無源射頻微波元件

1、第5章 微波元件52 波導(dǎo)中的電抗元件 一 電容膜片 在波導(dǎo)的橫向放置一塊金屬膜片,在其上對稱或不對稱之處開一個與波導(dǎo)寬壁尺寸相同的窄長窗孔,如圖521(a)和(b)所示。 第5章 微波元件 圖 521第5章 微波元件 當(dāng)波導(dǎo)寬壁上的軸向電流到達膜片時,要流進膜片。而電流到達膜片窗口時,傳導(dǎo)電流被截斷,在窗孔的邊緣上積聚電荷而進行充放電,因此兩膜片間就有電場的變化,而儲存電能。這相當(dāng)于在橫截面處并接一個電容器,故這種膜片稱為電容膜片,其等效電路如圖521(c)所示。 第5章 微波元件 二 電感膜片 圖522給出矩形波導(dǎo)中的電感膜片及其等效電路。當(dāng)在波導(dǎo)橫向插進該膜片以后,使波導(dǎo)寬壁上的軸向電流

2、產(chǎn)生分流,于是在膜片的附近必然會產(chǎn)生磁場,并集中一部分磁能,因此這種膜片為電感膜片。第5章 微波元件圖 522第5章 微波元件 三 諧振窗 圖523給出了諧振窗的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。即在橫向金屬膜片上開有一個小窗,故稱為諧振窗。圖 523第5章 微波元件 四 銷釘 在矩形波導(dǎo)中采用一根或多根垂直對穿波導(dǎo)寬壁的金屬圓棒,稱為電感銷釘,其結(jié)構(gòu)和等效電路如圖524所示。 電感銷釘?shù)碾娂{與銷釘?shù)拇旨毤案鶖?shù)有關(guān),銷釘愈粗,電感電納愈大;根數(shù)愈多,電納愈大。 圖 524第5章 微波元件 五 螺釘 膜片和銷釘在波導(dǎo)內(nèi)的位置和尺寸不容易調(diào)整,故只能作固定電抗元件使用。崐而螺釘插入波導(dǎo)的深度可以調(diào)節(jié),電納的性

3、質(zhì)和大小也隨之改變,使用方便,是小功率微波設(shè)備中常采用的調(diào)諧和匹配元件。第5章 微波元件 當(dāng)螺釘插入波導(dǎo)較淺時,一方面和電容膜片一樣,會集中電場具有容性電納的性質(zhì);另一方面波導(dǎo)寬壁的軸向電流會流進螺釘從而產(chǎn)生磁場,故又具有感性電納的性質(zhì)。但由于螺釘插入波導(dǎo)的深度較淺,故總的作用是容性電納占優(yōu)勢,故可調(diào)螺釘?shù)牡刃щ娐窞椴⒔右粋€可變電容器,如圖525所示。圖 525 第5章 微波元件 六 波導(dǎo)的T形接頭 在微波系統(tǒng)中,常需要把一路的電磁能量變?yōu)槎坊蚋嗦?則就要用到波導(dǎo)的T形接頭。 矩形波導(dǎo)中常用的T形接頭有ET接頭和HT接頭兩種,分別如圖526(a)和(b)所示。其中ET接頭的分支波導(dǎo)寬面與主

4、波導(dǎo)中TE10模的電場所在平面平行;HT接頭的分支波導(dǎo)的寬面與主波導(dǎo)中TE10模的磁場所在平面平行。下面分別討論兩種接頭的工作特性。 第5章 微波元件圖 526 第5章 微波元件 1.ET接頭 我們把主波導(dǎo)的兩臂分別稱和端口,分支臂稱為端口,這種ET接頭具有下列特性: (1)當(dāng)TE-10模信號從端口輸入時,則和端口有同相輸出。 (2)當(dāng)TE-10模信號從端口輸入時,則和端口有同相輸出。 (3)當(dāng)TE-10模信號從端口輸入時,則和端口有反相輸出。 (4)當(dāng)TE-10模信號從和端口同相輸入時,則端口輸出最小; 第5章 微波元件 當(dāng)信號從和端口等幅同相輸入時,則端口無輸出。對稱面為電場波腹點。 (5

