微波技術(shù)與天線 第5章

1、第五章 微波(wib)元器件 任何頻段工作的電子設(shè)備，都需要各種功能的元器件，既有如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路(hul)等無源元器件，以實現(xiàn)信號匹配、分配、濾波等功能；又有晶體管等有源元器件，實現(xiàn)信號產(chǎn)生、放大、調(diào)制、變頻等功能。 在微波系統(tǒng)中，實現(xiàn)對微波信號的產(chǎn)生、放大、變頻、匹配、分配、濾波等功能的部件，統(tǒng)稱為微波元器件。共六十二頁微波元器件按其變換性質(zhì)可分為三大類:線性互易元器件(linear reciprocal devices)只對微波信號進行線性變換而不改變頻率特性并滿足互易定理，主要包括：各種微波連接匹配(ppi)元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件等

2、；線性非互易元器件(linear nonreciprocal devices)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；非線性器件(nonlinear devices)能引起頻率的改變，從而實現(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。共六十二頁5.1 連接(linji)匹配元件 微波連接匹配元件包括三大類:終端負載元件(terminal load devices)是連接在傳輸系統(tǒng)終端實現(xiàn)終端短路、匹配或失配等功能的元件；微波連接元件(microwave connector)是將作用不同的兩

3、個微波系統(tǒng)按一定要求連接起來，主要包括：波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器及轉(zhuǎn)換(zhunhun)接頭等；阻抗匹配元器件(impedance matched devices)是用于調(diào)整傳輸系統(tǒng)與終端之間阻抗匹配的器件，主要包括螺釘調(diào)配器、多階梯阻抗變換器及漸變型變換器等。 共六十二頁1. 終端負載(fzi)元件（單口元件）; (1) 短路(dunl)負載 (short circuit load)g/4g/4g/4波導(dǎo)短路活塞同軸線短路活塞有效短路面 短路負載又稱為短路器,它的作用是將電磁能量全部反射回去。對金屬波導(dǎo)最方便的短路負載是在波導(dǎo)終端接上一塊金屬片。 實際中的短路器都是做成可以移動的，這種短路負

4、載又稱為可調(diào)短路活塞。 有效短路面共六十二頁匹配負載是一種幾乎(jh)能全部吸收輸入功率的元件 。波導(dǎo)(b do)內(nèi)放置鍥形吸收體 或在波導(dǎo)外側(cè)加裝散熱片以利于散熱 對波導(dǎo)來說，小功率匹配負載一般在一段終端短路的波導(dǎo)內(nèi)放置一塊或幾塊劈形吸收片。當(dāng)吸收片平行地放置在波導(dǎo)中電場最強處，吸收片強烈吸收微波能量，其反射變小，劈尖的長度越長吸收效果越好，匹配性能越好，劈尖長度一般取g/2的整數(shù)倍。劈形吸收片劈形玻璃容器當(dāng)功率很大時采用水負載 (2)匹配負載(matched load)當(dāng)功率較大時共六十二頁微帶匹配(ppi)負載用半圓形電阻作為吸收體,特點是頻帶寬而且功率容量也大 同軸線錐型匹配(ppi)

5、負載 同軸線梯形匹配負載 共六十二頁共六十二頁(3)失配(sh pi)負載(mismatch load) 失配負載既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率，而且一 般制成一定大小駐波的標準失配負載，主要用于微波測量。失配負載和匹配(ppi)負載的制作相似，只是略微改變一下尺寸，使之和原傳輸系統(tǒng)失配。共六十二頁2.微波(wib)連接元件 微波連接元件是二端口互易元件，主要包括：波導(dǎo)接頭(ji tu)、衰減器、相移器和轉(zhuǎn)換接頭(ji tu)。連接點接觸可靠;不引起電磁波的反射,輸入駐波比盡可能小,一般在1.2以下;工作頻帶要寬;電磁能量不會泄漏到接頭外面;而且結(jié)構(gòu)要牢靠,裝拆方便,容易加工等。 共

