1、第4章 无源微波器件4.1 微波网络基础4.2 匹配元件和连接元件4.3 分路元件4.4 定向耦合器4.5 三分贝电桥4.6 微波衰减器和滤波器4.7 微波铁氧体器件4.1 微波网络基础4.1.1 概述1.微波网络的概念与分类 概念：为避开微波器件的内部场结构，将其视为具有几个端口的微波网络，再用类似于低频网络的方法处理，称之为微波网络方法。分类：分类方法类 型按端口数量分一口网络、二口网络、多口网络按几何对称性分对称网络、非对称网络按物理对称性分互易网络、非互易网络按功率损耗分无耗网络、有耗网络按变换类型分线性网络、非线性网络4.1.1 概述2.微波网络的特点（1）必须针对确定的模式。（2）
2、必须针对确定的参考面。只有参考面确定，对应的网络参量才能确定。（3）端口的电压、电流宜用归一化值。iiiZII0iiiZUU0电压：iIiIiIiI进波：归一化进波：出波：归一化出波：iiIUiaiiIUiUiUiUiUib4.1.1 概述2.微波网络的特点序号非归一化形式归一化形式123456表4-1-2 分析微波网络时的一些基本关系式iiiUUUiiiiiiiZUZUUUU00iiiIIIiiiiiiiZIZIIII00iiiIUZ0iiiaIUiiiIUZ0iiibIU*21iiiIUP*212121iiiiiiiaaIIUUP*21iiiIUP*212121iiiiiiibbIIUUP
3、4.1.2 二口网络的网络参量1.转移参量（A参量）（1）归一化转移参量 b1 a1 Z01 I1 U1 Z Y S U2 a2 b2 I2 Z02 T2 T1 221221IdcUIIbaUUdcbaA A221221IDUCIIBUAU0201020102010102ZZdZZcZZbZZaDCBAA图4-1-1 二口网络及端口的电压、电流 4.1.2 二口网络的网络参量（2）转移参量的物理意义 0212IUUa表示端口2开路时，端口2至端口1的 电压转移系数 0212UIUb表示端口2短路时，端口2至端口1的转移阻抗。0212IUIc表示端口2开路时，端口2至端口1的转移导纳。0212U
4、IId表示端口2短路时，端口2至端口1的 电流转移系数。4.1.2 二口网络的网络参量 例例4-1-1：串联阻抗单元电路如图所示，推导该单元电路的A矩阵。端口2开路时21UU 10212IUUa00212IUIc端口2短路时11ZIU 21IIZIUbU021210212UIId图4-1-2 串联阻抗单元电路 02I解：4.1.2 二口网络的网络参量（3）转移参量的性质（4）转移参量的传递性若网络对称，有 a=d。若网络互易，由ad-bc=1。若网络无耗，有a、d为实数，b、c为纯虚数。33222IUIUA21AAAnAAAA2133213311IUIUIUAAA22111IUIUA图4-1-
5、3 二口网络的级联 4.1.2 二口网络的网络参量2.散射参量（S参量）定义：物理意义：22212122121111aSaSbaSaSb22211211SSSSS011112aabS表示端口2接匹配负载时，端口1处的反射系数。022221aabS表示端口1接匹配负载时，端口2处的反射系数。021121aabS表示端口1接匹配负载时，端口2至端口1的 电压传输系数。012212aabS表示端口2接匹配负载时，端口1至端口2的 电压传输系数。4.1.2 二口网络的网络参量 性质若网络对称，有 若网络互易，有若网络无耗，有2211SS2112SS1001222212*2122*1112*2221*1
6、211221211SSSSSSSSSSSSISS*T4.1.2 二口网络的网络参量3.阻抗参量（Z参量）和导纳参量（Y参量）22212122121111IZIZUIZIZU22211211ZZZZZ22212122121111UYUYIUYUYI22211211YYYYY Y4.1.2 二口网络的网络参量4.网络参量之间的变换（1）Z参量与A参量的关系（2）Y参量与A参量的关系（3）S参量与归一化A参量的关系cdccbcadcaZZZZ122211211ZbabbbcadbdYYYY122211211Y Y DCBACBADSDCBASDCBABCADSDCBACBDAS22211211224
7、.1.3 二口网络参量的应用1.基本单元电路的A参量名称等效电路串联阻抗并联导纳理想变压器传输线段101Z0201020101020ZZZZZZZ101Y0102020102010YYYYYYYnn10002010102100ZZnZZnAAcossin1jsinjcos00ZZcossinjsinjcos020100201020100102ZZZZZZZZZZ4.1.3 二口网络参量的应用2.二口网络的工作特性参量（1）电压传输系数T：网络输出端接匹配负载时，输出端归一化出波与输入端归一化进波之比。（2）插入相移：电压传输系数的幅角，。（3）插入衰减：网络输出端接匹配负载时，输入端进波功率与
