微波技術(shù)與天線 第5章

1、微波技術(shù)與天線第五章第五章 微波元器件微波元器件 任何頻段工作的電子設(shè)備，都需要各種功能的元器件，任何頻段工作的電子設(shè)備，都需要各種功能的元器件，既有如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路等既有如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路等無源元器件，以實(shí)現(xiàn)信號匹配、分配、濾波等功能；又有無源元器件，以實(shí)現(xiàn)信號匹配、分配、濾波等功能；又有晶體管等有源元器件，實(shí)現(xiàn)信號產(chǎn)生、放大、調(diào)制、變頻晶體管等有源元器件，實(shí)現(xiàn)信號產(chǎn)生、放大、調(diào)制、變頻等功能。等功能。 在微波系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對微波信號的產(chǎn)生、放大、變頻、在微波系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對微波信號的產(chǎn)生、放大、變頻、匹配、分配、濾波等功能的部件，統(tǒng)稱為微波

2、元器件。匹配、分配、濾波等功能的部件，統(tǒng)稱為微波元器件。微波技術(shù)與天線微波元器件按其變換性質(zhì)可分為三大類微波元器件按其變換性質(zhì)可分為三大類:線性互易元器件線性互易元器件(linear reciprocal devices)只對微波信號只對微波信號進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性并滿足互易定理進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性并滿足互易定理，主要，主要包括：各種包括：各種微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件濾波器件及微波諧振器件等；等；線性非互易元器件線性非互易元器件(linear nonreciprocal devices)主要是主要是指指鐵

3、氧體器件鐵氧體器件，它的，它的散射矩陣不對稱散射矩陣不對稱，但仍工作在線性，但仍工作在線性區(qū)域，主要包括：區(qū)域，主要包括：隔離器、環(huán)行器隔離器、環(huán)行器等；等；非線性器件非線性器件(nonlinear devices)能引起頻率的改變，從而能引起頻率的改變，從而實(shí)現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻實(shí)現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻等，主要包括等，主要包括微波電子管、微波微波電子管、微波晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場效應(yīng)管及微波電真空晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場效應(yīng)管及微波電真空器件器件等。等。微波技術(shù)與天線5.1 連接匹配元件連接匹配元件 微波連接匹配元件包括微波連接匹配元件包括三大類三大類:終端負(fù)載元件終端負(fù)載元件(te

4、rminal load devices)是是連接在傳輸系統(tǒng)連接在傳輸系統(tǒng)終端實(shí)現(xiàn)終端短路、匹配或失配終端實(shí)現(xiàn)終端短路、匹配或失配等功能的元件；等功能的元件；微波連接元件微波連接元件(microwave connector)是是將作用不同的兩將作用不同的兩個微波系統(tǒng)按一定要求連接起來個微波系統(tǒng)按一定要求連接起來，主要包括：，主要包括：波導(dǎo)接頭、波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器及轉(zhuǎn)換接頭衰減器、相移器及轉(zhuǎn)換接頭等；等；阻抗匹配元器件阻抗匹配元器件(impedance matched devices)是用于是用于調(diào)調(diào)整傳輸系統(tǒng)與終端之間阻抗匹配整傳輸系統(tǒng)與終端之間阻抗匹配的器件，主要包括的器件，主要包括螺釘

5、螺釘調(diào)配器、多階梯阻抗變換器及漸變型變換器調(diào)配器、多階梯阻抗變換器及漸變型變換器等。等。 微波技術(shù)與天線1. 終端負(fù)載元件（單口元件）終端負(fù)載元件（單口元件）; ; (1) 短路負(fù)載短路負(fù)載 (short circuit load)g/4g/4g/4波導(dǎo)短路活波導(dǎo)短路活塞塞同軸線短路活塞同軸線短路活塞有效短路面 短路負(fù)載又稱為短路器短路負(fù)載又稱為短路器, ,它的作用是將電它的作用是將電磁能量全部反射回去。對金屬波導(dǎo)最方便的短磁能量全部反射回去。對金屬波導(dǎo)最方便的短路負(fù)載是在波導(dǎo)終端接上一塊金屬片。路負(fù)載是在波導(dǎo)終端接上一塊金屬片。 實(shí)際中的短路器都是做成可以移動的，這實(shí)際中的短路器都是做成可以

