串联分支，后者为并联分支。面分支；前者为串联分支，后者为并联分支。E-YE-Y分支分支H-YH-Y分支分支常用微波元件常用微波元件对称对称Y分支分支三种作为功率分配器的波导三种作为功率分配器的波导三种作为功率分配器的波导三种作为功率分配器的波导Y Y Y Y分支分支分支分支 分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当的分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当的选择高度和就可以得到任意的功率分配比。选择高度和就可以得到任意的功率分配比。常用微波元件常用微波元件 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，而二个输出端口则不可能完全隔离。匹配，而二个输出端口则不可能完全隔离。威尔金森功率分配器威尔金森功率分配器常用微波元件常用微波元件电阻性功率分配器电阻性功率分配器设计公式设计公式 为功率分配比为功率分配比 常用微波元件常用微波元件四端口元件四端口元件定向耦合器定向耦合器四端口四端口四端口四端口SSSS参数性质参数性质参数性质参数性质性质性质1:1:无耗互易四端口网络可以完全匹配，而为一理无耗互易四端口网络可以完全匹配，而为一理 想定向耦合器。想定向耦合器。性质性质2:2:有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四 个端口均匹配，即是说四个端口匹配是定向耦合的充个端口均匹配，即是说四个端口匹配是定向耦合的充 分条件，而不是必要条件。分条件，而不是必要条件。性质性质3:3:有二个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口有二个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口 电路必然为一理想定向耦合器，且其余两个端口亦匹电路必然为一理想定向耦合器，且其余两个端口亦匹 配并相互隔离。配并相互隔离。常用微波元件常用微波元件四端口元件四端口元件四端口元件四端口元件l l定向耦合器定向耦合器定向耦合器定向耦合器 耦合度：耦合度：定向性：定向性：常用微波元件常用微波元件四端口元件四端口元件四端口元件四端口元件隔离度：隔离度：有：有：不同形式的定向耦合器不同形式的定向耦合器不同形式的定向耦合器不同形式的定向耦合器（1 1）BetheBethe孔耦合器孔耦合器 BetheBethe孔耦合器是一种单孔耦合器。为获得定向性，该单孔耦合器是一种单孔耦合器。为获得定向性，该单孔需开在两个矩形波导的公共宽壁上，如图所示孔需开在两个矩形波导的公共宽壁上，如图所示 常用微波元件常用微波元件 工作原理：工作原理：小孔可用电和磁偶极矩构成的等效源来代小孔可用电和磁偶极矩构成的等效源来代替，调节两个等效源的相对振幅可以消除在隔离端口方向替，调节两个等效源的相对振幅可以消除在隔离端口方向的辐射，而增强在耦合端口方向的辐射，从而获得理想的的辐射，而增强在耦合端口方向的辐射，从而获得理想的 定向性。定向性。常用微波元件常用微波元件（2）波导多孔定向耦合器）波导多孔定向耦合器 单孔耦合器的缺点是频带窄。宽频带应用时可采用多单孔耦合器的缺点是频带窄。宽频带应用时可采用多孔耦合器。孔耦合器。以双孔耦合器为例说明工作原理以双孔耦合器为例说明工作原理 设波导由端口输入，大部分波向端口传输，一部分波通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距/4，结果在端口方向的波相位同相而增强，在端口方向则因相位反相而相互抵消。常用微波元件常用微波元件（3）耦合线定向耦合器）耦合线定向耦合器 其特性是其特性是其特性是其特性是:由端口由端口由端口由端口输入的信号一部分传至端口输入的信号一部分传至端口输入的信号一部分传至端口输入的信号一部分传至端口，一部分耦合，一部分耦合，一部分耦合，一部分耦合至副线由端口至副线由端口至副线由端口至副线由端口输出，端口输出，端口输出，端口输出，端口无输出。