常用微波元件

會(huì)計(jì)學(xué)1常用微波元件

線性互易元器件只對微波信號進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性，并滿足互易定理,它主要包括各種微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件等;線性非互易元器件主要是指鐵氧體器件,它的散射矩陣不對稱,但仍工作在線性區(qū)域,主要包括隔離器、環(huán)行器等;非線性元器件能引起頻率的改變,從而實(shí)現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻等,主要包括微波電子管、微波晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場效應(yīng)管及微波電真空器件等。本章主要介紹一些常用元件的工作原理和基本特性第1頁/共74頁

短路負(fù)載又稱為短路器，它的作用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。

實(shí)際很多情況下將短路負(fù)載做成可調(diào)的，其主要的要求為：1)保證接觸處的損耗小，其反射系數(shù)的模接近12)當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)，接觸損耗的變化要小。3)大功率條件下，活塞與波導(dǎo)(同軸導(dǎo)體)之間不能發(fā)生打火現(xiàn)象。1、短路負(fù)載8.1一端口元件一端口元件常用的有短路負(fù)載、匹配負(fù)載以及失配負(fù)載。2、短路負(fù)載的實(shí)現(xiàn)形式：接觸式和扼流式兩種(1)接觸式波導(dǎo)接觸式短路器第2頁/共74頁同軸接觸式短路器短路器的電流分布

從電流分布可以看出，其在短路處的電流為最大值，相應(yīng)的開路端為電流節(jié)點(diǎn)。

優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)是活塞移動(dòng)時(shí)接觸不恒定，彈簧片會(huì)逐漸磨損，大功率時(shí)，容易發(fā)生打火現(xiàn)象。第3頁/共74頁(2)扼流式波導(dǎo)扼流式短路器同軸扼流式短路器扼流式短路器的等效電路從等效電路可以看出，其輸入阻抗第4頁/共74頁(二)匹配負(fù)載

匹配負(fù)載能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。當(dāng)需要在傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時(shí)，都要用到匹配負(fù)載。

對匹配負(fù)載的基本要求是：（1）有較寬的工作頻帶，（2)輸入駐波比小和一定的功率容量。

第5頁/共74頁6.2二端口元件1.無耗二端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)二端口元件等效為二端口微波網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為：第6頁/共74頁第7頁/共74頁2.連接元件連接元件的作用是將作用不同的微波元件連接成完整的系統(tǒng)。主要技術(shù)指標(biāo)：插入損耗、駐波比，功率容量、工作頻帶等。第8頁/共74頁（二）轉(zhuǎn)接元件

在將不同類型的傳輸線或元件連接時(shí)，不僅要考慮阻抗匹配，而且還應(yīng)該考慮模式的變換。

1、同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

連接同軸線與波導(dǎo)的元件，稱為同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。2、波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)接器

通常在波導(dǎo)與微帶線之間加一段脊波導(dǎo)過渡段來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

同軸線波導(dǎo)

波導(dǎo)微帶

第9頁/共74頁(2)拐角、彎曲和扭轉(zhuǎn)元件同軸線微帶

3、

同軸線微帶轉(zhuǎn)接器

微波系統(tǒng)中為了改變電磁波傳播的方向，需要采用拐角和彎曲元件；當(dāng)需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向的時(shí)候，需要用到扭轉(zhuǎn)元件。技術(shù)指標(biāo)：反射應(yīng)盡可能的小、工作頻帶盡可能的寬，功率容量。第10頁/共74頁第11頁/共74頁3、匹配元件(1)膜片

波導(dǎo)中的膜片是垂直于波導(dǎo)管軸的金屬片，有對稱和不對稱之分。一般在調(diào)諧的時(shí)候采用不對稱膜片結(jié)構(gòu)，而當(dāng)負(fù)載輸出要求對稱輸出的時(shí)候很，則需要對稱膜片。膜片可分成感性膜片、容性膜片。膜片實(shí)現(xiàn)匹配的原理：利用膜片產(chǎn)生的反射波來抵消負(fù)載不匹配而產(chǎn)生的反射波(注意是相差造成的抵消)1、電感膜片：如圖所示的膜片波導(dǎo)中傳輸?shù)腡E10模的磁場在膜片處集中，得到加強(qiáng)，呈電感性。稱為電感膜片。

電感膜片及其等效電路第12頁/共74頁當(dāng)膜片的厚度可以忽略的時(shí)候，膜片的歸一化電納近似表示為：2、電容膜片：如圖所示的膜片波導(dǎo)中傳輸?shù)腡E10模的電場在膜片處集中，得到加強(qiáng)，呈電容性，稱為電容膜片。當(dāng)膜片的厚度可以忽略的時(shí)候，膜片的歸一化電納近似表示為：

