第四章微波元件

第四章微波元件第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五§4.1連接元件波導(dǎo)抗流連接對于兩段波導(dǎo)的連接除了用法蘭盤做機(jī)械連接外，還要保證連接處有良好的電接觸，這可以通過抗流連接來實(shí)現(xiàn)?？沽鬟B接如圖所示，第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五它由一個(gè)帶圓形抗流槽的法蘭盤和一個(gè)不帶抗流槽的平法蘭盤構(gòu)成，使用的時(shí)候，兩段波導(dǎo)并不直接接觸。圓槽深度l2為四分之一波長，圓槽與波導(dǎo)寬內(nèi)壁表面的距離L1也為四分之一波長，這樣對導(dǎo)行波的中心頻率，圓槽底部為同軸線的短路終端，由槽口向中心則為四分之一波長徑向傳輸線，波導(dǎo)口則為短路線的輸入端，從而實(shí)現(xiàn)了良好的電連接。當(dāng)波導(dǎo)工作于TE10時(shí)，其窄面上沒有縱向的電流，因此電連接要求可以低些?？沽髟m連接方便，但是工作頻帶較窄。相比之下，用波導(dǎo)口為平法蘭盤直接連接兩段波導(dǎo)對頻率不敏感，但是要求口徑嚴(yán)格的對準(zhǔn)，法蘭盤的位置和尺寸都要十分精確。如圖所示第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五ab第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五同軸線——波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器如圖，這是一種連接同軸線和波導(dǎo)的元件。通過它可以實(shí)現(xiàn)同軸線中TEM與矩形波導(dǎo)的TE10模轉(zhuǎn)換，它把同軸線內(nèi)的導(dǎo)體與波導(dǎo)壁可靠連接探針遠(yuǎn)端在波導(dǎo)內(nèi)形成近似TE10模的電磁場。由于波導(dǎo)可以抑制高次模，這樣就可實(shí)現(xiàn)兩種傳輸線的導(dǎo)行波的轉(zhuǎn)換。為使其傳播，應(yīng)將距探針處的波導(dǎo)短截。調(diào)整探針的長度和位置，可以減少傳輸線的反射。第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五同軸線——微帶線轉(zhuǎn)接器同軸線與微帶線之間的轉(zhuǎn)換如圖所示。它實(shí)現(xiàn)了同軸線中的模與微帶中的模之間轉(zhuǎn)化，分為兩種方式，同軸線的內(nèi)導(dǎo)體直徑要根據(jù)微帶線的波阻抗來選擇，同軸線外導(dǎo)體要與微帶的金屬接地板可靠的連接。接地板介質(zhì)導(dǎo)體帶同軸線第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五右圖為波導(dǎo)和微帶的轉(zhuǎn)接器的實(shí)物它實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)中TE10模與微帶中準(zhǔn)TEM模的轉(zhuǎn)換采用脊波導(dǎo)過度，來彌補(bǔ)波阻抗的差異，其實(shí)質(zhì)上可以理解為連續(xù)變化的阻抗變換。連接處取波導(dǎo)脊與相對寬壁的間隙為微帶介質(zhì)基片厚度，寬度等于微帶線寬高度可以階梯改變，為了更完善的匹配可在脊波導(dǎo)與微帶之間加入一段空氣微帶線過度。第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五矩形——圓形截面波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器因矩形和圓截面波導(dǎo)的主模的場結(jié)構(gòu)很相似，所以可以采用波導(dǎo)截面漸變的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)接。如圖所示圓截面波導(dǎo)中的TM01模和TE01模因其結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對稱性可以由矩形波導(dǎo)的TE10模構(gòu)造由此形成矩形截面波導(dǎo)TE10模轉(zhuǎn)換成圓波導(dǎo)TM01和TE01模的轉(zhuǎn)接器因是高次模式而且簡并，所以在轉(zhuǎn)化時(shí)候還要考慮如何抑制TE11等模.第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五§4.2波導(dǎo)分支接頭E—T分支Z0Z0123T形接頭是一種將一路信號分成兩路的三端口元件，圖示的是E-T分支接頭和其等效電路第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五E-T分支的場分布圖第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五E-T分支的分支波導(dǎo)延伸方向與主波導(dǎo)中的TE10模。