《微波技术与天线》-微波元件省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

2024/5/81第五章微波元件1/702024/5/82引言微波元件按变换性质分类线性互易元件只对微波信号进行线性变换而不改变频率特征，并满足互易定理。包含微波连接匹配元件、功率分配元件、微波滤波元件、微波谐振器。线性非互易元件元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质。铁氧体元件：它散射矩阵不对称，但仍工作在线性区域。包含隔离器、环形器。非线性元器件元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换，从而引发频率改变，实现放大、调制、变频等。器件包含微波电子管、微波晶体管、微波场效应管、微波电真空器件。元件包含检波器、混频器、变频器等。2/702024/5/83引言微波元件按传输线类型分类波导型微波元件同轴型微波元件微带型微波元件微波元件按功效分类衰减器匹配元件波型变换元件相移元件功分元件滤波元件3/702024/5/84引言基本电路元件电阻电感电容微波电阻性元件能吸收微波能量装置

相当于电阻作用。微波电抗性元件能局部集中磁场能量装置

相当于电感作用。能局部集中电场能量装置

相当于电容作用。能实现电磁能量周期性变换装置

相当于振荡回路作用。4/702024/5/85主要内容微波电阻性元件微波电抗性元件波导元件实现方法微带元件实现方法衰减器匹配负载阻抗调配器和阻抗变换器连接元件分支元件定向耦合器功率分配器5/702024/5/86衰减器用来控制微波传输线中传输功率装置。经过对波吸收、反射或截止来衰减微波能量。主要应用去耦消除负载失配对信号源影响。调整微波源输出功率电平。匹配元件

无反射吸收传输到终端全部功率，以建立传输系统中行波状态。微波电阻性元件6/702024/5/87微波电抗性元件集总参数电抗集总参数电感在某一个区域中只含有磁能。集总参数电容在某一个区域中只含有电能。微波频段微波信号交变电磁场，电场和磁场是交链在一起，没有单独电场区域或磁场区域，不存在集总参数电感和电容。终端短路或开路传输线等效为电抗元件（单端口网络）。传输线中不均匀区域等效为电抗元件。7/702024/5/88微波电抗性元件传输线中不均匀区域指传输线中结构、尺寸、参数发生突变区域。含有电容或电感性质，可等效为电感或电容，即电抗元件。原理在传输线不均匀区域附近，电磁场比较复杂，可分解为主模和多个高次模式叠加，其中主模能够传输、而高次模截止，只能分布在不均匀区附近。所以不均匀区附近储存了高次模式电磁场能量。若储存主要是磁场能量（在某区域磁场储能>电场储能

不均匀区域相当于一个储存磁能电感。若储存主要是电场能量（在某区域电场储能>磁场储能）

不均匀区域相当于一个储存电能电容。8/702024/5/89微波电抗性元件电抗元件微波传输线中传输模传输模所携带电能和磁能是相等。微波传输线中截止模截止模所含电能和磁能是不均衡。若截止模为TE模：磁能>电能

可等效为电感。若截止模为TM模：电能>磁能

可等效为电容。在传输系统人为引入一些不均匀性，则在不均匀性区域将激发起高次截止模。在微波元件中，把含有容性电抗或感性电抗性质最简单不均匀性结构叫基本电抗元件。9/702024/5/810微波电抗性元件波导元件实现方法电容膜片为满足膜片处边界条件，膜片处电场线将发生弯曲、产生电场Ez分量，故产生高次模是TM模。此高次模是截止模，在膜片附近储存电能大于磁能，相当于一个电容。因为膜片起分流作用，故该膜片为并联电容。

10/702024/5/811微波电抗性元件波导元件实现方法电容膜片电容膜片并联电纳相对值：

11/702024/5/812微波电抗性元件波导元件实现方法电感膜片主模在膜片处有平行于膜片电场，为满足膜片边界条件，需要反方向电场来抵消，故产生高次模是TE模。此高次模是截止模，在膜片附近储存磁能大于电能，相当于一个电感。因为膜片起分流作用，故该膜片为并联电感。