電容膜片及其等效電路第13頁/共74頁3、諧振窗當(dāng)感性膜片和容性膜片組合在一起，如圖所示，即構(gòu)成所謂的諧振窗。其等效電路相當(dāng)于并聯(lián)諧振回路，針對于某個(gè)頻率，將產(chǎn)生諧振，從而使得電磁波無衰減的通過。平行耦合帶線的奇偶模電場線分布

諧振窗的材料：玻璃、聚四氟乙烯、陶瓷片，金屬片等等。第14頁/共74頁(2)、銷釘銷釘是垂直于波導(dǎo)寬邊的金屬圓棒。如圖所示，在波導(dǎo)中其電感作用，常用于構(gòu)成波導(dǎo)濾波器。第15頁/共74頁銷釘?shù)南鄬﹄娂{和棒的粗細(xì)有關(guān)，棒越細(xì)，電感量越大，其相對電納越小，同樣粗細(xì)的棒，根數(shù)越多，相對電納越大。置于a/2處的單根銷釘相對電納的近似值可以通過下面的式子來求：(3)、螺釘調(diào)配器用膜片和銷釘?shù)?6頁/共74頁4衰減器和移相器

衰減器和移相器均屬于二端口網(wǎng)絡(luò)。衰減器的作用是對通過它的微波能量產(chǎn)生衰減；移相器的作用:對通過它的微波信號產(chǎn)生一定的相移，微波能量可無衰減地通過。衰減器和移相器聯(lián)合使用，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)行系統(tǒng)中的電磁波的傳播常數(shù)。一、衰減器

理想的衰減器應(yīng)是只有衰減而無相移(相移量為0)的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為

:衰減器的衰減量表示為：

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在波導(dǎo)內(nèi)放入與電場方向平行的吸收片，當(dāng)微波能量通過吸收片時(shí)，將吸收一部分能量而產(chǎn)生衰減，這種衰減器稱為吸收衰減器，如圖所示。

(1)吸收式衰減器第18頁/共74頁二、移相器

移相器是對電磁波只產(chǎn)生一定的相移而不產(chǎn)生能量衰減的微波元件，它是一個(gè)無反射、無衰減的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為：其中移相器的相移量為：

因此，可變移相器與可變衰減器在結(jié)構(gòu)形式上完全相似，所不同的是：衰減器使用的是衰減片，而移相器使用的是介質(zhì)片。第19頁/共74頁8.3三端口元件即具有三個(gè)端口波導(dǎo)、微帶、同軸接頭的器件，如功率分配器，環(huán)形器等等。1、無耗三端口網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)第20頁/共74頁第21頁/共74頁第22頁/共74頁上述散射參數(shù)矩陣[ST]和[SR]不同，表示的是非互易無耗三端口網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)理想的環(huán)形器，對應(yīng)的功率流的方向不同。第23頁/共74頁第24頁/共74頁2.三端口功率分配/合成元件通常有E-T、H-T以及電阻性功率分配器和wilkinson功率分配器1)T型接頭

如圖所示，T型接頭是一種最簡單的功率分配、合成器件。其可以用任何的導(dǎo)行系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。有互易、無耗網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，可以知道其不可能實(shí)現(xiàn)三個(gè)端口同時(shí)匹配。第25頁/共74頁無耗T型接頭的傳輸線模型第26頁/共74頁3.波導(dǎo)分支器

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,它是微波功率分配器件的一種,常用的波導(dǎo)分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配雙T。

(1)E-T分支E面T型分支器是在主波導(dǎo)寬邊面上的分支,其軸線平行于主波導(dǎo)的TE10模的電場方向,簡稱E-T分支。其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖5-22所示,由等效電路可見,E-T分支相當(dāng)于分支波導(dǎo)與主波導(dǎo)串聯(lián)。圖5-22E-T分支結(jié)構(gòu)及等效電路第27頁/共74頁

當(dāng)微波信號從端口“③”輸入時(shí),平均地分給端口“①、②”,但兩端口是等幅反相的;當(dāng)信號從端口“①、②”反相激勵(lì)時(shí),則在端口“③”合成輸出最大;而當(dāng)同相激勵(lì)端口“①、②”時(shí),端口“③”將無輸出。由此可得E-T分支的［S］參數(shù)為第28頁/共74頁第29頁/共74頁第30頁/共74頁第31頁/共74頁(2)H-T分支H-T分支是在主波導(dǎo)窄邊面上的分支,其軸線平行于主波導(dǎo)TE10模的磁場方向,其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖5-23所示,可見H-T分支相當(dāng)于并聯(lián)于主波導(dǎo)的分支線。當(dāng)微波信號從端口“③”輸入時(shí),平均地分給端口“①、②”,這兩端口得到的是等幅同相的TE10波;當(dāng)在端口“①、②”同相激勵(lì)時(shí),端口“③”合成輸出最大,而當(dāng)反相激勵(lì)時(shí)端口“③”將無輸出。H-T分支的散射矩陣為：圖5-23H-T分支結(jié)構(gòu)及等效電路第32頁/共74頁第33頁/共74頁第34頁/共74頁第35頁/共74頁第36頁/共74頁(3)匹配雙T