8、输出端出波功率之比，单位为dB。（4）插入驻波比：网络输出端接匹配负载时，输入端的驻波比210122SabTa21j21eS2210211lg10lg102SPPAa11110min1max1112SSUUa4.1.4 多口网络及其化简1.三口网络的S参量2.四口网络的S参量333231232221131211SSSSSSSSSS332211SSS网络对称jijiSSjiij;3,2,1,网络互易网络无耗3,2,1,jiSSjiij网络对称互易Sab ISS*T44434241343332312423222114131211SSSSSSSSSSSSSSSSSSab 4.1.4 多口网络及其化简
9、3.微波网络的一些化简条件端口状态用归一化进波、出波表示用电压、电流表示内部状态端口匹配参考面外移外部状态接开路负载 ()接短路负载 ()接短路活塞接匹配负载 ()接任意负载0iiSiiiaajeiiibbjeiiUUiiba 0iIiiUUiiba0iUiiiba2je0iU0iaiiiiba2je4.1.4 多口网络及其化简 例例4-1-2 E-T接头的端口3接匹配负载，端口2接短路活塞（长为l的等效短路线），如图所示。求l?时输出到匹配负载的功率最大。已知E-T接头的散射矩阵是02222222121222121S22j22e ba03a0e22220e21210e2121332j2132
10、32j212132j211222SbabSbabSbab解：记l24.1.4 多口网络及其化简0e22220e21210e2121332j213232j212132j211222SbabSbabSbab12j2j3e1e2121ab,3,2,1,02nnp21221222222222332cos114422sin42cos212sin2cos121aabP12cos2图4-1-4 四口网络微波电路4.2 匹配元件和连接元件4.2.1 匹配元件1.短路活塞 短路活塞的功用是提供一个可变电抗，由一段传输线内置可调短路装置构成，分为接触式和扼流式两类。图4-2-1 波导型短路活塞a）接触式 b）扼流
11、式 接触弹簧片 g/4 A B A B C D TE10(a)(b)4.2.1 匹配元件2.膜片 （1）电容膜片：可等效成并联导纳单元电路 a S b T1 T2 t S a T1 T2 C(a)(b)(c)图4-2-2 电容膜片a）对称型 b）非对称型 c）等效电路a）b）c）图4-2-3 含电容膜片的波导的等效电路bssbtbsbYBBppeCC22cscln44.2.1 匹配元件（2）电感膜片 电感膜片可等效成并联导纳单元电路 T1 T2 L a T1 T2 t d a d(a)(b)(c)图4-2-4 电感膜片a）对称型 b）非对称型 c）等效电路atadaYBBpeLL312cot2
12、4.2.1 匹配元件 （3）谐振膜片 可等效为LC并联谐振电路 a d s b C L T2 T1(a)(b)图4-2-5 谐振膜片a）结构 b）等效电路图4-2-6 分析谐振膜片的坐标系222121aabddsxd2ys2令12222ByAx1622A2222244abB注：只要将膜片的4个顶点置于双曲线上，即可满足谐振条件。4.2.1 匹配元件3.销钉 销钉由金属细圆杆构成。销钉的工作原理与膜片类似。(a)(b)图4-2-7 销钉a）容性销钉 b）感性销钉4.2.1 匹配元件4.螺钉 可等效成并联可变电纳单元电路。等效电纳的性质与其粗细及插入深度有关。(a)(b)(c)(d)图4-2-8
13、螺钉a）单螺钉 b）双螺钉 c）三螺钉 d）四螺钉4.2.1 匹配元件5.阶梯波导 p/4 l=p/4 b1 Ze1 b3 Ze2 b2 Ze3 TE10(a)(b)图4-2-9 阶梯波导a）结构图 b）等效电路312eeeZZZ3,2,1212iaabZiei312bbb 4.2.1 匹配元件6.渐变波导 渐变波导是一种宽频带匹配元件，其功用与渐变线类似。图4-2-10 线性渐变波导 例例4-2-1 匹配装置由同轴型短路活塞、波导型短路活塞和单电感销钉构成，如图所示。其功用是实现波导与同轴线之间的匹配连接。（1）试画出它的等效电路，（2）说明其工作原理。图4-2-11 例4-2-1的匹配装置
