微波技術(shù)課件第5章 微波元器件(有源無源 4次課)

1、第5章 微波元器件微波元件分類傳輸線類型波導(dǎo)型、同軸型、微帶型功能連接元件、終端元件、匹配元件、衰減元件、相移元件、功分元件、波型變換元件、濾波元件等變換性質(zhì)互易元件、非互易元件和非線性元件等分析方法-網(wǎng)絡(luò)-等效電路 終端負(fù)載元件 短路負(fù)載 匹配負(fù)載 失陪負(fù)載 微波連接元件 波導(dǎo)接頭 衰減器、移相器、轉(zhuǎn)換接頭 匹配元件 螺釘調(diào)配器 多階梯阻抗變換器 漸變型阻抗變換器5.1 連接匹配元件 終接元件-傳輸線終端所接的元件 單端口網(wǎng)絡(luò) 匹配負(fù)載 將所有的電磁能量全部吸收而無反射 =1,=0 短路器 將所有的電磁能量全部反射 =,=1短路負(fù)載 短路負(fù)載-短路器 作用-將電磁能量全部反射回去 產(chǎn)生駐波分

2、布的元件 終端開路 終端短路 純電抗元件向外輻射能量，不能形成純駐波向外輻射能量，不能形成純駐波無損耗的純電抗負(fù)載幾乎沒有無損耗的純電抗負(fù)載幾乎沒有最容易實(shí)現(xiàn)最容易實(shí)現(xiàn)短路負(fù)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(diǎn) 對(duì)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(dòng) 可調(diào)短路器-短路活塞 特點(diǎn) 在特定的微波頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù) 約等于 1 短路面的位置可以移動(dòng) 設(shè)計(jì)短路活塞的基本原則 盡可能多地反射微波功率 輻射損耗，吸收損耗都應(yīng)盡量小 工作頻帶盡量寬 電接觸良好，移動(dòng)平滑，磨損小 傳輸大功率時(shí)保證接觸處不發(fā)生打火現(xiàn)象短路負(fù)載 可調(diào)短路器：短路

3、活塞 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(dòng)接觸過緊接觸過緊活塞移動(dòng)困難活塞移動(dòng)困難接觸過松接觸過松增加輻射損耗甚至造成接觸點(diǎn)打火增加輻射損耗甚至造成接觸點(diǎn)打火彈性材料彈性材料-鈹青銅，磷青銅鈹青銅，磷青銅短路負(fù)載短路活塞-扼流式優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：u損耗小損耗小 u駐波比可以大于駐波比可以大于100100短路活塞-扼流式缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：u頻帶較窄頻帶較窄, , 一般只有一般只有10%15%10%15%的帶寬的帶寬u同軸同軸S S型扼流短路活塞，它具型扼流短路活塞，它具有寬帶特性。有寬帶特性。 可調(diào)短路器-短路活塞 優(yōu)點(diǎn) 無機(jī)械接觸，無磨損 電性能穩(wěn)定 交流短路，直流

4、開路，可以通過它來為微波腔體內(nèi)的有源器件提供直流偏置 缺點(diǎn) 工作頻帶窄 機(jī)械加工難度較大，不適于在微波高頻段使用匹配元件匹配元件 全匹配負(fù)載 作用-在傳輸系統(tǒng)中建立行波狀態(tài) 要求 較寬的工作頻帶 輸入駐波比小 一定的功率容量匹配元件 匹配負(fù)載是由吸收材料和匹配段構(gòu)成 根據(jù)吸收材料的幾何形狀 面吸收式：用于小功率微波系統(tǒng) 體吸收式：用于大功率微波系統(tǒng) 根據(jù)吸收材料的種類 固體：金屬電阻膜，碳化硅，羥基鐵 液體：水 測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，水負(fù)載的駐波比為 10 的屬于寬帶匹配負(fù)載 帶內(nèi)駐波比 為1.05 1.20是比較好的匹配負(fù)載，相當(dāng)于99.998 99.2 的入射功率被負(fù)載吸收常用的匹配負(fù)載小功率同軸

5、線匹配負(fù)載的應(yīng)用一、儀器、設(shè)備校準(zhǔn)微波元器件的閑置端口都必須配置匹配負(fù)載。右圖為波導(dǎo)型定向耦合器，其 4端口配置了一個(gè)小功率匹配負(fù)載。123414匹配負(fù)載的應(yīng)用微波元器件的閑置端口都必須配置匹配負(fù)載。右圖為微帶線型耦合器，其 4 端口配置了一個(gè) 50 歐姆的匹配負(fù)載。盡管從理論上講 4 端口是沒有輸出的。 連接元件 接頭：把相同傳輸線連接在一起的裝置 轉(zhuǎn)接元件：把不同類型傳輸線連接在一起的裝置 接頭 連接點(diǎn)接觸可靠; 輸入駐波比盡可能小 1.2; 工作頻帶要寬; 無泄漏 結(jié)構(gòu)要牢靠，裝拆方便，容易加工等微波連接元件常用射頻/微波接頭 接頭（法蘭盤）平接頭平接頭機(jī)械加工要求高機(jī)械加工要求高抗流接