5、)當(dāng)TE-10模信號從和端口反相輸入時,則端口有輸出;當(dāng)信號從和端口等幅反相輸入時,則端口有最大輸出。且對稱面為電場的波節(jié)點。 ET接頭的工作特性如圖527所示,(圖中為電力線)。由波導(dǎo)管壁的縱向電因此ET接頭的等效電路相當(dāng)于在傳輸中串接一個阻抗。如果在E分支中加一個可調(diào)的短路活塞,上下改變活塞的位置就可改變串接電抗的大小,如圖528所示。第5章 微波元件圖 527第5章 微波元件圖 527第5章 微波元件圖 528第5章 微波元件 2. HT接頭 同樣我們把主波導(dǎo)兩個臂分別稱為和端口,分支稱為端口,且用“”黑點表示電力線出紙面,而用“”表示電力線穿入紙面,其工作特性如圖529所示。即有: (

6、1)當(dāng)信號自端口輸入時,則和端口有同相輸出。 (2)當(dāng)信號自端口輸入時,則和端口同相輸出。 第5章 微波元件第5章 微波元件 (3)當(dāng)信號自和端口同相輸入時,則端口有最大輸出,此時,端口對稱面處在電場駐波腹點。 (4)當(dāng)信息自和端口反相輸入時,端口輸出最小,此時,端口對稱面處在電場駐波節(jié)點。當(dāng)和端口等幅反相輸入時,則端口輸出為零。 HT接頭與ET接頭情況不同,主波導(dǎo)寬壁電流被分支分流,因此HT接頭的H臂相當(dāng)于并接在傳輸線中的電抗,同樣調(diào)節(jié)H臂中的短路活塞的位置就可改變并接電抗的大小。如圖5210所示。第5章 微波元件圖 5210第5章 微波元件53 微波連接元件和終接元件 一 連接元件 在微波

7、技術(shù)中,把相同傳輸線連接在一起的裝置統(tǒng)稱為接頭。常用的接頭有同軸接頭和波導(dǎo)接頭兩種。把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置稱為轉(zhuǎn)接元件,崐又稱為轉(zhuǎn)換器或模式變換器。最常用的有同軸線和波導(dǎo)同軸線和微帶線波導(dǎo)和微帶線間的轉(zhuǎn)接元件。第5章 微波元件 (一) 接頭 對接頭的基本要求是:連接點接觸可靠;不引起電磁波的反射,輸入駐波比盡可能小,一般在1.2以下;工作頻帶要寬;電磁能量不會泄漏到接頭外面;而且結(jié)構(gòu)要牢靠,裝拆方便,容易加工等。下面以矩形波導(dǎo)接頭(又稱法蘭)為例,加以簡單說明。 波導(dǎo)接頭有平接頭和抗流接頭兩種。分別如圖531(a)和(b)所示。 第5章 微波元件圖 531 第5章 微波元件 (二)

8、 轉(zhuǎn)接元件 微波傳輸線形式很多,相應(yīng)的轉(zhuǎn)接元件也多。在將不同類型的傳輸線或元件連接時,不僅要考慮阻抗匹配,而且還應(yīng)該考慮模式的變換。下面介紹幾種轉(zhuǎn)接元件。第5章 微波元件 1.同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器 連接同軸線與波導(dǎo)的元件,稱為同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器,其結(jié)構(gòu)如圖532所示。它將同軸線的一端加信號,另一端的內(nèi)導(dǎo)體伸入矩形波導(dǎo)內(nèi),則同軸線中TEM模就會激勵起矩形波導(dǎo)中TE10模,反之亦然。這樣實現(xiàn)了模式變換。為了要使同軸線與波導(dǎo)相匹配,要調(diào)節(jié)同軸線的內(nèi)導(dǎo)體插入波導(dǎo)的深度h,偏心距d及短路活塞位置l。第5章 微波元件 圖 532第5章 微波元件 2.波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)接器 由于矩形波導(dǎo)的等效阻抗通常在300400之間,

