第五章微波元件與微波網(wǎng)絡(luò)理論

1、第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:441 微波元件的功能：通過對導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的微波元件的功能：通過對導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的邊界形狀邊界形狀、填充介質(zhì)填充介質(zhì)等的控制，改變的電磁波的等的控制，改變的電磁波的模式模式、極化方向極化方向等，實現(xiàn)對微波信等，實現(xiàn)對微波信號的號的幅度幅度、相位相位的各種變換。的各種變換。一、線性互易元件一、線性互易元件 元件中元件中無非線性和非互易性物質(zhì)無非線性和非互易性物質(zhì)，包括：匹配負載、衰，包括：匹配負載、衰減器、移相器、短路活塞、功分器、微波電橋、定向耦合器、減器、移相器、短路活塞、功分器、微波電橋、定向耦合器、阻

2、抗變換器和濾波器等。阻抗變換器和濾波器等。第五章第五章 微波元件微波元件按變換性質(zhì)可將微波元件分為：按變換性質(zhì)可將微波元件分為： 第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:442三、非線性元件三、非線性元件 元件中含有非線性物質(zhì)，能對微波信號進行非線性變換，元件中含有非線性物質(zhì)，能對微波信號進行非線性變換，從而引起頻率的改變。包括：檢波器、混頻器、變頻器以及從而引起頻率的改變。包括：檢波器、混頻器、變頻器以及電磁快控元件等電磁快控元件等。 波導(dǎo)型同軸型微帶型微波元件按結(jié)構(gòu)形式微波元件分類：按結(jié)構(gòu)形式微波元件分類：二、線性非互易元件二、線性

3、非互易元件 元件中包含磁化鐵氧體等各向異性媒質(zhì)包括：隔離器、元件中包含磁化鐵氧體等各向異性媒質(zhì)包括：隔離器、環(huán)行器等。環(huán)行器等。第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4435.1 連接元件和終端負載5.1.1 5.1.1 波導(dǎo)接頭波導(dǎo)接頭 對接頭的基本要求是：對接頭的基本要求是：1 1）連接點接觸可靠，不引起電磁的反）連接點接觸可靠，不引起電磁的反射；射；2 2）輸入駐波比盡可能小，一般在）輸入駐波比盡可能小，一般在1.21.2以下；以下；3 3）工作頻帶要）工作頻帶要寬；寬；4 4）電磁能量無泄漏；）電磁能量無泄漏；5 5）結(jié)構(gòu)牢固

4、，裝拆方便，易于加工等。）結(jié)構(gòu)牢固，裝拆方便，易于加工等。 一、扼流法蘭盤一、扼流法蘭盤 短路面短路面5:5:短路面短路面34:34:開路面開路面12:12:短路面短路面第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:444工作原理：扼流槽可看作長為工作原理：扼流槽可看作長為/2/2的終端短路線，在輸入口的終端短路線，在輸入口處輸入阻抗為處輸入阻抗為0 0，此時電磁信號可以無損耗地通過連接端口，此時電磁信號可以無損耗地通過連接端口，而不會受到連接口處縫隙的影響。而不會受到連接口處縫隙的影響。優(yōu)點：對加工精度和裝配精度要求較低；優(yōu)點：對加工精度和

5、裝配精度要求較低；缺點：工作頻帶窄缺點：工作頻帶窄二、平法蘭盤二、平法蘭盤 優(yōu)點：工作頻帶寬優(yōu)點：工作頻帶寬缺點：對加工和裝配精度要求高缺點：對加工和裝配精度要求高第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4455.1.2 5.1.2 同軸線同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器 同軸線同軸線波導(dǎo)波導(dǎo)作用：作用： 將將TEMTEM波轉(zhuǎn)換為波轉(zhuǎn)換為TETE1010工作原理：工作原理： 1 1、通過調(diào)整探針插入深度、通過調(diào)整探針插入深度h h，使在波導(dǎo)內(nèi)激勵場最大；，使在波導(dǎo)內(nèi)激勵場最大； 2 2、通過調(diào)整插入位置、通過調(diào)整插入位置d d，使波導(dǎo)內(nèi)反射、

