第三章 微波元件 ◆§3.1阻抗匹配器与变换元件 ◆§3.2定向藕合元件 ◆§3.3微波谐振器 ◆§3.4微波滤波器与微波铁氧体元件简介 2018年6月6日星期三8时22分48秒
2018年6月6日星期三8时22分48秒 第三章 微波元件 §3.1 阻抗匹配器与变换元件 §3.2 定向藕合元件 §3.3 微波谐振器 §3.4 微波滤波器与微波铁氧体元件简介
3.1阻抗匹配与变换元件 任何一个微波系统都是由各种各样的微波元件有 源电路和传输线组成。因此，了解微波元件的工作原理 和特性以及设计方法是很重要的。 微波元件种类很多。 按传输线型式可分为：波导型同轴型和微带型等： 按功能可分为：连接元件、终端元件、匹配元件、 衰减元件、相移元件、分路元件、波型变换元件、滤 波元件等； 按变换的性质可分为：互易元件、非互易元件和 非线性元件等。 不可能介绍所有元件的工作原理和工作特性，只能 选一些具有代表性的典型元件作介绍。 绝大多数的微波元件的分析与设计问题，都是采 用网络的方法讨论的，因此等效电路法是研究微波元件 的基本方法。 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 2 3.1 阻抗匹配与变换元件 任何一个微波系统都是由各种各样的微波元件有 源电路和传输线组成。因此,了解微波元件的工作原理 和特性以及设计方法是很重要的。 微波元件种类很多。 按传输线型式可分为：波导型同轴型和微带型等; 按功能可分为：连接元件、终端元件、匹配元件、 衰减元件、相移元件、分路元件、波型变换元件、滤 波元件等; 按变换的性质可分为：互易元件、非互易元件和 非线性元件等。 不可能介绍所有元件的工作原理和工作特性,只能 选一些具有代表性的典型元件作介绍。 绝大多数的微波元件的分析与设计问题,都是采 用网络的方法讨论的,因此等效电路法是研究微波元件 的基本方法
2.3 阻抗调配器和阻抗变换器 阻抗调配器和阻抗变换器是微波系统中的基本元 件，在微波系统中经常会遇到反射问题，例如，负载阻 抗与传输线的特性阻抗不相等；相同类型而不同特性阻 抗的传输线相连接；不同类型的传输线相连接；传输线 中接入一些必要的器件等均会引起电磁波的反射。这些 反射波的存在会影响微波系统正常工作；使负载得不到 最大功率；功率容量和效率都会降低；在大功率时还会 出现打火现象；在微波测量系统中又会影响测量精度。 因此必须消除这些反射波。 消除反射波的方法很多，但不外乎在传输线中插 入可调的电抗元件或阻抗变换元件，产生新的反射波来 抵消原来的反射波，从而达到匹配。 为了匹配而插入的网络称为阻抗匹配网络。 STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 3
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 3 2.3 阻抗调配器和阻抗变换器 阻抗调配器和阻抗变换器是微波系统中的基本元 件，在微波系统中经常会遇到反射问题，例如，负载阻 抗与传输线的特性阻抗不相等；相同类型而不同特性阻 抗的传输线相连接；不同类型的传输线相连接；传输线 中接入一些必要的器件等均会引起电磁波的反射。这些 反射波的存在会影响微波系统正常工作；使负载得不到 最大功率；功率容量和效率都会降低；在大功率时还会 出现打火现象；在微波测量系统中又会影响测量精度。 因此必须消除这些反射波。 消除反射波的方法很多，但不外乎在传输线中插 入可调的电抗元件或阻抗变换元件，产生新的反射波来 抵消原来的反射波，从而达到匹配。 为了匹配而插入的网络称为阻抗匹配网络
阻抗匹配网络有两种： 种是阻抗调配器，即匹配网络中的元件参数是可 以调节的，设计方法采用图解法，即用Smith圆图来确定 阻抗调配网络中各个电抗元件的参数； 另一种是阻抗变换器，利用网络综合法，设计出满 足一定技术指标的阻抗匹配网络，一旦根据需要设计好 以后，不能任意改变。 一、阻抗调配器 阻抗调配器常用来匹配传输线特性阻抗和负载（或 信号源)阻抗不等的情况。阻抗调配器可分分支调配器 和螺钉调配器，前者可调的电抗元件是用改变分支线的 长度来实现的，常用于平行双线和同轴线传输系统中； 后者可调电抗元件是可调螺钉，常用于波导中。 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 4 阻抗匹配网络有两种： 一种是阻抗调配器，即匹配网络中的元件参数是可 以调节的，设计方法采用图解法,即用Smith圆图来确定 阻抗调配网络中各个电抗元件的参数； 另一种是阻抗变换器，利用网络综合法，设计出满 足一定技术指标的阻抗匹配网络，一旦根据需要设计好 以后，不能任意改变。 一 、阻抗调配器 阻抗调配器常用来匹配传输线特性阻抗和负载(或 信号源)阻抗不等的情况。阻抗调配器可分分支调配器 和螺钉调配器，前者可调的电抗元件是用改变分支线的 长度来实现的，常用于平行双线和同轴线传输系统中； 后者可调电抗元件是可调螺钉，常用于波导中
(一)分支阻抗调配器 分支阻抗调配器按分支的多少可分单支节双支节 及多支节调配器。单支节调配器的工作原理在第一章己 讨论过，这里不再复述。 单支节调配器的最大优点是结构简单。但它是通 过调节支节线的插入位置和支节线的长度来实现匹配的， 在同轴线中支节的长度，可应用短路活塞很易改变，但 分支线插入位置很难改变，因此单支节调配器的应用受 到一定的限制。 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 5