无输出。无输出。无输出。对耦合微带线或其它非对耦合微带线或其它非对耦合微带线或其它非对耦合微带线或其它非TEMTEMTEMTEM线，奇，偶模速度不相同，耦合器的线，奇，偶模速度不相同，耦合器的线，奇，偶模速度不相同，耦合器的线，奇，偶模速度不相同，耦合器的定向性就要变差。为改变性能，需要采取相应的速度补偿措施，如加定向性就要变差。为改变性能，需要采取相应的速度补偿措施，如加定向性就要变差。为改变性能，需要采取相应的速度补偿措施，如加定向性就要变差。为改变性能，需要采取相应的速度补偿措施，如加介质覆盖层，采用各向异性基片，耦合段做成锯齿形等。介质覆盖层，采用各向异性基片，耦合段做成锯齿形等。介质覆盖层，采用各向异性基片，耦合段做成锯齿形等。介质覆盖层，采用各向异性基片，耦合段做成锯齿形等。常用微波元件常用微波元件（4）正交混合电桥）正交混合电桥 分支线耦合器的特性是：分支线耦合器的特性是：当所有端口匹配时，由端口当所有端口匹配时，由端口输入的输入的功率在端口功率在端口和和之间平分且有之间平分且有9090相位差，端口相位差，端口无输出（隔离无输出（隔离端口）。其端口）。其S S矩阵为矩阵为常用微波元件常用微波元件（5 5）180180混合电桥混合电桥该图为混合环该图为混合环1.5lTEM1.5lTEM线（带状线或微带线）并联连接而成。线（带状线或微带线）并联连接而成。信号由端口信号由端口输入时，端口输入时，端口和和等幅同相输出，等幅同相输出，端口端口无输出；信号由端口无输出；信号由端口输入时，端口输入时，端口和和等幅反相输出，端口等幅反相输出，端口无输出。当用作功率合无输出。当用作功率合成器时，信号同时加于端口成器时，信号同时加于端口和和，则端口，则端口输输出出“和和”信号，端口信号，端口输出输出“差差”信号。信号。常用微波元件常用微波元件魔魔魔魔T T T T的重要特性：的重要特性：的重要特性：的重要特性：1 1 1 1）四个端口完全匹配）四个端口完全匹配）四个端口完全匹配）四个端口完全匹配2 2 2 2）臂）臂）臂）臂和臂和臂和臂和臂相互隔离，两侧臂相互隔离，两侧臂相互隔离，两侧臂相互隔离，两侧臂 和和和和相互隔离；相互隔离；相互隔离；相互隔离；3 3 3 3）进入一侧臂）进入一侧臂）进入一侧臂）进入一侧臂的信号，由臂的信号，由臂的信号，由臂的信号，由臂和臂和臂和臂和臂等分输出，而另一等分输出，而另一等分输出，而另一等分输出，而另一侧壁无输出；侧壁无输出；侧壁无输出；侧壁无输出；4 4 4 4）进入）进入）进入）进入H H H H臂臂臂臂的信号，由两侧臂等幅同相输出，而的信号，由两侧臂等幅同相输出，而的信号，由两侧臂等幅同相输出，而的信号，由两侧臂等幅同相输出，而E E E E臂臂臂臂 无输出；无输出；无输出；无输出；5 5 5 5）进入）进入）进入）进入E E E E臂臂臂臂的信号，由两侧臂等幅反相输出，而的信号，由两侧臂等幅反相输出，而的信号，由两侧臂等幅反相输出，而的信号，由两侧臂等幅反相输出，而H H H H臂臂臂臂 无输出；无输出；无输出；无输出；6 6 6 6）两侧臂）两侧臂）两侧臂）两侧臂和和和和同时输入信号，臂同时输入信号，臂同时输入信号，臂同时输入信号，臂为和口、臂为和口、臂为和口、臂为和口、臂为差口为差口为差口为差口输出。输出。输出。输出。常用微波元件常用微波元件波导匹配魔波导匹配魔T定义：用完全相同的电抗元件以周期性间隔加载的导行定义：用完全相同的电抗元件以周期性间隔加载的导行系统称为微波周期结构。系统称为微波周期结构。所有的周期结构都具有如下共性：所有的周期结构都具有如下共性：类似于滤波器的带通和带阻特性；类似于滤波器的带通和带阻特性；周期结构上的导波为慢波，其相速度比未加载线的相周期结构上的导波为慢波，其相速度比未加载线的相 速度要慢。速度要慢。