6、移動的，這種短路負(fù)載又稱為種短路負(fù)載又稱為可調(diào)短路活塞可調(diào)短路活塞。 有效短路面微波技術(shù)與天線匹配負(fù)載是一種幾乎能全部吸收輸入功率的元件匹配負(fù)載是一種幾乎能全部吸收輸入功率的元件 。波導(dǎo)內(nèi)放置鍥波導(dǎo)內(nèi)放置鍥形吸收體形吸收體 或在波導(dǎo)外側(cè)加裝或在波導(dǎo)外側(cè)加裝散熱片以利于散熱散熱片以利于散熱 對波導(dǎo)來說，小功率匹配負(fù)載一般在一段對波導(dǎo)來說，小功率匹配負(fù)載一般在一段終端短路的波導(dǎo)內(nèi)終端短路的波導(dǎo)內(nèi)放置放置一塊或幾塊一塊或幾塊劈形吸收片劈形吸收片。當(dāng)吸收片平行地放置在波導(dǎo)中電場最強(qiáng)處，當(dāng)吸收片平行地放置在波導(dǎo)中電場最強(qiáng)處，吸收片強(qiáng)烈吸收微波能量，其反射變小，吸收片強(qiáng)烈吸收微波能量，其反射變小，劈尖的長

7、度越長吸收效果越劈尖的長度越長吸收效果越好，匹配性能越好，劈尖長度一般取好，匹配性能越好，劈尖長度一般取 g/2的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。劈形吸收片劈形吸收片劈形玻璃容器劈形玻璃容器當(dāng)當(dāng)功率功率很大時采用很大時采用水負(fù)載水負(fù)載 (2)匹配負(fù)載匹配負(fù)載(matched load)當(dāng)功率較大時當(dāng)功率較大時微波技術(shù)與天線微帶匹配負(fù)載微帶匹配負(fù)載用用半圓形電半圓形電阻阻作為吸收體作為吸收體, ,特點(diǎn)是頻帶特點(diǎn)是頻帶寬而且功率容量也大寬而且功率容量也大 同軸線同軸線錐型匹配負(fù)載錐型匹配負(fù)載 同軸線同軸線梯形匹配負(fù)載梯形匹配負(fù)載 微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線(3)失配負(fù)載失配負(fù)載(mismatch load)

8、失配負(fù)載既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率，而且一失配負(fù)載既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率，而且一 般般制成一定大小駐波的標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載，主要用于微波測量制成一定大小駐波的標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載，主要用于微波測量。失配負(fù)。失配負(fù)載和匹配負(fù)載的制作相似，只是略微改變一下尺寸，使之和原傳輸載和匹配負(fù)載的制作相似，只是略微改變一下尺寸，使之和原傳輸系統(tǒng)失配。系統(tǒng)失配。微波技術(shù)與天線2.微波連接元件微波連接元件 微波連接元件是二端口互易元件，主要包括：波導(dǎo)接頭、衰減微波連接元件是二端口互易元件，主要包括：波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器和轉(zhuǎn)換接頭。器、相移器和轉(zhuǎn)換接頭。連接點(diǎn)接觸可靠連接點(diǎn)接觸可靠; ;不引

9、起電磁波的反射不引起電磁波的反射, ,輸入駐波比盡可能小輸入駐波比盡可能小, ,一般在一般在1.21.2以下以下; ;工作頻帶要寬工作頻帶要寬; ;電磁能量不會泄漏到接頭外面電磁能量不會泄漏到接頭外面; ;而且結(jié)構(gòu)要牢靠而且結(jié)構(gòu)要牢靠, ,裝拆方便裝拆方便, ,容易加工等容易加工等。 微波技術(shù)與天線(1)波導(dǎo)接頭波導(dǎo)接頭(waveguide connector) 平法蘭平法蘭扼流法蘭扼流法蘭 平法蘭特點(diǎn)：加工方便、體積小、頻帶寬，其駐波比可以做到平法蘭特點(diǎn)：加工方便、體積小、頻帶寬，其駐波比可以做到1.002以下，但要求接觸表面光潔度較高。以下，但要求接觸表面光潔度較高。常用常用于于低功率、寬