14、 X2 A?Ze XL X1 A B Z01 X2 XL A B Z01 R?X?A?(a)(b)图4-2-12 例4-2-1的分析a）等效电路 b）化简（1）等效电路 主同轴线与特性阻抗为 的长线段等效，01Z主波导与等效阻抗为 的长线段等效，eZ波导型短路活塞被等效成可调电抗 ，1X同轴型短路活塞被等效成可调电抗 ，2X单电感销钉被等效成电感 。LX X2 A?Ze XL X1 A B Z01 X2 XL A B Z01 R?X?A?(a)(b)图4-2-12 例4-2-1的分析a）等效电路 b）化简（2）工作原理 例例4-2-1 图4-2-12 例4-2-1的分析 a）等效电路 b）化简
15、 将 处的两个并联阻抗 和 化为串联阻抗 和 。AA eZ1XRX 为使波导与同轴线之间实现匹配，需满足 01ZR 02LXXX这两个条件可通过调节两个短路活塞实现。X2 A?Ze XL X1 A B Z01 X2 XL A B Z01 R?X?A?(a)(b)4.2.2 连接元件1.抗流接头 抗流接头可避免接触电阻损耗。抗流接头的工作原理与扼流式短路活塞类似。p/4 p/4 橡胶垫圈 A B C 主波导 平面凸缘 扼流凸缘 p/4 橡胶垫圈 槽深 p/4 图4-2-13 波导型抗流接头4.2.2 连接元件2.波导弯头 波导弯头用于改变TE10波的传输方向。R R(a)(b)图4-2-14 波
16、导弯头a）E面弯头 b）H面弯头4.2.2 连接元件3.扭波导 扭波导用于改变改变TE10波的极化方向。图4-2-15 扭波导4.3 分路元件 分路元件的功用是将一路微波信号按要求分成几路，或者将几路微波信号合成为一路。本节主要介绍T形接头，包括单T接头、魔T接头和折叠双T接头。4.3.1 单T接头 单T接头由两旁臂和一个分支臂构成。分为E-T接头和H-T接头两种 T 3 1 2 I T 1 2 3 V T(a)(b)图4-3-1 单T接头a）E-T接头及其等效电路 b）H-T接头及其等效电路 4.3.1 单T接头1.禁戒规则 偶模激励只能激励起对称场，不能激励起反对称场，或者说反对称场被禁戒
17、；奇模激励只能激励起反对称场而对称场被禁戒。奇模激励；偶模激励；反对称场；对称场。4.3.1 单T接头2.E-T接头 （1）奇模激励时E臂输出反对称场 奇模激励：图a中分别从旁臂1和旁臂2输入的一对等幅反相的信号（TE10波）反对称场：图a中从E臂输出的TE10波的场结构相对于对称面T呈镜像。电力线被对称面分成两段，若两段对折正好大小相等、方向相反。旁臂 1 旁臂 2 E 臂 T 旁臂 2 旁臂 1 E 臂 T(a)(b)图4-3-2 E-T接头中的场结构a）奇模激励 b）偶模激励 4.3.1 单T接头 （2）偶模激励时E臂无输出（图4-3-2（b）（3）反对称场性质的S参量表示 （4）E-T
18、接头的S矩阵 3231SS02221121121S 4.3.1 单T接头（5）E-T接头的传输特性 当E臂为端口匹配状态时，端口1、2不可能处于端口匹配状态，且端口反射系数 。当信号从E臂输入时，将从端口1、2等幅反相输出。当信号从旁臂1输入时，将被自身反射 ，从旁臂2输出 ，从E臂输出 。3.H-T接头（5）E-T接头的传输特性 当E臂为端口匹配状态时，端口1、2不可能处于端口匹配状态，且端口反射系数 。当信号从E臂输入时，将从端口1、2等幅反相输出。当信号从旁臂1输入时，将被自身反射 ，从旁臂2输出 ，从E臂输出 。3.H-T接头212121a21a21a02221121121S4.3.2
19、 魔T1.魔T接头的组成 魔T接头由双T接头内置匹配装置而成。双T接头可看成是E-T接头和H-T接头的组合。图4-3-3 用匹配块匹配的魔T接头4.3.2 魔T2.魔T接头的S矩阵3.魔T接头的特性 （1）匹配性：一旦有两个端口处于端口匹配状态，则另两个端口必然处于端口匹配状态。（2）均分性：无论从哪个端口输入功率，经过魔T接头后均从相邻臂等分输出。（3）隔离性：无论从哪个端口输入功率，经过魔T接头后相对的端口无输出。001100111100110021S 例例4-3-1 雷达平衡式收发开关由2个魔T接头和2个谐振膜片式放电管构成，两个放电管与接头处的距离相差，如图4-3-4所示。试说明它的工
20、作原理。放电管 发射机 天线 接收机 接匹配负载 魔 T2 魔 T1/4 4(H)4(H)1 3(E)2 1 2 3(E)图4-3-4 某雷达的平衡式收发开关分析分析 （1）来自发射机的大功率信号从魔T1的端口4输入后，只能经端口1、2等幅同相输出，到达放电管时惰性气体打火，使信号被全反射，从而不能到达接收机。又由于两放电管与魔T接头的距离相差 ，使反射信号到达端口1、2时等幅反相，故只能经端口3送至雷达天线。4p 放电管 发射机 天线 接收机 接匹配负载 魔 T2 魔 T1/4 4(H)4(H)1 3(E)2 1 2 3(E)图4-3-4 某雷达的平衡式收发开关（2）来自雷达天线的回波信号从