6、頭抗流接頭真正短路真正短路波導(dǎo)接頭 抗流法蘭盤 轉(zhuǎn)接元件-將不同類型傳輸線或元件連接 阻抗匹配 模式的變換 同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器 內(nèi)導(dǎo)體插入深度h 偏心距d 短路活塞位置l1 9 _ 1 5轉(zhuǎn)換接頭（1） 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)接器波導(dǎo)波導(dǎo)(Ze=400-500 ) 微帶線微帶線(Z0=50 )中間加脊波導(dǎo)過渡段中間加脊波導(dǎo)過渡段實(shí)現(xiàn)阻抗匹配實(shí)現(xiàn)阻抗匹配轉(zhuǎn)換接頭（2）同軸線微帶轉(zhuǎn)接器同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑的選取同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑的選取與微帶線的特性阻抗有關(guān)與微帶線的特性阻抗有關(guān)通常使通常使內(nèi)導(dǎo)體直徑等于微帶線中內(nèi)導(dǎo)體直徑等于微帶線中心導(dǎo)帶寬度心導(dǎo)帶寬度轉(zhuǎn)換接頭（3） 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

7、變化來達(dá)到模式的變換轉(zhuǎn)換接頭（4） 衰減器和移相器 二端口網(wǎng)絡(luò) 衰減器 作用：對(duì)通過它的微波能量產(chǎn)生衰減 移相器 作用：對(duì)通過它的微波信號(hào)產(chǎn)生一定的相移，但能量無衰減衰減器 分類 按是否可調(diào)分 固定衰減器 可變衰減器 按工作原理分 吸收衰減器 截止衰減器 極化衰減器00llaeeS 吸收式衰減器 工作原理 在波導(dǎo)內(nèi)放入與電場(chǎng)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 截止式衰減器的工作原理 在傳輸線中插入一小段橫向尺寸較小的傳輸線段，使電磁波在這一小段傳輸線內(nèi)處在截止?fàn)顟B(tài)下傳輸，即電磁波經(jīng)過這段傳輸線后微波能量很快衰減，控制截止傳輸線的長(zhǎng)度，就可以調(diào)節(jié)衰減量的大小20

8、010lg8.68lAAeAl2c移相器 移相器 對(duì)電磁波只產(chǎn)生一定的相移的微波元件，是一個(gè)無反射、無衰減的二端口網(wǎng)絡(luò) 原理 相移量 常用的移相器：介質(zhì)移相器 00jjeSe 2pll改變相位的方法改變相位的方法改變改變 l 或改變或改變 p阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 在微波系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)遇到反射問題 負(fù)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 反射波的影響 使負(fù)載得不到最大功率 功率容量和效率都會(huì)降低 在大功率時(shí)還會(huì)出現(xiàn)打火現(xiàn)象 在微波測(cè)量系統(tǒng)中又會(huì)影響測(cè)量精度消除反射波消除反射波螺釘444pppddd電感，易擊穿電感

9、，易擊穿串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振電容電容 2.定向耦合器 應(yīng)用 監(jiān)視功率、頻率、頻譜 功率分配、合成 混頻器、測(cè)量電橋 測(cè)量反射波 分類定向耦合器-分類波導(dǎo)同軸線帶狀線微帶線按傳輸線類型單孔耦合多孔耦合連續(xù)耦合平行線耦合按耦合方式同向耦合反向耦合輸出方向90度定向180度定向輸出相位強(qiáng)耦合中等耦合弱耦合按耦合強(qiáng)弱（a）微帶分支定向耦合器微帶分支定向耦合器 （b）波導(dǎo)單孔定向耦合器）波導(dǎo)單孔定向耦合器（c）平行耦合線定向耦合器）平行耦合線定向耦合器 （d）波導(dǎo)匹配雙）波導(dǎo)匹配雙T（e）波導(dǎo)多孔定向耦合器）波導(dǎo)多孔定向耦合器 （f） 微帶混合環(huán)微帶混合環(huán)4 端口端口隔離端口隔離端口2端口端口直通端口直通端

10、口1 端口端口輸入端口輸入端口3端口端口耦合端口耦合端口 定向耦合器的技術(shù)指標(biāo) 耦合度C 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)1310lg()PCdBP可逆四端口網(wǎng)絡(luò)可逆四端口網(wǎng)絡(luò)212131311210lg20lg()2iiUCdBSS U耦合度越大耦合度越大耦合越弱耦合越弱 定向性D 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 D愈大,隔離端口輸出愈小,定向性愈好23131324414110lg10lg20lg()SSPDdBPSS 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(fù)載時(shí),輸入端的駐波比即為定向耦合器

