微波技术与天线——第3章.ppt

第三章常用微波元件,微波元件的分类按元件性质分：微波元件的功能在于对微波信号进行各种变换，接其变换性质可将微波元件分为如下三类。一、线性互易元件凡是不包含非线性非互易性物质的元件都属于这一类，这类元件只对微波信号进行线性变换，不改变频率满足互易定理。常用的线性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向,耦合器、阻抗变换器和滤波器等。二、线性非互易元件这类元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质，具有非互易特性，其散射矩阵是不对称的。但仍工作于线性区域，属于线性元件范围。常用的线性非互易元件有隔离器、环行器等。三、非线性元件这类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，并能通过电磁控制以改变元件的特性参量。常用的非线性元件有检波器、混频器、变频器以及微波控制元件等。,按传输线的类型分：分为波导型、同轴型和微带型等类型。过去常用的波导型和同轴型元件大多做成单件分立式，一般单独完成一种功能。这种分立元件可以根据需要加以组合，以构成各种微波系统。近年来采用由微带和集中参数元件组成的微波集成电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组成复杂的微波系统，完成各种不同功能。按端口数目分：单端口，双短口，n端口网络按功能分类：匹配元件，连接元件，定向耦合元件，滤波元件，衰减与相移元件，谐振元件等本章对常用的无源线性微波元件作一简要介绍。包括这些元件的基本工作原理，基本结构和主要用途。,微波元件负载,back,波导负载,波导匹配负载,back,各种同轴接头,同轴接头,back,抗流接头,平接头,同轴波导转化器,同轴波导转化器,E面弯波导,定向耦合器,隔离器,滤波器,滤波器,放大器,back,放大器,衰减器,back,传输线中的电抗元件微波系统中的电抗元件：利用微波传输线中结构尺寸的不连续性组成的。由于不连续性引起的损耗很小，故不连续性的等效电路不外乎是电感、电容、理想变压器和无耗传输线段以及它们的组合。电抗元件：包括感性元件和容性元件。感性元件是指能够集中磁场和存储磁能的元件；而容性元件是指能够集中电场和存储电能的元件。,波导中的常用电抗元件。1、电容膜片结构：在矩形波导的宽壁上横向放置一块金属膜片，并在其上对称或不对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，如图2-21(a)所示。工作原理：当波导宽壁上的轴向电流到达膜片时，要流进膜片。而电流到达膜片窗口时，传导电流被截断，在窗口的边缘上积聚电荷而进行充放电，因此两膜片问就有电场的变化而存储电能。这相当于在横截面处并接一个电容器，故这种膜片称为电容膜片，从更本质的场的角度解释。等效电路：如图2-21(b)所示,csc,当t0时当t0时，要对归一化电纳修正，修正量的计算公式为,等效电纳的近似计算公式为,参见表2-4,图2-21,式中特性导纳Y0可选为波导的波导纳，p为波导中TE10模的相波长以上公式的精度为10左右。显然，当d越小，等效的归一化电纳越大，当d0时，B无穷大，相当于短路的情况。2、电感膜片矩形波导中的电感膜片结构及其等效电路：如图2-22所示。工作原理：当在波导窄壁上放置金属膜片后会使波导宽壁上的电流产生分流。于是在膜片的附近必然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜片。,t0t0,以上公式的精度为10左右。显然，当d越小，等效的归一化电纳越大，当d0时，B无穷大，相当于短路的情况。工程设计中往往是已知B值，求窗口大小，膜片的最终尺寸必须通过试验确定3、谐振窗结构：图2-23给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。