微波周期结构微波周期结构微波周期结构微波周期结构-电磁慢波电磁慢波电磁慢波电磁慢波常用微波元件常用微波元件 将系统移动周期长度的整数倍时，它与移动前的结将系统移动周期长度的整数倍时，它与移动前的结构完全重合。此时，在给定的稳态频率下，对于系统沿构完全重合。此时，在给定的稳态频率下，对于系统沿其中某个特定传输波型，它在某截面处的场与相隔周期长其中某个特定传输波型，它在某截面处的场与相隔周期长度整数倍处的场仅仅相差一个复数常数。度整数倍处的场仅仅相差一个复数常数。福罗奎定理可用电场矢量表示成：福罗奎定理可用电场矢量表示成：（1 1）其周期与周期结构的空间周期相同，记作其周期与周期结构的空间周期相同，记作L L，即有，即有 （2 2）常用微波元件常用微波元件福罗奎（福罗奎（Floquet）定理）定理设设E1和和E2是相隔为是相隔为mL的两个截面上的场，的两个截面上的场，m为整数。则为整数。则位置位置1：位置位置2：由（由（2）式，可得）式，可得E0(x,y,z)是空间周期函数，应用付氏级数按周期是空间周期函数，应用付氏级数按周期L展开，有展开，有根据正交性原理可求出级数的系数根据正交性原理可求出级数的系数E0n(x,y)为为因此因此考虑无耗，则考虑无耗，则这里这里上述分析结构表明：上述分析结构表明：在周期结构中所传播的不是一个振在周期结构中所传播的不是一个振幅沿幅沿z为常数的正弦行波，而是一个非正弦行波，或者为常数的正弦行波，而是一个非正弦行波，或者说是一个振幅沿说是一个振幅沿z周期性变化的行波。此行波可应用傅周期性变化的行波。此行波可应用傅立叶方法分解成一系列振幅沿立叶方法分解成一系列振幅沿z为常数的正弦行波。它为常数的正弦行波。它们各自以自己的振幅和相移常数沿系统传播，其总和则们各自以自己的振幅和相移常数沿系统传播，其总和则构成周期结构系统中总的场分布。构成周期结构系统中总的场分布。每一个波我们称之为一个空间谐波，每一个波我们称之为一个空间谐波，n=0为基波，其余为基波，其余称为称为n次空间谐波。其场沿横截面的分布次空间谐波。其场沿横截面的分布E0n(x,y)与与z无无关；其相移常数为关；其相移常数为 。相速度相速度（慢波）（慢波）群速度呢？群速度呢？(8.5-9)式式微波周期结构的应用微波周期结构的应用(1)电磁带隙结构电磁带隙结构(EBGs)(2)电磁慢波结构电磁慢波结构(3)左手材料左手材料自学内容自学内容铁氧体的一般性质铁氧体的一般性质铁氧体元件铁氧体元件铁氧体元件铁氧体元件常用微波元件常用微波元件 铁氧体是由金属氧化物混合烧结而成的磁性材料。铁氧体是由金属氧化物混合烧结而成的磁性材料。其化学表示一般为其化学表示一般为MOFe2O3，其中，其中M代表二价金属如：代表二价金属如：锰、镁、锌、镍、镉等或者是它们的混合物。机械性能类锰、镁、锌、镍、镉等或者是它们的混合物。机械性能类似于陶瓷，其质硬而脆。似于陶瓷，其质硬而脆。铁氧体电阻率高铁氧体电阻率高106109 cmcm，比，比铁铁高高1212倍以上倍以上铁氧体电性能铁氧体电性能近似于绝缘体，有时称非金属磁性近似于绝缘体，有时称非金属磁性材料材料铁氧体的张量磁导率为铁氧体的张量磁导率为 式中式中常用微波元件常用微波元件1.1.在铁氧体中沿恒定磁场方向传播的平面波，是圆极化在铁氧体中沿恒定磁场方向传播的平面波，是圆极化 TEMTEM波；波；2.2.对于圆极化波，铁氧体的导磁率不再为张量而为标量，对于圆极化波，铁氧体的导磁率不再为张量而为标量，这意味着磁化铁氧体媒质对圆极化波表现为各向同性，这意味着磁化铁氧体媒质对圆极化波表现为各向同性，但导磁率的大小与圆极化波的旋转方向有关。但导磁率的大小与圆极化波的旋转方向有关。l旋磁效应旋磁效应 1.1.铁磁谐振效应铁磁谐振效应常用微波元件常用微波元件注意：注意：左旋波的旋转方向与进动方向相反，在任左旋波的旋转方向与进动方向相反，在任何频率上都无法同步，故不发生谐振。因此，铁何频率上都无法同步，故不发生谐振。因此，铁磁谐振仅对右旋波而言。磁谐振仅对右旋波而言。