將E-T分支和H-T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T,也稱為魔T,如圖所示。它有以下特征：:魔T的結(jié)構(gòu)第37頁/共74頁

①四個(gè)端口完全匹配;②端口“①、②”對稱,即有S11=S22;③當(dāng)端口“③”輸入,端口“①、②”有等幅同相波輸出,端口“④”隔離;④當(dāng)端口“④”輸入,端口“①、②”有等幅反相波輸出,端口“③”隔離;⑤當(dāng)端口“①”或“②”輸入時(shí),端口“③、④”等分輸出而對應(yīng)端口“②”或“①”隔離;第38頁/共74頁⑥當(dāng)端口“①、②”同時(shí)加入信號,端口“③”輸出兩信號相量和的倍,端口“④”輸出兩信號差的倍。端口“③”稱為魔T的H臂或和臂,而端口“④”稱為魔T的E臂或差臂。根據(jù)以上分析,魔T各散射參數(shù)有以下關(guān)系:第39頁/共74頁網(wǎng)絡(luò)是無耗的,則有［S］+［S］=［I］以上兩式經(jīng)推導(dǎo)可得魔T的［S］矩陣為

總之,魔T具有對口隔離,鄰口3dB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,尤其用在雷達(dá)收發(fā)開關(guān)、混頻器及移相器等場合。

第40頁/共74頁(4)對稱Y分支三個(gè)端口對稱且互易第41頁/共74頁第42頁/共74頁第43頁/共74頁3)電阻性功率分配器根據(jù)三端口網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)含有有耗元件的時(shí)候，可以將所有端口實(shí)現(xiàn)匹配。如圖所示，其端口均接Z0的特性阻抗，從接頭看，其端口阻抗Z為：等分三端口電阻性功率分配器第44頁/共74頁第45頁/共74頁第46頁/共74頁Wilkinson微帶功分器T型接頭的確定是三個(gè)端口不能同時(shí)做到匹配，輸出端口之間沒有任何隔離，電阻性功率分配可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)端口完全匹配，但是輸出端口之間仍然達(dá)不到隔離要求，由三端口的網(wǎng)絡(luò)特性可以知道，有耗元件能實(shí)現(xiàn)端口完全匹配且輸出端口之間具有隔離。功率分配器中大功率微波功分器采用波導(dǎo)或同軸線結(jié)構(gòu)，中小功率則采用帶狀線或微帶線結(jié)構(gòu)即(Wilkinson功率分配器)。右圖是微帶三端口功分器原理圖。信號由1端口(所接傳輸線的特性阻抗為Z0)輸入，分別經(jīng)過特性阻抗為Z02、Z03的兩段微帶線從2和3端口輸出，負(fù)載電阻分別為R2及R3。兩段傳輸線在中心頻率時(shí)電長度均為

=/2，它們之間沒有耦合。微帶三端口功分器原理圖第47頁/共74頁功分器應(yīng)滿足下列條件：2端口與3端口的輸出功率比可為任意指定值；

1端口無反射；

2端口與3端口的輸出電壓等幅、同相。

由于2端口、3端口的輸出功率與輸出電壓的關(guān)系分別為：如由條件(1)要求輸出功率比為：第48頁/共74頁按條件(3)，由上式可得若取，則有由條件(2)，即1端口無反射，所以要求由Zin2與Zin3并聯(lián)而成的總輸入阻抗等于Z0。如圖由于在中心頻率處電刻度

=/2，Zin2=Z022/R2，Zin3=Z032/R3為純電阻，則端口1的輸入導(dǎo)納為：如以輸入電阻表示功率比,則：可解得：第49頁/共74頁8.4四端口元件即具有四個(gè)端口波導(dǎo)、微帶、同軸接頭的器件，如雙T、魔T、定向耦合器和混合電橋等等。1、無耗互易四端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)第50頁/共74頁第51頁/共74頁第52頁/共74頁第53頁/共74頁第54頁/共74頁第55頁/共74頁第56頁/共74頁第57頁/共74頁第58頁/共74頁2、定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)

耦合器的對稱性指標(biāo)種類和結(jié)構(gòu)

第59頁/共74頁第60頁/共74頁第61頁/共74頁定向耦合器一般屬于四端口網(wǎng)絡(luò)，它有輸入端、直通端、耦合端和隔離端，分別對應(yīng)右圖所示的1、2、3和4端口。定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、隔離度(或方向性)、輸入駐波比和工作帶寬。

(一)

耦合度C耦合度C定義為輸入端的輸入功率P1與耦合端的輸出功率P3之比的分貝數(shù)，即（dB)第62頁/共74頁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-10~0dB的定向耦合器稱為強(qiáng)耦合定向耦合器；把耦合度為-20~-10dB的定向耦合器稱為中等耦合