21、魔T1接头的端口3输入后，端口4无输出（即不能到达发射机），而只能经端口1、2等幅反相输出。由于放电管对小功率信号不起作用，故回波信号可顺利到达魔T2接头的端口1、2并保持等幅反相关系，于是只能经端口3至接收机。4.3.3 折叠双T 折叠双T接头可看成是魔T接头的变形。E折双T接头是将魔T接头的两旁臂沿E面折弯90而成；当端口1、2偶模输入时，E臂有输出，H臂无输出；当端口1、2奇模输入时，H臂有输出，E臂无输出。H折双T接头是将魔T接头的两旁臂沿H面折弯90而成；当端口1、2偶模输入时，H臂有输出，E臂无输出；当端口1、2奇模输入时，E臂有输出，H臂无输出。图4-3-5 E折双T接头 图4-
22、3-6 H折双T接头4.4 定向耦合器 构成：由主线和副线构成，通过耦合机构将主线上的功率耦合到副线。功用：按一定比例从主馈线中提取能量，并使之在副线中沿一定方向输出，常用于微波电路的监视和测量。图4-4-1 定向耦合器的一般构成4.4.1 定向耦合器的主要参数1.耦合度 耦合度是耦合到副线的功率多少的量度，单位为dB。2.方向性 方向性是耦合信号定向 传输程度的量度，单位为dB。uLDPPKlg10 图4-4-1 定向耦合器的一般构成LinTPPKlg104.4.2 同轴型定向耦合器1.工作过程 构成：耦合机构为小孔，主线的左端至天线，右端至发射机，副线的左端接匹配负载，右端接指示计。工作过
23、程：当发射功率向天线传输时，少量功率被耦合到副线，耦合到上副线的功率沿其正方向传输至指示计，供监视或测量；少量的反方向功率则被匹配负载吸收。图4-4-2 同轴型定向耦合器4.4.2 同轴型定向耦合器2.工作原理 通过电场耦合与磁场耦合的共同作用实现定向耦合。是一种反向耦合器。3.夹角的作用 调节耦合电流的强弱，使 最小 电力线 i1 s i2 磁力线 i3(a)(b)(c)图4-4-3 同轴型定向耦合器的工作原理（a）电场耦合 （b）磁场耦合 （c）耦合的合成32ii 4.4.3 波导型单孔定向耦合器1.组成 由主波导和副波导构成，公共壁为宽壁，耦合机构是开在公共宽壁中央的小孔。图4-4-4
24、波导型单孔定向耦合器4.4.3 波导型单孔定向耦合器2.工作原理 通过电场耦合与磁场耦合的共同作用实现定向耦合。是一种反向耦合器。TE10波 输入 磁场 电场 b(a)(b)(c)图4-4-5 波导型单孔定向耦合器的工作原理（a）电场耦合 （b）磁场耦合 （c）耦合的合成4.4.4 波导型十字缝定向耦合器 构成：由相互垂直的主波导和副波导构成，公共壁为宽壁，耦合机构是十字形缝隙。由于主波导和副波导的功率传输方向相互垂直，它是一种垂直耦合器。图4-4-6 波导型十字缝定向耦合器4.4.4 波导型十字缝定向耦合器1.TE10波中的圆极化磁场ztcxxaHkHj0esinjztzxaHHj0ecos
25、由圆极化的定义 xaxakccossinaaxp2tan1112xax（1）在x1、x2处，TE10波的磁场是旋向相反的圆极化磁场。（2）旋向规律：以TE10波的传播方向为参考，x1处为左圆极化磁场，x2处为右圆极化磁场。4.4.4 波导型十字缝定向耦合器2.工作原理 （1）若主线中TE10波的传播方向向下，则十字缝位于视线的左边，故十字缝处为左圆极化磁场（逆时针方向）。（2）耦合到副线后，十字缝处仍然应为左圆极化磁场。（3）假设副线中TE10波的传播方向向左。这时，由于十字缝位于视线的右边，按照旋向判断方法，十字缝处为右圆极化磁场。这与要求的极化旋向矛盾，因此假设错误。（4）再假设副线中TE
26、10波的传播方向向右，这时，由于十字缝位于视线的左边，故十字缝处为左圆极化磁场。这与要求的极化旋向一致，因此副线的正方向应该是向右。图4-4-8 副线正方向的判断4.4.4 波导型十字缝定向耦合器3.副线正方向的简易判断方法 过十字缝作对角线，再使主线输入信号在到达十字缝之前折弯，若能与对角线相交，则该方向就是副线的正方向。图4-4-9 副线正方向的简易判断方法4.5 三分贝电桥4.5.1 二分支三分贝电桥 构成：由上下主线和两条分支线构成，主线长 ，特性导纳为 ，分支线长也是 ，特性导纳为 。402Y0Y4图4-5-1 同轴型二分支三分贝电桥4.5.1 二分支三分贝电桥1.二分支三分贝电桥的