11、的輸入駐波比。 工作頻帶寬度 滿足定向耦合器指標(biāo)要求的頻率范圍111111SS 雙分支定向耦合器和端口反向，反向定向耦合器 和端口的輸出信號(hào)相位差90,故又稱為90反向定向耦合器輸入輸入, ABC ADC，路程相同，路程相同C點(diǎn)相加點(diǎn)相加,有輸出有輸出輸入，輸入，ADABCD兩路路程差為兩路路程差為p0/2相位差為相位差為,口無輸出口無輸出 將一路微波功率按一定比例分成將一路微波功率按一定比例分成n n路輸出的功率元件路輸出的功率元件稱為功率分配器。稱為功率分配器。u等功率分配器和不等功率分配器等功率分配器和不等功率分配器u大功率往往采用同軸線，中小功率常采用微帶線大功率往往采用同軸線，中小功

12、率常采用微帶線 3.功率分配器 (1) (1) 兩路微帶功率分配器兩路微帶功率分配器 兩路微帶功率分配器的平面結(jié)構(gòu)如圖兩路微帶功率分配器的平面結(jié)構(gòu)如圖 5 - 19 5 - 19 所示所示, , 其中輸入端口特性阻抗為其中輸入端口特性阻抗為Z Z0 0, , 分成的兩段微帶線分成的兩段微帶線電長(zhǎng)度為電長(zhǎng)度為g/4, g/4, 特性阻抗分別是特性阻抗分別是Z Z0202和和Z Z0303, , 終終端分別接端分別接有電阻有電阻R R2 2和和R R3 3。功率分配器的基本要求如下。功率分配器的基本要求如下: : 功率分配器圖 5 19 兩路微帶功率分配器的平面結(jié)構(gòu) 端口端口“”無反射無反射; ;

13、 端口端口“、 ”輸出電壓相等且同相輸出電壓相等且同相; ; 端口端口“、 ”輸出功率比值為任意指定值輸出功率比值為任意指定值, , 設(shè)為設(shè)為根據(jù)以上三條有根據(jù)以上三條有21k0in32in111ZZZ232322212121kRURU32UU 22022inRzZ32033inRzZ)1 (202kkZZ32003/ )1 (kkZZkZR03由傳輸線理論有由傳輸線理論有 實(shí)際，實(shí)際， 在在“、”端跨接電阻端跨接電阻R Rj j, , 既不影響功既不影響功率分配器性能率分配器性能, , 又可增加隔離度。于是實(shí)際功率分配又可增加隔離度。于是實(shí)際功率分配器平面結(jié)構(gòu)如圖器平面結(jié)構(gòu)如圖 5 - 20

14、 5 - 20 所示所示, , 其中其中Z Z0404、Z Z0505及及R Rj j 由由以下公式確定以下公式確定: : kZZRZ00204kZZRZ00305kkzRj201圖 5-20 實(shí)際功率分配器平面結(jié)構(gòu)圖5.3 微波諧振器 微波諧振器 微波系統(tǒng)中常用的重要元件 具有儲(chǔ)能與選頻特性的微波元件 應(yīng)用 微波信號(hào)源、微波濾波器及波長(zhǎng)計(jì)、 速調(diào)管、磁控管等微波電子管的重要組成部分 微波加熱器-微波爐 構(gòu)成 由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段組成 低損耗介質(zhì)塊圖 5 25 各種微波諧振器2a圓波導(dǎo)圓波導(dǎo)在圓波導(dǎo)兩端用導(dǎo)體短路可構(gòu)成微波圓柱諧振腔2a2b同軸線同軸線在同軸線兩端用抗流活塞或低通

15、濾波器短路可構(gòu)成微波同軸諧振腔D = 11 mm，h = 8 mmf0 = 4.2 GHz ，C 波段波段D = 4 mm， h = 3.5 mmf0 = 12 GHz，Ku 波段波段微波諧振器-簡(jiǎn)介 分類 傳輸線型諧振器-兩端被開路或短路的傳輸線 矩形諧振器 圓柱諧振器 同軸諧振器 帶狀線諧振器 微帶諧振器 開放式諧振腔 非傳輸線型諧振器-特殊形狀諧振器 速調(diào)管 磁控管 行波管微波源微波源rr導(dǎo)體板的尺度導(dǎo)體板的尺度遠(yuǎn)大于微波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于微波波長(zhǎng) LC諧振回路在高頻的局限性 頻率升高，損耗急劇增加，品質(zhì)因數(shù)大大降低，選頻特性變差； 頻率升高，電感器和電容器制作困難LCf210圖 5 26 微波