6、六十二頁(1)波導(dǎo)(b do)接頭(waveguide connector) 平法蘭扼流法蘭 平法蘭特點：加工方便、體積小、頻帶(pndi)寬，其駐波比可以做到1.002以下，但要求接觸表面光潔度較高。常用于低功率、寬頻帶場合。 扼流法蘭特點：功率容量大，接觸表面光潔度要求不高，但工作頻帶較窄，駐波比的典型值是1.02。一般用于高功率、窄頻帶場合。 共六十二頁波導(dǎo)連接頭除了法蘭接頭之外，還有各種扭轉(zhuǎn)(twist)和彎曲(bend)元件，從而(cng r)改變電磁波方向。共六十二頁 1、衰減器： 同軸線衰減器 可調(diào)波導(dǎo)衰減器吸波材料片 作用：根據(jù)需要，減小所傳輸信號的幅度(fd)。 原理：用吸波

7、材料吸收一定的電磁能量來實現(xiàn)衰減。(2)衰減(shui jin)元件和相移元件共六十二頁2、移相器： 原理：電磁波在不同介質(zhì)中具有不同的相移常數(shù)。因此(ync)改變電磁波經(jīng)過的介質(zhì)就可以改變其相移量。 作用：可以(ky)人為地改變傳輸電磁波的相位。低損耗介質(zhì)片l 當(dāng)將衰減器的衰減片換成介電常數(shù)r1的低耗介質(zhì)片時，就構(gòu)成了移相器共六十二頁功率分配(fnpi)網(wǎng)絡(luò)天線陣元移相器源 應(yīng)用舉例：用于相控陣天線(tinxin)中，要求每個天線(tinxin)陣元輻射相位不同的電磁波。移相器的相移量共六十二頁1.同軸線波導(dǎo)(b do)轉(zhuǎn)接器 它將同軸線的一端加信號,另一端的內(nèi)導(dǎo)體伸入矩形波導(dǎo)內(nèi),則同軸線中

8、TEM模就會激勵起矩形波導(dǎo)中TE10模,反之亦然。這樣實現(xiàn)了模式(msh)變換。(3)轉(zhuǎn)換接頭(switching connector) 微波從一種傳輸系統(tǒng)過渡到另一種傳輸系統(tǒng)時需要用轉(zhuǎn)換器共六十二頁2.波導(dǎo)(b do)微帶轉(zhuǎn)接器由于矩形波導(dǎo)的等效阻抗通常在300400之間,而微帶線特性阻抗一般為50;而且矩形波導(dǎo)的高度b又比微帶線襯底高度h大得多,因此兩種傳輸線不能直接(zhji)相接,常在波導(dǎo)和微帶線之間加一段脊波導(dǎo)過渡段來實現(xiàn)阻抗匹配。共六十二頁2022/7/263. 同軸線微帶轉(zhuǎn)接器 將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體向外延伸一小段(長度約為12mm)與微帶線中心導(dǎo)帶搭接,同軸線的外導(dǎo)體與微帶線的接地平

9、面相連的外殼相連,這種接頭根據(jù)報導(dǎo),在10GHz以下的頻率范圍內(nèi),可得到小于1.15的駐波比,在一般(ybn)工程中應(yīng)用得到滿意的結(jié)果。共六十二頁3. 阻抗匹配(z kn p pi)元件 (1)螺釘(ludng)調(diào)配器(bolt tuner) 使用時為了避免波導(dǎo)短路擊穿，螺釘都設(shè)計成容性，即螺釘旋入波導(dǎo)中的深度應(yīng)小于3b/4。 螺釘不同的深度等效為不同的電抗元件 螺釘調(diào)配器可分為單螺釘、雙螺釘、三螺釘和四螺釘調(diào)配器。單螺釘調(diào)配器通過調(diào)整螺釘?shù)目v向位置和深度來實現(xiàn)匹配的。 共六十二頁（2）多階梯(jit)阻抗變換器(multi-ladder impedance changer) 在第1章中我們已