6、傳輸波同相；，使波導(dǎo)內(nèi)反射、傳輸波同相； 3 3、利用波導(dǎo)高通特性過濾調(diào)所激勵的高次模。、利用波導(dǎo)高通特性過濾調(diào)所激勵的高次模。第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4465.1.3 5.1.3 波導(dǎo)波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器微帶轉(zhuǎn)換器 工作原理：工作原理： 在波導(dǎo)與微帶線之間加一段脊波導(dǎo)過渡段，使微帶線與波在波導(dǎo)與微帶線之間加一段脊波導(dǎo)過渡段，使微帶線與波導(dǎo)間結(jié)構(gòu)漸變，減小不連續(xù)性帶來的反射，實現(xiàn)阻抗匹配導(dǎo)間結(jié)構(gòu)漸變，減小不連續(xù)性帶來的反射，實現(xiàn)阻抗匹配第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院

7、12:4475.1.4 5.1.4 同軸線同軸線微帶轉(zhuǎn)換器微帶轉(zhuǎn)換器 工作原理：工作原理： 同軸線中心導(dǎo)體電流在微帶線上激勵場同軸線中心導(dǎo)體電流在微帶線上激勵場 同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑的選取與微帶線的特性阻抗有關(guān)，通常使內(nèi)導(dǎo)同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑的選取與微帶線的特性阻抗有關(guān)，通常使內(nèi)導(dǎo)體直徑等于微帶線寬度。體直徑等于微帶線寬度。 第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4485.1.5 5.1.5 矩形波導(dǎo)矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器 工作原理：工作原理： 通過矩形截面向圓口徑漸變，實現(xiàn)矩形波導(dǎo)通過矩形截面向圓口徑漸變，實現(xiàn)矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)圓波

8、導(dǎo)轉(zhuǎn)換。由于結(jié)構(gòu)漸變，引起的反射極小。換。由于結(jié)構(gòu)漸變，引起的反射極小。第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4495.2 波導(dǎo)分支接頭5.2.1 E-T5.2.1 E-T分支接頭分支接頭一、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)主波導(dǎo)E臂分支(1) 當信號從當信號從3端口輸入時，則端口輸入時，則1和和2端口有等幅反相輸出；端口有等幅反相輸出；(2) 當信號由當信號由1和和2端口等幅同相輸入時，端口等幅同相輸入時，3端口無輸出；端口無輸出；(3) 當信號由當信號由1和和2端口等幅反相輸入時，端口等幅反相輸入時，3端口輸出最大。端口輸出最大。二、工作特性二、工作

9、特性第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4410 02121212121212121: STE第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:44115.2.2 H-T5.2.2 H-T分支接頭分支接頭一、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)主波導(dǎo)E臂分支(1) 當信號從當信號從3端口輸入時，則端口輸入時，則1和和2端口有等幅同相輸出；端口有等幅同相輸出；(2) 當信號由當信號由1和和2端口等幅同相輸入時，端口等幅同相輸入時，3端口輸出最大；端口輸出最大；(3) 當信號由當信號由1和和2端口等幅反相輸入時，

10、端口等幅反相輸入時，3端口無輸出。端口無輸出。二、工作特性二、工作特性第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4412 11122211122211022S第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:441312345.2.3 5.2.3 雙雙T T分支（匹配雙分支（匹配雙T T） 將具有共同對稱面的將具有共同對稱面的E-TE-T接頭和接頭和H-TH-T接頭組合起來，接頭組合起來，即構(gòu)成普通雙即構(gòu)成普通雙T T接頭接頭一、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二、工作特性二、工作特性(1) 當信號從當信號從3