16、諧振器的演化過程 與LC諧振回路的相似之處 與LC諧振回路的區(qū)別 能量分布 LC 諧振回路：電場(chǎng)能量 C ，磁場(chǎng)能量 L 微波諧振器： 電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量是空間分布的 諧振頻率 LC諧振回路：唯一諧振頻率 f0 微波諧振器：無限多個(gè)諧振頻率 f0 品質(zhì)因數(shù) 微波諧振器集中較多的能量，損耗較小，因此它的品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)大于LC集中參數(shù)回路的品質(zhì)因數(shù)一、微波諧振器的基本參量 三個(gè)基本參量 諧振頻率f0 (或諧振波長(zhǎng)0 ) 品質(zhì)因數(shù)Q0 等效電導(dǎo)G0 諧振頻率f0 諧振器中某個(gè)模式的場(chǎng)發(fā)生諧振的頻率 諧振頻率可采用電納法分析 諧振時(shí),諧振器內(nèi)電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量自行彼此轉(zhuǎn)換,故諧振器內(nèi)總的電納為零諧振頻率

17、諧振頻率f0 等效電路，將所有的等效電納歸算到同一個(gè)參考面上00B ff0,.)2 , 1(2gppllp2c2g2222/12c2022lpvf諧振頻率2/12c2022lpvfu諧振頻率由諧振頻率由振蕩模式振蕩模式、腔體尺寸腔體尺寸以及以及腔中腔中填充介質(zhì)填充介質(zhì)( (, ,) )所確定；所確定；u在諧振器尺寸一定的情況下在諧振器尺寸一定的情況下, , 與振蕩模式與振蕩模式相對(duì)應(yīng)有相對(duì)應(yīng)有無窮多個(gè)諧振頻率。無窮多個(gè)諧振頻率。結(jié)論結(jié)論品質(zhì)因數(shù) 品質(zhì)因數(shù)Q0 描寫諧振器的選擇性的優(yōu)劣和能量損耗的大小000022LLQWWPTP諧振時(shí)諧振器內(nèi)儲(chǔ)存的電磁能量一個(gè)周期內(nèi)損耗的電磁能量 品質(zhì)因數(shù)Q0

18、諧振時(shí),電磁場(chǎng)的總儲(chǔ)能為 諧振器的損耗 導(dǎo)體損耗 介質(zhì)損耗 輻射損耗*022VVWdVdVE EH H封閉腔封閉腔=0無介質(zhì)損耗無介質(zhì)損耗壁電流的熱損耗壁電流的熱損耗 無載品質(zhì)因數(shù) 描述了諧振腔儲(chǔ)能和諧振腔本身耗能的情況 有載品質(zhì)因數(shù) 描述了諧振腔儲(chǔ)能和諧振腔及其耦合裝置的耗能情況000LWQP00LLeWQPP外界負(fù)載吸外界負(fù)載吸收的功率收的功率SVQ2結(jié)論結(jié)論: : ， 應(yīng)選擇諧振器形狀使其應(yīng)選擇諧振器形狀使其 大大; ; 因諧振器線尺寸與工作波長(zhǎng)成正比即因諧振器線尺寸與工作波長(zhǎng)成正比即V V , , S S , , 故故 有有Q Q0 0 , , 由于由于僅為幾微米僅為幾微米, , 對(duì)厘

19、米波段對(duì)厘米波段的諧振器的諧振器, ,其其Q Q0 0值將在值將在10104 4- -10105 5量級(jí)。量級(jí)。 SVSVQ030200二、同軸線諧振腔 同軸線諧振腔 利用同軸線中的駐波振蕩構(gòu)成的諧振腔 同軸線單模傳輸條件 優(yōu)點(diǎn) 振蕩模式最簡(jiǎn)單 工作穩(wěn)定 工作頻帶寬minab 同軸諧振腔的種類 /4同軸腔 /2同軸腔 電容加載同軸腔 /2型同軸諧振腔 由兩端短路（或開路）的一段同軸線構(gòu)成02ln當(dāng)腔的長(zhǎng)度一定時(shí)當(dāng)腔的長(zhǎng)度一定時(shí)每對(duì)應(yīng)一個(gè)每對(duì)應(yīng)一個(gè)n值就有值就有一個(gè)諧振波長(zhǎng)一個(gè)諧振波長(zhǎng),即對(duì)即對(duì)應(yīng)于一種模式應(yīng)于一種模式 /2型同軸諧振腔的品質(zhì)因數(shù)00ln281lnD dDQDDD dd(D/d)=3.6時(shí)，同軸腔的品質(zhì)因數(shù)時(shí)，同軸腔的品質(zhì)因數(shù)Q0達(dá)最大達(dá)最大 /4同軸腔 將同軸線一端短路,另一端開路 諧振時(shí),從