射頻電路與天線（一）第11講基本元件介紹和應(yīng)用

1、射頻電路與天線（一）RF Circuits and Antennas第11講基本元件介紹和應(yīng)用第11講內(nèi)容引言波導元件同軸元件微帶元件集總元件高低阻抗線教材pp152-16211.1 引言 在射頻電路中，除了傳輸線以外，根據(jù)電路的設(shè)計或?qū)嶋H電路實現(xiàn)的需要，總是要引入各種不連續(xù)性。有些不連續(xù)性是我們所不需要的，例如傳輸線的彎曲、不同傳輸線的連接等。有些不連續(xù)性是作為實現(xiàn)某種功能的電路元件，人為引入的，是電路設(shè)計所必須的，例如電抗元件等。無論怎樣，為了精確設(shè)計電路，必須給出這些不連續(xù)性的分析模型等效電路。 高頻電阻由于高頻效應(yīng)，在高頻時電阻R將會出現(xiàn)引線電感，引線電阻，極間電容，引線間電容等。高頻

2、電容平板電容是最常用的電容，對于面積為A，間距為d，填充介電常數(shù)為的電介質(zhì)的平板電容在低頻時為 高頻時，除了引線電感和引線電容外，電介質(zhì)變得有耗，產(chǎn)生高頻介質(zhì)電導率，損耗電導為高頻電感電感通常是由導體線圈構(gòu)成，在高頻，線圈除了具有電感外，還有高頻電阻和線圈導體間的寄生電容。因此, 電感已變?yōu)镽LC諧振器。低頻電路基本元件：電感，電容，電阻以及理想變壓器。低頻元件都是集總元件，元件參數(shù)與頻率幾乎無關(guān)。但在射頻電路中，元件成為分布參數(shù)元件，參數(shù)是頻率的函數(shù)。射頻元件的基本結(jié)構(gòu)一般都是利用傳輸線中的不連續(xù)性實現(xiàn)的。 按傳輸線結(jié)構(gòu)劃分，基本元件通常分為波導元件、同軸元件、帶狀線元件、微帶元件、共面波導

3、元件和集總元件等 。 11.2 波導元件 電容膜片電力線xyzTTY0Y0jBTbaTxyzb力線分析當矩形波導中傳輸?shù)闹髂E10 模遇到電容膜片時，由于它的場分量不滿足膜片的邊界條件，所以必然產(chǎn)生出新的場分量，或者說感應(yīng)出新的場分布。電容膜片只在y方向引入不連續(xù)性，而x方向是連續(xù)的。而TE10模只有Ey、Hx 和Hz分量，所以在電容膜片處只有電力線發(fā)生彎曲、壓縮，而磁力線形狀不變。于是，在電容膜片處，電場能量相對集中，可以等效為一個并聯(lián)電容。模式展開理論告訴我們，膜片處的場可以展開為矩形波導所有TE和TM模的組合。當入射波TE10模遇到膜片后，一部分入射波被反射，另一部分穿透膜片進入另一段

4、波導，同時在膜片上產(chǎn)生了許多高次模。這些高次模的場同TE10模的場疊加滿足膜片的邊界條件。高次模在滿足單模傳輸條件的矩形波導中是截止的，所以，離開膜片不遠就會很快衰減掉，于是在膜片附近形成了一個電磁儲能區(qū)。模式分析由于電容膜片的不連續(xù)性只在y方向，而TE10模在y方向只有電場分量，所以產(chǎn)生的高次模只有TM模，而沒有TE模。截止的TM模中，電場能量占優(yōu)勢。因此，如果電容膜片極薄且無損耗的話，就可以等效為一個并聯(lián)電容。電容膜片的口徑附近電場比較集中，容易發(fā)生擊穿，所以功率容量低。而且電容膜片不易得到較大的等效電納，所以在實際應(yīng)用中很少采用。 電感膜片 分析方法與對電容膜片的分析方法相同。只是電感膜

5、片只在x方向上不連續(xù)，在y方向上是連續(xù)的。當傳輸TE10模時，電感膜片處只有磁力線變形、壓縮，因此，磁場能量相對集中?；蛘哒f，在膜片上產(chǎn)生的高次模只有TE模且沿y方向不變化，因而，高次模為TEm0模，而TEm0模中磁場儲能大于電場儲能。因此，電感膜片處，磁場能量占優(yōu)勢，故等效為并聯(lián)電感。諧振窗諧振窗可以理解為電感膜片和電容膜片的組合，因此，可以等效為一并聯(lián)諧振回路。顯然，當它的電場儲能和磁場儲能相等時發(fā)生諧振，并聯(lián)導納為零，這時反射最小。根據(jù)波導理論，可以把諧振窗看成在主波導中級聯(lián)一小段橫截面為 的縮小尺寸波導，只要它們相匹配，就不會有反射。 對于空氣填充的矩形波導，設(shè)波導中只傳輸TE10模。

