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常用波导器件

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0楼发表于: 2007-01-30 17:44:21

— 本帖被 wudawolf 从有源射频电路移动到本区(2008-10-31) —

常用波导器件

基础知识

1.驻波测量线

测量线又叫驻波测量仪(Standing—Wave Detecktor)，是用来测量波导中驻波分布规律的仪器。驻波测量线可分为两类：一类是电场测量，另一类是磁场测量，目前广泛应用的是第一类。应用电场测量原理设计的驻波测量线的结构如图3-22所示。它的主要组成都分有：一段开槽波导、探头装置(包括探针、检波晶体、调谐活塞)、探头移动机构和位置测量装置等。开槽部位应恰在矩形波导宽壁中心线上，开槽要足够窄(一般为2.5-3.5mm适宜)，有几个半波长的长度，槽的两端成楔形或渐变线形。探针插入槽中深度可调。
沿槽可移动的探针与波导中的波靠电场耦合。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应的电动势（其大小正比于该处场强）经晶体二极管检波，检波电流流过指示器回到同轴探头外导体成一闭合回路，指示器读数表示出沿槽线分布的场强大小。由平行于槽的标尺读数表示出场强大小的位置，从而测得驻波比，驻波相位，波导波长。
指示器一般用光标检流计、微安表或选频放大器。若用选频放大器，可直接读出驻波比，但必须注意这时的微波讯号源要加方波调制，并且注意晶体检波律，使输至晶体的讯号电平保持在平方律检波范围内，否则测出的驻波比将失去意义。
为了提高测量的灵敏度，在测量前需要调节同轴探头中的调谐活塞及探针深度，消除由于探针插入开槽波导引起的不匹配，使检波晶体输出最大：将探针置于驻波腹点，调节调谐活塞及探针插入深度(一般取窄边b的5～10％适宜)，使指示器的指针偏转在满刻度附近(若指示器指针偏转较小，则需增大微波输出功率)。
调节微波系统匹配，须将探针置于驻波极小点或极大点处，采用把调大或把调小的方法进行调配。如果把探针放在极小点处，调节接在测量线终端的调配器，使探针的输出功率稍微增大(不要增大太多，否则会发生假象——波形移动，这时极小点功率并不增大)，然后左右移动探针，看看极小点功率是否真正增大。这样反复调节调配器，使极小点功率逐渐增大，直至达到最佳匹配状态(驻波比s≈1)。

2.全匹配负载
全匹配负载一般作成波导段的形式，其终端短接，并包含有一些安置在电场平面内的吸收片。把片子做成特殊的劈形状来实现它们与波导间的匹配(如图3-23)。这样就保证了由没有吸收材料的波导向有吸收器的波导逐渐过渡。片子的材料是涂覆有金属的碎末(例如铂金)薄层的电介质(玻璃，瓷胶纸板等)，或者用炭层涂覆，表面电阻的大小根据匹配条件用实验方法选择。对于波导吸收器，直流测量的表面电阻的最佳值为数百欧姆。斜面的长度用实验方法确定，使其聋尽可能宽的频带内能得到最小驻波比，通常劈的长度等于或大于半波长。

3.可变衰减器
衰减器是用来衰减微波的功率电平，也可以作为负载与信号源间的去耦元件。由于波导管内各处微波电场强弱不同，因而改变衰减片在波导管中所处的位置，即可得到不同的衰减量。衰减片是由玻璃叶片(或其他介质片)喷涂镍铬合金(或石墨)的电阻性薄层制成。在矩形波导中，吸收式衰减器的结构如图3-24所示。

矩形波导中的波电场沿y方向线极化，将一两端修尖的衰减片放入波导，平行于y-z平面(见图3-24（a）)。若介质片处在波导宽壁中央(Ey最大)，在介质片的导电薄膜内激励起的高频电流最大，因而欧姆损耗最大，于是对微波功率的衰减也最大。当介质片接近波导侧壁时(比如x=0处)，则 =0，则导电薄膜内将不会激起高频电流，因而微波功率不被吸收，衰减量最小(近于零)。为了改变这个有损耗的介质片在波导中的x向位置，采用两个金属杆带动介质片沿轴移动，因为细金属杆与电场正交，故不会在杆中激励起高频电流，因而不改变波导中场的分布。衰减片也可以做成刀形，由矩形波导宽壁中央插入[见图3-24(b)，改变其插入深度，改变衰减量。衰减量常以分贝(dB)为单位计算，以dB为单位的传输衰减定义为
　　　　　　　　(3-45)
式中表示入射功率，A表示传输功率。X波段BD-20-2型吸收式可变衰减器的可变范围约为0.6-30dB，有的衰减量可达0-50dB。

