微波技术与天线》第五章微波元.ppt

2019/8/8,1,第五章 微波元件,2019/8/8,2,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性，并满足互易定理。 包括微波连接匹配元件、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：它的散射矩阵不对称，但仍工作在线性区域。 包括隔离器、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，从而引起频率的改变，实现放大、调制、变频等。 器件包括微波电子管、微波晶体管、微波场效应管、微波电真空器件。 元件包括检波器、混频器、变频器等。,2019/8/8,3,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 微波元件按功能分类 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,2019/8/8,4,引言,基本电路元件 电阻 电感 电容 微波电阻性元件 能吸收微波能量的装置相当于电阻的作用。 微波电抗性元件 能局部集中磁场能量的装置相当于电感的作用。 能局部集中电场能量的装置相当于电容的作用。 能实现电磁能量周期性变换的装置相当于振荡回路的作用。,2019/8/8,5,主要内容,微波电阻性元件 微波电抗性元件 波导元件的实现方法 微带元件的实现方法 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,2019/8/8,6,衰减器 用来控制微波传输线中传输功率的装置。 通过对波的吸收、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的影响。 调节微波源输出的功率电平。 匹配元件 无反射的吸收传输到终端的全部功率，以建立传输 系统中的行波状态。,微波电阻性元件,2019/8/8,7,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 微波信号的交变电磁场，电场和磁场是交链在一起， 没有单独的电场区域或磁场区域，不存在集总参数的 电感和电容。 终端短路或开路的传输线等效为电抗元件（单端口网络）。 传输线中的不均匀区域等效为电抗元件。,2019/8/8,8,微波电抗性元件,传输线中的不均匀区域 指传输线中的结构、尺寸、参数发生突变的区域。 具有电容或电感的性质，可等效为电感或电容，即电抗元件。 原理 在传输线的不均匀区域附近，电磁场比较复杂，可分解为主模和多个高次模式的叠加，其中主模可以传输、而高次模截止，只能分布在不均匀区附近。因此不均匀区附近储存了高次模式的电磁场能量。 若储存的主要是磁场能量（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的电感。 若储存的主要是电场能量（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的电容。,2019/8/8,9,微波电抗性元件,电抗元件 微波传输线中传输模 传输模所携带的电能和磁能是相等的。 微波传输线中截止模 截止模所含电能和磁能是不均衡的。 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某些不均匀性，则在不均匀性区域将激发起高次截止模。在微波元件中，把具有容性电抗或感性电抗性质的最简单不均匀性结构叫基本电抗元件。,2019/8/8,10,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 电容膜片 为满足膜片处的边界条件，膜片处电场线将发生弯曲、产生电场的Ez分量，故产生的高次模是TM模。 此高次模是截止模，在膜片附近储存的电能大于磁能，相当于一个电容。 由于膜片起分流作用，故该膜片为并联电容。,2019/8/8,11,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 电容膜片 电容膜片并联电纳的相对值：,2019/8/8,12,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 电感膜片 主模在膜片处有平行于膜片的电场，为满足膜片的边界条件，需要反方向的电场来抵消，故产生的高次模是TE模。 此高次模是截止模，在膜片附近储存的磁能大于电能，相当于一个电感。 由于膜片起分流作用，故该膜片为并联电感。,2019/8/8,13,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 电感膜片 电感膜片的相对并联电纳：,2019/8/8,14,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 谐振窗 将电容膜片和电感膜片组合在一起得到的具有矩形窗 口形状的膜片。等效电路是一个并联谐振回路。 当信号频率=其谐振频率时：并联回路的电抗为（相当于开路），信号无反射的通过谐振窗。 当信号频率其谐振频率时：并联回路的电抗为容抗或感抗，反射较大。 当f f 0时，谐振窗附近电场储能占优势，回路呈容性电抗。 