常用微波元件常用微波元件正旋圆极化波的相速为零，波不传播，这种现象称为铁磁谐振。正旋圆极化波的相速为零，波不传播，这种现象称为铁磁谐振。定义：线性极化波在纵向磁化铁氧体内传播过程中定义：线性极化波在纵向磁化铁氧体内传播过程中极化方极化方向向发生发生旋转旋转的效应。的效应。产生机理：一个线性极化波可以分解为两个旋转方向相产生机理：一个线性极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波，而这两个圆极化波在纵向磁化的铁氧体反的圆极化波，而这两个圆极化波在纵向磁化的铁氧体媒质中传播的相速不同媒质中传播的相速不同(相位常数不同相位常数不同)，因此，传播途，因此，传播途中不同距离上两圆极化波合成的线极化波的极化方向不中不同距离上两圆极化波合成的线极化波的极化方向不同，即极化面发生了旋转。如下图所示：同，即极化面发生了旋转。如下图所示：常用微波元件常用微波元件2.2.法拉第旋转效应法拉第旋转效应法拉第旋转效应法拉第旋转效应 由于线性极化波是恒定磁场由于线性极化波是恒定磁场(顺着磁场方向顺着磁场方向)分为右旋和左旋圆极化波，因此，只要恒定磁场分为右旋和左旋圆极化波，因此，只要恒定磁场方向不变，无论波沿方向不变，无论波沿+z+z方向或沿方向或沿-z-z方向传播，极方向传播，极化面旋转方向是不变。这一特性称为法拉第旋转化面旋转方向是不变。这一特性称为法拉第旋转的的非互易性非互易性。常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件3.3.场移效应场移效应场移效应场移效应定义：定义：场移效应是对放入导波系统中的铁氧体，外加横向场移效应是对放入导波系统中的铁氧体，外加横向横磁场横磁场(垂直于波的传播方向垂直于波的传播方向)时，使导波场的分布产生横向时，使导波场的分布产生横向移动的效应。移动的效应。非线性各向异性磁性材料非线性各向异性磁性材料磁导率随外加磁场而变（非线性）磁导率随外加磁场而变（非线性）电磁波从不同角度通过磁化铁氧体，呈现出电磁波从不同角度通过磁化铁氧体，呈现出铁磁谐振、谐振吸收和法拉第极化旋转效应铁磁谐振、谐振吸收和法拉第极化旋转效应等非互易特性等非互易特性可构成隔离器、环形器、移相器等可构成隔离器、环形器、移相器等总结总结铁氧体铁氧体l l微波铁氧体元件微波铁氧体元件隔离器隔离器常用于微波源与负载之间，使全部功率传常用于微波源与负载之间，使全部功率传至负载而反射功率不反射至微波源。至负载而反射功率不反射至微波源。常用微波元件常用微波元件场移式场移式隔离器隔离器谐振式谐振式隔离器隔离器法拉第旋转式法拉第旋转式隔离器隔离器铁氧体侧面上贴一薄电阻片铁氧体侧面上贴一薄电阻片(或电阻膜层或电阻膜层)，电阻片可将，电阻片可将反向波吸收掉而只传输正向波，从而构成了一个隔离器，反向波吸收掉而只传输正向波，从而构成了一个隔离器，如图：如图：缺点：因靠电阻片吸收反射波，故仅适用于低功率。缺点：因靠电阻片吸收反射波，故仅适用于低功率。常用微波元件常用微波元件场移式隔离器场移式隔离器场移式隔离器场移式隔离器利用铁氧体对右旋圆极化波产生谐振吸收的特性可作成利用铁氧体对右旋圆极化波产生谐振吸收的特性可作成谐振式隔离器。谐振式隔离器。可用于高功率系统。可用于高功率系统。常用微波元件常用微波元件谐振式隔离器谐振式隔离器谐振式隔离器谐振式隔离器它由一段扭转它由一段扭转4545的矩形波导和一段的矩形波导和一段4545法拉第旋转圆波法拉第旋转圆波导相连，圆波导的另一端为圆到矩形变换器。导相连，圆波导的另一端为圆到矩形变换器。常用微波元件常用微波元件法拉第旋转式隔离器法拉第旋转式隔离器法拉第旋转式隔离器法拉第旋转式隔离器正向波：电场始终与电阻片垂正向波：电场始终与电阻片垂直，电阻片直，电阻片不吸收不吸收反向波：输出端口与电阻片平反向波：输出端口与电阻片平行，行，吸收吸收环形器、移相器（略）环形器、移相器（略）常用微波元件常用微波元件作业作业8.4 祝同学们学习顺利祝同学们学习顺利!