微波课件2.ppt

三 圆波导中的三个主要波型1 H11波 n i 1 讨论 场结构 磁力线 电力线 单模问题单模传输的条件 2 62a 3 41a存在极化简并 水平极化和垂直极化 磁力线 电力线 水平极化和垂直极化是两种不同的模式 传输特性完全一致 不可能通过波导尺寸的选择除去其中一个 在传输过程中 遇到不均匀性时 两个模式不再简并 会使场结构的极化面产生旋转 由于H11模存在极化简并 所以没有完全实现波导的单模传输 波阻抗和特性阻抗 波导内为空气时的衰减系数 导体衰减 2 E01波 场表达式 场结构 电力线 磁力线 场的特点 轴对称性r 0附近仅有z向的电场分量 这一特点可有效的同轴向运动的电子交换能量 电子直线加速器 壁电流仅有z向分量 3 H01波n 0 i 1代入H波的场分量表达式 磁力线 电力线 H01波的场结构 特点 1电场和磁场均有轴对称性 不存在极化简并 但它与E11模式是简并的 2 电场只有 角向 向分量 电力线都是横截面内的同心圆 3 切向磁场只有z向分量 所以壁电流为角向分量 沿 135791113 0 06 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 f 衰减系数 TE01 H01 TM01 E01 TE11 H11 2 4同轴线 微波技术中所用同轴线按其结构可分为两种1 硬同轴 外导体是一根铜管 内导体是同棒 硬同轴中一般不填介质 可根据具体要求 自己设计 2 软同轴 内导体是单根或多股绞成的铜线 外导体由细铜丝编织而成 中间填低损耗介质 规格化的 同轴线是双导体系统 可以存在TEM波 又可以存在TE TM波型 TEM波是基波 没有截止现象 它的传输不受频率的限制 当同轴线的横向尺寸过大时 将出现高次模 TM波和TE波 D d 一 同轴线中的TEM波1 场表达式 电磁场所满足的方程与二维静电场 稳恒磁场的方程一致 所以场分布也应一致 设 沿z向传播的场分量为 根据安培环路定理有 磁力线 电力线 注意 电力线与磁力线同相位 1 定义 电流强度 3 根据特性阻抗的定义 4 平均功率也可按下述定义求得 5 外导体内表面单位长度上的损耗 6 内导体单位长度上的损耗 同轴线中也存在高次模式 可以证明截止波长最大的色散模式为H11 且有 目前采用特性阻抗为75 和50 的两种同轴传输线 前者决定于衰减最小 后者兼顾通过功率大与衰减小的两个要求折中 2 5微带传输线简介 绝缘介质 导体 导体 铜介质 氧化铝 铁氧体等 微带线 带状线 带状线的波型由同轴线演变得到 P302 微带线的波型由双根传输线演变得到 P301 所传输的波行为TEM波微带线不是用来作为传输电磁波能量的馈线 他的主要用途是制作微波集成电路的元 部件 第三章微波谐振腔 随着频率的升高 低频LC振荡电路出现下列缺点 损耗增加 导致品质因数降低 尺寸变小 为了提高 0 须减少L和C 回路尺寸要变小 导致储能减少 这种腔的电场和磁场已分布在整个腔内 分不出哪是电场哪是磁场 谐振腔的形式有多种多样 一般来说 任何为导体所包围的空腔无论其形状如何 都可以作为谐振腔 但实际上 常用腔的几何形状往往都是有规则的 如矩形腔 圆形腔和同轴腔 谐振腔在微波波段起着LC回路同样的作用 取代LC回路 但两者也有不同之处 一个重要的区别为 LC回路只有一个振荡模式和一频率f0 谐振腔有无限多个谐振频率和无限多个谐振模式 3 1谐振腔的基本参数一 谐振波长 0或 f0 微波谐振腔可以在一系列频率下产生电磁振荡 电磁振荡的频率称为谐振频率或固有频率 对应的谐振波长为微波谐振腔的重要参量之一 随着谐振器的种类不同 产生谐振的条件也不同 在直角坐标系中 规则波导的电场横向分量可表示为 在z 0 z 处 电场的切向分量为零 结论 1 与腔的几何尺寸 工作模式有关 2 可以取无穷多个值 