微波工程導(dǎo)論：第六章 微波無源電路

1、第六章 微波無源電路6.1 微波諧振器隨著頻率的升高，特別是微波頻段，普通的LC集總參數(shù)諧振回路將產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射損耗和介質(zhì)損耗，以至于不能工作。因此，必須使用特殊的諧振裝置.微波諧振器可大致分為兩類：（1）空腔諧振器（即諧振腔）和開放型諧振器；（2）傳輸線型微波諧振器和非傳輸線型微波諧振器。微波諧振器的基本分析方法：（1）解析法，其主要優(yōu)點是可以得到顯式解析解，主要缺陷是適用范圍窄；（2）數(shù)值法，其主要優(yōu)點是具有普遍適用性，主要缺陷是計算較為復(fù)雜； （3）等效電路法，其主要優(yōu)點是分析較簡便，可利用電路或網(wǎng)絡(luò)理論進行分析，主要困難是必須基于場邊值問題獲得適當(dāng)?shù)牡刃ЬW(wǎng)絡(luò)模型。6.1.1諧振回路的基

2、本特性諧振時(t=t0)，諧振回路總的輸入阻抗為純阻，即其電抗分量為0，或電納分量為0。此時，電儲能或磁儲能達(dá)最大值且等于回路的總儲能，即 （2）品質(zhì)因數(shù)與諧振頻率諧振回路的品質(zhì)因數(shù) 定義為 式中，W為諧振時總的儲能； 為諧振時諧振回路的損耗功率； 為諧振時的角頻率。品質(zhì)因數(shù)對諧振曲線的影響用通頻帶來表示： 越高， 帶寬越窄，回路的選擇性越好（3）有載品質(zhì)因數(shù)對串聯(lián)諧振電路，負(fù)載可等效為一附加串聯(lián)電阻；對并聯(lián)諧振電路，負(fù)載可等效為一附加并聯(lián)電阻。諧振時損耗在該附加電阻上的功率計為 ，則：稱為外觀品質(zhì)因數(shù)。在有外電路耦合情況下，諧振回路的品質(zhì)因數(shù)定義為有載品質(zhì)因數(shù)6.1.2 微波諧振器基本參數(shù)一

3、、諧振頻率(諧振波長)（1）相位法由此，對于TEM波有其中， 和 分別為諧振波長和諧振頻率。對于TE和TM色散波型，有 Z2lZ1 （2）電納法以電容加載同軸諧振腔為例（3）集總參數(shù)法集總參數(shù)法是根據(jù)諧振器等效電路中的等效電感和等效電容確定諧振頻率的方法。（4）場解法微波諧振器具有多諧性。另外，還應(yīng)指出，對于簡并模式而言，同一個諧振頻率對應(yīng)不同的諧振模式 二、微波諧振器的品質(zhì)因數(shù)微波諧振器品質(zhì)因數(shù)的定義與低頻LC諧振電路品質(zhì)因數(shù)的定義相類似。（1）固有品質(zhì)因數(shù) 設(shè)WT=PT ,則由 和 得 有V/S越大， 越小， 越高；反之 越低（2）有載品質(zhì)因數(shù)定義耦合系數(shù)為6.14微波諧振器實例 圓柱形諧

4、振腔的特點是較高、調(diào)諧方便、結(jié)構(gòu)堅固、易于加工。它常用于各種調(diào)諧回路、波長計和回波箱等。 圓柱形諧振腔的工作模式為 和 ，其中m 和n意義與圓波導(dǎo)模式相同，而p 則表示沿腔體長度方向（縱向，z方向）場量變化的半駐波個數(shù)。 1）電磁場分量表達(dá)式再利用z方向兩個端面的邊界條件 ，則有 各個場分量的具體表達(dá)式為：可以得到： 為 m階第一類貝塞爾函數(shù)的第 n個根。2） 諧振頻率具體而言，對于 模，有具體而言，對于 模，有（2）矩形波導(dǎo)諧振腔矩形諧振腔主要應(yīng)用于速調(diào)管或固態(tài)源中的諧振回路、天線開關(guān)中的諧振放電器、波長計和濾波器等。模 和 模諧振頻率和諧振波長的計算公式形式完全相同，即 的固有品質(zhì)因數(shù)為：