27、奇偶模分解 偶模激励时 端口1、4的输入电流等幅同相，A点、B点为等效开路。奇模激励时 端口1、4的输入电压等幅反相，A点、B点为等效短路。0031j8tanjYYYYee0031j8cotjYYYYoo/4 0Y 0jY 0jY 0Y 1(4)2(3)0Y 0jY 0jY 0Y 1(4)2(3)/4 (a)(b)图4-5-2 二分支三分贝电桥的等效电路a)偶模等效电路 b)奇模等效电路4.5.1 二分支三分贝电桥2.奇偶模等效电路的归一化A矩阵和S矩阵 偶模等效电路 奇模等效电路 1jj121321eeeeAAAA1j0131eeAA02j2j02eA0j1j1021eS1j0131ooAA
28、eo22AA 1jj121321ooooAAAA0j1j1021oS4.5.1 二分支三分贝电桥3.二分支三分贝电桥的S矩阵 偶模激励时 奇模激励时 对一般激励 eeeeeeeeeeaSaSbaSaSb22212122121111ooooooooooaSaSbaSaSb222121221211112222322322411411aaaaaaaaaaaaoeoeoeoeoeoebbbbbbbbbbbb2232221141110j10j001100j01j021S4.5.1 二分支三分贝电桥4.二分支三分贝电桥的工作特性 当端口1接匹配源，其它端口接匹配负载时：（1）从端口1输入的功率被端口2、3
29、均分输出，端口1无反射，端口4被隔离。（2）以端口1输入信号的相位为基准，端口2和端口3输出信号的相位分别滞后 和 。901804.5.2 三分支三分贝电桥 S矩阵 工作特性 当端口1接匹配源，其它端口接匹配负载时，从端口1输入的功率被端口2、3均分输出，端口1无反射，端口4被隔离；以端口1输入信号的相位为基准，端口2和端口3输出信号的相位分别滞后 和 。180270图4-5-3 同轴型三分支三分贝电桥01j0100jj0010j1021S4.5.3 环形三分贝电桥 构成 如图所示，线环的中心线长 ，特性导纳为 ；线环上相邻端口间的圆弧长 ；分支线的特性导纳为 。S矩阵 图4-5-4 同轴型环
30、形三分贝电桥2320Y40Y0j0jj0j00j0jj0j021S4.5.4 三分贝电桥的应用1.三分贝电桥的短路特性 端口1的输入信号全部从端口4输出，输出信号的相位滞后 。图4-5-5 三分贝电桥的短路特性2704321432101j0100jj0010j1021abbabbbb41410jj0aabb4.5.4 三分贝电桥的应用2.三分贝电桥的串联特性 任一端口的输入信号全部从对角线上的端口输出，输出信号的相位滞后 。图4-5-6 三分贝电桥的串联特性4651465100j0000jj0000j00aaaabbbb904.5.4 三分贝电桥的应用 例例4-5-1 某雷达的平衡式收发开关如
31、图4-5-7所示，试分析其工作原理。图中，平衡式收发开关由两个同轴型三分支三分贝电桥串联而成，在串联处接有TR放电管。其端口1至发射机，端口5至接收机，端口4接雷达天线，端口6接匹配负载。TR放电管的作用是工作于高功率状态时打火，使左边的三分贝电桥呈短路特性；工作于小功率状态时不打火，使三分贝电桥组合呈串联特性。图4-5-7 某雷达的平衡式收发开关4.5.4 三分贝电桥的应用 分析：分析：当大功率信号从端口1输入时，由于TR放电管打火，使左边的三分贝电桥呈短路特性，发射功率全部从端口4输出至雷达天线，端口5（即接收机）、端口6被隔离。当来自雷达天线的回波信号从端口4输入时，由于三分贝电桥组合呈
32、串联特性，故回波信号全部送至端口5（即接收机），端口1、端口6被隔离。图4-5-7 某雷达的平衡式收发开关4.6 微波衰减器和滤波器4.6.1 微波衰减器1.吸收式衰减器 构成：由一段传输线内置吸波装置而成 优缺点：优点是频带宽，功率容量大，起始衰减量小，稳定性好，缺点是精度较差。吸收物质 吸收物质(a)(b)图4-6-1 吸收式衰减器（a）固定式 （b）可变式4.6.1 微波衰减器2.旋转式衰减器 构成：由两段同向放置的矩形波导和一段圆波导构成，内置衰减片。工作原理：基于衰减片只衰减电场平行分量的原理。优缺点：优点是频带宽，精度高，起始衰减量小；缺点是结构复杂，较昂贵。图4-6-2 旋转式衰
33、减器及其工作原理4.6.1 微波衰减器3.截止式衰减器 工作原理：利用波导的截止状态制作而成。工作波长范围 衰减量 优缺点：优点是频带宽，精度高，可用作标准衰减器；缺点是起始衰减量太大。c686.82lLdB4.6.2 微波滤波器1.微波低通滤波器 构成：由粗细跳变的同轴线内导体构成，由于形状似葫芦，俗称糖葫芦滤波器。该等效电路是集中参数低通滤波器的原型电路。高阻抗线段(150)支撑介质 低阻抗线段(10)50 的过渡线 同轴接头 同轴接头(a)图4-6-3 糖葫芦滤波器及其等效电路(a)结构 (b)等效电路 C2 C1 L1 L2 L3 Z0 ZL(b)4.6.2 微波滤波器2.微波高通滤波