可以存在无穷多个振荡模式 3 最长的模式称为腔的主模 4 对TEM波 长为 0 2整数倍的TEM波传输系统 两段短路时是微波谐振回路 三 环型谐振腔在微波电子管中 为了使电子与谐振腔中的高频电场有效的相互作用 对谐振腔提出以下要求 1 电子经过的地方有足够强的电场 且电场方向与电子运动方向一致 这样 电场才能对电子起加速或减速的作用 从而交换能量 2 腔中电子穿过的作用间隙要小 以保证足够小的渡越时间根据以上要求 在微波管中采用的谐振腔有一个很小的作用间隙 在其中集中了相当长的电场 满足以上要求的谐振腔为环型谐振腔 2R 2r d rR 满足以上条件可认为其中最低模式的电场集中于腔口电容内 磁场位于环形部分 可用准静态法计算 磁通量为 第四章微波振荡源 4 1概述微波电子器件包括两大类1 微波半导体器件 微波二极管 体效应二极管 雪崩二极管 微波晶体管微波二极管 能够工作于微波波段的各种半导体二极管 EXP 隧道二极管 体效应二极管 雪崩二极管 用于微波功率源 b 微波晶体管 只能工作于微波段的晶体管 微波双极性晶体管和微波单极性晶体管 微波场效应管 微波真空器件分为两大类 静态控制微波管 如超高频三 四极管 工作原理与低频类似 仅对低频电子管缩小尺寸 动态控制微波管 EXP速调管 行波管 其原理与 静态控制 完全不同 2 微波真空器件 微波管 微波管与微波半导体器件是两种性质完全不同的微波电子器件 比较 微波管 优点 频率高 功率大 增益高 频带宽 缺点 体积大制造工艺复杂 成本高微波半导体器件 体积小 重量轻 寿命长 制作工艺简单 成本低 但频率低 功率不易提高 4 2速调管一微波管工作的基础 电子流的能量交换 对于任何电子管器件和振荡器 从能量的观点看 它所要解决的基本问题 就是借助于运动的电子从直流电源获得一定的能量 使电子加速 转化为电子的动能 然后通过一定的装置将其动能的一部分转换为高频场的能量 需放大或振荡的波 在这个过程中 电子起着中间能量传递着的作用 这一原理是微波管工作的基础 任何微波管放大器或振荡源都必须具有 供给电子能量的直流电源能产生电子流的装置 对电子流加速的装置对电子流的运动规律进行调制的装置 能够将电子流的动能转换给高频场的装置 微波管工作的基础就是电子流与电场的能量交换 在微波管中电场只有直流电源所建立的直流电场和微波信号源建立的高频交变电场两种 结论 电子从低电位向高电位运动 电子获得能量电子从高电位向低电位运动 电子失去能量b 电子流与交变电场的能量交换 a 电子与直流场的能量交换 电子流与交变电场电场之间的能量交换 原则上与直流电场时情况相同 电子流在交变电压的正半周期内 受到加速 获得能量 在交变电压的负半周期内 受到减速 失去能量 电场的能量增加 如果电子流的密度是均匀的 在整个周期内电子流与交变电场没有能量交换 所以两者要进行有效的能量交换 必须使用密度不均匀的电子流 反射速调管1反射速调管的结构和工作原理 Ur U0 d D 反射极 加速极 输出 反射速调管结构图 G2 G1 结构分为三部分 电子枪 谐振腔 反射极电压1 电子枪 产生电子2 谐振腔 上下栅网间有交变电压 这个交变电压改变电子的速度 速度调制3反射极电压 产生制动空间 电压为负 作用是产生密度调制 工作原理分析 核心问题是通过速度调制 密度调制和能量交换过程将电子从直流电源获得的能量转换为微波电场的能量 1 电子从直流电场获得能量的过程 2 速度调制过程 Vg 加速 减速 3 密度调制过程 群聚过程 12345 3 2 3 t 反射极 Vg v0sin t 4 能量交换过程 反射极电压 由一般的振荡器知识可知 产生振荡须同时满足以下两个条件 振幅平衡条件相位平衡条件 5 相位平衡条件的讨论电子群返回谐振腔的最佳时刻并非一个 只要群聚中心电子的飞行时间满足如下条件 相位平衡条件 意义 