電場平行為了使用方便，它總是作成對稱的由矩形波導(dǎo)中導(dǎo)行TE10模時(shí)的電場在各臂的關(guān)系，可以看出它有如下特性。當(dāng)TE10模從端口3輸入時(shí)，1和2口輸出等幅反相波當(dāng)TE10模從端口1和2等幅同相輸入時(shí)，3口無輸出主波導(dǎo)內(nèi)為駐波。對稱面為電場的波腹位置當(dāng)TE10模從端口1和2等幅反相輸入時(shí)，3口有最大輸出，對稱面為電場的波節(jié)位置由波導(dǎo)臂上的電流分布可以看出E-T分支相當(dāng)于串接在主波導(dǎo)上波導(dǎo)分支接頭第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五H-T分支124H-T分支波導(dǎo)延伸方向與主波導(dǎo)的TE10模的磁場平行，如圖所示仍把兩臂端口令為1和2分支為4口同樣可以分析得出H-T的工作特性當(dāng)TE10模從端口4輸入時(shí)，1和2口輸出等幅同相波當(dāng)TE10模從端口1和2等幅同相輸入時(shí)，4口有最大輸出，主波導(dǎo)內(nèi)為駐波。對稱面為電場的波腹位置當(dāng)TE10模從端口1和2等幅反相輸入時(shí)，4口無輸出，對稱面為電場的波節(jié)位置。第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五H-T分支的場分布圖第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五雙T分支雙T為E-T分支和H-T分支的組合，由前面的分析可以得出雙T有如下特性當(dāng)TE10模從端口4輸入時(shí)，1和2口輸出等幅反相波，3口無輸出當(dāng)TE10模從端3口輸入時(shí)，1和2口有等幅同相波輸出，4口沒有輸出當(dāng)TE10模從端口1和2等幅同相輸入時(shí)，3口有輸出，4口沒有輸出，若端口1和2等幅反相輸入時(shí)，4口有輸出，3口沒有輸出。1234第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五雙T相當(dāng)于在主波導(dǎo)的同一位置處同時(shí)開了一個(gè)串口和并口，它可以等效為普通的平衡電路。雙T分支可以作為功率分配器或是功率合成器，其兩個(gè)相互隔離的分支，當(dāng)每一個(gè)接通一個(gè)信號源時(shí)，在主波導(dǎo)的兩個(gè)端口可以分別得到兩信號的和或差，而且互不影響。31241234第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五§4.3波導(dǎo)R,L,C元件匹配負(fù)載用于吸收全部的入射功率，通常接于系統(tǒng)的終端。它由一段波導(dǎo)和吸收微波功率的材料構(gòu)成。圖示的是低功率的匹配負(fù)載示意圖，尖劈吸收片由特殊材料制成，置于波導(dǎo)內(nèi)電場幅值最大的地方，且與波導(dǎo)內(nèi)模電場方向平行。第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五在同軸微帶的傳輸系統(tǒng)中一般用圖示的匹配負(fù)載，它有多種形式。它將吸收材料填充于內(nèi)外導(dǎo)體之間，終端短路以防止信號功勞泄露。在微帶匹配負(fù)載中，在距離開路終端四分之一波長處是電阻性薄膜，后面是四分之一開路線。吸收材料的末端相當(dāng)于與接地板短路，防止微波信號功率泄露。導(dǎo)帶介質(zhì)基片電阻薄膜波導(dǎo)R,L,C元件第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五衰減器衰減器用于在一定范圍內(nèi)調(diào)整微波信號的幅值，通過對未必信號產(chǎn)生一定的衰減實(shí)現(xiàn)。按工作原理可以分為分為吸收式衰減器截止波導(dǎo)衰減器和極化衰減器三種類型。吸收式衰減器是在一段波導(dǎo)內(nèi)放置吸收吸收片，用以吸收部分信號功率而實(shí)現(xiàn)衰減。移動吸收片的位置對信號的衰減是不同的，因此可以作為可變衰減器。內(nèi)置吸收片可以作成尖劈或緩變曲線的邊界形狀。截止波導(dǎo)衰減器是利用波導(dǎo)內(nèi)的截止場量沿波導(dǎo)縱向呈指數(shù)衰減的特性。對于圓截面波導(dǎo)的截止衰減器其截面半徑滿足截止條件：在滿足上式的條件下圓波導(dǎo)中的所有高次模都被截止。第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五在截止圓截面波導(dǎo)始端激勵起的TE11模幅值沿縱向按指數(shù)衰減分布α為衰減常數(shù)，設(shè)波導(dǎo)信號輸入功率為P1，耦合到輸出端的信號功率為P0，在同軸線中信號功率為Pl則相對于P1的衰減量以分貝表示為第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五截止波導(dǎo)衰減器衰減分貝數(shù)與移動距離l之間呈線形關(guān)系，由于衰減常數(shù)比較大這樣只要移動很小的距離就可獲得很大的衰減，但是輸入輸出端反射很大，在應(yīng)用中還要采取匹配措施。