10、經(jīng)知道用/4阻抗變換器可實現(xiàn)阻抗匹配，但嚴格說來只有在特定頻率上才滿足匹配條件，若要使變換器在較寬的工作頻帶內(nèi)仍可實現(xiàn)匹配，必須(bx)用多階梯阻抗變換器。波導(dǎo)形同軸形微帶形共六十二頁（3） 漸變(jinbin)型阻抗變換器(graded model impedance changer) 增加階梯的級數(shù)(j sh)就可以增加工作帶寬，但增加了階梯級數(shù)(j sh)，變換器的總長度也要增加，尺寸會過大，另一方面結(jié)構(gòu)設(shè)計越困難，因此提出用漸變線代替多階梯。 漸變線：其特性阻抗按一定規(guī)律平滑地由一條傳輸線的特性阻抗變換到另一條傳輸線的特性阻抗。Zl共六十二頁5.2 功率(gngl)分配元器件 在微波系

11、統(tǒng)(xtng)中，往往需將一路微波功率按比例分成幾路，這就是功率分配問題。實現(xiàn)上述功能的元件稱為功率分配元器件(power divider)，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各種微波分支器件。共六十二頁1、定向(dn xin)耦合器3412 同向耦合輸入(shr)端口隔離端口耦合端口直通端口3412 反向耦合直通端口耦合端口輸入端口隔離端口 作用：從主傳輸線中取出一些電磁能量并向設(shè)定的方向傳輸?？梢杂脕肀O(jiān)視功率、頻率和頻譜;把功率進行分配和合成; 又可以測量反射系數(shù)和功率,等等。 是一條傳輸系統(tǒng)，稱為主線為一條傳輸系統(tǒng)，稱為副線共六十二頁（1）、波導(dǎo)(b do)定向耦合器 雙孔定向(dn

12、xin)耦合器（窄頻帶）341212343412123N 多孔定向耦合器（頻帶較寬）耦合端口3微波同相疊加，隔離口4反向抵消共六十二頁 單孔定向(dn xin)耦合器 理想狀態(tài)下，隔離端口應(yīng)當(dāng)沒有輸出，但實際上仍有一定輸出，因此應(yīng)在隔離端口接匹配負載，吸收這一部分功率。吸波材料共六十二頁 定向(dn xin)耦合器實例共六十二頁（2）微帶定向(dn xin)耦合器 平行(pngxng)耦合線定向耦合器距離較近的微帶線之間都有能量耦合。鋸齒形定向耦合器提高性能主線副線共六十二頁鋸齒形定向(dn xin)耦合器實例共六十二頁 微帶雙分支(fnzh)定向耦合器3214ABCD 1輸入(shr)，2、

13、3輸出，相位差90度； 4為隔離端口，無輸出；共六十二頁微帶雙分支(fnzh)定向耦合器實例共六十二頁2.功率(gngl)分配器(power divider) 將一路微波功率按一定比例分成n路輸出的功率元件稱為功率分配器。按輸出功率比例不同(b tn)，可分為等功率分配器和不等功率分配器。在結(jié)構(gòu)上，大功率往往采用同軸線，而中小功率常采用微帶線。 共六十二頁（1） 微帶功率(gngl)分配器： Y形分支 T形分支(fnzh)微帶天線陣微帶天線陣元微帶線共六十二頁功分器實例(shl)一分(y fn)二一分三共六十二頁主要特性： 3端口輸入：1、2等幅、反相輸出，4端口無輸出； 4端口輸入：1、2等

14、幅、同相輸出，3端口無輸出； 1、2端口均有輸入：3端口輸出差信號，4端口輸出和信號； 3、4端口相互(xingh)隔離；1、2端口相互隔離； （2）微帶環(huán)形(hun xn)電橋（微帶魔T）1243微帶環(huán)形電橋?qū)嵗擦?.波導(dǎo)(b do)分支器(waveguide branch circuit) 將微波能量從主波導(dǎo)中分路(fn l)接出的元件稱為波導(dǎo)分支器。1) E面T型分支當(dāng)微波信號從端口輸入時，平均地分給端口，但兩端口是等幅反相的；當(dāng)信號從端口反相激勵時，則在端口合成輸出最大；而當(dāng)同相激勵端口時，端口將無輸出。結(jié)構(gòu) 等效電路 共六十二頁2) H面T型分支(fnzh) 當(dāng)微波信號從端口