11、端口輸入時，則端口輸入時，則1和和2端口有等幅反相輸出，而端口有等幅反相輸出，而4端口無輸出（隔離）；端口無輸出（隔離）；(2) 當信號從當信號從4端口輸入時，則端口輸入時，則1和和2端口有等幅同相輸出，而端口有等幅同相輸出，而3端口無輸出（隔離）；端口無輸出（隔離）；第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:44141234(3) 當信號由當信號由1和和2端口等幅同相輸入端口等幅同相輸入時，時，3端口無輸出，端口無輸出，4端口輸出最端口輸出最大；大；(4) 當信號由當信號由1和和2端口等幅反相輸入端口等幅反相輸入時，時，3端口輸出最大，

12、端口輸出最大，4端口無輸端口無輸出。出。匹配雙匹配雙T特性：特性：對口隔離，鄰口對口隔離，鄰口3dB耦合，耦合，4個端口完全匹配個端口完全匹配匹配雙匹配雙T可用作可用作3dB功分器或功率合成器。功分器或功率合成器。第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:44155.3 波導(dǎo)中的阻抗元件 電阻元件包括匹配負載和衰減器等（吸收能量）；電抗電阻元件包括匹配負載和衰減器等（吸收能量）；電抗元件包括電感元件和電容元件。元件包括電感元件和電容元件。 電感器：能夠電感器：能夠集中磁場集中磁場和和存儲磁能存儲磁能的元件；的元件； 電容器：能夠電容器：能

13、夠集中電場集中電場和和存儲電能存儲電能的元件。的元件。 5.3.1 5.3.1 終端負載及衰減器終端負載及衰減器 傳輸線終端所接元件稱為終端負載，常用的終端負載有傳輸線終端所接元件稱為終端負載，常用的終端負載有匹配負載和短路負載兩種：匹配負載和短路負載兩種： 匹配負載：將所有的電磁能量全部吸收而無反射；匹配負載：將所有的電磁能量全部吸收而無反射； 短路負載：將所有的電磁能量全部反射回去，一點能量短路負載：將所有的電磁能量全部反射回去，一點能量也不吸收也不吸收 ；一、終端負載一、終端負載第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:44161

14、1、匹配負載、匹配負載 功能：吸收絕大部分入射波功率，使傳輸線無反射。功能：吸收絕大部分入射波功率，使傳輸線無反射。 當需讓傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時，可使用匹配負載。當需讓傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時，可使用匹配負載。1 1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)l 吸收片通常由介質(zhì)片吸收片通常由介質(zhì)片（如陶瓷、膠木片等）涂（如陶瓷、膠木片等）涂以金屬碎末或炭木制成以金屬碎末或炭木制成 吸收片放置在波導(dǎo)中吸收片放置在波導(dǎo)中電場最強處電場最強處2 2）工作原理）工作原理設(shè)輸入功率設(shè)輸入功率 ，吸收材料幅度衰減系數(shù)為，吸收材料幅度衰減系數(shù)為 ，則，則inPlinrePP4當當 較大時，較大時， 可極小?？蓸O小。rPl ,第五章

15、微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4417 說明：說明： 劈尖的長度越長吸收效果越好劈尖的長度越長吸收效果越好, , 匹配性能越好匹配性能越好, , 劈尖長劈尖長度一般取度一般取g/2g/2的整數(shù)倍；的整數(shù)倍； 當功率較大時，可以在短路波導(dǎo)內(nèi)放置鍥形吸收體當功率較大時，可以在短路波導(dǎo)內(nèi)放置鍥形吸收體, , 或或在波導(dǎo)外側(cè)加裝散熱片以利于散熱；在波導(dǎo)外側(cè)加裝散熱片以利于散熱； 當功率很大時當功率很大時, , 還可采用水負載。還可采用水負載。第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:44

16、182 2、短路負載、短路負載 功能：將電磁能量全部反射回去。功能：將電磁能量全部反射回去。 結(jié)構(gòu)及工作原理：結(jié)構(gòu)及工作原理： 在金屬波導(dǎo)終端接上一塊金屬片即可實現(xiàn)短路。在實際微在金屬波導(dǎo)終端接上一塊金屬片即可實現(xiàn)短路。在實際微波系統(tǒng)中往往需要改變終端短路面的位置波系統(tǒng)中往往需要改變終端短路面的位置短路活塞。短路活塞。 扼流式短路活塞扼流式短路活塞結(jié)構(gòu)及工作原理：結(jié)構(gòu)及工作原理：fgfg短路短路cdcd開路開路abab短路短路優(yōu)點：無接觸，損耗小，壽命長優(yōu)點：無接觸，損耗小，壽命長缺點：帶寬窄缺點：帶寬窄波導(dǎo)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)同軸結(jié)構(gòu)同軸結(jié)構(gòu)第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電