5、（3）同軸線諧振腔同軸線諧振腔的主要特點是其主模工作模式為TEM模，該模式場結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、無色散、工作范圍寬（其頻寬比可達(dá)到 3:1）。同軸線諧振腔的主要缺點是與圓柱形諧振腔相比較 低。同軸線諧振腔主要應(yīng)用于米波、分米波段，對小功率系統(tǒng)也可用于厘米波段，它可用作振蕩器、倍頻器和放大器中的諧振回路以及精度要求不高的波長計。同軸線諧振腔它可視為一段兩端短路（或開路）的同軸傳輸線。1）二分之一波長型同軸諧振腔諧振條件為: 2）四分之一波長型同軸諧振腔 3）電容加載型同軸線諧振腔 （4）平面微帶諧振結(jié)構(gòu) 1）矩形微帶諧振器: 1）圓盤微帶諧振器:3）圓環(huán)微帶諧振器6.2 微波定向耦合器在實際應(yīng)用中，有

6、很多需要按一定相位和功率關(guān)系分配功率的場合，如發(fā)射機、接收機工作狀態(tài)監(jiān)示，例如將發(fā)射機的功率分別饋送給天線的輻射單元，就是說，進行功率分配，這就要用到各種類型傳輸線的分支元件。這種電路就是定向耦合器。其功能并不限于功率分配，還能起到功率合成、調(diào)配以及其它的功能。6.2.1 微波定向耦合器的指標(biāo)參數(shù)定向耦合器類似于高頻電路中的變壓器網(wǎng)絡(luò)，功率按比例和相位進行分配或混合。理論上，電路應(yīng)為無耗元件，包括集總參數(shù)和分布參數(shù)兩大類。定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)包括工作頻帶、插入損耗、耦合度、方向性和隔離度等。（1）工作頻帶：定向耦合器的功能實現(xiàn)主要依靠波程相位的關(guān)系，也就是說與頻率有關(guān)。工作頻帶確定后才能設(shè)計滿

7、足指標(biāo)的定向耦合器。（2）插入損耗：主路輸出端和主路輸入端的功率比值，包括耦合損耗和導(dǎo)體介質(zhì)的熱損耗。（3）耦合度：描述耦合輸出端口與主路輸入端口的比例關(guān)系，通常用分貝表示，dB值越大，耦合端口輸出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途決定。通常，3dB耦合器是功率等分輸出。（4）方向性：描述耦合輸出端口與耦合支路隔離端口的比例關(guān)系。理想情況下，方向性為無限大。（5）隔離度：描述主路輸入端口與耦合支路隔離端口的比例關(guān)系。理想情況下，耦合度為無限大。方向性耦合度隔離度定向耦合器常用于微波測量中的反射計，這是微波網(wǎng)絡(luò)分析儀的基礎(chǔ)；也可用于功率監(jiān)視，天線性能的監(jiān)視，構(gòu)成微波電路系統(tǒng)等。(2) 分支

8、線定向耦合器分支線耦合器在微波集成電路中有廣泛的用途，尤其是功率等分的3dB耦合器，不僅結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，而且輸出端口位于同一側(cè)，方便與半導(dǎo)體器件結(jié)合，構(gòu)成平衡混頻器、倍頻器、移相器、衰減器、開關(guān)等微波電子線路。不論分支線兩個輸出端口功率是否相等，在中心頻率上兩個輸出信號的相位總是相差90度。從工藝上考慮，分支線耦合器容易實現(xiàn)緊耦合，要實現(xiàn)弱耦合比較困難。(3) 環(huán)形橋定向耦合器環(huán)形橋又稱混合環(huán)，是一種3dB功率分配器。6.3 功率分配器前面介紹的定向耦合器雖然也可以作為功率分配器使用，但由于它們結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，在單純進行功率分配的情況下，用得并不多，通常采用T形接頭或其變形。T形接頭