12/702024/5/813微波电抗性元件波导元件实现方法电感膜片电感膜片相对并联电纳：

13/702024/5/814微波电抗性元件波导元件实现方法谐振窗将电容膜片和电感膜片组合在一起得到含有矩形窗口形状膜片。等效电路是一个并联谐振回路。当信号频率=其谐振频率时：并联回路电抗为∞（相当于开路），信号无反射经过谐振窗。当信号频率≠其谐振频率时：并联回路电抗为容抗或感抗，反射较大。当f>f0时，谐振窗附近电场储能占优势，回路呈容性电抗。当f<f0时，谐振窗附近磁场储能占优势，回路呈感性电抗。一个谐振窗相当于带通滤波器，谐振器频率就是可经过频率。

14/702024/5/815微波电抗性元件波导元件实现方法谐振窗谐振频率求法：从阻抗匹配角度进行求解。谐振窗小波导：长a’，宽b’，厚t，特征阻抗Ze’。谐振窗谐振条件：Ze’=Ze（主波导特征阻抗）。

15/702024/5/816微波电抗性元件波导元件实现方法谐振窗λ0是大、小波导特征阻抗相等（即谐振窗谐振）时对应波长，也就是谐振窗谐振波长。当工作波长=λ0时：谐振窗对经过波没有反射。当工作波长≠λ0时：

产生反射。

16/702024/5/817微波电抗性元件波导元件实现方法对穿电感销钉对穿电感销钉上流过电流，在它周围激起额外磁场，含有电感性质，能够等效为并联电感。对穿电感销钉相对电纳与棒粗细相关:棒越粗，电感量越小，其相对电纳就越大。一样粗细棒，根数越多，电感量越小，相对电纳就越大。

17/702024/5/818微波电抗性元件波导元件实现方法对穿电感销钉单电感销钉相对电纳：三电感销钉相对电纳：

18/702024/5/819微波电抗性元件波导元件实现方法可调销钉（可调螺钉）波导宽壁上纵向电流进入螺钉要产生附加磁场，故含有电感特征。螺钉末端积累电荷，其附近电场集中，故含有电容特征。可等效为并联在主传输线上LC串联谐振电路。改变螺钉旋入波导深度h，即可改变螺钉电纳大小和性质。实践中惯用作调谐和匹配元件。

19/702024/5/820微波电抗性元件波导元件实现方法可调销钉（可调螺钉）h<<λ/4时，电感影响较小，电容起主要作用，可等效成并联电容。h>>λ/4时，电容影响较小，电感起主要作用，可等效成并联电感。h≈λ/4时，电容和电感影响彼此相当，可等效成并联在主传输线上LC串联谐振电路。谐振时可等效为短路电阻滤波器。

20/702024/5/821微波电抗性元件波导元件实现方法矩形波导E面阶梯矩形波导H面阶梯

21/702024/5/822微波电抗性元件微带元件实现方法预备知识一段Zc大短传输线可等效为串联电感；一段Zc小短传输线可等效为并联电容。当介质基片厚度一定时，微带宽度W↓，则Zc↑。一段窄短微带线可等效为串联电感；一段宽短微带线可等效为并联电容。用高阻抗线实现串联电感。22/702024/5/823微波电抗性元件微带元件实现方法预备知识为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数。串联在传输线上谐振回路23/702024/5/824微波电抗性元件微带元件实现方法预备知识用低阻抗线实现并联电容。用并联终端电路支节实现并联电容或并联电感。24/702024/5/825微波电抗性元件微带元件实现方法预备知识并联在传输线上谐振回路在传输线上并联一个或多个支节，这些支节等效于串联或并联谐振回路。微带线中串联电阻25/702024/5/826微波电抗性元件微带元件实现方法串联电感和并联电容实现标准I微带线带条宽度变窄（特征阻抗增高），可等效成一个串联电感。微带线带条宽度变宽（特征阻抗降低），可等效成一个并联电容。注意等效前提是变窄或变宽微带线长度<<工作波长，这么等效电感或电纳才能与频率成线性关系。26/702024/5/827微波电抗性元件微带元件实现方法串联电感和并联电容实现（方法I）可证实：图（a）所表示一段传输线可等效为图（b）所表示T型电路或图（c）所表示Π型电路。T型电路等效关系：Π型电路等效关系：结论：当l<λ/4时，不论是T型电路还是Π型电路，其串联元件均为电感，并联元件均为电容。27/702024/5/828微波电抗性元件微带元件实现方法串联电感实现（方法I）图（a）中，带条宽度为W’较窄微带线段是特征阻抗为Z0’高阻抗线段，Z0’