,电感膜片电纳的近似计算公式为,图2-22,图2-23,工作原理：谐振窗可以看成是电感膜片和电容膜片的组合，其等效电路近似为LC谐振回路。当工作频率等于谐振频率时，存储的电能与磁能相等；并联电纳为零：电磁信号可以无反射地通过，即为匹配状态；当工作频率低于谐振频率时，并联回路呈感性，即谐振窗具有感性；当工作频率高于谐振频率时；谐振窗具有容性。如果工作频率不变，谐振窗的尺寸发生变化。则也会引起谐振窗电抗性质的变化。,4、螺钉及销钉可调螺钉的结构示意图及其等效电路：如下图所示。用途：膜片在波导中的位置和尺寸一旦确定就不容易调整改变，所以只能作固定电抗元件使用。而螺钉插入波导的深度可以调节，电纳的性质和大小可随之改变使用方便，是小功率微波设备中常采用的调谐和匹配元件。在矩形波导宽壁中心插入的螺钉可近似等效为并联电抗，随着螺钉插入深度h的变化，其等效电抗的大小和性质也随之改变。工作原理：当螺钉插入波导中时一方面螺钉附近高次模的电场较为集中；另一方面，宽壁上的轴向电流也要进入螺钉产生附加磁场。当h较小(即h/4)附加磁场影响起主要作用，螺钉等效为一电感。目前。螺钉的等效并联电纳还没有可供使用的简单计算公式。实际中，螺钉主要用作可调电抗元件，其电纳值可根据需要来调整。,电感销钉（等效为电感，结构为贯穿波导窄边的销钉）电容销钉（等效为电容，结构为贯穿波导宽边的销钉）5、波导阶梯E面阶梯等效为并联的电容H面阶梯等效为并联的电感同轴中的不连续性等效为电抗元件：同轴线中的阶梯和开路端以及间隙都等效为电容微带线中的电抗元件在微波电子电路中，还常用微带结构来模拟集总元件，一般认为有限长度的微带线损耗很小，故仅用微带线结构来实现电感、电容等储能元件及电感、电容的串、并联结构。,1、微带缝隙电容用微带结构来实现集总参数电容的一种重要形式是微带的缝隙，其结构和等效电路如图所示在计算中微带基板与上例一致，微带线宽w=025mm，缝隙宽度取s=02mm，下图只显示了转移阻抗A12的分析结果，可以看到其转移阻抗明显具有电容性，而且在X波段范围频率越高其电容量越小。,微带“交叉手指”形电容(简称微带交指电容)是另一种常用的微带形式电容，在微波电路中用做隔直流电容等，下图表示了一种微带交指电容的结构和尺寸描述参数，给出了其等效电路，以及其转移阻抗A12,2、微带的开路终端在微带结构中，理想开路和理想短路都不可能实现，尤其是开路端。在微带线中心导带的中断处，导带末端将出现电场的边缘效应，同时辐射能量。因此微带线的开路端可等效为RC电路，R代表辐射损耗；C代表电场边缘效应。fZ1，则Zs/比Zs更0，及更接近于短路。对于矩形波导抗流式短路活塞，两段g/4阻抗变换器的特性阻抗与b1、b2成正比。,如果取b1尽可能小，b2在保证强度的情况下尽可能大，则可得到较好的短路性能。如，若b2b1十倍，则短路性能比接触式改善100倍。为了增加强度，上面的短路活塞，可采用折叠形式。如下图(a)。同理可得同轴抗流短路活塞如下图(b)抗流式短路活塞可看成g/4阻抗变换器的应用，同理可分析有源电路中常用的高低阻抗线的馈电网络。,图36,衰减器和移相器衰减器和移相器均属于二端口网络，但两者具有不同的功能。衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减；而移楣器的作用是对通过它的微波信号产生一定的相移，微波能量可无衰减地通过。一、衰减器为了调节传输系统内传输功率的功率电平，传输系统内必须接入衰减器，对微波能量产生定量的衰减。衰减量固定不变的称为固定衰减器，衰减量在一定范围内可以调节的称为可变衰减器。,理想衰减器的S参数理想的衰减器应是只有衰减而无相移的二端口网络，其散射矩阵为式中为衰减系数，l为衰减器长度，衰减器的衰减量表示为：其中Pi和Po分别为衰减器的输入和输出功率。衰减器的工作原理吸收式。（图36）截止式。（图37）,36,图36,二、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，理想移相器是一个无反射、无衰减的二端口网络散射矩阵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移常数。