極化式衰減器由兩個(gè)矩形截面波導(dǎo)—圓截面波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器和一段同軸波導(dǎo)構(gòu)成。在輸入矩形截面的TE10模，經(jīng)過轉(zhuǎn)接器變?yōu)閳A波導(dǎo)的TE11模，電場不產(chǎn)生衰減，進(jìn)入圓截面波導(dǎo)后，若圓截面波導(dǎo)右旋一角度θ則電場垂直于網(wǎng)2平面的分量無衰減通過，其值為當(dāng)經(jīng)過輸出端的轉(zhuǎn)接器后，轉(zhuǎn)化為TE10模輸出，其量值為第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五這樣，衰減器衰減量與圓截面波導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)，其衰減量分貝為第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五電抗元件膜片，銷釘和螺釘在一段波導(dǎo)上下對稱放置金屬膜片，當(dāng)波導(dǎo)寬臂上縱向電流到達(dá)膜片時(shí)被截?cái)?，在膜片端口聚集電荷，隨著導(dǎo)行波的傳輸電荷量也隨之變化。因此上下膜片相當(dāng)于構(gòu)成了一個(gè)并聯(lián)的電容，稱為電容膜片cz0z0第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)膜片在波導(dǎo)窄臂上時(shí)則等效為一個(gè)電感，這樣放置的膜片又稱為電感膜片。Lz0z0第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五如果在波導(dǎo)的橫截面上同時(shí)放上電容和電感膜片，這樣就形成了一個(gè)諧振腔，波導(dǎo)傳輸信號的頻率等效為諧振頻率，諧振頻率決定于窗口的尺寸。在矩形波導(dǎo)中置放與波導(dǎo)上下寬臂連接的金屬棒，稱為電感銷釘或電感棒，它可以看作是電感膜片的變形，其電感量與棒的粗細(xì)有關(guān)。L第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五以上元件只能作為固定的電抗元件使用，是小功率微波系統(tǒng)中常用的調(diào)諧和匹配元件。還可以用螺釘鉆入波導(dǎo)的深淺構(gòu)成一個(gè)與波導(dǎo)傳輸線并聯(lián)的可變電容.cz0z0第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五波導(dǎo)和同軸短路活塞終端短路或開路的傳輸線，終端全反射，且距終端任意遠(yuǎn)處看去的輸入阻抗總是純電抗。而波導(dǎo)終端開路時(shí)，不是全反射，而短路時(shí)，相當(dāng)于普通的傳輸線，若短路面可移動，這種可移動的短路器在微波系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛。對短路活塞的要求是保證短路片與波導(dǎo)臂面或同軸線內(nèi)外導(dǎo)體良好的接觸。左圖為波導(dǎo)型右圖為同軸線型的活塞結(jié)構(gòu)，機(jī)械點(diǎn)與短路面間距為四分之一波長，這樣接觸損耗小第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五目前廣泛使用的是同軸型和波導(dǎo)型抗流短路活塞，它們利用四分之一波長線的阻抗變換作用，使活塞形成短路面，這種結(jié)構(gòu)損耗小，壽命長，但是工作頻帶較窄。第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五§4.4定向耦合器定向耦合器是利用小孔耦合.分支耦合及平行線耦合等方式,把主傳輸線中的一部分信號取出,用于微波系統(tǒng)的監(jiān)測,信號功率的分配或合成.第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五定向耦合器的基本指標(biāo)1432定向耦合器耦合度,定義為1口輸入功率P1與3口輸出P3功率之比的分貝數(shù)隔離度,定義為1口輸入功率P1與4口輸出功率P4之比的分貝數(shù)第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五方向性,定義為3口輸出功率P3與4口輸出功率P4之比的分貝數(shù)此外,定向耦合器還有輸入駐波比這一指標(biāo).與其它的微波元件一樣定向耦合器也有工作頻帶寬度的指標(biāo),它是指上述各項(xiàng)指標(biāo)都滿足要求時(shí)的頻率范圍.第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五波導(dǎo)窄壁雙孔定向耦合器lABA’B’4132如圖,主副矩形截面波導(dǎo)窄壁為公共壁,上有兩個(gè)形狀相同的間距為l的小孔.