微波元器件及其电路.doc

1， 波导等效为双线理论2， 模式电压反应电场的分布规律 模式电流反应电场的分布规律3，归一化电压归一化电流4， 网络端口上的电特性参数可以用电压和电流来表示，也可以用入射波电压和反射波电压的归一化值来表示。5， 6，参考面：网络与外部传输线联系的端面。 参考面的位置可以任意选,但必须遵守如下原则： （1）单模传输时,参考面的位置尽量远离不连续性区域,参考面上的高次模场强可以忽略,只考虑主模的场强; （2）选择参考面必须与传输方向相垂直,使参考面上的电压和电流有明确的意义。 当网络参考面一旦选定后,所定义的微波网络就是由这些参考面所包围的区域,网络的参数也唯一被确定了。如果参考面位置改变,则网络参数也随之改变。对单模传输来讲网络的端口数就是指外接传输线的路数。端数是指网络外接导线的条数。网络端数=2网络端口数。,7 ，微波元件等效为微波网络的原理(1)唯一性定理 如果一个封闭曲面上的切向电场(或切向磁场)给定,或者一部分封闭面上给定切向电场,另一部分封闭面上给定切向磁场,那么这个封闭面内的电磁场就被唯一确定。(2).线性迭加原理8，网络分类1）线性与非线性网络2）可逆和不可逆网络3）无耗和有耗网络4）对称网络及不对称网络9，微波网络的特性（续）（重点掌握） （1）有耗与无耗网络 对无耗网络： 和 为虚数 （2）可逆与非可逆网络 对可逆网络：若i端口和j端口可逆，则Zij=Zji，Yij=Yji （3）对称与非对称网络 若i端口和j端口对称，则Zii=Zjj，Yii=Yjj10，散射参量 规定二端口网络参考面T1和T2上的 归一化入射波电压的正方向是进网络的,归一化反射波的正方向是出网络的, 应用叠加原理,可以写出用两个参考面上的入射波电压来表示两个参考面上的反射波电压的网络方程：N2T2T111微波网络的工作特性参量（重点掌握） （）、电压传输系数T （）、插入衰减A （3）、插入相移 （4）、输入驻波比 12，多端口网络S参量若网络为可逆网络，则：若网络为对称网络，设i,j端口对称，则：若网络为无耗网络，则：若网络为可逆、无耗网络，则：第二章 微波元件1，元件匹配元件滤波器定向耦合器衰减器移相器谐振腔环行器、隔离器3， 波导中的电抗元件（1） 电感膜片（2） 电容膜片（3） 谐振窗（4） 销钉 电感销钉的电纳与销钉的粗细及根数有关,销钉愈粗,电感电纳愈大;根数愈多,电纳愈大。 （5） 螺钉 螺钉插入波导的深度可以调节,电纳的性质和大小也随之改变。当螺钉插入波导较浅时,一方面会集中电场具有容性电纳的性质;另一方面波导宽壁的轴向电流会流进螺钉从而产生磁场,故又具有感性电纳的性质。但螺钉插入波导的深度较浅,总的作用是容性电纳占优势,可调螺钉的等效电路为并接一个可变电容器。4， 微波谐振器集中参数的LC谐振回路用来储能和选频，但不能用于微波频段： （1）随着频率的升高,辐射损耗、导体损耗以及介质损耗急剧增加,使谐振回路的品质因数大大降低,选频特性变差; （2）随着频率的升高电感量L和电容量C将愈来愈小,体积也愈来愈小,致使电感器和电容器的制作困难。 在微波频段，采用封闭形的微波谐振器(又称谐振腔) 。这种谐振器可以定性看成是由集中参数LC谐振回路演变而来的。 微波谐振器主要有两大类:传输线型谐振器和非传输线型谐振器。前者是一段两端被开路或短路的传输线,例如:矩形谐振器，圆柱谐振器，同轴谐振器，带状线谐振器和微带谐振器;后者是一种特殊形状谐振器,主要用来作各种微波电子管(如速调管磁控管)的腔体。 （一）、微波谐振器的基本参量1、谐振频率f0 谐振频率是指谐振器中该模式的场发生谐振的频率。2、品质因数Q0 品质因数Q0是微波谐振器的重要参量, 其定义为： （二）谐振器的损耗包括:导体损耗、介质损耗和辐射损耗,对于封闭形的谐振器,辐射损耗为零,如果假定谐振器内介质是无耗的,则谐振器的损耗只有壁电流的热损耗,故有：同轴线谐振腔的多谐性： （三）、矩形谐振腔 1、振荡模式及其场分布 矩形波导中传输的模式有TE模和TM模,相应谐振腔中同样有TE振荡模和TM振荡模,分别以TEmnp和TMmnp表示之,其中下标mn和p分别表示场分量沿波导宽壁,窄壁和长度上变化的半驻波数。