可由这两种方法构成移相器。移相器在微波相位测量和微波管的负载特性测量中以及微波系统中有着广泛的应用。,3.1阻抗匹配与变换元件3.1.1阻抗匹配与变换元件微波电路中常见的匹配方法电抗补偿法阻抗变换法反射吸收法1、电抗补偿法,2、阻抗变换器当负载阻抗与传输线特性阻抗不相等或连接两段特性阻抗不同的传输线时，由于阻抗不匹配会产生反射现象，为了消除这种不良反射现象。可在其间接入阻抗变换器，以获得良好的匹配。常用的阻抗变换器有两种：一种是由四分之一波长传输线段构成的阶梯阻抗变换器(包括单节和多书)，另一种是渐变线阻抗变换器。（1）阶梯阻抗变换器单节/4阻抗变换器,单节/4阻抗变换器在微波技术中得到广泛的应用，下图为一应用实例。由于单节/4阻抗变换器的长度与波长有关，因此它是窄带工作的器件，其工作原理在第一章已经做了介绍，本节重点讨论它的工作带宽。,如图37（a）所示。若主传输线的特性阻抗为Z0，终端接一纯电阻性负载ZL，但ZLZ0，则可以在传输线与负载之间接入特性阻抗为Z1长度为p0/4的传输线段来实现匹配。对于单工作频率f0时，当，可实现完全匹配，即Zin=Z0当工作频率偏离f0时，图37(a)中参考面T0处的反射系数就不再等于零。设此时T0面上的反射系数为，则,图37（a）,将代人上式，得上式取模为,3-2(a),在中心频率附近，900，sec-无穷大，上式可近似为当0时，相当于阻抗变换器不存在，此时反射系数模最大，为,注：此式不是由3-2(a)式令900得到,由式3-2(b)可以画出|随变化的曲线，即|对频率的曲线，如图3-7(b)所示。|随(或频率)作周期变化，周期为。如果设|m为反射系数模的最大容许值，则由/4阻抗变换器提供的工作带宽对应于图3-7(b)由限定的频率范围。由于当偏离/2，|的曲线急速上升，即匹配状态急剧恶化，所以工作带宽是很窄的。,3-2(b),3-7(b),当|m时，值为m或m，可以由3-2a式求出m为单节/4阻抗变换器带宽通常用分数带宽Wq表示频带宽度,以上式子仅对非色散波成立。,3-2a,3-4a,因此：对于单节/4阻抗变换器，当已知ZL和Z0，且给定频带内容许的|m时。则由式(3-3)和(3-4)可计算出相对带宽值；反之，若给定相对带宽值值，也可求出变换器的|m。对于单一频率或窄频带的阻抗匹配来说，一般单节变换器提供的带宽能够满足要求。但如果要求在宽频带内实现阻抗匹配就必须采用下面要讨论的多节阶梯阻抗变换器或渐变线阻抗变换器。,3-9,多节阶梯阻抗变换器多节阶梯阻抗变换器具有宽频带特性，现以图3一9所示的两节/4阶梯阻抗变换器为例进行分析。,假设ZLZ0每一节电长度相同，在中心频率处为/4,定义局部电压反射系数：T0，T1，T2为各阶梯的参考面。0、1、2分别为各参考面上的局部电压反射系数。设两节/4阻抗变换器的特性阻抗分别为Z1、Z2，且ZLZ1Z2Z0假定这些局部反射系数的模都很小、T0参考面上总的反射波可取各参考面上一次电压反射波的总和即：,问题：以上只取一次反射电压相加合理吗？,3-9a,上述等式的合理性可以用小反射定理证明。小反射定理及其证明当|1|、|2|0.2时，以上总反射波表达式的精度Z0。渐变线特性阻抗Z(z)是传输方向坐标z的函数。可以认为渐变线由无限多个微分长度为dz的线段组成。经过dz段阻抗变化量为dZ(z)。在z处，阻抗阶跃变化dZ(z)产生一个微分反射系数d0,d0反映在渐变线输入端。即在z0处则为din：渐变线输入端总的反射系数in为若式中归一化阻抗Z(z)的变化规律已知，则可求出in。因此式(3-24)是分析渐变线的基本关系式。综合问题，即给出具有所需频带特性的in要求确定Z(z)，以设计出渐变线截面尺寸。根据渐变线特性阻抗Z(z)随z的变化规律不同。有多种类型的渐变线。例如：指数式、三角函数式及切比雪夫式等。