17、子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4419二、衰減器二、衰減器 衰減器的功能：對通過的微波能量產(chǎn)生衰減，從而有控衰減器的功能：對通過的微波能量產(chǎn)生衰減，從而有控制地減小信號幅度（制地減小信號幅度（相當于電路中的可變電阻器相當于電路中的可變電阻器）。）。理想的衰減器具有如下特性：理想的衰減器具有如下特性：1 1、輸入端和輸出端完全匹配，無反射；、輸入端和輸出端完全匹配，無反射；2 2、信號經(jīng)過衰減器只存在幅度衰減而無相位改變。、信號經(jīng)過衰減器只存在幅度衰減而無相位改變。 衰減器在原理上可以分為衰減器在原理上可以分為吸收式吸收式（有能量損耗）和（有能量損耗）和截止截止式式（無能量損耗）。（無

18、能量損耗）。 固定衰固定衰減器減器可變衰可變衰減器減器第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4420一、電容膜片一、電容膜片 在矩形波導(dǎo)的橫向放置一塊金屬膜片，在其上對稱或不在矩形波導(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口，在該位置對稱之處開一個與波導(dǎo)寬壁尺寸相同的窄長窗口，在該位置處形成電場聚集處形成電場聚集電容。電容。 電容膜片電容膜片 工作原理：利用結(jié)構(gòu)的形狀、介質(zhì)等引起的不連續(xù)性，工作原理：利用結(jié)構(gòu)的形狀、介質(zhì)等引起的不連續(xù)性，使使得導(dǎo)波系統(tǒng)中的電場或磁場聚集得導(dǎo)波系統(tǒng)中的電場或磁場聚

19、集，從而實現(xiàn)電感和電容。，從而實現(xiàn)電感和電容。 5.3.2 5.3.2 電抗元件電抗元件 等效電路等效電路第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4421二、電感膜片二、電感膜片 波導(dǎo)窄壁上放置金屬膜片后，會使波導(dǎo)寬壁上的電流產(chǎn)生波導(dǎo)窄壁上放置金屬膜片后，會使波導(dǎo)寬壁上的電流產(chǎn)生分流，于是在膜片的附近必然會產(chǎn)生磁場聚集分流，于是在膜片的附近必然會產(chǎn)生磁場聚集電感。電感。 電容膜片電容膜片等效電路等效電路三、諧振窗三、諧振窗 諧振窗諧振窗等效電路等效電路第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工

20、程學院12:4422四、螺釘四、螺釘 通過調(diào)節(jié)螺釘插入波導(dǎo)的深度，電納的性質(zhì)和大小可隨通過調(diào)節(jié)螺釘插入波導(dǎo)的深度，電納的性質(zhì)和大小可隨之改變。根據(jù)插入深度的不同，可實現(xiàn)可變電容、可變電感之改變。根據(jù)插入深度的不同，可實現(xiàn)可變電容、可變電感和諧振器功能。和諧振器功能。 波導(dǎo)可調(diào)螺釘及其等效電路波導(dǎo)可調(diào)螺釘及其等效電路 第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:44235.4 定向耦合器 定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件, , 它由它由主傳輸線主傳輸線、耦合傳輸線耦合傳輸線、耦合裝置耦合