10、頻帶場合低功率、寬頻帶場合。 扼流法蘭特點(diǎn)：功率容量大，接觸表面光潔度要求不高，但工作頻扼流法蘭特點(diǎn)：功率容量大，接觸表面光潔度要求不高，但工作頻帶較窄，駐波比的典型值是帶較窄，駐波比的典型值是1.02。一般用于高功率、窄頻帶場合。一般用于高功率、窄頻帶場合。 微波技術(shù)與天線波導(dǎo)連接頭除了法蘭接頭之外，還有各種波導(dǎo)連接頭除了法蘭接頭之外，還有各種扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)(twist)和彎曲和彎曲(bend)元件元件，從而改變電磁波方向。，從而改變電磁波方向。微波技術(shù)與天線4g 1、衰減器：、衰減器： 同軸線衰減器同軸線衰減器 可調(diào)波導(dǎo)衰減器可調(diào)波導(dǎo)衰減器吸波材料片吸波材料片 作用作用：根據(jù)需要，減小所傳輸信號

11、的幅度。：根據(jù)需要，減小所傳輸信號的幅度。 原理原理：用吸波材料吸收一定的電磁能量來實(shí)現(xiàn)衰減。：用吸波材料吸收一定的電磁能量來實(shí)現(xiàn)衰減。(2)衰減元件和相移元件衰減元件和相移元件微波技術(shù)與天線2、移相器：、移相器： 原理原理：電磁波在不同介質(zhì)中具有不同的相移常數(shù)。因：電磁波在不同介質(zhì)中具有不同的相移常數(shù)。因此改變電磁波經(jīng)過的介質(zhì)就可以改變其相移量。此改變電磁波經(jīng)過的介質(zhì)就可以改變其相移量。 作用作用：可以人為地改變傳輸電磁波的相位。：可以人為地改變傳輸電磁波的相位。低損耗介質(zhì)片低損耗介質(zhì)片l 當(dāng)將衰減器的衰減片換成當(dāng)將衰減器的衰減片換成介電常數(shù)介電常數(shù) r1的低耗介質(zhì)片的低耗介質(zhì)片時，就構(gòu)成了

12、移相器時，就構(gòu)成了移相器微波技術(shù)與天線功率分配網(wǎng)絡(luò)功率分配網(wǎng)絡(luò)0 2 )1( N天線陣元天線陣元移相器移相器源源 應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：用于相控陣天線中，要求每個天線陣元用于相控陣天線中，要求每個天線陣元輻射相位不同的電磁波。輻射相位不同的電磁波。移相器的移相器的相移量相移量微波技術(shù)與天線1.1.同軸線同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器 它將同軸線的一端加信號它將同軸線的一端加信號, ,另一端的內(nèi)導(dǎo)體伸入另一端的內(nèi)導(dǎo)體伸入矩形波導(dǎo)內(nèi)矩形波導(dǎo)內(nèi), ,則同軸線中則同軸線中TEMTEM模就會激勵起矩形波導(dǎo)中模就會激勵起矩形波導(dǎo)中TETE1010模模, ,反之亦然。這樣實(shí)現(xiàn)了模式變換。反之亦然。這樣實(shí)現(xiàn)了模式變

13、換。(3)轉(zhuǎn)換接頭轉(zhuǎn)換接頭(switching connector) 微波從一種傳輸系統(tǒng)過渡到另一種傳輸系統(tǒng)時需要用轉(zhuǎn)換器微波從一種傳輸系統(tǒng)過渡到另一種傳輸系統(tǒng)時需要用轉(zhuǎn)換器微波技術(shù)與天線2.2.波導(dǎo)波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)接器微帶轉(zhuǎn)接器由于矩形波導(dǎo)的等效阻抗通常由于矩形波導(dǎo)的等效阻抗通常在在300300 400400之間之間, ,而微帶線而微帶線特性阻抗一般為特性阻抗一般為50;50;而且矩而且矩形波導(dǎo)的高度形波導(dǎo)的高度b b又比微帶線襯又比微帶線襯底高度底高度h h大得多大得多, ,因此兩種傳輸因此兩種傳輸線不能直接相接線不能直接相接, ,常在波導(dǎo)和常在波導(dǎo)和微帶線之間加一段脊波導(dǎo)過渡微帶線之間加一段脊

14、波導(dǎo)過渡段來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。段來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。微波技術(shù)與天線2021-10-293. 3. 同軸線同軸線微帶轉(zhuǎn)接器微帶轉(zhuǎn)接器 將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體向外將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體向外延伸一小段延伸一小段( (長度約為長度約為1 1 2mm)2mm)與微帶線中心導(dǎo)帶搭接與微帶線中心導(dǎo)帶搭接, ,同同軸線的外導(dǎo)體與微帶線的接軸線的外導(dǎo)體與微帶線的接地平面相連的外殼相連地平面相連的外殼相連, ,這這種接頭根據(jù)報導(dǎo)種接頭根據(jù)報導(dǎo), ,在在10GHz10GHz以以下的頻率范圍內(nèi)下的頻率范圍內(nèi), ,可得到小可得到小于于1.151.15的駐波比的駐波比, ,在一般工在一般工程中應(yīng)用得到滿意的結(jié)果。程中應(yīng)用得到滿意的結(jié)果。微波