9、而微帶線特性阻抗一般為50;而且矩形波導(dǎo)的高度b又比微帶線襯底高度h大得多,因此兩種傳輸線不能直接相接,常在波導(dǎo)和微帶線之間加一段脊波 導(dǎo) 過 渡 段 來 實 現(xiàn) 阻 抗 匹 配 。 圖533(a)和(b)分別表示脊波導(dǎo)高度是漸變和階梯變化的過渡段的轉(zhuǎn)接器。 第5章 微波元件圖 533 第5章 微波元件 3. 同軸線微帶轉(zhuǎn)接器 圖534(a)和(b)表示常用的同軸線與微帶的轉(zhuǎn)接器的結(jié)構(gòu)示意圖。將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體向外延伸一小段(長度約為12mm)與微帶線中心導(dǎo)帶搭接,同軸線的外導(dǎo)體與微帶線的接地平面相連的外殼通過法蘭相連,這種接頭根據(jù)報導(dǎo),在10GHz以下的頻率范圍內(nèi),可得到小于1.15的駐波比,

10、在一般工程中應(yīng)用得到滿意的結(jié)果。第5章 微波元件圖 534第5章 微波元件 4. 矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)模式變換器 矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)模式變換器,大多采用波導(dǎo)橫截面的逐漸變化來達到模式的變換。圖535給出了矩形波導(dǎo)中TE10模變換到圓波導(dǎo)中TE11模的變換器,即 H 10H11模式變換器,這種變換器主要用于微波鐵氧體器件,可變衰減器及可變相移器中。圖536給出了一種典型的H10H01模式變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。由于圓波導(dǎo)中H01模損耗低,可作遠距離傳輸線,常用這種變換器將矩形波導(dǎo)的元器件與圓波導(dǎo)元器件相連。第5章 微波元件第5章 微波元件圖 536第5章 微波元件 二 終接元件 常用的終接元件有匹配負載和短路

11、器兩種。匹配負載和短路器都屬于一端口的網(wǎng)絡(luò),但它們的功能絕然不同,匹配負載是將所有的電磁能量全部吸收而無反射(=1,=0);而短路負載是將所有的電磁能量全部反射回去,一點能量也不吸收(=,=1)下面分別討論之。第5章 微波元件 (一) 全匹配負載 全匹配負載是接在傳輸系統(tǒng)終端的單端口微波元件,它能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。因此當(dāng)需要在傳輸系統(tǒng)中建立行波狀態(tài)時,都要用到匹配負載。 對匹配負載的基本要求是:有較寬的工作頻帶,輸入駐波比小和一定的功率容量。圖537給出了兩種全匹配負載的結(jié)構(gòu)示意圖。 第5章 微波元件 圖 537第5章 微波元件 (二) 短路負載 短路負載又稱為短路器,它的作用

12、是將電磁能量全部反射回去。將同軸線和波導(dǎo)終端短路,即分別成為同軸線和波導(dǎo)固定短路器。 在某些微波系統(tǒng)和微波測量儀器中,常采用短路面可以移動的短路負載。這種短路負載稱為可調(diào)短路活塞。 第5章 微波元件 對短路活塞的基本要求是:保證接觸處的損耗要小,并有良好的電接觸,使其反射系數(shù)的模接近于1;傳輸大功率時保證接觸處不發(fā)生跳火現(xiàn)象。短路活塞按傳輸線形式分有同軸線型和波導(dǎo)型兩種,按其結(jié)構(gòu)分有接觸式和抗流式兩種。但由于接觸式活塞在活塞移動時,接觸不穩(wěn)定,彈簧片又會逐漸磨損,在大功率時還會發(fā)生跳火現(xiàn)象,故接觸式活塞很少采用。 第5章 微波元件 圖538給出了兩個典型的抗流活塞。其中(a)為波導(dǎo)型的短路活塞