4．隔离器
隔离器是一种不可逆的衰减器，在正方向(或需要传输的方向上)它的衰减量(或插入损耗)很小，约0.ldB左右，反方向的衰减量则很大，达几十dB，两个方向的衰减量之比为隔离度。若在微波源后面加隔离器，它对输出功率的衰减量很小，但对于负载反射回来的反射波衰减量很大。这样，可以避免因负载变化使微波源的频率及输出功率发生变化，即在微波源和负载间起到隔离作用。
微波隔离器一般由铁氧体材料做成，因工作原理不同分为两大类，一类是谐振式，另一类是场移式的，前者用于中功率和大功率方面，后者应用在小功率方面。实验室多用场移式隔离器，原理如下：
场移式隔离器结构如图3-25（a）所示。在波导中平行于窄边壁而距这窄边壁一定距离处放置一片铁氧体(它的右侧面上有一衰减片)，波导外面有一“U”形永久磁铁，提供铁氧体一恒定磁场H。这样，原来在空波导里传输的波型，发生了一个移动，场型发生了变化，即出现了场移。

场移具有不可逆性，就是这个铁氧体对两个方向传输的波型所产生的场移作用不同，例如在波导里，它对一个方向传输的波型有排斥的作用。对另一方面的则有吸引的作用(见图3-25(b))。这是由于加恒定磁场的铁氧体对横向圆极化微波磁场表现出的高频磁导率的不可逆性引起的。
铁氧体是一种亚铁磁性物质，电阻率很高，性状似陶瓷。它在常温下具有自发磁化，自发磁化的磁矩M在外场H中便绕H进动，于是有一个垂直于H的圆极化的磁矩分量m存在着(见图3-26)。

m的进动频率随|H|的增大而增加( ，为旋磁比)。如有一横向圆极化微波场同时作用于这个铁氧体，实验和理论分析都证明铁氧体的高频磁化的频率响应特性与这个固有的进动的存在有密切的关系，大致说来其性质是，在圆极化微波磁场作用下，若极化方向与m圆极化方向一致(相对H为右旋波或正圆偏振波)，则铁氧体对于这种微波磁场有共振特性，即在微波磁场频率等于m进动频率时( )，高频导磁率在这个H值两边变号( 达到极大值)，在较低磁场的某一H值之下，会过零值(见图3-27(a))，若极化方向与m极化方向相反(相对H为左旋波或负圆偏振波，则m对微波磁场没有明显响应，总是略大于1随H变化十分徐缓(见图3-27(b))。

假若我们把铁氧体放在圆极化波所在的位置，并令H小一些，亦即工作在低场区( )，这样铁氧体对右旋波将提供负的导磁率(图3-27中的场移区)，对左旋波则提供正的导磁率。如果铁氧体片的位置、厚薄、外加恒磁场H配合恰当，两个方向传输的波可以变成如图3-25(b)所示样子。图中，正向传输的波是右旋波，是负的，电磁场在铁氧体里传输比在空气里传输要困难，于是被“排挤”出去，图中所示的电场，它在铁氧体的右表面电场强度为零，衰减片不衰减，最大值排向右边。图中正向指进纸面(见图3-26)；图中所示的反向传输的波是左旋波，是正的，电磁场在铁氧体里传输比在空气里传输要容易，于是被“吸引”进去，电场强度的最大值被吸引到了铁氧体的右表面，衰减片产生衰减，衰减量可大到20-30dB。