6、主波導的特性阻抗和諧振窗波導的特性阻抗分別為匹配條件于是 在固定波長的情況下，滿足這個關(guān)系式的諧振窗尺寸有很多組值 。雙曲線方程應(yīng)當注意，上述分析是近似的，忽略了諧振窗的邊緣效應(yīng)以及膜片非常薄的影響，因此，只能用于諧振窗的初步設(shè)計。在微波系統(tǒng)中，為了使某些電真空器件與波導相耦合，或者將波導充氣或密封，并保證不影響微波功率的傳輸，廣泛采用諧振窗。諧振窗也常用作波導濾波器的諧振元件。 調(diào)節(jié)螺釘在矩形波導中央插入螺釘時，該處場受擾動和發(fā)生變化。當插入深度小于/4時，一方面增強電場，另一方面，寬面縱電流流入螺釘產(chǎn)生磁場，但前者占優(yōu)勢，所以并聯(lián)電納呈容性隨著螺釘旋入深度的增加，電感量和電容量都增加，約/

7、4 時，容抗和感抗相等，形成串聯(lián)諧振，當深度進一步增加，感抗大于容抗，形成電感。波導階梯波導階梯是兩種不同截面尺寸的波導相連接時所形成的不連續(xù)性。對于矩形波導最常見的階梯是E面階梯和H面階梯。E面階梯沿電場方向（y方向）構(gòu)成階梯，類似于電容膜片，沿縱向可以近似看作電容膜片的一半，故在連接處可以等效為一個并聯(lián)電容。H面階梯沿磁場方向（x方向）構(gòu)成階梯，類似于電感膜片，沿縱向可以近似看作電感膜片的一半，故在連接處可以等效為一個并聯(lián)電感。E面階梯H面階梯短路負載短路器分類固定短路器可調(diào)短路器固定短路器將傳輸線完全短路特點對于任何頻率的電磁波，反射系數(shù) 都恒等于 1短路面的位置不能移動短路活塞 短路活

8、塞實質(zhì)上就是長度可調(diào)整的短路線段。為了實現(xiàn)良好的短路特性，短路活塞應(yīng)該與波導壁保持緊密接觸。但緊密接觸會造成滑動困難。所以簡單的短路活塞難以在電氣性能與機械性能同時得到理想的特性。短路活塞的主要要求保證接觸處的損耗小，反射系數(shù)的模應(yīng)該接近1,；活塞移動時，接觸損耗要小；大功率應(yīng)用時，反射系數(shù)的模應(yīng)該接近1。分類：接觸式和抗流式接觸式短路活塞與傳輸線內(nèi)壁有良好的電接觸并能平滑移動接觸過緊活塞移動困難接觸過松增加輻射損耗甚至造成接觸點打火彈性材料-鈹青銅，磷青銅因此，一般多采用扼流結(jié)構(gòu)的短路活塞?；钊跈C械上與波導壁并不接觸，但在電氣性能上卻保持了良好的短路特性。扼流槽尺寸因為與工作波長有關(guān)，所以

9、帶寬受到限制。RZc211.3 同軸元件同軸線的主模是TEM模，采用波導不連續(xù)性的分析方法，可以得到同軸線不連續(xù)性的等效電路。 同軸線階梯同軸線縫隙同軸線膜片11.4 微帶不連續(xù)性微帶開路 因為在微帶中心導帶突然終斷處，導帶末端將出現(xiàn)剩余電荷，引起邊緣電場效應(yīng)，所以，微帶開路端并不是理想開路，而是存在縮短電容效應(yīng)。微帶間隙微帶間隙處，電場相對集中，所以可以形成電容。當間隙較大或要求精確較高的情況下，間隙等效為型電路。SWhjBjBbjBajBa為了獲得較大的電容值，可以采用交指形間隙結(jié)構(gòu)。通常能夠提供高達5pF的串聯(lián)電容。微帶階梯微帶拐角在微帶電路中，為了改變電磁波傳播方向通常采用拐角。直接的

10、直角拐角由于存在不連續(xù)性電容，會產(chǎn)生較大反射。為了減小反射，可以把拐角做成圓滑的拐角，但這樣會使得電路尺寸較大。直角拐角圓滑拐角更有效的方法是把拐角的外部切成斜角，利用兩次反射的相互抵銷達到匹配。微帶拐角的切角11.5 集總元件在射頻頻段，傳統(tǒng)工藝下的集總元件由于損耗和寄生效應(yīng)的影響已無法使用。但是隨著微電子與微機械工藝的發(fā)展，如今集總元件的尺寸已經(jīng)可以制作得遠遠小于射頻工作波長，因此，依然可以應(yīng)用于射頻電路中。射頻電路中常用的集總元件主要是片式電阻、電容和電感。為了精確地設(shè)計射頻電路，必須掌握集總元件在射頻頻段的準確特性，給出精確的等效電路。 集總電阻 電阻可以用有耗材料的薄膜制成。片式電阻是在陶瓷片上沉積有耗薄膜層(厚度從m)，兩端加金屬電極而成。有耗薄膜金屬電極RC集總電容 通常采用介質(zhì)薄膜電容，其原理類似于平板電容?？梢詫崿F(xiàn)高達25pF的電容。集總電感 通常采用環(huán)形導線 實現(xiàn)集總電感。 為了獲得大電感，可采用螺旋線，這種電感有較高的 Q值和較大的電感量。但因電感量增大的同時也增加了損耗和雜散電容，這使最大工作頻率受到限制。 11.6 高/低阻抗線 在射頻電路中我們可以用一小段高阻抗傳輸線作為串聯(lián)電感，用一小段低阻抗線作為并聯(lián)電容，統(tǒng)稱為高、低阻抗線。一段電角度為的傳輸線的A矩陣為 T型電路的A矩陣為兩個矩陣相等，必須對應(yīng)元素相等，即如