,3-24,3.2定向耦合器3.2.1定向耦合器的基本概念1、定向耦合器的分类按传输线类型来分有波导、同轴线、带状线和微带线定向耦合器；按耦合方式来分有单孔耦合、多孔耦合、连续耦合和平行线耦合形式的定向耦合器；按耦合器的输出方向来分有同向耦合器和反向耦合器；按输出的相位来分有900定向耦合器和1800定向耦合器；按耦合的强弱来分有强耦合、中等耦合和弱耦合定向耦合器。,图3-21给出了几种定向耦合器结构示意图。,其中图(a)为微带分支定向耦合器，图(b)为波导单孔定向耦畚器。图c为平行耦合线定向耦合器。图(d)为波导匹配双T，图(e)为波导多孔定向耦合器图(f)为微带混合环。,3-21,2、定向耦合器的技术指标。定向辆合器一般属于四端口网络，它有输入端、直通端、耦合端和隔离端，分别对应图3-22所示的1、2、3、4端口。,3-22,定向耦合器的主要技术指标有耦合度，隔离度(或方向性）输入驻波比和工作带宽等。（1)耦合度C耦合度C定义为输入端的输入功率P1，与耦合端的输出功率P3之比的分贝数。即由于定向耦合器是一个可逆四端口网络固此耦合度又可表示为,耦合度的分贝数愈大耦合愈弱。通常把耦合度为010dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器；把耦合度为1020dB的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器；把耦合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。(2)隔离度D隔离度D定义为输入端的输入功率P1，与隔离端的输出功率P4之比的分贝数。即若用散射参量来描述，则有,在理想情况下，隔离端应无输出功率。即P4=0，此时隔离度为无限大。但实际上由于设计或加工制作的不完善。常有极小部分功率从隔离端输出，使隔离度不再为无限大。方向性D(dB)：来表示耦合器的隔离性能。它是耦合端输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比的分贝数。也可用散射参量来表示方向性。即(3)输入驻波比将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载时，输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。此时，网络输入端的反射系数即为网络的散射参量S11故有,(4)频带宽度频带宽度是指耦合度、隔离度(或方向性)及输入驻波比都满足指标要求时，定向耦合器的工作频带宽度。简称工作带宽。,3、定向耦合器的网络分析分析理论：多端口网络理论分析方法：充分利用网络S参数的性质任何一个完全对称，完全匹配的可逆，无耗4端口网络都可以构成定向耦合器。,3.2.2平行耦合线定向耦台器平行耦合线定向耦合器是TEM波传输线定向耦合器的一种主要形式。结构：由两个等宽的耦合线段组成，其耦合线的长度是中心波长的四分之一，各端口均接匹配负载Z0。这种平行耦合线定向耦合器通常用微带线或带状线来实现。,1、工作原理：利用电场耦合与磁场耦合形成的电压在3端口同向叠加，而在4端口反相抵消形成方向性。性能特点：900反向定向耦合器。2、耦合带状线定向耦合器性能分析耦合带状线定向耦合器的横截面图及电路参数如下图,2U,奇偶模分析方法奇偶模等效电路求出各端口输出电压Ur，由此得到定向耦合器性能与耦合线参数的关系。,若结论：（1）不论耦合区电长度为何值，要获得理想匹配及理想隔离特性，即，必须满足条件Z0eZ0oZ02。,(2)耦合端口的输出电压，及直通端口的输出电压，都是频率的函数。当工作在中心频率时，这时耦合端输出为最大为，且与同相，即k称为中心频率的电压耦合系数。(3)不论为何值，耦合端输出电压的相位比直通端输出电压的相位超前/2。