5．定向耦合器
定向耦合器是一种有方向性的耦合功率的微波器件。它是将主波导中入射行波或反射行波的部分功率耦合至辅波导，作为功率监视或频率监视等用。
定向耦合器有许多种，为说明基本原理，仅举在波导宽边(H面)开双孔的定向耦合器为例(结构如图3-28所示)。A、B两孔相隔 ( 为中心频率的波导波长)。由1端入射的电磁波到达4端有两个路径(分别通过A孔和B孔)，这两路电磁波的场幅度相同，程差为半波长，所以相位相反迭加以后为零，即4端无输出(4端接全匹配负载)。当由1端输入到3端时，通过A孔和B孔两路波的振幅相等路程也相同，因而到达3端时同相位，总的幅度为两路幅度之和，这就实现了波的定向传输。

定向耦合器的主要技术指标是耦合度k，其定义为：当电磁波由主波导1端输入而其余三端口(2、3、4)均匹配时，主波导输入功率P1与辅波导3端口输出功率P3之比，并以dB为单位，即
　　　　　　　　(3-46)

如果希望百分之一的功率输送到辅波导正方向去，则k=20dB。

6．晶体检波器
微波检波系统采用半导体点接触二极管（称微波二极管），外壳为高频铝瓷管，形状象子弹(也有别的形状的)，结构如图3-29(a)所示。晶体检波器就是一段波导和装在其中的微波二极管，结构如图3-29(b)所示。

将微波二极管(检波晶体)插入波导宽壁中心，使它对波导两宽壁间的感应电压(与该处电场强度成正比)进行检波。．为了获得大的检波信号输出，调节后部的短路活塞位置，使它与晶体间的距离约等于，使晶体处于电场最大(驻波波腹)处。有的晶体检波器，前方装有三螺钉调配器，以便使它后面与输入波导相匹配，提高检波效率。
由于检波晶体上的电压V与微波中的电场E成正比，检流电流i与E的关系为
　　　　　　　　(3-47)
式中k是一比例常数，n是大于1小于2的一个数，当E较小时,n≈2，这是晶体的平方律区域；当E较大时，n≈1，这是晶体的线性律区域。在平方律区域，晶体的检波电流与晶体接受的微波功率成正比。

7．调配器
调配器是用来使它后面的微波部件调成匹配。匹配就是使微波能完全进入而一点也不能反射回来。常用的调配器是单螺调配器和三螺调配器。单螺调配器的结构如图3-30(a)所示。在波导宽边中央开一条纵向小槽，插入一个小螺钉，改变螺钉的插入深度及沿槽的位置，就相当于可调至任何所需的电抗。当插入深度l<λ/4时，它表现为一个等效并联电容，当插入深度l>λ/4时，它呈现一个等效并联电感，大约在l为λ/4时发生串联型谐振，波导成为短路。实际应用上，螺钉的插入深度不要超过谐振位置．图3-30(a)中，若沿槽插入三个小螺钉，则构成三螺调配器。以上两种仅用于功率不很大的情况。
双T接头调配器的结构如图3-30(b)所示。

它是由双T接头(E-HT形接头)构成的。在接头的H臂和E臂内各接有可动的短路活塞。改变短路活塞在臂中的位置，便可以使系统获得匹配。由于这种匹配器不妨害系统的功率传输和结构上有某些机械的与电的对称性，因而具有以下优点：
(1)可以使用在高功率传输系统(尤其在毫米波波段)。
(2)有较宽的频带。
(3)有很宽的驻波匹配范围。
双T接头调配器调节方法：在驻波不太大的情况下，先调谐E臂活塞。使驻波减至最小，然后再调谐H臂活塞，就可以得到近似的匹配(驻波比s<1.10)。如果驻波较大，则需要反复调谐E臂和H臂的活塞，才能使驻波比降低到很小程度(s<1.02)。

8.E-T接头
E-T接头(见图3-31(a))是指支臂E的宽面与主臂(2、3)中TE10波的电场平行，也就是分支波导的宽面位于主臂电场向量E平面的方向上。其传输特性是当2、3两端接匹配负载时，微波功率从1端输入，平分地传到2、3端，且在2端和3端的波相位相反。这可由E面T中电场，的传播情况图3-3l(b)看出，当从E臂送进波时，它将沿E臂向下传播其电场遇到接头时将弯曲，再往下传播时，电力线被主波导的底面截断，使往2臂的电力线方向向下，往3臂电力线方向向上，波的功率将平分给2、3两臂，而电场方向相反，亦即反相。
根据互易原理，如果在主波导两端2、3同时输入等幅反相的电磁波，则在E臂中它们的电场是同相而相加的，即E臂输出最大．反之，如在主波导 2、3两端同时输入等幅同相的电磁波，则E臂中的电场是反向而相减的。如2、3两臂负载阻抗相等，则E臂的输出为零。
它的等效电路是两根双线的串联，如图3-31(c)所示。
E-T接头的用处是作为功率分配器。