当f f 0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，谐振器的频率就是可通过的频率。,2019/8/8,15,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 谐振窗 谐振频率的求法：从阻抗匹配的角度进行求解。 谐振窗小波导：长a，宽b，厚t，特性阻抗Ze。 谐振窗谐振的条件： Ze=Ze（主波导特性阻抗）。,2019/8/8,16,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 谐振窗 0是大、小波导特性阻抗相等（即谐振窗谐振）时对应的波长，也就是谐振窗的谐振波长。 当工作波长=0时：谐振窗对通过的波没有反射。 当工作波长0时： 产生反射。,2019/8/8,17,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 对穿电感销钉 对穿电感销钉上流过电流，在它的周围激起额外的磁 场，具有电感的性质，可以等效为并联电感。 对穿电感销钉的相对电纳与棒的粗细有关: 棒越粗，电感量越小，其相对电纳就越大。 同样粗细的棒，根数越多，电感量越小，相对电纳就越大。,2019/8/8,18,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 对穿电感销钉 单电感销钉的相对电纳： 三电感销钉的相对电纳：,2019/8/8,19,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 可调销钉（可调螺钉） 波导宽壁上的纵向电流进入螺钉要产生附加磁场，故具有电感特性。 螺钉末端积累电荷，其附近电场集中，故具有电容特性。 可等效为并联在主传输线上的LC串联谐振电路。 改变螺钉旋入波导的深度h，即可改变螺钉电纳的大小和性质。实践中常用作调谐和匹配元件。,2019/8/8,20,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 可调销钉（可调螺钉） h/4时，电容的影响较小，电感起主要作用，可等效成并联电感。 h/4时，电容和电感的影响彼此相当，可等效成并联在主传输线上的LC串联谐振电路。谐振时可等效为短路电阻滤波器。,2019/8/8,21,微波电抗性元件,波导元件的实现方法 矩形波导E面阶梯 矩形波导H面阶梯,2019/8/8,22,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 预备知识 一段Zc大的短传输线可等效为串联电感；一段Zc小的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。 一段窄的短微带线可等效为串联电感；一段宽的短微 带线可等效为并联电容。 用高阻抗线实现串联电感。,2019/8/8,23,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 预备知识 为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数。 串联在传输线上的谐振回路,2019/8/8,24,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 预备知识 用低阻抗线实现并联电容。 用并联的终端电路支节实现并联电容或并联电感。,2019/8/8,25,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 预备知识 并联在传输线上的谐振回路 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。 微带线中的串联电阻,2019/8/8,26,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 串联电感和并联电容的实现原则I 微带线带条宽度变窄（特性阻抗增高），可等效成一个串联电感。 微带线带条宽度变宽（特性阻抗降低），可等效成一个并联电容。 注意 等效的前提是变窄或变宽的微带线长度工作波长，这样等效电感或电纳才能与频率成线性关系。,2019/8/8,27,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 串联电感和并联电容的实现（方法I） 可证明：图（a）所示的一段传输线可等效为图（b） 所示的T型电路或图（c）所示的型电路。 T型电路等效关系： 型电路等效关系： 结论：当l/4时，无论是T型电路还是型电路，其 串联元件均为电感，并联元件均为电容。,2019/8/8,28,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 串联电感的实现（方法I） 图（a）中，带条宽度为W较窄微带线段是特性阻抗为Z0的高阻抗线段， Z0 邻接微带线特性阻抗Z0： 其型等效电路中的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。 实际工作中为了获得较大的电感，可将高阻抗的微带线段弯成环形。 做成“蚊香形”平面螺旋电感可进一步增大电感量。 