当=/2时，定向耦合器的耦合度由下式确定：,由此可得带状线定向耦合器结构尺寸的计算公式：首先，根据要求的耦合度C，求出k然后根据k的定义式求出然后将理想隔离条件代入上式，得出带状线奇、偶模特性阻抗,当电长度=/2时，耦合器各端口输出的电压可简化为平行耦合线定向耦合器的等效四端口网络具有可逆、无耗、对称的特性，由此可写出网络的散射参量矩阵S耦合带状线定向耦合器的S,性能改善,采用多节定向耦合器相级联增加频带宽度定向耦合器相串接，增强耦合,4/,2/,k,1,因此，将上面两只定向耦合器串连为一只定向耦合器，1为输入端，4为隔离端，2为直通端，3为耦合端。耦合度为：若单只定向耦合器的耦合度为8.34dB，可以计算出串连定向耦合器的耦合度为3dB耦合微带线定向耦合器匹配奇、偶相速以提高方向性介质覆盖法锯齿形定向耦合器,3.2.3分支定向耦合器和混合环1、分支定向耦合器的结构和理论分析结构：由两根平行的主传输线和若干耦合分支线组成。分支线的长度及相邻分支线之间的距离均为/4。这种分支定向耦合器可以用矩形波导、同轴线、带状线和微带线来实现。由于微带型分支定向耦合器在微带电路中得到广泛应用。故以微带型分支定向耦合器为例分析分支定向耦合器的工作原理和性能。微带型分支定向耦合器的结构如下图所示。可以等效为一个对称、可逆、无耗的四端口网络。,工作原理：通过两个耦合波的路程差引起的相位差来达到定向的。性能特点：900同向定向耦合器。,双分支线定向耦合器性能分析由于它的结构上下对称于OO面，所以采用奇偶模分析方法。设、为1、2、3、4端口的入射波、为1、2、3、4端口的反射波1端口接信号源，1其他端口接匹配负载，0偶模工作时：1/2此时分支线对称面上电流为零，相当于开路奇偶工作时：1/2,=-1/2此时分支线对称面上电压为零，相当于短路,奇、偶模等效电路,p0/8,KY01,H1Y01,H2Y01,-jH1Y01,-jH1Y01,jH1Y01,jH1Y01,KY01,分析结论当满足RY01/Y02时，有,*,*,变阻分支定向耦合器设计由指定的耦合度C，求出,可以*式解出：,3dB分支定向耦合器的S参数矩阵,0,1,0,j,2、混合环用途：雷达收发开关和功分器,H2Y0,H1Y0,KY0,KY0,工作原理：1端口输入，3端口无输出，2、4端口有等幅同相输出；3端口输入，1端口无输出，2，4端口有等幅反相输出。理想混合环条件：1、端口1无反射2、端口3无输出3、端口2，4有等幅同相输出,理想混合环的S参数,注：实际混合环必须考虑对分支线连接处T形结电抗效应的修正。,3.2.4微带功分器前一节讨论的定向耦合器都可以作为功率分配器使用。但是它们的结构较复杂。成本也较高，在单纯进行功率分配的情况下，用得并不多，通常用功分器来完成。功分器的类型很多，通常大功率微波功分器采用波导或同轴线结构中小功率则采用带状线或微带线结构。本节简单介绍微带三端口功分器。最简单的微带三端口功分器：微带T形接头。它可以对微带传输线中传输的信号和能量进行简单分配和合成，影响其功率分配比的主要是三个臂的微带线宽所决定的微带线特性阻抗。结构如下图,这种功率分配器，即使端口1经过了匹配设计(即Zc1=Zc2Zc3(Zc2+Zc3)，反射系数很低，近似于匹配。但端口2和端口3的匹配较差，而且端口2和端口3之间的隔离也较差。Wilkinson功分耦合器为了克服这两方面的缺陷，实现比较理想的功率分配与合成，在T形接头的基础之上又提出了三端口功分,耦合器，也称为Wilkinson功分耦合器。基本结构：如下图所示。与T形接头结构相比较其最大变化是在两分支臂距分支点4处跨接一个阻值为R的电阻，用以实现端口2和端口3的隔离。,3-37,工作原理当信号由主臂即端口1输入时，在电阻R的两端电位相等，电阻中无电流流过，即相当于R不存在，不会影响两臂的功率分配；当信号自端口2(或端口3)输入时，一部分能量经R到达端口3(端口2)，另一部分除经21线路(3一l线路)流出端口1外，还会有一部分经13路径(12路径)到达端口3(端口2)，由于这两部分信号路程差为2，导致两路信号相位差为而互相抵消，理论上就不会有能量进入端口3(端口2)。在用微带结构实现时，经过精确设计，可实现端口2与3的较好隔离以及端口1、2和3的良好匹配。