全反射终端器（短路器）的作用与原理

在波导或同轴线设备中，短路器可以提供任意数值的电抗值，也可当匹配或调谐元件用。对短路器输入端的驻波比、功率和带宽，以及稳定性等，都有一定的要求。其中，输入端的驻波比在 100～170，从而使传输线近似于短路状态。短路器可分为固定式（用金属板把波导或同轴线的终端封闭起来）和可移动式（用以短路的金属板可沿轴向移动）两大类。可移动的又分为接触式和非接触式两类。短路器的具体结构形式多种多样，这里只介绍其中的几种短路器。

（一）接触式短路器

图6.4-7 给出了矩形波导和同轴线中用的接触式短路器的结构示意图。图6.4-7（a）是滑块式，它的金属短路板是可移动的，并要求它与波导内壁有良好的接触。这种短路器由于工艺要求高以及长期磨损会使性能下降，因此很少被采用。另一种如图6.4-7（b）所示，在短路活塞端块的两个宽边上带有切槽、并形成许多细爪的弹性片（如磷青铜、铍青铜、镀银或镀铜的优质弹性钢片等），使接触更加密切。图6.4-7（c）是同轴线式短路器的结构简图。无论是波导式还是同轴线式，其弹性片的长度应等于 λg/4，使短路活塞与波导或同轴线的接触点位于高频电流的节点处，以减少由接触电阻而产生的损耗。这种结构的缺点是：当活塞移动时，接触情况不稳定，在大功率的情况下还可能产生火花现象，而且，对传动机构也有较严格的要求，因此，一般不再采用接触式短路器，而是采用非接触式短路器。

图6.4-7 接触式短路器

（a）滑块式；（b）弹性片式；（c）同轴线式

图6.4-8 非接触式短路器

（二）非接触式短路器

（1）图6.4-8 是用在同轴线中的短路器的示意图。活塞的内表面与同轴线内导体之间以及活塞的外表面与同轴线外导体之间都留有很小的间隙，从而构成了两段其长度均为 λ/4 的同轴线，特性阻抗为c′Z。原同轴线的特性阻抗为Zc。根据传输线理论可知，若 Zc′≪Zc，则在等效短路面AA′ 处呈现的阻抗就很小，近似等于短路。这种短路器虽然克服了接触式短路器的缺点，但会有能量通过缝隙泄漏到活塞后面。如果将图6.4-8 中的活塞挖空（即将图中被虚线包围的部分挖去），使之成为抗流式短路活塞，能量的泄漏就会减少。这种结构的工作原理，粗略地讲就是，当从BB′ 处向左去看挖空的活塞时，它是一个 λ/4、终端短路的同轴线。因为活塞与主同轴线之间的间隙很小，可近似地认为在主同轴线的BB′ 处接了一个输入阻抗为无限大的短路支线，从而使AA′ 处形成了一个短路面。

图6.4-9 S 形短路器

（a）立体结构示意图；（b）纵向剖面图；（c）等效电路

（2）S 形短路器。图6.4-9 是用在同轴线中的一种短路器的立体结构示意图、纵向剖面图和等效电路。因其纵向剖面呈S形，所以称为S 形短路器。短路活塞与同轴线外导体的内壁，以及与内导体的外表面均不接触，而是留有很小的间隙。为使活塞在移动中保持恒定的间隙，可在活塞的外表面喷涂（或缠绕）一层很薄的低损耗介质薄膜（如聚四氟乙烯）。这种结构，对于需要把同轴线内外导体上的直流隔开时，显得特别方便。

现在分析这种短路器的工作原理。由图6.4-9 可见，活塞的外表面与主同轴线外导体的内表面之间构成两段同轴线，设其特性阻抗均为Zc1；同样，活塞的内表面（靠近主同轴线内导体的外表面）与主同轴线内导体的外表面之间也构成两段同轴线，设其特性阻抗均为Zc2。从图上还可看到，活塞的前半部和后半部，都有一个“凹入”活塞内部的挖空部分，其深度l 近似等于l1（l1=l2=λ/4），这两个挖空部分便构成了两段终端短路的同轴线。若活塞的壁很薄，而且它与主同轴线外导体的内表面之间，以及与内导体的外表面之间的间隙又很小，则这两段短路同轴线的特性阻抗可近似地认为与主同轴线的特性阻抗Zc相等。设这两段短路同轴线的输入阻抗为Zs，则