信號由主波導(dǎo)口1輸入,并令波幅為1.令小孔的耦合系數(shù)為C,C+.C-分別為向3口和4口傳輸?shù)牟糠?假定輸入波經(jīng)過小孔a,b后幅值不變.第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五在副波導(dǎo)中向端口3傳輸?shù)鸟詈喜?由小孔a和b兩部分組成他們到達(dá)BB’時(shí)耦合波為在向4口傳輸?shù)牟ㄔ贏A’處的耦合疊加波為耦合度為隔離度為第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五定向性為若小孔無方向性,則有實(shí)際應(yīng)用中端口4都要接匹配負(fù)載,用來吸收傳來的信號功率.為了展寬工作頻帶,可以采用多孔耦合方式.第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五§4.5微波諧振器諧振系統(tǒng)的基本功能是實(shí)現(xiàn)頻率的選擇，它是選頻放大器?；祛l器倍頻器等多功能電路中的重要組成部分。在微波頻段諧振系統(tǒng)不能用集總參數(shù)的電路實(shí)現(xiàn)，而是采用傳輸線來實(shí)現(xiàn)。駐波狀態(tài)的傳輸線也是諧振系統(tǒng)其電磁能量的轉(zhuǎn)換頻率也是諧振頻率，它傳輸?shù)碾姶拍芰渴茄乜臻g分布的。對于微波傳輸線的駐波狀態(tài)同軸線特別是金屬波導(dǎo)只能用短路條件來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殚_路時(shí)存在輻射不能形成所要求的駐波。第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五abc0czTE10同軸線或波導(dǎo)短截后就形成了封閉的腔。以矩形波導(dǎo)角柱腔為例。如圖所示。截面內(nèi)口尺寸為a和b，長為c的矩形截面波導(dǎo)，導(dǎo)行TE10模，其場分量的表達(dá)式為：第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五以Hz為例，入射波抵達(dá)終端短路截面時(shí)，由理想倒替的邊界條件，短截位置處是Hz波節(jié)位置Hz反射波Hzr到達(dá)始端截面與入射波疊加形成波節(jié)。這要求C為半波長的整數(shù)倍反射波Hzr是以z=c為起點(diǎn)，向-z方向傳播的波第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五所以Hz的反射波表達(dá)式可以寫成同樣的步驟可以求出TE10模的Hx及Ey的反射表達(dá)式第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五波導(dǎo)短截后的任意z處的電場和磁場是入射波和反射波的疊加取則第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五這就是長為的矩形波導(dǎo)，短截為角拄腔來傳輸TE10模反射疊加后形成的場，它是一個(gè)在腔內(nèi)空間場量幅值分布確定的諧振模式。由TE10模反射疊加形成的p為1的諧振模為TE101模，模式標(biāo)數(shù)為m,n,p的取值，表示在腔的x,y和z方向上場幅分布規(guī)律的半駐波數(shù)通過分析可以看出，由于邊界條件的變化，腔體中的場相比矩形截面波導(dǎo)中TE10模發(fā)生了變化。電場和磁場在腔體中的變化與LC諧振回路中電磁儲能和相互轉(zhuǎn)換是很相似的。第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五諧振波長經(jīng)分析，波導(dǎo)z方向短截后的諧振角頻率為用波長表示，角拄腔波長為在尺寸a,b,c確定的諧振腔中，不同的標(biāo)數(shù)m,n和p就會確定一個(gè)諧振模式，對于TE101模式的諧振波長為第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五對于確定的模式有一定的諧振波長，改變腔體尺寸即可調(diào)諧確定模式的波長。還要看到在腔體尺寸確定的情況下，還會出現(xiàn)模式的簡并現(xiàn)象，用于通信的諧振腔，一般要求單模工作，而用于工業(yè)和家電系統(tǒng)則要求多模工作。為了減少簡并的出現(xiàn)，角拄腔的尺寸要防止a=b=c的情況。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五諧振腔的品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)是諧振系統(tǒng)的基本特性參數(shù)，它與諧振系統(tǒng)的損耗直接有關(guān)系，對品質(zhì)因數(shù)的定義是：諧振時(shí)系統(tǒng)中存儲的電能或磁能與一周期內(nèi)系統(tǒng)損耗的能量之比的2π倍其中諧振腔的損耗只有因腔壁電流引起的熱損耗，則第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五RS為腔壁表面電阻率由此可以計(jì)算出品質(zhì)因數(shù)對于角柱腔中TE101模，帶入上式，可得到內(nèi)輪廓尺寸為a,b和c的腔的品質(zhì)因數(shù)第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五通過分析可以知道，腔的容積V與內(nèi)壁面積S之比越大，腔壁導(dǎo)體材料的透入深度越小，腔的品質(zhì)因數(shù)越高。