>>邻接微带线特征阻抗Z0：其Π型等效电路中两个并联电容可略去不计，等效电路中只剩下一个串联电感。实际工作中为了取得较大电感，可将高阻抗微带线段弯成环形。做成“蚊香形”平面螺旋电感可深入增大电感量。螺旋电感可增加电感量原理与低频电感增加线圈匝数可增大电感量原理是一样。28/702024/5/829微波电抗性元件微带元件实现方法串联电容实现实现方法微带间隙。微带间隙可等效成一Π型电容网络。微带间隙越小，串联电容C12就越大，并联电容C1就越小。导体带条宽带不可能太大。为了取得大串联电容，可将导体带条切断处做成对插形。29/702024/5/830微波电抗性元件微带元件实现方法并联电容实现（方法I）图（a）中，带条宽度为W’较宽微带线段是特征阻抗为Z0’低阻抗线段，Z0’

<<邻接微带线特征阻抗Z0：其T型等效电路中两个串联电感可略去不计，等效电路中只剩下一个并联电容。30/702024/5/831微波电抗性元件微带元件实现方法并联电感实现长度为l终端短路传输线输入阻抗为：当l<λ/4时，输入阻抗为感性。当λ/4

<l<λ/2时，输入阻抗为容性。不论传输线输入端是呈感性还是容性，其电抗与频率关系都是非线性。低频时电感和电容电抗与频率是成正比。二者之间区分主要原因就是微波传输线为分布参数元件，低频时为集中参数元件。31/702024/5/832微波电抗性元件微带元件实现方法并联电感实现当l<<λ时，输入阻抗表示式可近似为：结论：当满足l<<λ时，终端短路线输入阻抗与频率呈正比关系，可近似等效为一个并联集中电感。当l=λ/8

~λ/10时，可认为l<<λ。32/702024/5/833微波电抗性元件微带元件实现方法并联电容实现（方法II）长度为l终端开路传输线输入阻抗为：当l<<λ时，输入电纳表示式可近似为：结论：当满足l<<λ时，终端开路线输入导纳与频率呈正比关系，可等效为并联集中电容。33/702024/5/834微波电抗性元件微带元件实现方法谐振电路实现方法I利用微带电感和微带电容实现微带谐振电路。34/702024/5/835微波电抗性元件微带元件实现方法谐振电路实现方法II利用四分之一波长终端开路或短路分支线实现微带谐振电路。终端短路时：终端开路时：当l=λ/4时：四分之一波长终端短路或开路分支线在其输入端所展现阻抗分别为∞或0，与并联谐振电路或串联谐振电路含有相同阻抗特征，故可等效成谐振电路。35/702024/5/836微波电抗性元件微带元件实现方法谐振电路实现方法II四分之一波长终端开路线输入阻抗为0，与串联谐振电路相同，故等效为并联串联谐振电路。四分之一波长终端短路线输入阻抗为∞，与并联谐振电路相同，故等效为并联并联谐振电路。36/702024/5/837