15、技術(shù)與天線3. 阻抗匹配元件阻抗匹配元件 (1)螺釘調(diào)配器螺釘調(diào)配器(bolt tuner) 使用時為了避免波導(dǎo)短路擊穿，螺釘都設(shè)計成容性，即螺釘旋入波使用時為了避免波導(dǎo)短路擊穿，螺釘都設(shè)計成容性，即螺釘旋入波導(dǎo)中的深度應(yīng)小于導(dǎo)中的深度應(yīng)小于3b/4。 螺釘不同的螺釘不同的深度等效為深度等效為不同的電抗不同的電抗元件元件 螺釘調(diào)配器可分為單螺釘、雙螺釘、三螺釘和四螺釘調(diào)配器。單螺螺釘調(diào)配器可分為單螺釘、雙螺釘、三螺釘和四螺釘調(diào)配器。單螺釘調(diào)配器通過調(diào)整螺釘?shù)目v向位置和深度來實(shí)現(xiàn)匹配的。釘調(diào)配器通過調(diào)整螺釘?shù)目v向位置和深度來實(shí)現(xiàn)匹配的。 微波技術(shù)與天線（2）多階梯阻抗變換器多階梯阻抗變換器(mu

16、lti-ladder impedance changer) 在第在第1章中我們已經(jīng)知道用章中我們已經(jīng)知道用/4阻抗變換器可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但嚴(yán)阻抗變換器可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但嚴(yán)格說來只有在特定頻率上才滿足匹配條件，若要使變換器在較寬的工格說來只有在特定頻率上才滿足匹配條件，若要使變換器在較寬的工作頻帶內(nèi)仍可實(shí)現(xiàn)匹配，必須用多階梯阻抗變換器。作頻帶內(nèi)仍可實(shí)現(xiàn)匹配，必須用多階梯阻抗變換器。波導(dǎo)形波導(dǎo)形同軸形同軸形微帶形微帶形微波技術(shù)與天線（3） 漸變型阻抗變換器漸變型阻抗變換器(graded model impedance changer) 增加階梯的級數(shù)就可以增加工作帶寬，但增加了階梯級數(shù)，變換器的增

17、加階梯的級數(shù)就可以增加工作帶寬，但增加了階梯級數(shù)，變換器的總長度也要增加，尺寸會過大，另一方面結(jié)構(gòu)設(shè)計越困難，因此提出總長度也要增加，尺寸會過大，另一方面結(jié)構(gòu)設(shè)計越困難，因此提出用漸變線代替多階梯。用漸變線代替多階梯。 漸變線：漸變線：其特性阻抗按一定規(guī)律平滑地由一條傳輸線的特性阻抗變換其特性阻抗按一定規(guī)律平滑地由一條傳輸線的特性阻抗變換到另一條傳輸線的特性阻抗到另一條傳輸線的特性阻抗。Zl微波技術(shù)與天線5.2 功率分配元器件功率分配元器件 在微波系統(tǒng)中，往往需將在微波系統(tǒng)中，往往需將一路微波功率按比例分成幾路，一路微波功率按比例分成幾路，這就是功率分配問題。這就是功率分配問題。實(shí)現(xiàn)上述功能的

18、元件稱為實(shí)現(xiàn)上述功能的元件稱為功率分配元器件功率分配元器件(power divider)，主要包括：主要包括：定向耦合器、功率分配器定向耦合器、功率分配器以及各種以及各種微波分支器微波分支器件件。微波技術(shù)與天線1、定向耦合器、定向耦合器3 34 41 12 2 同向耦合同向耦合輸入端口輸入端口隔離端口隔離端口耦合端口耦合端口直通端口直通端口3 34 41 12 2 反向耦合反向耦合直通端口直通端口耦合端口耦合端口輸入端口輸入端口隔離端口隔離端口 作用：作用：從主傳輸線中取出一些電磁能量并向設(shè)定的方向從主傳輸線中取出一些電磁能量并向設(shè)定的方向傳輸。可以用來傳輸?？梢杂脕肀O(jiān)視功率、頻率和頻譜監(jiān)視功