13、,圖(b)為同軸型的短路活塞。這種結(jié)構(gòu)采用兩段不同特性阻抗的p/4變換器構(gòu)成。其中一段為p/4的短路線,另一段為p/4的開路線,兩段線串聯(lián)起來能使活塞在ab面處形成一個有效的短路面,以保證電接觸良好;如圖(c)所示。但抗流活塞的尺寸和工作波長有關(guān),因此頻帶比較窄,一般只有1015%的帶寬。第5章 微波元件 圖 538第5章 微波元件 圖 538第5章 微波元件55 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器是微波系統(tǒng)中的基本元件,在微波系統(tǒng)中經(jīng)常會遇到反射問題,例如,負載阻抗與傳輸線的特性阻抗不相等;相同類型而不同特性阻抗的傳輸線相連接;不同類型的傳輸線相連接;傳輸線中接入一些必要的器件等

14、均會引起電磁波的反射。這些反射波的存在會影響微波系統(tǒng)正常工作;使負載得不到最大功率;功率容量和效率都會降低;在大功率時還會出現(xiàn)打火現(xiàn)象;在微波測量系統(tǒng)中又會影響測量精度。因此必須消除這些反射波。 第5章 微波元件 消除反射波的方法很多,但不外乎在傳輸線中插入可調(diào)的電抗元件或阻抗變換元件,產(chǎn)生新的反射波來抵消原來的反射波,從而達到匹配。為了匹配而插入的網(wǎng)絡(luò)稱為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)有兩種:一種是阻抗調(diào)配器,即匹配網(wǎng)絡(luò)中的元件參數(shù)是可以調(diào)節(jié)的,設(shè)計方法采用圖解法,即用Smith圓圖來確定阻抗調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中各個電抗元件的參數(shù);另一種是阻抗變換器,利用網(wǎng)絡(luò)綜合法,設(shè)計出滿足一定技術(shù)指標(biāo)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

15、,一旦根據(jù)需要設(shè)計好以后,不能任意改變。 第5章 微波元件 一 阻抗調(diào)配器 阻抗調(diào)配器常用來匹配傳輸線特性阻抗和負載(或信號源)阻抗不等的情況。阻抗調(diào)配器可分分支調(diào)配器和螺釘調(diào)配器,前者可調(diào)的電抗元件是用改變分支線的長度來實現(xiàn)的,常用于平行雙線和同軸線傳輸系統(tǒng)中;后者可調(diào)電抗元件是可調(diào)螺釘,常用于波導(dǎo)中。 第5章 微波元件 (一) 分支阻抗調(diào)配器 分支阻抗調(diào)配器按分支的多少可分單支節(jié)雙支節(jié)及多支節(jié)調(diào)配器。單支節(jié)調(diào)配器的工作原理在第二章的26節(jié)已討論過,這里不再復(fù)述。 26節(jié)曾指出,單支節(jié)調(diào)配器的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。但它是通過調(diào)節(jié)支節(jié)線的插入位置和支節(jié)線的長度來實現(xiàn)匹配的,在同軸線中支節(jié)的長度,

16、可應(yīng)用短路活塞很易改變,但分支線插入位置很難改變,因此單支節(jié)調(diào)配器的應(yīng)用受到一定的限制。 第5章 微波元件 1.雙支節(jié)調(diào)配器 圖551給出了同軸線雙支節(jié)調(diào)配器的結(jié)構(gòu)示意圖,兩支節(jié)同軸線并接于主同軸線中,兩支節(jié)線的間距為d,兩支節(jié)的長度l1和l2用短路活塞來改變,以崐提供所需要的純電納。第5章 微波元件第5章 微波元件 (二) 螺釘調(diào)配器 在雙線,同軸線和微帶線傳輸系統(tǒng)中,并接電納用分支來實現(xiàn),在波導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)并接電納用螺釘插入波導(dǎo)來實現(xiàn),調(diào)節(jié)螺釘插入波導(dǎo)的深度,可以改變并聯(lián)電納的大小和性質(zhì),在一般情況下,螺釘插入的深度比較淺,即螺釘只能提供一個容性電納。第5章 微波元件 螺釘調(diào)配器又可分為單螺釘雙