衰减器Vs.移相器

衰减器作用对经过它微波能量产生衰减。散射矩阵移相器作用对经过它微波信号产生一定相移，但能量无衰减。散射矩阵37/702024/5/838衰减器按是否可调分类固定衰减器可变衰减器按工作原理分类吸收衰减器（有能量损耗）截止衰减器（无能量损耗）38/702024/5/839吸收式衰减器工作原理在波导内放入与电场方向平行吸收片。当微波能量经过吸收片时，将吸收一部分能量而产生衰减。衰减器39/702024/5/840作用接在传输系统终端单端口微波元件，能几乎无反射吸收入射波全部功率（ρ=1，Γ=0）。组成匹配负载是由吸收材料和匹配段组成。依据吸收材料几何形状面吸收式：用于小功率微波系统体吸收式：用于大功率微波系统依据吸收材料种类固体：金属电阻膜，碳化硅液体：水匹配负载40/702024/5/841匹配负载设计和评价微波匹配负载基本标准

端口在尽可能宽频带内保持阻抗匹配，要求吸收材料边界迟缓过渡。采取功率容量大吸收材料，吸收材料尽可能放置在强电场区。41/702024/5/842匹配负载匹配元件主要技术指标功率容量功率容量为数百毫瓦以下匹配负载为小功率匹配负载。工作带宽宽带匹配负载：相对带宽>10％带内驻波比

ρ=1.05~1.20是比很好匹配负载

相当于99.998％~99.2％入射功率被负载吸收。42/702024/5/843123414匹配负载应用微波元器件闲置端口都必须配置匹配负载。波导型定向耦合器

4端口配置了一个小功率匹配负载。微带线型耦合器

4端口配置了一个50欧姆匹配负载（尽管从理论上讲4端口是没有输出）。43/702024/5/844阻抗调配器和阻抗变换器

在微波系统中经常会碰到反射问题负载阻抗与传输线特征阻抗不相等相同类型而不一样特征阻抗传输线相连接不一样类型传输线相连接传输线中接入一些必要器件反射波影响使负载得不到最大功率功率容量和效率都会降低在大功率时还会出现打火现象在微波测量系统中又会影响测量精度消除反射波44/702024/5/845阻抗调配器和阻抗变换器匹配方法插入可调电抗元件或阻抗变换元件，产生新反射波来抵消原来反射波，到达匹配。阻抗匹配网络阻抗调配器

元件参数可调，采取Smith圆图来确定阻抗调配网络中各个电抗元件参数。阻抗变换器利用网络综正当设计出满足一定技术指标阻抗匹配网络。一旦依据需要设计好以后不能任意改变。45/702024/5/846阻抗调配器和阻抗变换器阻抗调配器分支调配器电纳调整范围：-∞~+∞单支节调配器、双支节调配器、三支节调配器用于双线、同轴线螺钉调配器电纳调整范围：0~+∞单螺钉、双螺钉、三螺钉、四螺钉用于波导46/702024/5/847阻抗调配器和阻抗变换器单节

/4阻抗变换器缺点频带窄ZC1、ZC3差距大时，尺寸突变大，不连续电容大47/702024/5/848多节λ/4阶梯阻抗变换器n节有（n+1）个阶梯，产生（n+1）个反射波到输入端，产生叠加效果，在一些频率上全部（部分）抵消，形成匹配。在较宽频带内有较小反射系数。阻抗调配器和阻抗变换器48/702024/5/849渐变线阻抗变换器只要增加阶梯级数就能够增加工作带宽。但增加了阶梯级数变换器总长度也要增加、尺寸会过大,结构设计就愈加困难，产生了渐变线代替多阶梯。渐变线，是指其特征阻抗按一定规律平滑地由一条传输线特征阻抗过渡到另一条传输线特征阻抗。阻抗调配器和阻抗变换器49/702024/5/850连接元件接头：把相同传输线连接在一起装置。转换元件：把不一样类型传输线连接在一起装置。接头连接点电接触可靠，不引发电磁波反射。输入驻波比尽可能小（ρ<1.2）。工作频带要宽。电磁能量无泄漏。结构要牢靠，装拆方便，轻易加工。微波连接元件50/702024/5/851转换元件功效