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 5 (一) 分支阻抗调配器 分支阻抗调配器按分支的多少可分单支节双支节 及多支节调配器。单支节调配器的工作原理在第一章已 讨论过,这里不再复述。 单支节调配器的最大优点是结构简单。但它是通 过调节支节线的插入位置和支节线的长度来实现匹配的， 在同轴线中支节的长度，可应用短路活塞很易改变，但 分支线插入位置很难改变，因此单支节调配器的应用受 到一定的限制
3.1阻抗匹配与变换元件 1、阻抗匹配与变换元件及其设计 阻抗匹配的实质是设法在终端负载附件产生一新的反 射波，使它恰好和负载引起的反射波等幅反向，彼此 抵消，使得传输线上处于行波工作状态。常用的匹配 方法有： 电抗补偿法--在传输线中的某些位置加入不耗能的电 抗性匹配元件，如纯电抗膜片，销钉，螺钉等，从而 实现匹配传输。 阻抗匹配法-采用λ/4阻抗变换器或渐变线使不匹配的 负载或两段特性阻抗不同的传输线实现匹配链接； 反射吸收法-利用铁氧体元件的单向传输特性，将反 射波吸收掉。 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 6
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 6 3.1 阻抗匹配与变换元件 1、阻抗匹配与变换元件及其设计 阻抗匹配的实质是设法在终端负载附件产生一新的反 射波，使它恰好和负载引起的反射波等幅反向，彼此 抵消，使得传输线上处于行波工作状态。常用的匹配 方法有： 电抗补偿法---在传输线中的某些位置加入不耗能的电 抗性匹配元件，如纯电抗膜片，销钉，螺钉等，从而 实现匹配传输。 阻抗匹配法--- 采用λ/4阻抗变换器或渐变线使不匹配的 负载或两段特性阻抗不同的传输线实现匹配链接； 反射吸收法---利用铁氧体元件的单向传输特性，将反 射波吸收掉
电容膜片 在波导的横向放置一块金属膜片，在其上对称或不 对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗孔。 当波导宽壁上的轴向电流到达膜片时，要流进膜 片。而电流到达膜片窗口时，传导电流被截断，在窗孔 的边缘上积聚电荷而进行充放电，因此两膜片间就有电 场的变化，而储存电能。这相当于在横截面处并接一个 电容器，故这种膜片称为电容膜片，其等效电路如图(c) 所示。 jBY a (b) (c) STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 7 一 、电容膜片 在波导的横向放置一块金属膜片,在其上对称或不 对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗孔。 当波导宽壁上的轴向电流到达膜片时，要流进膜 片。而电流到达膜片窗口时，传导电流被截断，在窗孔 的边缘上积聚电荷而进行充放电,因此两膜片间就有电 场的变化，而储存电能。这相当于在横截面处并接一个 电容器，故这种膜片称为电容膜片，其等效电路如图(c) 所示
二、 电感膜片 图中给出矩形波导中的电感膜片及其等效电路。当 在波导横向插进该膜片以后，使波导宽壁上的轴向电流 产生分流，于是在膜片的附近必然会产生磁场，并集中一 部分磁能，因此这种膜片为电感膜片。 (b) Y。 (a) STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学 e)
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 8 二、电感膜片 图中给出矩形波导中的电感膜片及其等效电路。当 在波导横向插进该膜片以后,使波导宽壁上的轴向电流 产生分流,于是在膜片的附近必然会产生磁场,并集中一 部分磁能,因此这种膜片为电感膜片
三、销钉 在矩形波导中采用一根或多根垂直对穿波导宽壁的 金属圆棒，称为电感销钉，其结构和等效电路如图所示。 电感销钉的电纳与销钉的粗细及根数有关，销钉愈 粗，电感电纳愈大；根数愈多，电纳愈大。 Y。 (a） (b) STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 9
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 9 三、 销钉 在矩形波导中采用一根或多根垂直对穿波导宽壁的 金属圆棒，称为电感销钉，其结构和等效电路如图所示。 电感销钉的电纳与销钉的粗细及根数有关，销钉愈 粗，电感电纳愈大；根数愈多，电纳愈大
四、螺钉 膜片和销钉在波导内的位置和尺寸不容易调整，故 只能作固定电抗元件使用。而螺钉插入波导的深度可以 调节，电纳的性质和大小也随之改变，使用方便，是小 功率微波设备中常采用的调谐和匹配元件。 当螺钉插入波导较浅时，总的作用等效为一电容： 当深度为4时，螺钉等效为串联谐振电路，当深度较 大时，螺钉等效为电感。通常螺钉调配器的深度都较小， 等效为电容。 (a) (b) STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 10
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 10 四 、螺钉 膜片和销钉在波导内的位置和尺寸不容易调整,故 只能作固定电抗元件使用。而螺钉插入波导的深度可以 调节,电纳的性质和大小也随之改变，使用方便，是小 功率微波设备中常采用的调谐和匹配元件。 当螺钉插入波导较浅时,总的作用等效为一电容； 当深度为λ/4 时，螺钉等效为串联谐振电路，当深度较 大时，螺钉等效为电感。通常螺钉调配器的深度都较小， 等效为电容