9．H-T接头
H-T接头(见图3-32(a))是指支臂H的宽面与主臂(2、3)中磁场平行，也就是分支波导的宽面位于磁场H平面上。其传输特性是，当2、3端接匹配负载时，微波从1端输入，平分地传到2、3端，且在2端和3端的波相位相同。
当从H臂输入波时，电场传播情况如图3-32(b)所示。电场用小圆点代表，即电力线与纸面垂直，当电场到连结接头时，它们的排列将扩成为曲线，越向前传播，它们的排列将愈弯而分给2、3两臂。波的功率平均分配给2、3两臂，电场方向相同，即彼此同相。它的等效电路是双根双明线的并联[见图3-32(c)]，H-T接头的用处是作为功率分配器。

10．匹配魔T
将E-T和H-T分支在共同对称面上组合在一起就构成匹配魔T(又称双T接头)。结构如图3-33(a)所示。由于电场E和磁场H总是相互垂直的，所以它们之间并不产生相互作用.魔T的等效电路如图3-33(b)所示.它的特征是：
(1)E臂(4臂)输入，2、3两臂平均输出，并反相，H臂无输出。
(2)H臂(1臂)输入，2、3臂平均输出，并同相，E臂无输出。
(3)反向臂之间(H臂和E臂，2臂和3臂)彼此隔离。
为表征一个魔T的质量，我们引进“隔离比”L，以分贝(dB)表示，
　　　　(3-48)
此处P2是某一端的输入功率；P1是反向臂(或相对臂)的功率输出。
一般魔T的H臂(1臂)和E臂(4臂)的隔离比达25-45dB，2-3臂隔离比亦在20dB以上。
反射式波谱议的微波桥路就是采用魔T，如图3-33(c)所示。70年代以来为了简便起见，便多采用环行器取代魔T，相比之下，环行器的隔离度要更高些。

1l.环行器
微波环行器的种类很多，现仅举一种波导三端Y环行器(见图3-34)，它是一只波导“H”平面的“Y”接头(或称“Y”结)，结中心放一个铁氧体圆柱(它可以是三角形或其他形状)，“Y”结的外边有一个“U”形的永磁铁提供恒定磁场，在适当的恒磁场作用下，铁氧体能促使高频磁场弯曲，并直接单向传输至另一相邻的端口，即当微波自端1进入时只到端2，不到端3，端2进入时只到端3不到端1，端3进入时只到端1不到端2。如用这种环行器代替图3-33(c)中的魔T，则可省去匹配负载。

环行器有两个技术指标：一个是插入损耗α，另一个是隔离度L。如果自1臂输入的功率为，从2臂输出的功率为，则插入损耗α为：
　　　　　　　　(3-49)
插入损耗越小越好，通常可做到0.2dB以下。
隔离度是输入1臂的功率与漏至3臂的功率之比，即
　　　　　　　　(3-50)
隔离度越大越好，一般总是在30dB以上。