阻抗匹配模式变换同轴线―波导转接器作用将TEM波转换为TE10波。原理经过调整探针插入深度h，使在波导内激励场最大。经过调整插入位置d，使波导内反射、传输波同相。利用波导高通特征过滤掉所激励高次模。微波转换元件51/702024/5/852波导―微带转接器作用将TE10波转换为准TEM波。原理波导：Ze=400-500Ω，微带线：Z0=50Ω在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段，使微带线与波导间结构渐变，减小不连续性带来反射，实现阻抗匹配。微波转换元件52/702024/5/853微波分支元件分支元件作用功率分配：将一路能量分为多路。功率合成：将多路能量合为一路。要求不损耗功率。引发反射小。有一定工作频带。53/702024/5/854波导分支元件波导单T分支E-T分支分支波导宽面与E面（TE10模电场所在平面）一致。H-T分支分支波导宽面与H面（TE10模磁场所在平面）一致。54/702024/5/855波导分支元件E—T分支（总与反相联络）口输入，、都有输出口输入，、都有输出口输入，、等幅反相输出（分路，S13=-S23）、等幅同相输入，口无输出、等幅反相输入，口输出最大（合成）55/702024/5/856波导分支元件H—T分支（总与同相联络）口输入，、都有输出口输入，、都有输出口输入，、等幅同相输出（分路，S14=S24）、等幅同相输入，口输出最大（合成）、等幅反相输入，口无输出56/702024/5/857波导分支元件双T（可逆、无耗、对称四端口网络）将含有共同对称面E―T和H―T组合起来。口输入，、等幅反相输出，口输出为0（S13=-S23，S43=0

）口输入，、等幅同相输出，口输出为0（S14=S24，S34=0

）、等幅同相输入，口无输出，口有输出、等幅反相输入，口有输出，口无输出

、平分臂，、隔离臂。57/702024/5/858波导分支元件魔T（匹配双T）-理想3dB定向耦合器匹配特征在理想情况下，四个端口完全匹配。只要

、

口匹配（S11=S22=0），、口一定匹配（S33=S44=0）。隔离特征

当、口含有隔离特征时（S34=S43=0），则

、

口也含有隔离特征（S12=S21=0）。平分特征当信号由

口输入时，则反相等分给

、

口（S13=-S23）。当信号由

口输入时，则同相等分给

、

口（S14=S24）。当信号由

口输入时，则同相等分给、口（S31=S41）。当信号由

口输入时，则反相等分给、口（S32=-S42）。58/702024/5/8594端口：隔离端口2端口：直通端口1

端口：输入端口3端口：耦合端口定向耦合器定义一个含有定向传输特征四端口元件，由耦合装置联络在一起两对传输系统组成。根本：“①、②”是一条传输系统。副线：“③、④”为另一条传输系统。59/702024/5/860按传输线类型（a）微带分支定向耦合器（b）波导单孔定向耦合器（c）平行耦合线定向耦合器（d）波导匹配双T（e）波导多孔定向耦合器（f）微带混合环定向耦合器60/702024/5/861定向耦合器61/702024/5/862定向耦合器技术指标耦合度C指输入端口“①”输入功率P1和耦合端口“③”输出功率P3之比。耦合度越大，耦合越弱。隔离度I指输入端口“①”输入功率P1和隔离端“④”输出功率P4之比。62/702024/5/863定向耦合器技术指标定向度D(D=1-C)指耦合端口“③”和隔离端口“④”输出功率之比。表示定向耦合器定向传输性能（D愈大，隔离端口输出愈小，定向性愈好）。输入驻波比ρ

端口“②、③、④”都接匹配负载时输入端口“①”驻波比。工作频带宽度

指定向耦合器上述C、I、D、ρ等参数均满足要求时工作频率范围。63/702024/5/864双分支定向耦合器若①和③端口反向，称为反向定向耦合器。