最低振荡模式为TE101,场分布如图所示。3、圆柱腔最常用的三个模式 圆柱腔中最常用的三个振荡模为TM010模,TE111模和TE011模。四、滤波器1，微波滤波器用来分离或组合各种不同频率信号。滤波器的种类繁多。 按功能分：有低通、高通、带通和带阻滤波器; 按插入衰减频率特性的响应分：有最大平坦式、切比雪夫式和椭圆函数式滤波器; 按传输线类型分：有波导型、同轴型、带状型和微带型滤波器; 按带宽分：有窄带、中等带和宽带滤波器等。 2、微波滤波器的主要技术指标 (1) 截止频率fc或频率范围f1f2; (2) 通带内允许的最大插入衰减LAr(dB); (3) 阻带内最小衰减LAS(dB)及相应的阻带频率fs。 (4) 寄生通带：阻带内不应有的通带。 (5) 插入相移：信号通过滤波器时相位的落后量。3、微波滤波器的衰减特性 由于滤波器内部只有电抗元件，因此可以将其看成无耗两端口网络，插入衰减只有反射衰减，没有吸收衰减，即： 理论可以证明，滤波器的插入衰减满足：一般常用的插入衰减频率特性函数有以下几种： （1）最平坦式 （2）等波纹式（且比雪夫式） （3）椭圆函数式五、阻抗调配器和阻抗变换器阻抗调配器和阻抗变换器是微波系统中的基本元件,在微波系统中的主要作用是消除反射。阻抗匹配网络有两种:一种是阻抗调配器,即匹配网络中的元件参数是可以调节的, 另一种是阻抗变换器,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,六、 定向耦合器弱耦合定向耦合器中耦合定向耦合器强耦合定向耦合器定向耦合器定向耦合器波导定向耦合器同轴定向耦合器微带线定向耦合器带状线定向耦合器1、定向耦合器的组成 定向耦合器是一个四端口网络,它有输入端口,直通端口,耦合端口和隔离端口,分别对应如图所示的、和端口。 2、定向耦合器的技术指标 (1) 耦合度C 定义为输入端的输入功率P1和耦合端的输出功率P3之比的分贝数即: 耦合度的分贝数愈大耦合愈弱。通常定义: (1)耦合度为010dB称为强耦合定向耦合器; (2)耦合度为1020dB称为中等耦合定向耦合器; (3)耦合度大于20dB称为弱耦合定向耦合器。(2) 隔离度D和定向性D 隔离度定义为隔离端输出功率P4与输入功率P1的比值。即：在理想状态下，P4=0，D 定向性D定义为耦合端输出功率P3与隔离端输出功率P4的比值。 上式表明,D愈大,隔离端口输出愈小,定向性愈好。在理想情况下,P4=0,即D=,实用中我们常对定向性提出一个最小值Dmin。(3)输入驻波比 将定向耦合器除输入端口外,其余各端口均接上匹配负载时,输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。此时,网络的输入端的反射系数即为网络的散射参量S11,故有 (4)工作频带宽度 满足定向耦合器以上四个指标的频率范围,即为工作频带宽度,简称工作带宽。三、波导裂缝电桥 三、波导裂缝电桥 1、波导裂缝电桥的结构 波导裂缝电桥由两个尺寸相同，窄边重合的矩形波导组成，耦合机构为公共窄壁上一段长度为L的裂缝。大波导段内，只能传输H10 和H20两种模式，电桥采用奇偶模分析方法。 由此得出裂缝电桥特性：(a)端口为输入端，端口为耦合端，端口为隔离端；(b)通过改变裂缝长度L，可以任意改变耦合度C；(c)耦合端输出相位始终比直通端落后90度。2、匹配双T的性质： （1）双匹配特性： 匹配双T的四个端口同时匹配，即： （2）双隔离特性： 1、2两端口相互隔离，3、4端口相互隔离，即： （3）“和” “差”特性： 当信号由1、2两个端口同时输入时：一、衰减器衰减器吸收式衰减器过极限衰减器定向衰减器 1 、衰减器的分类和主要技术指标衰减器固定衰减器可调衰减器 衰减器的主要技术指标有: (1)工作频带范围 (2)输入端驻波比 (3)衰减量和衰减范围 二、移相器 移相器是对电磁波只产生一定的相移而不产生能量衰减的微波元件。 移相器可以分为固定移相器和可变移相器。 