19、率、頻率和頻譜;把功率進(jìn)把功率進(jìn)行分配和合成行分配和合成; 又可以測量反射系數(shù)和功率又可以測量反射系數(shù)和功率,等等等等。 是一條傳輸系統(tǒng)，稱為主線是一條傳輸系統(tǒng)，稱為主線為一條傳輸系統(tǒng)，稱為副線為一條傳輸系統(tǒng)，稱為副線微波技術(shù)與天線（1）、波導(dǎo)定向耦合器）、波導(dǎo)定向耦合器4g 雙孔定向耦合器（窄頻帶）雙孔定向耦合器（窄頻帶）3 34 41 12 21 12 23 34 43 34 41 12 2123N 多孔定向耦合器（頻帶較寬）多孔定向耦合器（頻帶較寬）耦合端口耦合端口3微波同相疊加，隔離口微波同相疊加，隔離口4反向抵消反向抵消微波技術(shù)與天線 單孔定向耦合器單孔定向耦合器 理想狀態(tài)下，隔離端

20、口應(yīng)當(dāng)沒有輸出，但實(shí)際上仍有一定理想狀態(tài)下，隔離端口應(yīng)當(dāng)沒有輸出，但實(shí)際上仍有一定輸出，因此應(yīng)在隔離端口接匹配負(fù)載，吸收這一部分功率。輸出，因此應(yīng)在隔離端口接匹配負(fù)載，吸收這一部分功率。吸波材料吸波材料微波技術(shù)與天線 定向耦合器實(shí)例定向耦合器實(shí)例微波技術(shù)與天線（2）微帶定向耦合器）微帶定向耦合器 平行耦合線定向耦合器平行耦合線定向耦合器距離較近的微帶線之間都有能量耦合距離較近的微帶線之間都有能量耦合。鋸齒形定向耦合器鋸齒形定向耦合器提高性能提高性能主線主線副線副線微波技術(shù)與天線鋸齒形定向耦合器實(shí)例鋸齒形定向耦合器實(shí)例微波技術(shù)與天線 微帶雙分支定向耦合器微帶雙分支定向耦合器3 32 21 14

21、44g 4g ABCD 1輸入，輸入，2、3輸出，相位差輸出，相位差90度；度； 4為隔離端口，無輸出；為隔離端口，無輸出；微波技術(shù)與天線微帶雙分支定向耦合器實(shí)例微帶雙分支定向耦合器實(shí)例微波技術(shù)與天線2.功率分配器功率分配器(power divider) 將將一路微波功率按一定比例分成一路微波功率按一定比例分成n路輸出路輸出的功率元件的功率元件稱為功率分配器。按輸出功率比例不同，可分為等功率分稱為功率分配器。按輸出功率比例不同，可分為等功率分配器和不等功率分配器。配器和不等功率分配器。在結(jié)構(gòu)上，在結(jié)構(gòu)上，大功率往往采用同軸線，而中小功率常采用微大功率往往采用同軸線，而中小功率常采用微帶線帶線。

22、 微波技術(shù)與天線（1） 微帶功率分配器：微帶功率分配器： Y形分支形分支 T形分支形分支微帶天線陣微帶天線陣微帶天線陣元微帶天線陣元微帶線微帶線微波技術(shù)與天線功分器實(shí)例功分器實(shí)例一分二一分三微波技術(shù)與天線主要特性：主要特性： 3端口輸入：端口輸入：1、2等幅、反相輸出，等幅、反相輸出，4端口端口無輸出；無輸出； 4端口輸入：端口輸入：1、2等幅、同相輸出，等幅、同相輸出，3端口端口無輸出；無輸出； 1、2端口端口均有輸入：均有輸入：3端口輸出差信號，端口輸出差信號，4端口輸出和信號；端口輸出和信號； 3、4端口相互隔離；端口相互隔離；1、2端口相互隔離；端口相互隔離； （2）微帶環(huán)形電橋（微帶