螺旋电感可增加电感量的原理与低频电感增加线圈匝数可增大电感量的原理是一样的。,2019/8/8,29,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 串联电容的实现 实现方法 微带间隙。 微带间隙可等效成一型电容网络。 微带间隙越小，串联电容C12就越大，并联电容C1就越小。 导体带条的宽带不可能太大。为了获得大的串联电容，可将导体带条切断处做成对插形。,2019/8/8,30,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 并联电容的实现（方法I ） 图（a）中，带条宽度为W较宽微带线段是特性阻抗为Z0的低阻抗线段， Z0 邻接微带线特性阻抗Z0： 其T型等效电路中的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。,2019/8/8,31,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 并联电感的实现 长度为l的终端短路传输线的输入阻抗为： 当l/4时，输入阻抗为感性。 当/4 l/2时，输入阻抗为容性。 无论传输线的输入端是呈感性还是容性，其电抗与频率的关系都是非线性的。 低频时电感和电容的电抗与频率是成正比的。 二者之间区别的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。,2019/8/8,32,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 并联电感的实现 当l时，输入阻抗表达式可近似为： 结论：当满足l时，终端短路线的输入阻抗与频率 呈正比关系，可近似等效为一个并联的集中电感。 当l=/8 /10时，可认为l。,2019/8/8,33,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 并联电容的实现（方法II ） 长度为l的终端开路传输线的输入阻抗为： 当l时，输入电纳表达式可近似为： 结论：当满足l时，终端开路线的输入导纳与频率呈正比关 系，可等效为并联的集中电容。,2019/8/8,34,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 谐振电路的实现 方法I 利用微带电感和微带电容实现微带谐振电路。,2019/8/8,35,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 谐振电路的实现 方法II 利用四分之一波长终端开路或短路的分支线实现微带 谐振电路。 终端短路时： 终端开路时： 当l=/4时： 四分之一波长终端短路或开路的分支线在其输入端所 呈现的阻抗分别为或0，与并联谐振电路或串联谐振 电路具有相同的阻抗特性，故可等效成谐振电路。,2019/8/8,36,微波电抗性元件,微带元件的实现方法 谐振电路的实现 方法II 四分之一波长终端开路线的输入阻抗为0，与串联谐振电路相同，故等效为并联的串联谐振电路。 四分之一波长终端短路线的输入阻抗为，与并联谐振电路相同，故等效为并联的并联谐振电路。,2019/8/8,37,衰减器Vs.移相器,衰减器 作用 对通过它的微波能量产生衰减。 散射矩阵 移相器 作用 对通过它的微波信号产生一定的相移，但能量无衰减。 散射矩阵,2019/8/8,38,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）,2019/8/8,39,吸收式衰减器的工作原理 在波导内放入与电场方向平行的吸收片。 当微波能量通过吸收片时，将吸收一部分能量而产生衰减。,衰减器,2019/8/8,40,作用 接在传输系统终端的单端口微波元件，能几乎无反射的吸收入射波的全部功率（=1，=0） 。 构成 匹配负载是由吸收材料和匹配段构成。 根据吸收材料的几何形状 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 根据吸收材料的种类 固体：金属电阻膜，碳化硅 液体：水,匹配负载,2019/8/8,41,匹配负载,设计和评价微波匹配负载的基本原则 端口在尽量宽的频带内保持阻抗匹配，要求吸收材料的边界缓慢过渡。 采用功率容量大的吸收材料，吸收材料尽量放置在强电场区。,2019/8/8,42,匹配负载,匹配元件的主要技术指标 功率容量 功率容量为数百毫瓦以下的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 =1.05 1.20是比较好的匹配负载相当于 99.998 99.2 的入射功率被负载吸收。,2019/8/8,43,匹配负载,应用 微波元器件的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 欧姆的匹配负载（尽管从理论上讲 4 端口是没有输出的）。,2019/8/8,44,阻抗调配器和阻抗变换器,在微波系统中经常会遇到反射问题 负载阻抗与传输线的特性阻抗不相等 相同类型而不同特性阻抗的传输线相连接 不同类型的传输线相连接 传输线中接入一些必要的器件 反射波的影响 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,2019/8/8,45,阻抗调配器和阻抗变换器,匹配方法 插入可调的电抗元件或阻抗变换元件，产生新的 反射波来抵消原来的反射波，达到匹配。 