34、器 构成：由若干段芯线及与之并联的短路分支线构成，芯线段之间留有间隙并用聚四氟乙烯介质填充。该等效电路是集中参数高通滤波器的原型电路。介质 小于/4(a)(b)图4-6-4 微波高通滤波器(a)结构 (b)等效电路4.6.2 微波滤波器3.微波带通滤波器 构成：由若干间距相等的电感膜片和调谐螺钉构成，螺钉置于相邻电感膜片之间且位于波导宽壁中央。该等效电路是集中参数带通滤波器的原型电路。(b)图4-6-5 直接耦合式微波带通滤波器(a)结构 (b)等效电路4.6.2 微波滤波器4.微波带阻滤波器 构成：由主线和若干并联分支线构成，分支线长度为 ，分支线间距也为 。该等效电路是集中参数带阻滤波器的
35、原型电路。4p4p/4/4/4 Y0 Y0 Y0 Y0 Y01 Y02 Y03(a)20ZLC CZL20(b)图4-6-6 分支线式微波带阻滤波器(a)结构 (b)等效电路4.6.3 微波周期性结构简介 结构（1）电抗加载周期性结构。（2）介质加载周期性结构。（3）频率选择表面（FSS），即通过将表面周期性地分区使之具有频率选择性。4.6.3 微波周期性结构简介 分析步骤（1）写出电抗加载单元电路的 矩阵 图4-6-7 电抗加载单元电路sin2cos2sincos2j2sincos2jsin2cosbbbbbBbDCBAA222232111IUIUIUAAAAd I2 I1 U2 U1 d/
36、2 d/2 jb 1A 2A 3A 10Y10YA4.6.3 微波周期性结构简介（2）写出电抗加载单元电路的色散方程 sin2cos21coshbDAd2211e00eIUIUdd2211eeIUDCBAIUdd若上式存在非零解，当且仅当系数矩阵的行列式等于零 0ee1ee2DADCBAdddd4.6.3 微波周期性结构简介（3）对色散方程进行讨论 1sin2cosbsin2coscosbdj通带条件 1sin2cosbsin2coscoshbd阻带条件 4.7 微波铁氧体器件4.7.1 概述1.什么是铁氧体 铁氧体是一种非金属磁性材料，由氧化铁与其它金属氧化物混合烧结而成。分子式为 ，其中，
37、M表示二价金属分子，在微波波段通常指MgMn、MgMnAl、NiZn、NiCo、Li等。32OFeMO4.7.1 概述2.微波铁氧体的特点（1）电阻率很高（达1011cm），接近于绝缘体，因此电磁波可以在其中传播。（2）磁导率随外加直流磁场的变化而变化，因而磁导率可以电调。（3）具有磁各向异性，即它的磁导率不再是标量，而需要用张量来描述，称为张量磁导率。因此微波铁氧体器件一般是非互易器件。4.7.2 铁氧体的张量磁导率1.铁氧体的磁化 外加恒定磁场 0M图4-7-1 磁化强度 的进动zH eHH00 000ddHMMtMMtMMtMMzyx000000000sincos00H铁氧体的本征进动频
38、率或拉摩进动频率 实际的铁氧体存在损耗，使 在很短时间内与 的方向趋于一致，这一现象称为铁氧体被磁化。0M0H4.7.2 铁氧体的张量磁导率2.无耗铁氧体的张量磁导率 定义 外加磁场 当工作在小信号状态时 ttttmhhb0 thHH0 tttthHmMmM000ddzzyxyyxxhbhhbhhb33jj33000j0j220200001HM2200000HM4.7.2 铁氧体的张量磁导率3.关于张量磁导率的讨论（1）在与 垂直的方向，不仅对 有贡献，而且对 也有贡献。亦然。称这种性质为磁各向异性。（2）为一特殊方向，该方向的 只与 有关，即在 方向铁氧体与磁导率为标量的介质无异。（3）当
39、，即交变磁场的频率接近于拉摩进动频率时，有 ，。称这种现象为铁氧体的铁磁谐振效应。在铁磁谐振状态下，铁氧体强烈吸收交变磁场的能量。0Hxhxbybyh0Hzbzh0H04.7.3 微波铁氧体的正负圆极化磁导率1.正圆极化磁场及正圆极化磁导率（1）正圆极化磁场 与恒定磁场 呈右手螺旋关系（2）正圆极化磁导率 th tthtyxsincoseehhb000001HMkyyxxhheehhhxhhyj0H4.7.3 微波铁氧体的正负圆极化磁导率2.负圆极化磁场及负圆极化磁导率 负圆极化磁场与恒定磁场 呈左手螺旋关系 负圆极化磁导率 yyxxhheehhhxhhyjhb th000001HMk4.7.