23、魔）微帶環(huán)形電橋（微帶魔T）1243微帶環(huán)形電橋?qū)嵗Лh(huán)形電橋?qū)嵗⒉夹g(shù)與天線3.波導(dǎo)分支器波導(dǎo)分支器(waveguide branch circuit) 將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的元件將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的元件稱為波導(dǎo)分支器。稱為波導(dǎo)分支器。1) E面面T型分支型分支當(dāng)當(dāng)微波信號從端口輸入時，平均地分給端口，但微波信號從端口輸入時，平均地分給端口，但兩端口是等幅反相的；當(dāng)信號從端口反相激勵時，兩端口是等幅反相的；當(dāng)信號從端口反相激勵時，則在端口合成輸出最大；而當(dāng)同相激勵端口時，則在端口合成輸出最大；而當(dāng)同相激勵端口時，端口將無輸出端口將無輸出。結(jié)構(gòu) 等效電路 微波技術(shù)與天線2

24、) H面面T型分支型分支 當(dāng)微波信號從端口輸入時，平均地分給端口，這當(dāng)微波信號從端口輸入時，平均地分給端口，這兩端口得到是等幅同相的波；當(dāng)在端口同相激勵時，兩端口得到是等幅同相的波；當(dāng)在端口同相激勵時，則在端口合成輸出最大，而當(dāng)反相激勵時端口將無輸則在端口合成輸出最大，而當(dāng)反相激勵時端口將無輸出出。微波技術(shù)與天線3)匹配雙匹配雙T或魔或魔T(magic-T circuit) 將將ET分支和分支和HT分支合并，并在接頭內(nèi)分支合并，并在接頭內(nèi)加匹配以消除各路的反射，則構(gòu)成匹配雙加匹配以消除各路的反射，則構(gòu)成匹配雙T ，也稱為魔也稱為魔T 。H臂或臂或和臂和臂E臂或臂或差臂差臂 魔魔T具有對口隔離，

25、鄰口具有對口隔離，鄰口3dB3dB耦合及完全匹配的關(guān)系，因此它在微波領(lǐng)耦合及完全匹配的關(guān)系，因此它在微波領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，尤其用在域獲得了廣泛應(yīng)用，尤其用在雷達(dá)收發(fā)開關(guān)、混頻器及移相器雷達(dá)收發(fā)開關(guān)、混頻器及移相器等場合。等場合。 微波技術(shù)與天線十字定向耦合器十字定向耦合器定向耦合器定向耦合器魔魔T雙雙 微波技術(shù)與天線5.3 微波微波諧振器件諧振器件 在在低頻電路低頻電路中，諧振回路是一種基本元件，它是由中，諧振回路是一種基本元件，它是由電感電感L和電容和電容C串聯(lián)或并聯(lián)串聯(lián)或并聯(lián)而成，在而成，在振蕩器中作為振蕩回路用以振蕩器中作為振蕩回路用以控制振蕩器的頻率；在放大器中用作諧振回路；在帶通或

26、帶控制振蕩器的頻率；在放大器中用作諧振回路；在帶通或帶阻濾波器中作為選頻元件阻濾波器中作為選頻元件等。在微波頻率上，也有上述功能等。在微波頻率上，也有上述功能的器件，這就是微波諧振器件的器件，這就是微波諧振器件(microwave resonators)。微波技術(shù)與天線 相當(dāng)于低頻中的諧振回路，具有儲能、選頻、穩(wěn)頻相當(dāng)于低頻中的諧振回路，具有儲能、選頻、穩(wěn)頻的功能；的功能； 用途用途：微波源、濾波器、選頻器等等；：微波源、濾波器、選頻器等等；基本概念：基本概念： 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 理論上說，有無窮多個諧振頻率（多諧性）；理論上說，有無窮多個諧振頻率（多諧性）； 品質(zhì)因素品質(zhì)因素Q值很高（幾萬幾十萬

27、）；值很高（幾萬幾十萬）；Q諧振系統(tǒng)諧振時的平均儲能諧振系統(tǒng)諧振時的平均儲能系統(tǒng)中每秒的能量消耗系統(tǒng)中每秒的能量消耗微波技術(shù)與天線n對于諧振腔而言，已經(jīng)無法分出哪里是電感、哪里是電容，腔對于諧振腔而言，已經(jīng)無法分出哪里是電感、哪里是電容，腔體內(nèi)充滿電磁場，因此只能體內(nèi)充滿電磁場，因此只能用場的方法進(jìn)行分析用場的方法進(jìn)行分析。 微波技術(shù)與天線1、矩形波導(dǎo)諧振腔、矩形波導(dǎo)諧振腔 三個整數(shù)三個整數(shù) m、n、l 的每一種組合都對應(yīng)腔內(nèi)的一種諧振模的每一種組合都對應(yīng)腔內(nèi)的一種諧振模式，因此：有無窮多個諧振模式；式，因此：有無窮多個諧振模式；（1）波導(dǎo)型諧振器：）波導(dǎo)型諧振器：abl 應(yīng)采用兩端短路的方式

