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波导元件

波导元件是一种用来约束或引导电磁波的结构。通常,波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导,前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内,又称封闭波导;后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围,又称开波导。

概念


波导元件是一种用来约束或引导电磁波的结构。通常,波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导,前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内,又称封闭波导;后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围,又称开波导。

用空心金属波导或空腔等制作的微波电路的基本功能部件。波导元件可以组成各种波导网络或连成各种微波电路,其作用与低频下的电阻、电感、电容和谐振回路等很相似,但大都是分布参数元件。通常波导只起传输微波信号或功率的作用,而波导元件则能控制所传输的微波信号或功率,完成波型变换、阻抗调配、频率分隔或功率分配等各种功能。普通的波导形式是一根金属管子。其他形式有(电)介质棒或由导电材料和介质材料组成的混合构件。


特征


波导元件的工作频率一般在微波范围,在微波这样高的频率下,低频时的电压、电流等不仅已经失去了原来的意义,而且根本无法直接去测量它,所以不能作为波导元件的基本参量来使用。从测量的角度来看,波导元件的基本参量是功率和频率,其他参量如阻抗、导纳、增益、衰减、品质因素等,一般可从所测得的基本参量导出。

波导元件可以按等效电路的“路”数(即元件的分支数或“端对”数)来区分;也可以按元件中所充物质的性质来区分;还可以按元件的用途来区分。表中所列为主要的波导元件。但从使用的角度来看,其中不少元件往往兼有几种用途,很难截然划分。

波导元件一般有两个以上的端口,通过某种不均匀性或某种耦合机构来控制电磁波,即对电磁波进行各种变换。常用的不均匀性有波导阶梯(波导截面尺寸突然改变)、膜片、销钉和谐振窗等;常用的耦合机构有耦合小孔、裂缝和耦合环等。


主要的波导元件


法兰


焊在波导的端面,用于延伸或插入元件,使波导或波导元件互相连接。法兰有平法兰和抗流式法兰两种。①平法兰:靠两个法兰平滑表面的机械接触而连接;②抗流式法兰(图1):端面切出四分之一波长深的抗流槽,槽口距波导内壁也是四分之一波长,也就是槽底距波导内表面为二分之一波长。这样即可在机械接触处造成电流波节,即使在两波导端面间略有间隙或错扭,其间仍会呈现短路电抗,达到对直流开路、对射频短路的微波耦合。

 

弯波导和扭波导


在雷达或波导干线中常采用弯波导,以便按要求的角度改变波导的方向。在电场平面内弯曲的波导称为 E面弯波导(图2a),在磁场平面内弯曲的波导称为H面弯波导(图2b)。使用扭波导(图2c)可以改变传输波型的极化平面而保持波导的原方向不变。波导弯曲或扭转部分的截面略有变形就会使传播常数与未变形波导有所不同,从而引起失配。为使失配影响最小,弯波导或扭波导的长度可选为半波长的整数倍。 


软波导


在波导线路中的某些位置有时采用弯波导或扭波导等作刚性连接不很方便,则可采用软波导,以起“软关节”连接的作用。它在馈线系统中还能调节因温度变化引起的馈线伸缩,对振动、转动起缓冲和稳定作用,使传输线路有一定的灵活性。软波导常用波纹金属管制成,其截面形状有圆、椭圆和矩形等,其中椭圆软波导也常作为主馈线使用。 

阻抗变换元件


最基本的波导电抗单元有波导阶梯、膜片、销钉和螺钉等。波导中的不均匀性类似于能量存储器。膜片配置于波导横截面上,有对称、不对称和单片等型式。电容膜片可存储电能,等效电纳为容性。电感膜片和销钉可存储磁能,等效电纳为电感性。螺钉是可调电抗性元件,调节插入波导的深度可使电纳从电容性到电感性连续改变(图3)。但螺钉插入过深会引起损耗、击穿和打火等现象,因而这种可调螺钉一般只作为可调容抗元件使用。


波导接头


在众多的波导元件之中,各种类型的波导接头常常起核心作用。它可以将多个波导元件连接在一起构成微波电路,使电磁波的几种波型的功率按一定比例关系分配在各种元件之间。由波导元件连接成的微波电路不仅取决于它所包含的元件及其连接方式,还与接头的几何结构有关。波导接头  在众多的波导元件之中,各种类型的波导接头常常起核心作用。它可以将多个波导元件连接在一起构成微波电路,使电磁波的几种波型的功率按一定比例关系分配在各种元件之间。由波导元件连接成的微波电路不仅取决于它所包含的元件及其连接方式,还与接头的几何结构有关。

 


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