17、螺釘和四螺釘調(diào)配器,其調(diào)配原理和分支調(diào)配器基本相同,唯一的差別是分支調(diào)配器中各分支能提供的電納范圍為的任何電納,而螺釘調(diào)配器中螺釘只能提供0范圍內(nèi)的容性電納。因此螺釘調(diào)配器的“死區(qū)”范圍相應(yīng)增加,如圖553(b)所示。 第5章 微波元件 二 阻抗變換器 當(dāng)負載阻抗和傳輸線特性阻抗不等,或二段特性阻抗不同的傳輸線相連接時均會產(chǎn)生反射,除用上面的阻抗調(diào)配器來實現(xiàn)阻抗匹配外,還可以用阻抗變換器來達到匹配。只要在兩段所需要匹配的傳輸線之間,插入一段或多段傳輸線段,崐就能完成不同阻抗之間的變換,以獲得良好匹配,故稱為阻抗變換器。第5章 微波元件 (一)單節(jié)阻抗變換器 第二章的26節(jié)曾經(jīng)討論了在兩段特性阻

18、抗分別為Z01和Z02的傳輸線中間,加一段長度等于p/4特性阻抗為 的傳輸線段,可使阻抗達到匹配。這種原理和方法適用于所有的傳輸線。對于矩形波導(dǎo)同樣也適用,使兩段等效阻抗不等的波導(dǎo)獲得匹配。即在等效阻抗分別為Ze1和Ze2的兩段波導(dǎo)中間串接一段長度為p/4,其等效阻抗為012eeZZ Z012eeZZ Z(554) 的波導(dǎo)段即可達到阻抗匹配。 第5章 微波元件 (二) 多節(jié)/4階梯阻抗變換器 特性阻抗不等的兩段傳輸線相接,由于連接處的阻抗不匹配而引起反射波,而且它只有一個連接面,無法產(chǎn)生另一個反射波與原來反射波抵消。當(dāng)中間加了一段/4阻抗變換段以后,又增加了一個連接面,這樣兩個連接面均會產(chǎn)生反

19、射,而且由于兩個連接面之間有/4的距離,使兩個反射波到達輸入端時相位恰好相反,如果控制/4阻抗變換器的橫向尺寸,使兩個連接面所產(chǎn)生的反射波在輸入端等幅反相而抵消,從而達到匹配。 第5章 微波元件 但因只有兩個連接面,因此只能對一個頻率達到匹配。而且由于只有一段/4阻抗變換器,當(dāng)要匹配兩段特性阻抗相差比較大的傳輸線時,顯然兩個連接面處不連續(xù)電容比較大,從而影響阻抗匹配性能。這就啟發(fā)我們采用多節(jié)/4阻抗變換器,形狀像階梯故稱為階梯阻抗變換器,如圖556所示。 圖 556 第5章 微波元件 圖 557 第5章 微波元件56 定向耦合器 定向耦合器在微波技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用,如用來監(jiān)視功率頻率和頻譜;

20、把功率進行分配和合成;構(gòu)成雷達天線的收發(fā)開關(guān)平衡混頻器和測量電橋;又可以利用定向耦合器來測量反射系數(shù)和功率,等等。 第5章 微波元件 定向耦合器的種類很多。按傳輸線類型來分有波導(dǎo)同軸線帶狀線和微帶線定向耦合器;按耦合方式來分有單孔耦合多孔耦合連續(xù)耦合和平行線耦合定向耦合器;按耦合輸出的方向來分有同向耦合器和反向耦合器;按輸出的相位來分有90定向耦合器和180定向耦合器;按耦合的強弱來分有強耦合 中 等 耦 合 和 弱 耦 合 定 向 耦 合 器 。 圖561給出了幾種定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖,其中圖(a)為微帶分支定向耦合器,圖(b)為波導(dǎo)單孔定向耦合器,圖(c)為平行耦合線定向耦合器,圖(d)