40、3 微波铁氧体的正负圆极化磁导率3.关于正负圆极化磁导率的讨论（1）正圆极化磁导率曲线可分成三段 为铁磁谐振点。对应曲线的左半支，这时 ，为低场区。对应曲线的右半支，这时 ，为高场区。（2）负圆极化磁导率曲线比较平坦。图4-7-2 正负圆极化磁导率曲线000H00H4.7.4 SUPW在无耗均匀铁氧体中的传播1.纵向磁化情形和法拉第效应（1）时SUPW在无耗均匀铁氧体中的传播0/HkHEjEHj0yxjz对SUPW有k 结论：对纵向磁化情形，SUPW被分解成两部分，一部分是正圆极化的SUPW，以相速度 传播；另一部分是负圆极化的SUPW，以相速度 传播。pvpv4.7.4 SUPW在无耗均匀铁
41、氧体中的传播1.纵向磁化情形和法拉第效应 （2）法拉第效应 特点：工作在低场区时，的旋向与 呈右手螺旋关系。工作在高场区时，的旋向与 呈左手螺旋关系。是一种非互易效应。图4-7-3 法拉第旋转角ltl2121法拉第旋转角 0H0H4.7.4 SUPW在无耗均匀铁氧体中的传播2.横向磁化情形和双折射效应 时SUPW被分裂成两部分，一部分是TEM波，它的相速度 与铁氧体的磁化状态无关，称为寻常波或o波；另一部分是椭圆极化波，它的相速度 与铁氧体的磁化状态有关，称为非寻常波或e波。双折射效应：横向磁化时SUPW被分裂成o波和e波的现象。0Hk oopveepv33oe22k4.7.5 隔离器1.旋转
42、式隔离器 构成：由两段圆方波导和内置铁氧体棒的圆波导段构成，圆波导段外壁装有永久磁铁，用来提供纵向偏置磁场。图中，波导1和波导2呈 夹角，铁氧体棒的法拉第旋转角也是 。图4-7-4 旋转式隔离器45454.7.5 隔离器 工作原理（1）电磁波向右传输时，波导1中TE10波经圆方波导后转换成圆波导的TE11波。由法拉第效应，电场方向右旋。到达波导2时与其所需的TE10波的电场方向一致，因此，信号顺利输出。（2）电磁波向左传输时，TE10波从波导2传输至波导1的过程中，电场方向仍然右旋，到达波导1时与其所需的TE10波的电场方向正交，因此，波导1无输出。图4-7-5 旋转式隔离器的工作原理4.7.