阻抗匹配网络 阻抗调配器 元件参数可调，采用Smith圆图来确定阻抗调配网络中各个电抗元件的参数。 阻抗变换器 利用网络综合法设计出满足一定技术指标的阻抗匹配网络。 一旦根据需要设计好以后不能任意改变。,2019/8/8,46,阻抗调配器和阻抗变换器,阻抗调配器 分支调配器 电纳调节范围：- + 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 电纳调节范围： 0 + 单螺钉、双螺钉、三螺钉、四螺钉 用于波导,2019/8/8,47,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,2019/8/8,48,多节/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，在某些频率上全部（部分）抵消，形成匹配。 在较宽的频带内有较小的反射系数。,阻抗调配器和阻抗变换器,2019/8/8,49,渐变线阻抗变换器 只要增加阶梯的级数就可以增加工作带宽。但增加了阶梯级数变换器的总长度也要增加、尺寸会过大, 结构设计就更加困难，产生了渐变线代替多阶梯。 渐变线，是指其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线的特性阻抗过渡到另一条传输线的特性阻抗。,阻抗调配器和阻抗变换器,2019/8/8,50,连接元件 接头：把相同传输线连接在一起的装置。 转换元件：把不同类型传输线连接在一起的装置。 接头 连接点电接触可靠，不引起电磁波的反射。 输入驻波比尽可能小（1.2）。 工作频带要宽。 电磁能量无泄漏。 结构要牢靠，装拆方便，容易加工。,微波连接元件,2019/8/8,51,转换元件的功能 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 通过调整探针插入深度h，使在波导内激励场最大。 通过调整插入位置d，使波导内反射、传输波同相。 利用波导的高通特性过滤掉所激励的高次模。,微波转换元件,2019/8/8,52,波导微带转接器 作用 将TE10 波转换为准TEM波。 原理 波导：Ze=400-500 ，微带线：Z0=50 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，减小不连续性带来的反射，实现阻抗匹配。,微波转换元件,2019/8/8,53,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。 引起反射小。 有一定的工作频带。,2019/8/8,54,波导分支元件,波导的单T分支 E-T分支 分支波导宽面与E面（TE10模的电场所在的平面）一致。 H-T分支 分支波导宽面与H面（TE10模的磁场所在的平面）一致。,2019/8/8,55,波导分支元件,ET分支（总与反相联系） 口输入，、均有输出 口输入，、均有输出 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）,2019/8/8,56,波导分支元件,HT分支（总与同相联系） 口输入，、均有输出 口输入，、均有输出 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,2019/8/8,57,波导分支元件,双T（可逆、无耗、对称四端口网络） 将具有共同对称面的ET和HT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。,2019/8/8,58,波导分支元件,魔T（匹配双T）-理想的3dB定向耦合器 匹配特性 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）。 隔离特性 当、口具有隔离特性时（S34= S43= 0），则、口也具有 隔离特性（S12= S21= 0）。 平分特性 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）。,2019/8/8,59,定向耦合器,定义 一种具有定向传输特性的四端口元件，由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的。 主线：“、 ”是一条传输系统。 副线：“、”为另一条传输系统。,2019/8/8,60,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,2019/8/8,61,定向耦合器,2019/8/8,62,定向耦合器,技术指标 耦合度C 指输入端口“”的输入功率P1和耦合端口“”的输出功率P3之比。 耦合度越大，耦合越弱。 隔离度I 指输入端口“”的输入功率P1和隔离端“”的输出功率P4之比。,2019/8/8,63,定向耦合器,技术指标 定向度D(D=1-C) 指耦合端口“”和隔离端口“”的输出功率之比。 表示定向耦合器的定向传输性能（D愈大，隔离端口输出愈小，定向性愈好）。 输入驻波比 端口“、 、 ”都接