21、為波導(dǎo)匹配雙T,圖(e)為波導(dǎo)多孔定向耦合器,圖(f)為微帶混合環(huán)。 第5章 微波元件 圖 561 第5章 微波元件 一 定向耦合器的技術(shù)指標(biāo) 定向耦合器是一個四端口網(wǎng)絡(luò),它有輸入端口直通端口耦合端口和隔離端口,分別對應(yīng)如圖562所示的和端口。 定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度定向性輸入駐波比和工作帶寬。 (一) 耦合度C 耦合度C定義為輸入端口的輸入功率P1和耦合端口的輸出功率P3之比的分貝數(shù)即1310lg()PCdBP(561) 第5章 微波元件第5章 微波元件 由于定向耦合器是個可逆四端口網(wǎng)絡(luò),因此耦合度又可表示為 212131311210lg20lg()2iiUCdBSS U(562)

22、 由此可見耦合度的分貝數(shù)愈大耦合愈弱。通常把耦合度為010dB的定向耦合器稱為強耦合定向耦合器;把耦合度為1020dB的定向耦合器稱為中等耦合定向耦合器;把大于20dB的耦合度的定向耦合器稱為弱耦合定向耦合器。 第5章 微波元件 (二) 定向性D 在理想情況下,隔離端口應(yīng)沒有輸出功率,但由于受設(shè)計公式和制造的精度的限制,使隔離端口尚有一些功率輸出。通常采用耦合端口和隔離端口的輸出功率之比的分貝數(shù)來表示定向耦合器的定向傳輸性能,稱為定向性D,即 23131324414110lg10lg20lg()SSPDdBPSS(563) 第5章 微波元件 上式表明,D愈大,隔離端口輸出愈小,定向性愈好。在理

23、想情況下,P4=0,即D=,實用中我們常對定向性提出一個最小值Dmin。 (三)輸入駐波比 將定向耦合器除輸入端口外,其余各端口均接上匹配負載時,輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比。此時,網(wǎng)絡(luò)的輸入端的反射系數(shù)即為網(wǎng)絡(luò)的散射參量S11,故有 111111SS(564) 第5章 微波元件 (四) 工作頻帶寬度 滿足定向耦合器以上四個指標(biāo)的頻率范圍,即為工作頻帶寬度,簡稱工作帶寬。 二 波導(dǎo)型定向耦合器 大多數(shù)波導(dǎo)定向耦合器的耦合都是通過在主副波導(dǎo)的公共壁上的耦合孔來實現(xiàn)的。通過耦合孔將主波導(dǎo)中的電磁能量耦合到副波導(dǎo)中,并具有一定的方向性。副波導(dǎo)各端口的輸出功率的大小,決定于耦合孔的大小形狀和位置。 第5章 微波元件圖 563 第5章 微波元件 最簡單的雙孔定向耦合器,是在兩個波導(dǎo)的公共窄壁上開有形狀尺寸完全相同相距d為p0/4的兩個耦合孔,如圖564(a)所示。在波導(dǎo)窄壁b/2處,取一個水平縱截面,如(b)所示。下面說明這種定向耦合器的工作原理。 第5章 微波元件 圖 564 第5章 微波元件 當(dāng)TE10模從主波導(dǎo)端口輸入向端口傳輸時,主波導(dǎo)中Hz分量就會通過兩個耦合孔耦合到副波導(dǎo)中并分別向和端口傳輸。到端口的耦合波是通過兩個耦合孔的正向耦合波的疊加,由于兩個耦合波到端口由路程引起的相位均為d,故兩耦合波在端口為同相疊加而有輸出,即 31