43、5 隔离器2.场移式隔离器 场移式隔离器由内置铁氧体片和衰减片的矩形波导段构成。图中，铁氧体片置于TE10波的圆极化磁场处，衰减片紧贴在铁氧体片上，安装有永久磁铁用来提供横向偏置磁场，并使铁氧体工作在 的低场区。图4-7-6 场移式隔离器0r4.7.5 隔离器（1）场移效应 TE10波传入纸面的情况。铁氧体片处存在左圆极化磁场，是正圆极化磁场，使合成磁场削弱。这一现象好像是铁氧体片将TE10波的场转移到了其外部空间。TE10波传出纸面的情况。铁氧体片处存在右圆极化磁场，是负圆极化磁场，对磁场分布的影响不明显。由于铁氧体的介电常数较大，使铁氧体内的电场增强。这一现象好像是铁氧体片将TE10波的场
44、向其内部有所集中。铁氧体的这种改变场分布的作用称为场移效应。场移效应是一种非互易效应。图4-7-7 铁氧体的场移效应4.7.5 隔离器（2）场移式隔离器的工作原理由于衰减片的作用使得：当TE10波穿入纸面传输时，铁氧体处的场很弱，衰减片不起作用，因此，TE10波顺利传输。当TE10波穿出纸面传输时，铁氧体处的场较强，在传输过程中这些功率被衰减片吸收，因此，TE10波不能顺利传输。3.谐振吸收式隔离器图4-7-8 谐振吸收式隔离器4.7.6 环行器 结构 由互成120的Y形板线、两块圆饼状铁氧体和永久磁铁（钡铁）构成，铁氧体上下夹住板线的芯线形成结区，永久磁铁用于提供横向偏置磁场。工作特性 从端
45、口1输入的功率全部从端口2输出，端口1无反射，端口3被隔离，余类推。这一工作特性简记为1231。图4-7-9 Y结环形器的结构图4-7-10 Y结环形器的工作特性4.7.6 环行器1.Y结环行器的S矩阵 （1）若无耗三口网络的所有端口均为端口匹配，它必然是一个理想的三端口环行器。环行方向为1231 环行方向为1321 （2）若无耗三口网络是一个理想的三端口环行器，它的所有端口必然是端口匹配状态。010001100S001100010S4.7.6 环行器2.Y结环行器的工作原理 图a是不加偏置磁场的情况。铁氧体不呈各向异性，信号从端口2、3等分输出。图b是加偏置磁场的情况。铁氧体工作于低场区时，
46、线极化波在铁氧体中以e波模式传播，通过铁氧体后极化方向正好旋转30。信号从端口2输出，端口3无输出。铁氧体工作于高场区时，可使e波通过铁氧体后极化方向旋转150。信号从端口3输出，端口2无输出。a）b）图4-7-11 Y结环行器的环行原理4.7.6 环行器环行方向与H0的关系 Y结环形器工作在低场区时二者成左手螺旋关系（环行方向为1-2-3-1）。Y结环形器工作在高场区时二者成右手螺旋关系（环行方向为1-3-2-1）。4.7.7 移相器 移相器的功用是使通过的微波信号产生预定的相移量。锁式移相器由内置铁氧体块的矩形波导段构成。H M+M-M(b)图4-7-12 锁式移相器的构成a）横截面结构
47、b）磁滞回线4.7.7 移相器 图a表示通过选择不同的铁氧体长度，移相器以 为步长实现二进制移相；图b表示当穿心导线上的脉冲电流沿z方向时，铁氧体横截面上的偏置磁场为左上右下，若TE10波的传输方向也沿z方向，则左右两边的圆极化磁场均为正圆极化磁场，即 较小；图c是表示穿心导线上的脉冲电流沿-z方向的情况，这时铁氧体的 较大。于是，可以通过改变激励电流的方向得到差相移。图a表示通过选择不同的铁氧体长度，移相器以 为步长实现二进制移相；图b表示当穿心导线上的脉冲电流沿z方向时，铁氧体横截面上的偏置磁场为左上右下，若TE10波的传输方向也沿z方向，则左右两边的圆极化磁场均为正圆极化磁场，即 较小；
48、图c是表示穿心导线上的脉冲电流沿-z方向的情况，这时铁氧体的 较大。于是，可以通过改变激励电流的方向得到差相移。5.22a）b）c）图4-7-13 四位数字式移相器及其工作原理4.7.8 磁调滤波器1.一般概念 构成：由YIG小球、偏置磁场H0和2个相互正交的导体圆环构成。其中，YIG小球由YIG单晶制成，直径约1 mm。导体圆环中，一个是激励环，置于yz平面；一个是输出环，置于xz平面。YIG滤波器是一种谐振型带通滤波器。图4-7-14 YIG滤波器4.7.8 磁调滤波器2.YIG小球的工作特性 YIG小球的工作特性指的是图中金属圆环输入端的阻抗特性 H0 a z y x YIG 小球 b 金属圆环(a)a b C L(b)图4-7-15 YIG小球电路a)结构 b)等效电路 rmababtiuZ220002j4.7.8 磁调滤波器3.YIG滤波器的工作原理 交流信号从端口1-1进入激励环，在YIG小球处产生磁场 。由于铁氧体的磁导率是张量，磁场 在YIG小球中不仅会产生分量 ，还会产生分量 。由法拉弟电磁感应定律，分量 会在与之垂直的输出环上产生感应电动势，使端口2-2有输出。圆环和圆环相互正交是为了避免圆环间的直接耦合。xhxhxbybyb