28、；應(yīng)采用兩端短路的方式；222012mnpfabl微波技術(shù)與天線2、圓波導(dǎo)諧振腔、圓波導(dǎo)諧振腔laSVQ 0 品質(zhì)因數(shù)正比于腔體積，反比于腔內(nèi)壁面積，故在同樣體品質(zhì)因數(shù)正比于腔體積，反比于腔內(nèi)壁面積，故在同樣體積情況下，圓波導(dǎo)諧振腔比矩形諧振腔品質(zhì)因數(shù)高，性能好，積情況下，圓波導(dǎo)諧振腔比矩形諧振腔品質(zhì)因數(shù)高，性能好，加工也容易，是最常用的諧振腔。加工也容易，是最常用的諧振腔。 應(yīng)采用兩端短路的方式；應(yīng)采用兩端短路的方式；微波技術(shù)與天線（2）同軸腔諧振器：）同軸腔諧振器： 諧振模式為諧振模式為TEM模式，場結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、頻帶寬，應(yīng)用廣泛；模式，場結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、頻帶寬，應(yīng)用廣泛；1、兩端短路同軸諧

29、振腔：、兩端短路同軸諧振腔： 為自然數(shù)為自然數(shù)nnlg2 l 短路活塞可改變腔長，從而短路活塞可改變腔長，從而改變諧振頻率改變諧振頻率短路短路活塞活塞可調(diào)可調(diào) l 為自然數(shù)為自然數(shù)諧振頻率諧振頻率nlnf2 微波技術(shù)與天線2、一端短路另一端開路同軸諧振腔：、一端短路另一端開路同軸諧振腔： 為為自自然然數(shù)數(shù)nnlg412 金屬蓋板防輻射金屬蓋板防輻射l 內(nèi)導(dǎo)體可移內(nèi)導(dǎo)體可移動，用于改動，用于改變諧振頻率變諧振頻率 實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)際結(jié)構(gòu)可調(diào)可調(diào) l 為自然數(shù)為自然數(shù)諧振頻率諧振頻率nlnf412 微波技術(shù)與天線微帶諧振器微帶諧振器lab線節(jié)諧振器線節(jié)諧振器環(huán)形諧振器環(huán)形諧振器圓盤形諧振器圓盤形諧振器諧

30、振條件：諧振條件：1、線節(jié)諧振器、縫隙諧振器：、線節(jié)諧振器、縫隙諧振器：2、環(huán)形諧振器：平均周長、環(huán)形諧振器：平均周長2/gnl 2/gn 微波技術(shù)與天線5.4 微波鐵氧體器件微波鐵氧體器件 許多情況下，我們需要具有許多情況下，我們需要具有非互易性非互易性的器件。的器件。例如，在微波系統(tǒng)中，負(fù)載的變化對微波信號源的頻率和例如，在微波系統(tǒng)中，負(fù)載的變化對微波信號源的頻率和功率輸出會產(chǎn)生不良影響，使振蕩器性能不穩(wěn)定。為了解功率輸出會產(chǎn)生不良影響，使振蕩器性能不穩(wěn)定。為了解決這樣的問題，最好在負(fù)載和信號源之間接入一個具有不決這樣的問題，最好在負(fù)載和信號源之間接入一個具有不可逆?zhèn)鬏斕匦缘钠骷??？赡鎮(zhèn)鬏?/p>

31、特性的器件。這種器件具有這種器件具有單向通行、反向隔離的功能單向通行、反向隔離的功能，稱為，稱為隔離器隔離器(isolators)。另一類非互易器件是另一類非互易器件是環(huán)行器環(huán)行器(circulators)，它具有它具有單向循環(huán)流通功能單向循環(huán)流通功能。微波技術(shù)與天線 在非互易器件中，非互易材料是必不可少的，微波技術(shù)中應(yīng)用很在非互易器件中，非互易材料是必不可少的，微波技術(shù)中應(yīng)用很廣泛的非互易材料是廣泛的非互易材料是鐵氧體鐵氧體。鐵氧體是一種黑褐色的陶瓷，最初由于。鐵氧體是一種黑褐色的陶瓷，最初由于其中含有鐵的氧化物而得名。實(shí)際上隨著材料研究的進(jìn)步，后來發(fā)展其中含有鐵的氧化物而得名。實(shí)際上隨著材