銅材料的諧振腔一般在工作模式下的Q值達(dá)到10000并不困難，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過LC諧振回路的品質(zhì)因數(shù)第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五諧振腔的激勵諧振腔作為選頻系統(tǒng)總要與外界電路連接。通常要求在一定的頻率范圍內(nèi)諧振腔都是單模工作，模式不同，其諧振頻率也不同。在諧振腔內(nèi)除了所選定的模式之外還有干擾模式存在，必須加以抑制，對腔體激勵的基本考慮是，激勵耦合裝置必須能夠在腔內(nèi)產(chǎn)生與選定諧振模式相近似的的場結(jié)構(gòu)。同時(shí)還要考慮抑制干擾。腔在與外電路連接后相當(dāng)于增加了負(fù)載而使損耗增加，品質(zhì)因數(shù)要下降。，在空載時(shí)候的品質(zhì)因數(shù)又叫固有品質(zhì)。第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圓柱腔l2RZ截面內(nèi)直徑為2R的圓截面波導(dǎo)，取其長度為L并使端面短截即構(gòu)成圓柱諧振腔。它的體積與面積比值越大，在相同材料時(shí)品質(zhì)因數(shù)越高圓柱腔越容易制作。在圓柱腔的應(yīng)用中了解各種諧振模式的場結(jié)構(gòu)對于計(jì)算品質(zhì)因數(shù)，決定耦合孔的位置都是必須的。圓柱腔中各模式諧振波長計(jì)算公式為第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五圓柱腔中最常用的諧振模式是TE111,TE011和TM010，它們可以看作是有圓截面波導(dǎo)中相對應(yīng)的TE11,TE01,TM01三個(gè)傳輸模式在軸向反射疊加而成的。TE111模的諧振波長為第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)腔的長度大于2R時(shí)，該模式是圓柱腔中諧振波長最長的模式，有利于避免干擾模。在相同的諧振波長的情況下，其體積最小，調(diào)諧范圍較寬。但是它具有極化簡并，固有品質(zhì)因數(shù)較低。TE011模的諧振波長為該模式特點(diǎn)是場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不存在極化簡并。側(cè)壁和端壁上只有角向壁電流，固有品質(zhì)因數(shù)高，因側(cè)壁和端壁沒有壁電流，可以使用非接觸式活塞進(jìn)行調(diào)諧，這樣有利于抑制某些干擾模。第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五TM010模的諧振波長為該模式的諧振波長與腔體的長度l無關(guān)，故不能通過改變l的長度來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，圓柱腔中模式結(jié)構(gòu)很簡單。諧振腔中此種模式的電場和磁場的集中空間區(qū)域特別明顯。常用做參量放大器的振蕩腔和諧振式波長計(jì)。第五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五模式圖為了直觀的表示圓柱腔中的各諧振頻率和腔體尺寸的關(guān)系，我們可以作出模式圖。將諧振模式波長表示為TMmnp模TEmnp模由上式可以作出一組直線方程圖，稱為圓柱腔的模式圖。它是和的函數(shù)模式圖中每一條直線表示一種諧振模在D確定的情況下，諧振頻率和長度l的關(guān)系。第五十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五在微波通信技術(shù)中，一般要求諧振腔單模工作，設(shè)計(jì)時(shí)避免干擾是一個(gè)很重要的問題，可以借助模式圖來實(shí)現(xiàn)。圓柱腔中工作模式的激勵和前面一樣，要在圓柱腔中建立所要求的工作模式，激勵裝置必須要建立起與所要求模式場結(jié)構(gòu)相近的模式。同時(shí)要盡可能的抑制干擾模的出現(xiàn)。第五十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五§4.6微波鐵氧體元件微波鐵氧體元件的物理特性鐵氧體是鐵和其他的元素構(gòu)成的具有鐵磁性的復(fù)合氧化物。是在電信技術(shù)中廣泛應(yīng)用的材料。鐵氧體呈黑褐色，其機(jī)械性能類似于陶瓷。具有很高的電阻率，是一種低損