表示只要群聚中心电子在vg任意一个正半周期最大时刻返回谐振腔都可以有效地交给电场能量 产生振荡 现求电子在群聚空间的飞越时间 由电子的运动方程有 意义 电子将它的最大动能交给速调管谐振腔应满足以上相位平衡条件 即速度为v0的一族电子正好落在交变电场的最大处 讨论 f D U0不变时 改变Ur的值 n取不同的值 n 0 1 2 3 对应不同的振荡区只有当反射极电压为某些数值时 群聚电子流才能在合适的时刻返回谐振腔 从而最大限度的交出能量 产生震荡 而在反射极电压为另外一些值时 群聚电子流在不利的时刻返回到谐振腔 因而不能产生振荡 n越小 飞越时间 增大 表明反射极电压Ur的值较小 Ur P f n 54321 6 谐振腔中起始电压是如何产生的 谐振腔中 G1G2之间 并没有预先加上一个交变电压 电子枪发射的电子流不可能是绝对均匀的 存在散弹噪声 横截面上粒子数的不均匀 这种噪声含有极丰富的频率成分 当这个电子流通过谐振腔时 会在谐振腔上产生感应电流 电子流在腔壁上感应出正电荷 当电子沿轴向运动时 感应正电荷也随之沿腔壁运动感应电荷的运动形成了感应电流 感应电荷 感应电流中 含有极丰富的频率成分 其中 频率等于谐振腔的谐振频率的感应电流会在谐振腔上建立起感应电压vg 这个电压和电子流进行速度调制和能量交换的循环过程 2 反射速调管的调谐反射速调管的调谐有两种办法 电子调谐和机械调协电子调谐 通过改变反射极电压Ur 而改变谐振频率 n越大 电子调谐的范围越大 即频率变化范围越大 所需的 Ur 的变化范围越小 调谐敏感 描述电子调谐的范围有两个 A电子调谐频率 指在振荡区中心附近 Ur改变1v时 所引起的振荡频率的变化量 B电子调谐范围 振荡功率下降到最大功率的一般时 两个半功率点之间的频率范围 Pmax Pmax f0 Ur Ur f 机械调谐 通过改变谐振腔的几何尺寸达到谐振的目的3 反射速调管的调制工作状态 一个三厘米波段的反射速调管振荡器的方框图如下所示 微安表 反射速调管 定向耦合器 衰减器 波长计 检波器 电子稳压器 调制器 输出 反射极电压不变对应连续工作状态 输出为连续的振荡波形 反射速调管也可工作在调制工作状态 在反射级上加调制电压 方波 幅度调制 锯齿波 频率调制 1 幅度调治 t t P t t Pf 2 频率调制 伴随小的幅度调制 三 多腔速调管简介 U0 输入信号产生速度调制 输出 能量交换 漂移空间 密度调制 4 3体效应二极管振荡器和雪崩二极管振荡器 一 体效应二极管振荡器1 体效应 指在砷化镓 GaAs 等一类导带结构中有多能谷的半导体 当其中的外加电场大于某一临界值时 低能谷中迁移率较大的电子转移到迁移率较小高能谷中 从而出现微分负阻现象 体效应 根据体效应制成的电子器件 称为转移电子器件 2 基本工作原理A砷化镓 GaAs 能带结构有些半导体的导带有高低不同的几个能谷 能量最低的能谷叫主能谷 其余叫子能谷 价带 导带 电子能量 主谷 子谷 Eg 1 43 电子伏 0 35ev B电子转移效应主谷中的电子由于晶格对他们的束缚力较弱 迁移率较大 即在单位电场强度下 漂移速度较大 子谷中的电子 由于晶格对他们的具有较强的束缚力 迁移率较小 在室温和没有加外电场的情况下 热激发能量远小于两个能谷之间的间隔 不足使电子从主谷跃迁到子谷去 因而导带中电子几乎处于低能态的主谷中 子谷可认为是空的 当在砷化镓半导体两端加上电压后 外场较低时 主谷中的电子由于从电场获得能量 漂移速度随外场的增加而增加 图 区所示 电子总体平均速度 EthEb E kv km 电子的平均速度与外加电场的关系 二 雪崩二极管振荡器的基本特性及工作原理 N PIP 漂移区 雪崩区 第五章常用微波元件 在微波系统中 实现对微波信号进行定向传输 放大 衰减 分配以及其他控制作用的元件 统称为微波元件 