9、有波導(dǎo)型、同軸線型、帶狀線型及微帶線型等。6.3.1 微波功率分配器的指標(biāo)參數(shù)（1）頻率范圍。（2）承受功率。（3）分配損耗。主路到支路的分配損耗實質(zhì)上與功率分配器的功率分配比有關(guān)。 （4）插入損耗。輸入輸出間的插入損耗是由傳輸線（如微帶線）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素造成的。（5）隔離度。支路端口間的隔離度是功率分配器的另一個重要指標(biāo)。在主路和其它支路都接匹配負(fù)載情況下，i口和j口的隔離度定義為（6）駐波比。每個端口的電壓駐波比越小越好。 功率分配器可分為等分型（ ）和比例型（ ）兩種。6.3.2 微帶線上的T形分支通?？梢栽诮宇^的轉(zhuǎn)彎處將躍變部分的較寬微帶逐漸變窄的方法來降低不連續(xù)性的影響。如

10、將直角轉(zhuǎn)彎的直角切掉一部分，或切斷一個倒三角。6.3.3 不等功率輸出的微帶功率分配器微帶T形接頭雖然可以用來分配功率，但它不能實現(xiàn)各端口都匹配和互相隔離。如果在三端口功分器中加入電阻性元件，就可以實現(xiàn)所有端口匹配，但電阻性元件的加入將損耗一部分功率，且輸出端隔離仍然不能滿足要求。對于任何無耗的三端口網(wǎng)絡(luò)不可能同時實現(xiàn)各端口的匹配和隔離。所以引入有耗電阻R 。端口1特性阻抗為 ，端口2與端口3的微帶線長為 ，特性阻抗分別為 和 ，在2與3點間跨接一隔離電阻 R。假定兩分支線的負(fù)載分別為R2 和R3，其對應(yīng)的電壓和功率分別為 U2、U3和P2、P3。根據(jù)對功分器的要求，有 或 ，在正常工作時，隔

11、離電阻R 上無電流流過，即U2=U3，所以有 和 1 由于分支線長 ，故在端口1處的輸入阻抗為 為使端口1無反射，則兩分支在端口1處的總輸入阻抗等于引出線的Zc1，即：可以得出6.3.4 波導(dǎo)E-T和H-T分支(1) E面分支分支在波導(dǎo)的寬邊上，且與 TE10波的Ey分量平行，故稱E 面分支，也稱E-T接頭。 當(dāng)TE10波從端口4輸入時，端口1與端口2將有等幅反相的輸出。(2) H面分支分支是在主波導(dǎo)的窄壁面上，且與H10波的磁力線所在平面平行，故稱為H面分支，也稱為H-T接頭。當(dāng)波由3臂輸入時，1、2兩臂有等幅同相輸出，如圖 (b)所示，即反之，當(dāng)波由1、2臂等幅同相輸入時，則在3臂有“和”

12、輸出，如圖 (c)所示。當(dāng)波由1、2臂等幅反相輸入時，則在3臂有“差”輸出，如圖 (d)所示。6.3.5 雙T分支及魔T雙T分支是由E-T和H-T接頭組合而成的。由E-T和H-T分支的特性可以得出雙T分支的一些重要特性。在其余端口接匹配負(fù)載的情況下： 波由3臂輸入時，1、2臂有等幅同相的輸出，即 （H-T接頭的特性） 波由4臂輸入時，1、2兩臂有等幅反相的輸出，即 （E-T接頭的特性） 波由1、2兩臂等幅同相輸入時，3臂有“和”的輸出，4臂無輸出，即 （3、4臂相互隔離） 波由1、2兩臂等幅反相輸入時，4臂有“和”的輸出，3臂無輸出，即 （3、4臂相互隔離）6.4微波濾波器6.4.1濾波器的指

