微波技术与天线——电磁波导行与辐射工程第二版殷际杰电子教案第四章

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1、第四章微波元件及微波网络理论概要4-1微波段电路元件的功能、构成原理及研究方法[用于本章概述]4-2连接元件、分支元件及R、L、C元件[用于4.1～4.3]4-3定向耦合器[用于4.4]4-4阻抗变换器与调配器[用于4.5]4－14-5谐振腔[用于4.6.1]4-6微波铁氧体元件简介[用于4.7]4-7微波网络理论概述[用于4.8～4.11]4－24－34-1微波段电路元件的功能、构成及研究方法一个微波段信息传输系统，除了传输线还需要有具有各种功能的元件和器件共同组成。微波元件的各种功能（对导行电磁波的控制作用），是通过装置的边界（形状和尺寸）、

2、填充媒质的变化—不均匀或不连续来实现的。即构成微波元件的基础是微波传输线（主要是金属波导和微带线），因此微波元件又统称为不规则波导。微波元件泛指能够控制导行电磁波模式、极化、幅值、频率、相位、去向等的无源装置。以往集总电路元件概念及构成方法已不能用于微波波段。分析微波元件的工作原理及确定其参数，严格的数学解对于绝大多数情况几乎是不可能的，因为微波元件复杂和不规则的边界情况，完整准确地求解电磁场方程将遇到极大的困难。4－4因此我们研究微波元件的工作原理往往采用定性分析方法，元件作用的外特性则采用网络分析与综合的方法来分析研究。4－54-2连接元件、

3、分支元件R、L、C元件①连接元件不同型式的微波传输线连接，实质上是完成模式转换4－6从以上不同种类传输线连接，即不同传输模的转换中可以看出，要转换成哪一种模式就必须激励出与该模式相似的场结构。这种与该模式相似的场结构则是该模式与高次模的混合，由波导的自滤性，这些伴生的高次模因不满足存在条件而距激励点不远即行消逝。再就是不同种类传输线连接，因其形状、尺寸（即边界）的突变而必然引起反射，而采用横截面渐变过渡的结构则可大大减小因连接而造成的对导行波的反射。4－7②波导分支对于普通双线传输线，把一路信号分送两路或多路，即在主传输线上向外串接或并接引出信号

4、是非常容易的事。但是对于微波段的传输线，尤其是金属波导，分支不仅遇到结构上的问题，而且还会带来电性能上的一些特性。4－84－9R、L、C元件则要求其具有消耗、反射或集中电磁场能量的作用。③波导R、L、C元件下图是以吸收信号功率而制成的微波电阻性元件4－10截止波导（过极限波导）衰减器，它是利用处于截止状态的波导(λ>λc)，场量沿传输方向呈指数率衰减特性来实现的。其实质是它对信号能量的反射。如图中圆波导处于截止(λ>3.41R),场量随l长成指数衰减规律，改变l长即可实现可变衰减的输出。4－11微波系统中的电抗元件，其构成原理都是利用微波传输线的

5、结构、形状及尺寸的不连续性来实现的。电抗元件包括能够集中和储存磁场能量的电感性元件，以及能够集中和储存电场能量的电容性元件。以下选择其中典型和常用的元件介绍。4－12波导或同轴线其终端短截则呈全反射状态，由传输线理论可知，其入端阻抗为纯电抗。若短截面位置可调（活塞），入端即为可变电抗。4－13定向耦合器又称方向耦合器，它的作用是通过小孔耦合、分支耦合及平行线耦合等耦合方式，把主传输线中一部分信号取出，用于微波系统的监测、信号功率的分配或合成等等。定向耦合器在微波技术中有着广泛的应用。定向耦合器的基本结构，就是由主传输线、副传输线及两者之间的耦合环

6、节所构成。图为典型的几种定向耦合器结构示意图。图中依序为波导窄壁孔耦合定向耦合器、正交波导宽壁十字孔耦合定向耦合器、耦合带状线定向耦合器及微带线分支定向耦合器。4-3定向耦合器4－144－15定向耦合器多利用波程关系实现，我们以波导窄壁双孔定向耦合器为例来分析。如图所示，主、副矩形截面波导窄壁面为公共壁，在公共壁上开两个形状、尺寸相同，间距为l的小孔。信号由主波导端口①即定向耦合器的输入端输入，并令波幅值为1。输入波行进至耦合孔a,b时，电磁能通过小孔耦合至副波导。电磁能通过小孔耦合、激励的问题，要用小孔绕射理论来分析，这是微波经典理论中的重要内

7、容之一。这样我们姑且用一耦合系数来表示小孔的耦合强度。4－16端口①输入波行进至小孔a处，耦合至副波导中的波以和向端口④的参考面的延迟量相同，向端口③传输的耦表示向端口③传输的部分，以表示向端口④传输的部分，C为耦合系数。输入波行进至小孔b处依然向副波导耦合，分为向端口③的两部分。假定输入波经过小孔a,b后幅值不变（弱耦合）。在副波导中向端口③传输的耦合波，由小孔a和b两部分耦合波组成，它们到达合波为副波导中向端口④传输的波在参考面处，由a和b两个小孔耦耦合波叠加为4－17此种双孔定向耦合器，通常取，则定向性D均为理想值。利用波长关系不难作出物

8、理解释：耦合端的输出是两小孔耦合波的同相叠加，而隔离端则是两小孔耦合波的反相叠加而抵消。这种利用波长关系的定向耦合器的工作频在实际使用中