12．谐振腔
频率高达微波频段时，集中参数的电感与电容巳失去了意义，就不能再用普通的谐振电路，而要采用由金属导体围成的、封闭的，且有一定几何形状的空间作为微波频段的谐振回路，称为谐振腔。
常用的谐振腔有矩形谐振腔和圆柱形谐振腔(见图3-35)。谐振腔与波导管的耦合是在腔与波导公共壁上开小孔(叫耦合孔)作为耦合元件。通过式谐振腔前后都开孔(有二个耦合孔)，反射式腔开一个孔(有一个耦合孔)。
矩形谐振腔就是一段矩形波导管的两端用金属板封闭，金属板上开耦合孔。谐振腔的内部场型与矩形波导相似，也存在TE型波(或H型波)和TM型波(或E型波)两种，由于z方向被短接，多了两个短路片，故在此方向上也形成驻波．因此除了以m、n分别表示在x、y方向的驻波半波长的数目外，还以p表示各方向的半个驻波的数目．故波型用符号及表示。
矩形谐振腔的谐振条件为：
　　　　　　　　(3-51)
式（3-51）表示当腔长J恰好等于半个波导波长的整数倍时，将产生谐振。反射式矩形腔如图3-35(a)所示。
圆柱形谐振腔就是一段圆柱波导管的两端用金属板短接而成。圆柱形腔振荡模式的场结构与圆柱波导内传输的波型的场结构相似，但纵向不是行波。波型也用及表示，脚标m、n、p分别表示沿半个圆周上、半径上和腔长方向上驻波的半波个数。图3-35(b)给出圆柱型腔的场型，此种场型中电场E是同心圆，只有分量 ,没有分量和，故又称TE波或H波，H有纵波成分，有及，但无。的脚标0表示沿甲变化零个周期，即无变化，第二脚标1表示沿r变化一个“半周期”、例如都是成圆形，它沿圆周无变化，但沿半径有变化，在不同r时数值不一样，有一个最大值，在r=0和至边界时；第三个脚标1表示沿z轴变化一个“半周期”，例如两端为零，中间有一个最大值，在这种场型内，交变磁场的最大值处在腔中心并沿z方向，为此磁共振实验样品放在此处。
(3-51)式是谐振条件，其谐振波长为
　　　　　　　　(3-52)
谐振频率，c为真空中光速。
(3-52)式无论对矩形腔还是圆柱腔都是适用的。但截止波长人不同，对矩形腔， =2a；圆柱腔的 =1.64r(r是腔的半径)。
谐振腔在微波技术中的主要用途有二。第一是作为储藏微波电磁能量和具有振荡特性的振荡回路，例如微波系统中常用的测量频率的空腔波长表即属此；第二是提供一个电场或磁场集中的区域，将样品放在腔中微波电场或磁场最强处，以便电磁场与物质相互作用。例如在顺磁共振实验中常选用圆柱腔和矩形腔，将样品放在腔中心微波磁场最强处。
谐振腔的主要参数是品质因数Q和谐振频率。
(1)品质因数Q
和普通LC振荡回路一样，除了谐振频率外，谐振腔的另一个重要参量是品质因数Q值，它表明谐振效率的高低。从Q值能够知道在电磁振荡延续过程中有多少功率消耗。相对谐振腔所储存的能量来说，功率的消耗愈多，则谐振腔的Q值就愈低；反之，功率的消耗愈少，Q值也就愈高。作为有效的振荡回路，谐振腔必须有足够高的Q值。
品质因数Q的一般定义是
　　　　　　　　(3-53)
(3-53)式中为谐振角频率，是每秒的能量总损耗。
当谐振腔与外界耦合时，能量不仅消耗在腔本身，而且也消耗在负载中(通过耦合孔耗散于负载的辐射损耗)。这样总的能量损耗。
现在我们引进几个在实际应用中经常用到的Q值：
①有载Q值，它定义为
　　　　　　　　(3-54)
它表征谐振腔的总的损耗程度。
②无载Q值(或称固有品质因数)，它定义为
　　　　　　　　(3-55)
它表征腔本身的损耗程度。
③耦合Q值(或称外Q)，它定义为
　　　　　　　　(3-56)
它表征腔耦合到负载能量大小。
由式(3-54)、(3-55)和(3-56)可以很容易得到一个重要关系
　　　　　　　　(3-57)
此外，为了表示谐振腔内部储能耦合到外界负载的效果及二者间耦合的紧密程度，常引进耦合系数的概念，它被定义为
　　　　　　　　(3-58)
将(3-58)式代入(3-57)式中，整理后得到
　　　　　　　　(3-59)
当β<l，即 < ，这时相当于在负载上消耗的功率少于腔本身消耗的功率。此时称为欠耦合状态。
当β>I，即 > ，这时消耗在负载中的功率大于腔本身的功率消耗。此时称为过耦合状态。
当β=1，即 = ，这表明负载中和腔中消耗掉相等的功率，此时称临界耦合状态。谐振腔的固有品质因数值一般都较大。矩形腔值达5000以上，圆柱腔值 ..

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