于是，从等效电路可知，这相当于在两段传输线l1和l2之间串接了一个无穷大的阻抗，使l1和l2之间形成断路。这样，从短路器输入端向右看去的输入阻抗（Zin）1和（Zin）2，就是一个长为 λ/4、终端接有无穷大负载（开路）的传输线的输入阻抗，显然，这两个输入阻抗均为零，即这样，在S 形短路器的输入端就形成了一个等效短路面。

在上面的分析中，忽略了由于结构上的不连续性所造成的影响，并做了一些近似性的假设，因此只是一种粗略的分析。在实际上，只要使特性阻抗Zc1和Zc2比挖空部分的特性阻抗（近似地讲，即主同轴线的特性阻抗Zc）小得多，则S 形短路器仍具有较好的性能，在偏离中心频率10%～20%内，能量的泄漏非常小。其缺点是：结构复杂，制作较费事。

（3）哑铃式短路器。习惯上也称它为哑铃式短路活塞，是目前在矩形波导（尤其是小尺寸波导）中应用较广泛的一种非接触式短路器。图6.4-10 是它的原理示意图和它的等效电路。在一段标准矩形波导中，安置两个或多个直径为D 的圆柱形金属活塞，活塞之间用金属细杆连接起来，这样就构成了一个哑铃式短路器。每节活塞与矩形波导构成了一段长度为l1的外矩内圆的同轴线，它的特性阻抗Zc1较低；而直径为d，长为l2的金属连杆与矩形波导也构成了一段外矩内圆的同轴线，它的特性阻抗Zc2较高。现在用等效电路来说明这种短路器的工作原理。设短路器具有两个活塞，并选取l1和l2是对应于中心频率的四分之一导波波长。因为在短路活塞、金属细杆所占据的区域，已不再是矩形波导中的TE10模（设原来矩形波导中传输的是TE10模），而是外矩内圆同轴线中的模式，其中最低次的是TE11模。因此，l1和l2段的截止波长和导波波长都应该是对TE11模而言的。由于l1和l2两段同轴线的内导体直径不同，则对应的截止波长和导波波长也不相同，但它们都可用下式进行计算，即

图6.4-10 哑铃式短路器及其等效电路(www.zuozong.com)

根据TE11模在外矩内圆同轴线中应满足的边界条件，求解波动方程，即可得出TE11模的截止波长为

式中，a 和b 分别为矩形波导宽壁和窄壁的内尺寸；r 为圆柱形内导体（活塞或连杆）的半径；是第一类一阶贝塞尔函数。另外，用微扰法进行计算所得出的 λc的表示式为

在实际的工程计算中，用得较多的是下面的经验公式

式中的D′为圆柱形内导体的直径。若把图6.4-10 中所示的D 或d 当作D′，分别代入上式，即可求出与之相应的截止波长 λc1和 λc2，再利用式（6.4-4）求出对应的 λg1和 λg2，则l1和l2分别为

设通过短路活塞漏到其后面的功率全被损耗性的材料所吸收，而无反射波，那么，这相当于在活塞后面接有与矩形波导波型阻抗相等的匹配负载Zc，根据 λg/4 阻抗变换器的公式可知，从端面c 向右看去的输入阻抗为

从端面b 向右看去的输入阻抗为

从端面a 向右看去的输入阻抗为

因为Zc1和Zc3与Zc2相比要小得多，所以（Zin）a也是一个很小的量，就是说，哑铃活塞的输入端面可近似地认为是一个等效的短路面。当然，上面的分析，由于做了一些近似，并忽略了不连续性的影响，因此是不严格的。这种短路器的优点是，能够得到比较大的反射（即反射系数的模较大），而且随频率的变化比较小。

如图6.4-11所示，在矩形波导中活塞的第一段与波导构成了一个内、外导体的横截面均为矩形（或外矩、内圆）的同轴线，特性阻抗为Zc1；第二段是一个特性阻抗为Zc2的同轴线；第三段与波导壁直接接触，其接触电阻Rk的值很小。根据传输线理论可得等效短路面AA′ 处的阻抗为

图6.4-11 非接触式短路器

因为Zc1≪Zc2，所以ZAA′也远小于Rk，从而在AA′处形成了一个有效的短路面。

以上所讲的非接触式短路活塞都是以中心频率为准而设计的，当偏离中心频率时性能会变坏；但在偏离中心频率10%～15%的范围内，仍可满足一定的要求。而且，当用了这种短路器时，传输线上的驻波比一般都大于100，从而使传输线接近于短路状态。