13、標(biāo)和基本特性一、 濾波器的指標(biāo)（1）工作頻率。是濾波器的通帶頻率范圍，有兩種定義方式：3dB 帶寬、插損帶寬。（2）插入損耗。（3）帶內(nèi)紋波。（4）帶外抑制。（5）承受功率。（6）插入相移和時延頻率特性。通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性，即根據(jù)衰減特性，濾波器分為低通（lowpass）、高通（highpass）、帶通（bandpass）及帶阻（bandstop）四種。三、濾波器的低通原型集總參數(shù)低通濾波器（簡稱低通原型）是設(shè)計濾波器的基礎(chǔ)。各種低通、高通、帶通、帶阻微波濾波器，其傳輸特性大多是據(jù)原型變換而來的。在實際的設(shè)計中，我們無法得到理想的頻率響應(yīng)，只能用特定的數(shù)學(xué)函數(shù)來逼近。常見的

14、數(shù)學(xué)逼近函數(shù)一般為以下三種：最平坦型用巴特沃斯（Butterworth）、等波紋型用切比雪夫（Chebyshev）、陡峭型用橢圓函數(shù)型（Elliptic）、等延時用高斯多項式（Gaussian）。四、濾波器的設(shè)計方法濾波器的理論成熟，技術(shù)發(fā)展。設(shè)計方法有兩種：（1）經(jīng)典方法。即低通原型綜合法，由衰減特性綜合出低通原型，頻率變換，微波實現(xiàn)。結(jié)合數(shù)學(xué)計算軟件、微波仿真軟件，可以得到滿意的結(jié)果。（2）軟件方法。先有軟件商依各種濾波器的微波結(jié)構(gòu)拓?fù)渥龀傻能浖?，使用者依指?biāo)選擇拓?fù)?、仿真參?shù)、調(diào)整優(yōu)化。6.4.2常見的濾波器形式下面將介紹幾種常見的微帶線濾波器。一、低通濾波器根據(jù)微帶線的特性阻抗分布規(guī)律

15、。利用高低阻抗線實現(xiàn)微波低通濾波器。高阻抗線的電感效應(yīng)顯著，可近似為電感，低阻抗線的電容效應(yīng)顯著，可近似為電容；也可用開路、短路短截線實現(xiàn)電感和電容。二、帶通濾波器低通原型向帶通的變換規(guī)則為串聯(lián)電感變成串聯(lián)諧振器，并聯(lián)電容變成并聯(lián)諧振器。（1）端耦合微帶諧振器濾波器下圖中，每一段線就是一個半波長諧振器（相當(dāng)于濾波器元件值），間隙是耦合電容（相當(dāng)于變換器）。變換器的作用使得諧振單元可以看成是串聯(lián)還是并聯(lián)。因此，這個結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)帶通濾波。（2）平行耦合線帶通濾波器在下圖中，每一段線就是一個半波長諧振器（相當(dāng)于濾波器元件值），平行的間隙是耦合元件（相當(dāng)于變換器），耦合間隙在諧振線邊緣，可以實現(xiàn)寬頻帶耦

16、合。（3）發(fā)卡式濾波器將平行耦合線的半波長諧振線對折，可以減小體積。設(shè)計中，要考慮對諧振線折后的間隙耦合，在長度和間隙上做適當(dāng)修正。發(fā)卡式濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，指標(biāo)良好，在射頻/微波工程中使用最多。（4）交指線濾波器和梳狀線濾波器上述濾波器的諧振單元都是半波長諧振器，如果改為四分之一波長諧振器完全可行。四分之一波長諧振器的結(jié)構(gòu)特點是一端短路，另一端開路，在同軸和帶狀線較易實現(xiàn)，微帶線需要通過金屬化孔接地。這類諧振器構(gòu)成的濾波器的最大好處是尺寸可縮短接近一半。如果各個諧振單元的開路端和短路端交叉布局，就是交指線濾波器。如果開路端在一邊，短路端在一邊則為梳狀線濾波器。三、高通濾波器低通原型向高通的變換規(guī)則為串聯(lián)電感變成串聯(lián)電容，并聯(lián)電容變成并聯(lián)電感。下圖是設(shè)計的三階切比雪夫高通濾波器。利用微帶交指耦合電容實現(xiàn)串聯(lián)電容，利用終端短路枝節(jié)線實現(xiàn)并聯(lián)電感。四、帶阻