15、輸入時，平均地分給端口，這兩端口得到是等幅同相的波；當(dāng)在端口同相激勵時，則在端口合成(hchng)輸出最大，而當(dāng)反相激勵時端口將無輸出。共六十二頁3)匹配(ppi)雙T或魔T(magic-T circuit) 將ET分支和HT分支合并，并在接頭內(nèi)加匹配以消除(xioch)各路的反射，則構(gòu)成匹配雙T ，也稱為魔T 。H臂或和臂E臂或差臂 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，尤其用在雷達收發(fā)開關(guān)、混頻器及移相器等場合。 共六十二頁十字定向耦合器定向耦合器魔T雙 共六十二頁5.3 微波諧振(xizhn)器件 在低頻電路中，諧振回路是一種(y zhn)基本

16、元件，它是由電感L和電容C串聯(lián)或并聯(lián)而成，在振蕩器中作為振蕩回路用以控制振蕩器的頻率；在放大器中用作諧振回路；在帶通或帶阻濾波器中作為選頻元件等。在微波頻率上，也有上述功能的器件，這就是微波諧振器件(microwave resonators)。共六十二頁 相當(dāng)于低頻中的諧振回路，具有儲能、選頻、穩(wěn)頻的功能； 用途：微波(wib)源、濾波器、選頻器等等；基本概念： 特點： 理論上說，有無窮多個諧振頻率(pnl)（多諧性）； 品質(zhì)因素Q值很高（幾萬幾十萬）；Q諧振系統(tǒng)諧振時的平均儲能系統(tǒng)中每秒的能量消耗共六十二頁對于諧振腔而言，已經(jīng)無法分出哪里是電感、哪里是電容，腔體內(nèi)充滿電磁場，因此只能用場(y

17、ngchng)的方法進行分析。 共六十二頁1、矩形波導(dǎo)諧振腔 三個整數(shù)(zhngsh) m、n、l 的每一種組合都對應(yīng)腔內(nèi)的一種諧振模式，因此：有無窮多個諧振模式；（1）波導(dǎo)(b do)型諧振器：abl 應(yīng)采用兩端短路的方式；共六十二頁2、圓波導(dǎo)(b do)諧振腔la 品質(zhì)因數(shù)正比于腔體積，反比于腔內(nèi)壁面積，故在同樣體積情況下，圓波導(dǎo)諧振腔比矩形諧振腔品質(zhì)因數(shù)高，性能好，加工也容易，是最常用的諧振腔。 應(yīng)采用兩端短路(dunl)的方式；共六十二頁（2）同軸腔諧振器： 諧振模式為TEM模式，場結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定(wndng)、頻帶寬，應(yīng)用廣泛；1、兩端(lin dun)短路同軸諧振腔：l 短路活塞可改

18、變腔長，從而改變諧振頻率短路活塞可調(diào) l()為自然數(shù)諧振頻率nlnfem2 =共六十二頁2、一端(ydun)短路另一端(ydun)開路同軸諧振腔：金屬蓋板防輻射l 內(nèi)導(dǎo)體可移動，用于改變諧振頻率 實際結(jié)構(gòu)可調(diào) l ()為自然數(shù)諧振頻率nlnfem412-=共六十二頁微帶諧振器lab線節(jié)諧振器環(huán)形(hun xn)諧振器圓盤(yun pn)形諧振器諧振條件：1、線節(jié)諧振器、縫隙諧振器：2、環(huán)形諧振器：平均周長共六十二頁5.4 微波(wib)鐵氧體器件 許多情況下，我們需要具有非互易性的器件。例如(lr)，在微波系統(tǒng)中，負載的變化對微波信號源的頻率和功率輸出會產(chǎn)生不良影響，使振蕩器性能不穩(wěn)定。為了解

