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1、4.3 波导RLC元件,与普通电路一样，波导系统中需要有电阻（R）、电感（L）和电容（C）性元件，用以实现对传输信号幅值、相位的调控及对信号频率的选择等。 对它们的基本要求除了各自的功能外，还要求因它们的接入而引起的反射小，它们可正常工作的频带要宽。,一匹配负载,匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件。 匹配负载是由一段波导和能够吸收微波功率的材料组合而成。 它在实现系统某一部分呈现行波状态的同时，并可吸收无用的或漏泄的信号。比如定向耦合器的隔离端就要接用匹配负载，环流器的非输入输出端也要接匹配负载。在微波测量系统中，也经常需要匹配负载建立系统的行波状态。,1 工作原理,一般在一段终
2、端短路的波导内放置一块或几块劈形吸收片, 用以实现小功率匹配负载, 吸收片通常由介质片（如陶瓷、胶木片等）涂以金属碎末或炭木制成。 当吸收片平行地放置在波导中电场最强处, 在电场作用下吸收片强烈吸收微波能量, 使其反射变小。,2 各种匹配负载,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/2的整数倍。 如图 (a)所示; 当功率较大时可以在短路波导内放置锲形吸收体, 或在波导外侧加装散热片以利于散热, 如图 (b)、(c)所示; 当功率很大时, 还可采用水负载， 如图 (d)所示, 由流动的水将热量带走。,同轴线匹配负载是由在同轴线内外导体间放置的圆锥形或阶梯形吸收体而构成的,
3、 如图 (e)、 (f)所示。 微带匹配负载一般用半圆形的电阻作为吸收体, 如图 (g)所示, 这种负载不仅频带宽，而且功率容量大。 ,3 失配负载,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, 只是尺寸略微改变了一下, 使之和原传输系统失配。,举例,比如波导失配负载，就是将匹配负载的波导窄边b制作成与标准波导窄边b0不一样, 使之有一定的反射。 例如: 3 cm的波段标准波导BJ-100的窄边为10.16 mm, 若要求驻波比为1.1和1.2, 则失配负载的窄边分别为9.236 mm和8.40
4、7 mm。,二 衰减器,在微波系统中，衰减器用来在一定范围内调整微波信号的幅值（或功率电平），它是通过对传输的微波信号产生一定量值的衰减而实现。 以其衰减量固定不变或可在一定范围内调变而分为固定衰减器和可变衰减器。 衰减器依其工作原理，可分为吸收式衰减器、截止波导衰减器和极化衰减器等三种类型。,1吸收式衰减器,吸收式衰减器是在一段波导内，置放与传输模的电场方向平行的吸收片，用以吸收部分信号功率而实现衰减。 因为波导中的传输模场量幅值在波导横向的分布是不均匀的，所以移动吸收片在波导中的位置，或上下或左右，都可以改变衰减量的大小而作为可变衰减器。,也可以改变吸收片插入波导的面积（如对于矩形截面波导
5、的TE10模，可在波导宽壁面中心的纵槽内插入可调变插入深度的吸收片）来作成可变衰减器。 可变衰减器的衰减量，可通过理论计算和实验来标定，并标示于其调节机构上。,吸收式衰减器的吸收片，也都作成尖劈或缓变曲线形的边界形状， 这一方面是考虑到渐变过渡以减小衰减器引起的反射， 另一方面则是考虑其调整机构的刻度变化与衰减量之间的关系（线性关系或对数关系等）。,2 截止波导衰减器,截止波导衰减器则是利用波导处于截止状态时，截止场量沿波导纵向呈指数率衰减的特性。 图4-14是一主体为一段处于截止状态的圆截面波导的截止式衰减器的结构简化示意图。,工作原理,选择这段圆截面波导的截面半径满足截止条件，在满足上式条
6、件下，圆截面波导中所有高次模也自然是全部截止了。,截止波导衰减器的输出同轴线通过小环与圆波导作磁耦合，圆波导中的截止场激励小环从而使一部分信号功率进入同轴线中输出。 设置调节机构使输出同轴线（及小环）沿波导轴线方向可作纵向移动，这样便可调节输出量而达到可变衰减的目的。,衰减器的定量刻度,截止波导衰减器的衰减量分贝数与移动距离之间呈线性关系。,特点,当截止波长远远小于工作波长时，衰减常数值很大，这样移动距离不要很大便可获得很大的衰减量。 由于此种衰减器中衰减不是靠吸收物质的损耗所至，而是因反射而引起，这样其输入和输出端的反射都很大，因而在实际使用的截止波导衰减器中还需采取匹配措施。,3 旋转极化