均匀传输线上相距长度为l的两点之间的相位差为 改变相位的方法有两种:一种方法是改变传输线的长度L;另一种方法是改变传输线的相位常数(或波导波长)。微波元件衰减器移相器阻抗变换器阻抗调配器不可逆元件(各向异性媒质)可逆元件(各向同性媒质)环行器隔离器 3、铁氧体的两个不可逆效应 （1）相移不可逆效应即：左旋圆极化波和右旋圆极化波通过铁氧体材料时具有不同的相移常数，称为相移不可逆效应。（2）衰减不可逆效应 0附近，圆极化波通过铁氧体材料，左旋圆极化波的衰减小，而右旋波的衰减大，这种现象称为衰减器不可逆效应。二、微波环行器 1、环行器的主要技术指标 （1）正向衰减 （2）反向衰减 （3）输入端驻波比2、Y型环行器的工作原理 理论证明，对于可逆无耗三端口网络，不可能做到三个端口同时匹配,但铁氧体不是线形介质，可以做到三个端口同时匹配，但由于铁氧体的不可逆性，故三个端口是不可逆的。因此S参数为：三、微波隔离器 隔离器是一种铁氧体非互易元件,它的基本特性是当正向波通过它时可以无衰减地通过,当反向波通过它时将产生很大的衰减。故它在微波系统中得到广泛应用。 第三章 微波二极管及其电路一、参数 （a）截止频率 定义为Cj的容抗和Rs的阻值相等时对应的频率f，计为fc（b）变频损耗 输入微波资用功率与输出中频资用功率的比值（c）噪声比 定义为二极管的噪声资用功率与等效电阻热噪声资用功率的比值。2，二极管的噪声有散弹噪声、热噪声和闪烁噪声。散弹噪声是由电子的随机运动产生的，热噪声是由于串联电阻Rs产生的，理论分析表明，二者的和为：闪烁噪声的功率谱与f成反比，假定噪声的边频带宽为f1和f2,则:（三）金属-半导体结二极管的特点 和普通PN结二极管比较，金属-半导体结二极管具有如下特点： （）依靠多数载流子工作，消除了PN结二极管少数载流子的存储效应及反向恢复时间，应用频率高。 （）由金属和N型半导体构成，去掉了P型半导体，消除了P区电阻及与之连接的欧姆接触电阻，串联电阻Rs低，噪声系数低。 （）阻挡层薄，反向击穿电压低，不能承受大功率。3.1.3 微波混频器的变频损耗变频损耗包括四个部分： （1）由寄生频率分量引起的净变频损耗； （2）寄生参量引起的损耗； （3）输入/输出端的失配损耗； （4）电路损耗。3.1.5 混频器电路单端混频器的电路简单，但性能较差。 （a）要求本振功率大： （b）噪声系数大，本振噪声。为了消除噪声，常采用以下措施： （a）在混频器本振输入端加带通滤波器； （b）加正向偏压； （c）采用平衡混频器抑制本振噪声。2) 平衡混频器 (a) 平衡混频器原理 信号由混合环的1端输入，等幅同相加到两只二极管：本振信号由混合环的4端输入，等幅反相加到两只二极管：(b) 平衡混频器抑制本振噪声的原理 本振噪声是由本振端输入的，加到两只二极管上时应为等幅反相，即： 时变电导与上面相同，本振噪声与时变电导的乘积，取出中频电流为： 流过两只管子的电流大小相等，方向相同，在中频负载上没有输出。因此平衡混频器可以抑制本振噪声。 除了可以抑制本振噪声以外，平衡混频器环可以抑制部分寄生频率分量（本振的偶次谐波分量）。(c) 平衡混频器的特点 本振和信号功率全部加到二极管，消除了单端混频器的耦合损耗； 信号端和本振端隔离性能良好； 由于信号的功率分配在两只二极管上，因此混频器的抗烧毁能力和动态范围增加一倍； 平衡混频器能够抑制本振噪声和部分寄生频率分量。(d) 正交场平衡混频器 利用混合环组成的平衡混频器的缺点是结构复杂且频带较窄，1960年出现了正交场平衡混频器，其特点是体积小、结构简单、性能稳定，被广泛应用。正交场平衡混频器的特点： 具有平衡混频器的所有特点，包括抑制本振噪声和寄生频率分量。 功率的平分以及相位关系的确定是由特定的场结构确定的，不像混合环那样由波程差实现，因此应用频带较宽。 信号输入与本振输入波导相互垂直，具有良好的信号-本振隔离比。三、负阻振荡器（1）起振条件起振即振荡由微弱开始增长，因此：R Rd为振荡器的起振条件。（串联）G Gd为起振条件（并联）（2）平衡条件振幅平衡：相位平衡：（3）稳定条件振荡器的稳定条件为： 即在稳定的工作点上，从器件线方向沿顺时针转到阻抗线方向所转过的角度小于180度。