《微波技术与天线》
基本概念： • 相当于低频中的谐振回路，具有储能、选频、稳频 的功能； • 用途：微波源、滤波器、选频器等等； • 特点： 理论上说，有无穷多个谐振频率（多谐性）； 品质因素Q值很高（几万～几十万）； Q＝ω×
谐振系统谐振时的平均储能
系统中每秒的能量消耗
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对于谐振腔而言，已经无法分出哪里是电感、哪里是电容，腔 体内充满电磁场，因此只能用场的方法进行分析。
3
2 3 4
g 4
4
2
1 3
1
• 多孔定向耦合器（频带较宽）
4
1
2 3
2
N
1
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• 单孔定向耦合器
• 理想状态下，隔离端口应当没有输出，但实际上仍有一定 输出，因此应在隔离端口接匹配负载，吸收这一部分功率。
吸波材料
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• 定向耦合器实例
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（2）微带定向耦合器 距离较近的微带线之间都有能量耦合。 • 平行耦合线定向耦合器
（3） 渐变型阻抗变换器(graded model impedance changer)
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，另一方面结构设计越困难，因此 提出用渐变线代替多阶梯。 渐变线：其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线的特性阻抗变 换到另一条传输线的特性阻抗。 Zl
扼流法兰特点：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。一般用于高功率、窄频带场合。
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波导连接头除了法兰接头之外，还有各种扭转 (twist) 和弯曲 (bend) 元件，从而改变电磁波方向。
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(2)衰减元件和相移元件
1、衰减器： • 作用：根据需要，减小所传输信号的幅度。 • 原理：用吸波材料吸收一定的电磁能量来实现衰减。
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5.1 连接匹配元件
微波连接匹配元件包括三大类: •终端负载元件(terminal load devices)是连接在传输系统 终端实现终端短路、匹配或失配等功能的元件；
•微波连接元件(microwave connector)是将作用不同的两 个微波系统按一定要求连接起来，主要包括：波导接头、 衰减器、相移器及转换接头等； •阻抗匹配元器件(impedance matched devices)是用于调 整传输系统与终端之间阻抗匹配的器件，主要包括螺钉 调配器、多阶梯阻抗变换器及渐变型变换器等。
将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件 称为功率分配器。按输出功率比例不同，可分为等功率分 配器和不等功率分配器。 在结构上，大功率往往采用同轴线，而中小功率常采用微 带线。
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（1） 微带功率分配器：
• T形分支 微带线 微带天线阵元
• Y形分支
微带天线阵
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第五章 微波元器件
任何频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件， 既有如电容、电感、电阻、滤波器、分配器、谐振回路 等无源元器件，以实现信号匹配、分配、滤波等功能； 又有晶体管等有源元器件，实现信号产生、放大、调制、 变频等功能。 在微波系统中，实现对微波信号的产生、放大、变频、 匹配、分配、滤波等功能的部件，统称为微波元器件。
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微波元器件按其变换性质可分为三大类: •线性互易元器件(linear reciprocal devices)只对微波信号 进行线性变换而不改变频率特性并满足互易定理，主要 包括：各种微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波 滤波器件及微波谐振器件等； •线性非互易元器件 (linear nonreciprocal devices)主要是 指铁氧体器件，它的散射矩阵不对称，但仍工作在线性 区域，主要包括：隔离器、环行器等； •非线性器件(nonlinear devices)能引起频率的改变，从而 实现放大、调制、变频等，主要包括微波电子管、微波 晶体管、微波固态谐振器、微波场效应管及微波电真空 器件等。
劈形吸收片
波导内放置锲 形吸收体
当功率较大时
或在波导外侧加装 散热片以利于散热
劈形玻璃容器
当功率 很大时采用
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水负载
同轴线锥型匹配负载
同轴线梯形匹配负载
微带匹配负载用半圆形电 阻作为吸收体,特点是频带 宽而且功率容量也大
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(3)失配负载(mismatch load)
• 可调波导衰减器
g 4
• 同轴线衰减器
吸波材料片
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2、移相器： • 作用：可以人为地改变传输电磁波的相位。 • 原理：电磁波在不同介质中具有不同的相移常数。因 此改变电磁波经过的介质就可以改变其相移量。
当将衰减器的衰减片换成 介电常数r>1的低耗介质片 时，就构成了移相器
l
低损耗介质片