19、決這樣的問題，最好在負載和信號源之間接入一個具有不可逆?zhèn)鬏斕匦缘钠骷?。這種器件具有單向通行、反向隔離的功能，稱為隔離器(isolators)。另一類非互易器件是環(huán)行器(circulators)，它具有單向循環(huán)流通功能。共六十二頁 在非互易器件中，非互易材料是必不可少的，微波技術(shù)中應(yīng)用很廣泛的非互易材料是鐵氧體。鐵氧體是一種(y zhn)黑褐色的陶瓷，最初由于其中含有鐵的氧化物而得名。實際上隨著材料研究的進步，后來發(fā)展的某些鐵氧體并不一定含有鐵元素。目前常用的有鎳-鋅、鎳-鎂、錳-鎂鐵氧體和釔鐵石榴石（YIG）等。 特性：微波鐵氧體(ferrite)的電阻率很高，比鐵的電阻率大10121016倍

20、，當(dāng)微波頻率的電磁波通過鐵氧體時，導(dǎo)電損耗是很小的。鐵氧體的相對介電常數(shù)為10-20，更重要的是，它的磁導(dǎo)率隨外加磁場而變，即具有非線性；再加上恒定磁場以后，它在各方向上對微波磁場的磁導(dǎo)率是不同的，就是說各向異性的。由于這種各向異性，當(dāng)電磁波從不同的方向通過磁化鐵氧體時，便呈現(xiàn)一種非互易性(nonreciprocal properties) 。利用這種效應(yīng)，便可以做成各種非互易微波鐵氧體元件。最常用的有隔離器和環(huán)行器。共六十二頁隔離器入射波入射波反射(fnsh)波AA入射波可通過(tnggu)，反射波不可通過(tnggu)隔離器也叫反向器，它的基本特性是電磁波正向通過時幾乎無衰減，反向通過時衰

21、減很大。常用于阻抗匹配一、隔離器共六十二頁二、Y型結(jié)環(huán)形(hun xn)器鐵氧體外加恒定(hngdng)磁場波導(dǎo)環(huán)形器實例 入射波到達分支口分為兩路。對恒定磁場而言，一路為左旋，一路為右旋，由于鐵氧體對不同旋向的波表現(xiàn)出不同的磁導(dǎo)率，電磁波將偏向磁導(dǎo)率高的一邊，即：能量向磁導(dǎo)率高的一邊集中。共六十二頁環(huán)形器用于天線收發(fā)(shuf)開關(guān)：天線接收機發(fā)射機發(fā)射通路接收通路發(fā)射機、接收機之間良好(lingho)隔離共六十二頁微波(wib)濾波器共六十二頁C1C3C5L2L4L6 高阻抗短線(dun xin)（窄線） 相當(dāng)于 串聯(lián)電感 低阻抗短線 （寬線）相當(dāng)于 并聯(lián)電容C1C3C 5L2L4L6 微

22、帶電路實現(xiàn)方案微帶低通濾波器 集總元件(yunjin)電路共六十二頁微帶帶通濾波器輸入(shr)輸出(shch)兩端開路的微帶段，長度均為g / 2 微帶段兩端開路，波導(dǎo)波長等于 g 的電磁波才可以在微帶段上諧振并持續(xù)存在； 微帶段與微帶段之間有能量耦合； 輸入信號中，只有諧振頻率及其附近頻率的信號才可以一級一級耦合到輸出口，故為帶通濾波器。平行耦合微帶型帶通濾波器共六十二頁某實際(shj)微帶電路中的耦合帶通濾波器共六十二頁屏蔽(pngb)盒中的微帶帶通濾波器共六十二頁將 微帶段折彎，以減小體積平行(pngxng)耦合微帶型帶通濾波器的變形同軸線輸入(shr)同軸線輸出共六十二頁微帶帶阻濾波器g1 /4終端(zhn dun)開路輸入(shr)輸出 對于波導(dǎo)波長等于 g1 、g2 、g3 的電磁波而言，并聯(lián)的終端開路 四分之一支節(jié)實現(xiàn)了對地短路的功能，這些頻率的信號 不能通過，故為帶阻濾波器。g2 /4g3 /4共六十二頁同軸線濾波器C2C4L1L3L5用高、低阻抗