32、料研究的進(jìn)步，后來發(fā)展的某些鐵氧體并不一定含有鐵元素。目前常用的有鎳的某些鐵氧體并不一定含有鐵元素。目前常用的有鎳-鋅、鎳鋅、鎳-鎂、錳鎂、錳-鎂鐵氧體和釔鐵石榴石（鎂鐵氧體和釔鐵石榴石（YIG）等。等。 特性特性：微波鐵氧體微波鐵氧體(ferrite)的的電阻率很高電阻率很高，比鐵的電阻率大，比鐵的電阻率大10121016倍，當(dāng)微波頻率的電磁波通過鐵氧體時，導(dǎo)電損耗是很小的。鐵氧體倍，當(dāng)微波頻率的電磁波通過鐵氧體時，導(dǎo)電損耗是很小的。鐵氧體的相對介電常數(shù)為的相對介電常數(shù)為10-20，更重要的是，更重要的是，它的磁導(dǎo)率隨外加磁場而變，它的磁導(dǎo)率隨外加磁場而變，即具有非線性；再加上恒定磁場以后，

33、它在各方向上對微波磁場的磁即具有非線性；再加上恒定磁場以后，它在各方向上對微波磁場的磁導(dǎo)率是不同的，就是說各向異性的導(dǎo)率是不同的，就是說各向異性的。由于這種各向異性，當(dāng)電磁波從。由于這種各向異性，當(dāng)電磁波從不同的方向通過磁化鐵氧體時，便呈現(xiàn)一種非互易性不同的方向通過磁化鐵氧體時，便呈現(xiàn)一種非互易性(nonreciprocal properties) 。利用這種效應(yīng)，便可以做成各種非互易微波鐵氧體元件。利用這種效應(yīng)，便可以做成各種非互易微波鐵氧體元件。最常用的有最常用的有隔離器和環(huán)行器隔離器和環(huán)行器。微波技術(shù)與天線0ZcZ隔離器隔離器入射波入射波入射波入射波反射波反射波AA入射波可通過，反射波不

34、可通過入射波可通過，反射波不可通過隔離器也叫反向器，它的基本特性是隔離器也叫反向器，它的基本特性是電磁波正向通過時幾電磁波正向通過時幾乎無衰減，反向通過時衰減很大乎無衰減，反向通過時衰減很大。常用于。常用于阻抗匹配阻抗匹配一、隔離器一、隔離器微波技術(shù)與天線二、二、Y型結(jié)環(huán)形器型結(jié)環(huán)形器鐵氧體鐵氧體外加恒定磁場外加恒定磁場波導(dǎo)環(huán)形器實(shí)例波導(dǎo)環(huán)形器實(shí)例 入射波到達(dá)分支口分為兩路。對恒定磁場而言，一路為左旋，入射波到達(dá)分支口分為兩路。對恒定磁場而言，一路為左旋，一路為右旋，由于鐵氧體對不同旋向的波表現(xiàn)出不同的磁導(dǎo)率，電一路為右旋，由于鐵氧體對不同旋向的波表現(xiàn)出不同的磁導(dǎo)率，電磁波將偏向磁導(dǎo)率高的一邊

35、，即：能量向磁導(dǎo)率高的一邊集中。磁波將偏向磁導(dǎo)率高的一邊，即：能量向磁導(dǎo)率高的一邊集中。微波技術(shù)與天線環(huán)形器用于天線收發(fā)開關(guān)：環(huán)形器用于天線收發(fā)開關(guān)：天線天線接收機(jī)接收機(jī)發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)發(fā)射通路發(fā)射通路接收通路接收通路發(fā)射機(jī)、接收機(jī)之間良好隔離發(fā)射機(jī)、接收機(jī)之間良好隔離微波技術(shù)與天線微波濾波器微波技術(shù)與天線C1C3C5L2L4L6 高阻抗短線高阻抗短線（窄線）（窄線） 相當(dāng)于相當(dāng)于 串聯(lián)電感串聯(lián)電感 低阻抗短線低阻抗短線 （寬線）相當(dāng)于（寬線）相當(dāng)于 并聯(lián)電容并聯(lián)電容C1C3C 5L2L4L6cZcZ 微帶電路實(shí)現(xiàn)方案微帶電路實(shí)現(xiàn)方案微帶低通濾波器微帶低通濾波器 集總元件電路集總元件電路微波技術(shù)與天線微帶帶通