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2) H面T型分支
当微波信号从端口③输入时，平均地分给端口①②，这 两端口得到是等幅同相的波；当在端口①②同相激励时， 则在端口③合成输出最大，而当反相激励时端口③将无输 出。
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3)匹配双T或魔T(magic-T circuit)
将E―T分支和H―T分支合并，并在接头内 加匹配以消除各路的反射，则构成匹配双T ， 也称为魔T 。
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，只是略微改变一下尺寸，使之和原传输 系统失配。
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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、相移器和转换接头。
201阻抗匹配元件
(1)螺钉调配器(bolt tuner)
螺钉不同的 深度等效为 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。
螺钉调配器可分为单螺钉、双螺钉、三螺钉和四螺钉调配器。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的。
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• 应用举例：用于相控阵天线中，要求每个天线阵元 辐射相位不同的电磁波。 天线阵元 移相器 移相器的 相移量
0

2

( N 1)
功率分配网络
源
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~
(3)转换接头(switching connector)
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
1.同轴线―波导转接器 它将同轴线的一端加信号,另一端的内导体伸入 矩形波导内,则同轴线中TEM模就会激励起矩形波导中 TE10模,反之亦然。这样实现了模式变换。
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2.波导―微带转接器
由于矩形波导的等效阻抗通常
在300Ω 400Ω 之间,而微带线
特性阻抗一般为50Ω ;而且矩 形波导的高度b又比微带线衬
2、圆波导谐振腔
• 应采用两端短路的方式；
a l
V Q0 S
• 品质因数正比于腔体积，反比于腔内壁面积，故在同样体 积情况下，圆波导谐振腔比矩形谐振腔品质因数高，性能好， 加工也容易，是最常用的谐振腔。
主线 副线
锯齿形定向耦合器 《微波技术与天线》 提高性能
锯齿形定向耦合器实例
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• 微带双分支定向耦合器
g 4
B
1
A
2
g 4
4
D
C
3
• 1输入，2、3输出，相位差90度；
• 4为隔离端口，无输出；
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微带双分支定向耦合器实例
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2.功率分配器(power divider)
连接点接触可靠; 不引起电磁波的反射, 输入驻波比尽可能小,一般在1.2以下; 工作频带要宽; 电磁能量不会泄漏到接头外面; 而且结构要牢靠,装拆方便,容易加工等。
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(1)波导接头
平法兰
(waveguide connector)
扼流法兰
平法兰特点：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。常用于低功率、宽频带场合。
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1. 终端负载元件（单口元件）;
(1) 短路负载 (short circuit load)
短路负载又称为短路器,它的作用是将电磁能量全部反射回去 。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。
实际中的短路器都是做成可以移动的，这种短路负载又称为可 调短路活塞。 有效短路面 有效短路面 g/4
g/4
g/4
同轴线短路活塞
波导短路活 塞
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(2)匹配负载(matched load)
匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的元件 。 对波导来说，小功率匹配负载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。当吸收片平行地放置在波导中电场最强处， 吸收片强烈吸收微波能量，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g/2的整数倍。
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5.2 功率分配元器件
•在微波系统中，往往需将一路微波功率按比例分成几路， 这就是功率分配问题。 •实现上述功能的元件称为功率分配元器件(power divider)， 主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器 件。
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1、定向耦合器
• 作用：从主传输线中取出一些电磁能量并向设定的方向
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（1）波导型谐振器：
1、矩形波导谐振腔 • 应采用两端短路的方式；