7、式可变衰减器,由两个矩形截面波导和圆截面波导转接器（俗称方圆转接器），与一段可连同内置吸收片一同转动的圆截面波导构成。在两个方圆转接器中也各固定一与矩形截面波导宽壁面平行的吸收片（网）。,工作原理,输入的矩形截面波导中的TE10模，经方圆转接器转换为圆截面波导中的TE11模，其电场与吸收网1垂直而不产生衰减，其量值E1 。 信号进入到圆截面波导后，若圆截面波导连同吸收网2相对于起始水平位置右旋一角度，E1平行于吸收网2平面的分量被吸收掉，垂直于网2平面的分量无衰减通过,其量值E3 。 此进入到输出端的方圆转接器后，其平行于吸收网3平面的分量被吸收掉，而垂直于网3平面的分量无衰减通过，并转换为矩
8、形截面波导中的TE10模输出，其量值E2。,定量分析,三 电抗元件,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，和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者介绍。,1膜片、销钉和螺钉,电容膜片,在一段波导中一横截面上，上下对称放置金属膜片如图4-16a。 当波导宽壁面上纵向电流到达膜片时要流向膜片，此电流到达膜片窗口时被截断，在膜片窗口边缘上聚积电荷。 随着波导导行电磁波的传输，壁电流及膜片窗口边缘聚积的电荷也随之变化（相当于交替充放电），因此上下膜片构成了一个并接的电容。,电感膜
9、片,若膜片置于波导窄壁间如图4-16 b，则等效一并联电感。 其物理解释是，由于膜片的置入使得TE10模的场结构发生局部改变，TE10模的磁场（由与构成的磁力线闭合环）平行于矩形截面波导的宽壁面，在膜片处将造成磁场的密集，这就是电感效应。 当不考虑膜片厚度的影响时，膜片宽度直接影响等效电感量。,谐振窗,如果在波导的一个横截面上同时置放电容膜片和电感膜片，这就形成了一个谐振窗，它等效为与波导传输线并接的并联谐振回路。 当波导传输信号的频率等于窗口的谐振频率时，与波导传输线并联的导纳为零，信号无反射地通过（匹配），显然窗口具有频率选择性。谐振窗的谐振频率决定于窗口尺寸。,电感销钉,在矩形截面波导中
10、置放与波导上下宽壁面连结的金属圆棒，如图4-16 d，称为电感销钉或电感棒。 此销钉可看作是电感膜片的变形，因此可等效为与波导传输线并接的电感。其电感量与棒的粗细有关，而且可以放置多根。,可变电抗,若在矩形截面波导宽壁面中心线上装置可调旋入深度的螺钉，就将成为与波导传输线并接的可变电抗。 螺钉机构的结构简单，使用方便，是小功率微波系统中最常用的调谐和匹配元件。 由于螺钉旋入波导内的深度较浅因而相当于电容膜片的变形，因此螺钉相当于与波导传输线并接的一可变电容，如图4-16 c。,说明,关于膜片、销钉及螺钉的电性质，我们只是做了浅显的定性说明。 它们的等效电参量与其尺寸的关系，因其边界条件的复杂而
11、难于得到准确的场解，工程实际中一般是采用等效电路方法和实验标定的方法给出计算公式。,2 波导和同轴短路活塞,工作原理,由传输线理论可知，终端开路或短路的无损耗传输线，终端全反射，且距终端任意远处向终端看去的输入阻抗总是纯电抗。 波导传输线终端开路时，因终端口径面向外辐射电磁波而相当于有负载，不是全反射。 波导终端短截时则相当于普通传输线的终端短路，如果短路面可移动（这就是一个机械活塞），那么从始端向终端看去的等效输入阻抗就是一可变电抗。 硬结构的同轴线也可以作成短路活塞结构。,应用,这种短路面可移动的短路器，在微波系统中特别是调匹配系统及测量系统中应用很广泛。 比如矩形截面波导有E-T或H-T
12、分支，若分支臂加入可调短路活塞，那么它们就相当于一段串有可变电抗或并有可变电纳的传输线。 波导双T分支的两个分支臂加入可调短路活塞，则称为E-H匹配器，可以对任意有耗负载实现调匹配而不存在匹配盲区。,对短路活塞的最基本要求是保证短路片与波导壁面或同轴线内外导体的良好电接触。 图4-17是波导型（图中a）和同轴型（图中b）接触式活塞的结构示意图，它把机械接触点和短路面分开，短路面处是电流波腹，若机械接点与短路面间距为四分之一波长，则机械触点就位于电流波节处，这样接触损耗就会很小。 不过接触式短路活塞长期使用会造成机机触点磨损而限制其使用寿命。,改进,图4-18所示为目前广泛使用的同轴型（图中a）和波导型（图中b）抗流结构短路活塞。 这种结构是利用两段四分之一波长线的阻抗变换作用，使活塞a、b面形成电短路面。以图（b）中波导型短路活塞为例，c、d段是四分之一波长短路线，c点为开路，那么b、c段是四分之一波长开路线，a、b间即为短路。 这种抗流活塞短路面与波导壁或同轴线内外导体没有机械接触，因而损耗小，寿命长。但是和其他利用波长关系的元件一样，工作频带较窄。,等效电路图,Rk是dc和ca两段传输线之间串有电阻它是接触电阻。,