微波元件的种类很多 他们的分类方法通常有 按波段分或带宽分按传输形式分 如 同轴线式 波导式 微带式 按外形结构分 如连接 分支 过渡元件 按功能分 功率分配 波型变换 阻抗匹配 谐振 滤波等 任何一个微波系统都是由各种不同的微波元件和器件组成 微波元件的功能在于对微波进行各种变换 按其变换性质不同 可将微波元件分为如下三类 1 线性互易元件 凡是元件中没有非线性和非互易物质都属于这一类 2 线性非互易元件 这类元件中含有磁化铁氧体等各向异性媒介 具有非互易特征 但仍是线性的 3 非线性元件 这类元件含有非线性物质 对微波频率进行非线性变换 引起微波信号频率的变换 如 检波器 混频器 变频器微波元件又可按所采用的微波传输线的类型分为 1 波导元件 波导元件结构牢固 功率容量大 单受工作频带的限制 频带不能做的很宽 而且由于每一波段的波导的几何尺寸不相同 因此 各波段都必须有自己的一套元件才能覆盖整个微波波段 这给使用微波元件带来不便 但因波导元件功率容量大 在大功率场合使用 2 同轴元件 由于同轴线本身固有的宽频带特性 所以同轴线元件的频带很宽 所以很多分波段可以共用一套同轴元件 这 方面同轴元件比波导元件优越 但同轴元件的功率容量小损耗大 3 微波集成电路 5 1连接元件与转换元件一连接元件作用 将功能不同的各种微波元件按一定要求连接起来 组成一个完整的微波系统 主要指标要求 接触损耗小 驻波系数小 功率容量大 频带宽 常见的连接元件 接头 法兰 拐角 弯曲等1 波导接头 属于波导元件 a 平接头连接 焊在波导口上的平法兰盘 要求 法兰孔和波导口的位置十分准确 表面十分平整优点 体积小 带宽较宽 主要用于宽带波导元件和测量装置中 1 002B抗流接头 ab ed g 4 g 4 ab c ed H10波导的抗流连接 目的是使两段波导的端面在连接处获得良好的电接触 防止微波功率从连接处的隙缝中漏出 H10波导壁的高频壁电流 窄壁上无纵向电流 故连接处对窄壁接触要求不高 因为没有电流跨越 略有小间隙也是可以的 g 4 但在宽壁上有纵向电流 故矩形波导对宽壁的接触要求较高 稍有间隙相当于存在强辐射缝 因此 抗流活塞主要保证宽壁中线附近的间隙必须等效短路抗流式活塞可达到上述要求优点 接触良好 无泄漏 损耗小缺点 主要尺寸与波长有关 因而频带窄转换元件 5 2匹配负载与短路活塞一 匹配负载匹配负载是一种接在传输线终端的单口微波元件 它几乎无反射的吸收反射波的全部功率 因而传输系统中建立行波状态时 使用匹配负载 1 小功率匹配负载 吸收片 2 大功率匹配负载有吸收片做成的匹配负载 微波功率的吸收发生在表面很薄的一层电阻膜中 是面吸收 故不能承受大功率 大功率匹配负载必须采用体吸收的方法 并要考虑散热问题 大功率匹配负载常采用水负载 利用流动的水做为微波吸收物质 水是一种很好的微波吸收材料 损耗角正切很大 能强烈的吸收微波 水的比热很大 在流动的情况下 可以耗散很大的微波 所以很易于作为大功率微波吸收材料 进水口 出水口 炮弹式匹配负载 玻璃 实验表明 水负载的 1 05 1 20左右能承受的平均功率为数百瓦到几千瓦 除了水负载外 还有一种 干式 的大功率匹配负载 不用水 采用固体吸收材料 二短路活塞在微波系统中 常需要可移动的短路面 即短路活塞 按其结构分为接触式和抗流式两种 主要讲抗流式 1 波导型 电流 电压 bd a c e ac bde g 4 acf bdeg I bcdef g a zc1 zc2 c Abcd部分是由活塞侧壁和同轴线壁组成的长度为四分之一波长的一段同轴线 而cefg部分则是由S型活塞内部空腔所组成 是一段终端短路的同轴线四分之一波长 注意 1 辐射电阻Rde恰好位于高频电流的波节点处 故没有电流流过Rde 即虽然de之间具有通向活塞后面的间隙 但在满足抗流条件下 没有功率辐射出去 2