电调谐的方法常用的有三种：偏置调谐、变容二极管调谐和YIG调谐 （3）直流偏压下加微波信号的阻抗特性正偏置小信号：低阻抗导通；正偏置大信号：低阻抗导通；负偏置：高阻抗截止结论：不管是大信号还是小信号，只要正偏压，管子处于导通，负偏压截止微波信号与直流偏置共同作用时，不管是大信号还是小信号，管子呈现的阻抗与直流偏置有关，与微波信号幅度无关得出如下结论：微波信号与直流偏置同时作用时，PIN管所呈现的阻抗大小主要决定于直流偏置的极性及其量值，而几乎与微波信号的幅度无关。常用作微波开关。当偏压从零偏向正偏连续变化时，PIN管类似一个线形电阻，其阻抗可以连续地从高阻变到低阻，因此，可用来制作电调衰减器。当只加微波信号时，PIN管的I层会有载流子积累，积累的载流子数随微波信号幅度的增加而增加，即管子的阻抗随微波信号幅度变化，利用此可以做成微波限幅器。 I层的加入使管子的击穿电压提高，在低频整流使用时，可获得比普通PN结二极管更大的整流功率。 2、PIN管的主要技术参数：结电容；正向电阻；反向电阻；击穿电压；管壳电容；引线电感；截止频率；最大功率容量。第四章 微波晶体管放大电力微波晶体管分双极晶体管和单极晶体管，双极晶体管指两种不同载流子参与导电机构的晶体管，有时称晶体三极管，单极晶体管只有一种半导体参与导电机构，指场效应管。二、微波双极晶体管的性能参数 1、特征频率 频率越高，电流放大系数越低，定义共发射极短路电流增益等于1时的频率称为特征频率。理论分析表明:2、噪声 微波二极管中，闪烁噪声不起主要作用，因而微波晶体管的噪声有两类，热噪声和散弹噪声二、微波场效应晶体管的性能参数 1、特征频率 定义为共源极短路电流增益为1时的频率fT，理论分析表明,为了提高fT，应减小Cgs，即应缩短栅长。 2、噪声 场效应管的噪声有两个，一是沟道热噪声，它是沟道中的电阻产生的，二是感应栅极噪声，是沟道中的起伏噪声电压在栅极上感应的噪声，二者都属于热噪声。 理论分析表明，场效应管的最小噪声系数与f/fT成反比：即：二、微波晶体管放大器的稳定性 设计放大器时必须考虑放大器能够稳定工作，不能产生自激振荡，放大器的稳定性分为两类： （1）绝对稳定或无条件稳定，即源阻抗和负载阻抗任意选取，放大器均能够稳定工作。 （2）潜在不稳定或有条件稳定，负载阻抗和源阻抗不能任意选取，否则会产生自激振荡。 判断稳定性，可以从输入、输出端是否具有负阻来决定，如果有负阻，意味着会产生自激振荡。一、 掌握晶体管放大器增益的定义： 1、功率增益Gp：负载吸收的功率与输入功率的比值。 2、转换功率增益GT：负载吸收的功率与信号源输出资用功率比值。 3、资用功率增益Ga：负载吸收的资用功率与信号源输出资用功率比值。二、掌握晶体管放大器的稳定性类别及稳定性判别条件。 1、会用图示法判别放大器的稳定性； 2、会用稳定性系数判别放大器的稳定性。只要 则： 稳定，一般晶体管的坐标原点始终是稳定的。这样稳定性判别规则描述为：0GvGu稳定判别圆0GvGu稳定判别圆绝对稳定0GvGu稳定判别圆0GvGu稳定判别圆相对稳定（a）（b）（c）（d） 当稳定判别圆包含坐标原点时，圆内区域是稳定的，圆外区域是不稳定的。当不包括坐标原点时，圆外区域是稳定的，圆内区域是不稳定的。第五章 电真空器件微波器件分为微波半导体器件和微波电真空器件，二者各有优缺点。在微波频段，普通的电真空器件已经不能应用，这主要是因为： （1）极间电容和引线电感的影响； （2）电子渡越时间的影响； （3）损耗的增加。 微波电真空器件主要包括速调管、行波管和磁控管。一、反射速调管振荡器的结构和工作原理 1、反射速调管振荡器的结构与组成 速调管由电子枪、谐振腔和反射极三部分组成2、速调管的工作过程 反射速调管是通过速度调制、密度调制和能量交换三个过程将直流电源的能量转换为微波信号的能量。(1) 速度调制 电子枪发出的电子被腔压 V0 建立的电场加速，电子到达栅网的速度(2) 密度调制（群聚过程） 受到速度调制的电子流以速度u飞向反射极，由于受到直流减速电场的作用，电子速度不断下降，速度降为 0后在直流电场作用下返回谐