21、裝置構(gòu)成。構(gòu)成。 耦 合裝 置P1P2P4P3主傳輸線主傳輸線耦合傳輸線耦合傳輸線四個端口：四個端口： ：輸入端：輸入端 ：直通端：直通端 ：耦合端：耦合端 ：隔離端：隔離端第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:44245.4.1 5.4.1 定向耦合器的技術(shù)指標定向耦合器的技術(shù)指標 定向耦合器的主要技術(shù)指標有：耦合度、隔離度定向耦合器的主要技術(shù)指標有：耦合度、隔離度( (或方向或方向性性) )、輸入駐波比和工作帶寬。、輸入駐波比和工作帶寬。 一、耦合度一、耦合度C 定義：輸入端的輸入功率定義：輸入端的輸入功率P1與耦合端的輸出功率與

22、耦合端的輸出功率P3之比的之比的分貝數(shù)，即分貝數(shù)，即CPP 1013log（dB)dB) 說明：說明： 1）耦合度的愈大，耦合愈弱；）耦合度的愈大，耦合愈弱； 2）C20dB:弱耦合定向耦合器。弱耦合定向耦合器。第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4425 定義：輸入端的輸入功率定義：輸入端的輸入功率P1與隔離端的輸出功率與隔離端的輸出功率P4之比的之比的分貝數(shù)，即分貝數(shù)，即(dB)41log10PPI 定義：耦合端輸出功率定義：耦合端輸出功率P3與隔離端的輸出功率與隔離端的輸出功率P4之比，即之比，即CIPPPPPPD411343

23、log10log10二、隔離度二、隔離度I 說明：說明：在理想情況下在理想情況下，隔離端應(yīng)無輸出功率，即，隔離端應(yīng)無輸出功率，即P4=0P4=0，此時隔，此時隔離度離度I I為無限大。但實際上由于設(shè)計或加工制作的不完善，常有極小為無限大。但實際上由于設(shè)計或加工制作的不完善，常有極小部分功率從隔離端輸出，使隔離度不再為無限大。部分功率從隔離端輸出，使隔離度不再為無限大。三、方向性三、方向性D第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4426四、輸入駐波比四、輸入駐波比 定義：將定向耦合器除輸入端外，其余各端均接上匹配負定義：將定向耦合器除輸

24、入端外，其余各端均接上匹配負載時，輸入端的駐波比。載時，輸入端的駐波比。五、頻帶寬度五、頻帶寬度 定義：在耦合度、隔離度定義：在耦合度、隔離度(或方向性或方向性)及輸入駐波比都滿足及輸入駐波比都滿足指標要求時，定向耦合器的工作頻帶寬度，簡稱工作帶寬。指標要求時，定向耦合器的工作頻帶寬度，簡稱工作帶寬。4.4.2 4.4.2 波導(dǎo)雙孔定向耦合器波導(dǎo)雙孔定向耦合器 一、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu) 在兩個波導(dǎo)的公共在兩個波導(dǎo)的公共窄壁上，開兩個有形狀、窄壁上，開兩個有形狀、尺寸完全相同、尺寸完全相同、相距相距d d為為(2n(2n1)1) g0g0/4/4的耦合孔的耦合孔形成。形成。第五章 微波元件微波技術(shù)與天線

25、微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:4427 通過控制耦合孔的大小，形狀以及兩耦合孔的距離，使耦通過控制耦合孔的大小，形狀以及兩耦合孔的距離，使耦合波在合波在耦合端同相疊加耦合端同相疊加而有輸出，在而有輸出，在隔離端反相疊加隔離端反相疊加而無輸出而無輸出或減小輸出，從而獲得定向性?；驕p小輸出，從而獲得定向性。二、工作原理二、工作原理 三、性能參數(shù)三、性能參數(shù) 設(shè)輸入信號幅度為設(shè)輸入信號幅度為1 1，小孔正向耦合系數(shù)為，小孔正向耦合系數(shù)為 ，反向耦合系，反向耦合系數(shù)為數(shù)為 C 利用耦合波利用耦合波相互干涉相互干涉而實現(xiàn)波的定向耦合而實現(xiàn)波的定向耦合：C第五章 微波元件微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院12:44281 1、耦合度、耦合度C C 耦合端信號幅度為：耦合端信號幅度為： ljljljeCeCeCA2323311lg10lg10APPC)(6lg20lg204lg10dBCC2 2、隔離度、隔離度I I