,功分器应满足下列条件：2端口与3端口的输出功率比可为任意指定值；1端口无反射；2端口与3端口的输出电压等幅、同相。,由于2端口、3端口的输出功率与输出电压的关系分别为,如由条件(1)要求输出功率比为,则,按条件(3)，由上式可得,若取，则,由条件(2)，即1端口无反射，所以要求由Zin2与Zin3并联而成的总输入阻抗等于Z0。由于在中心频率=/2，Zin2=Z022/R2，Zin3=Z032/R3为纯电阻，则,如以输入电阻表示功率比，则,可解得,隔离电阻,阻抗变换的考虑：,分析：利用网络并联,N路等功分器,带宽扩展：采用多级级联的方式,3dB功率分配器,（对输入波仍具有无耗的特性）,实例：,3.2.5波导匹配双T1、波导的T形接头在微波系统中，经常要把一路的电磁能量变为二路或更多路。需要使用波导的T形接头。矩形波导的T形接头有E-T接头和HT接头两种。结构：ET接头的分支波导宽面与主波导中TE10模的电场所在平面平行；HT接头的分支波导的宽面与主波导中TE10模的磁场所在的平面平行。如下图等效电路,工作原理：用波导中电场的分布说明。,特性ET分支当信号从端口输人时，则和端口有等幅反相输出。即S23S13由于和端口在结构上对称，故有S11S22；(3)当信号由和端口等幅同相输入时，端口无输出此时对称面为电场的波腹点；反过来，当信号由和端口等幅反相输入时，端口输出最大，此时对称面为电场的波节点。HT分支,(1)当信号从端口输入时，则和端口有等幅同相输出，用散射参量表示则有：S13=S23；(2)由于和端口在结构上对称故有：S11=S22；(3)当信号由和端口等幅同相输入时：端口输出最大，此时，端口对称面处为电场波腹点；反之。当信号由和端口等幅反相输入时端口无输出，端口对称面处为电场波节点。2普通双T结构：将具有共同对称面的ET接头和HT接头组合起来即构成普通双T接头。如图所示。,把E臂称为4端口，H臂称为3端口；1和2端口又称为平分臂；和端口又称为隔离臂；性质（1）当信号由4端口输入时：则和端口等幅反相输出，3端口输出为零,1,2,4,3,（2）当信号从3端口输入时：则、端口等幅同相输出，而4端口输出为零；（3）如果和端口均接匹配负载，当信号从和端口等幅同相输入时，则3端口有输出，而4端口输出为零；反之当信号从和端口等幅反相输入时，则4端口有输出而3端口输出为零。可见和端口互为隔离，和端口互为平分。散射参量矩阵（根据可逆无耗四端口网络的性质写出）,匹配双T结构：通常在普通接头双T处加入匹配元件(如螺钉、膜片或锥体等)，构成匹配双T,如图344所示性质(1)匹配特性：在理想情况下，它的四个端口是完全匹配的，只要和端口能调到匹配，和端口一定自动匹配，即S11=S22=S33=S44=0；(2)隔离特性：当和端口具有隔离特性时，即S34=S43=0，则和端口也具有隔离特性，即S12=S21=0；(3)平分特性：当信号由端口输入时，则反相等分给和端口，即S13=一S23；当信号由端口输入,时同相等分给和端口，即S14=S24；当信号由端口输入时。则同相等分给和端口，即S31=S41；当信号由2端口输入时。则反相等分给和端口，即S32=一S42S参数矩阵,匹配双T又叫魔T（MagicT）。它是一只理想的3dB定向耦合器，应用非常广泛。例如：在平衡混频器中利用E和H臂的隔离特性。将本振信号与接收信号分别接入E和H臂，从而使本振信号与接收信号达到良好隔离。另外匹配双T接头可用来作平衡电桥测量阻抗。还可作雷达天线的收发隔离开关。,3.3微波谐振器,3.3.1微波谐振器的一般概念1、微波谐振器的一般概念微波谐振器及其结构：微波谐振器又称作微波谐振腔，可分为传输线型谐振器和非传输线型谐振器。传输线型谐振器可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成，电磁波在其上呈驻波分布，电磁能量不能传输，结构形式大体与微波传输线的类型一致，即可分为矩形谐振器、圆柱谐振器，同轴谐振器，带状线谐振器和微带线谐振器等。（如下页图）,微波谐振器由LC振荡回路的演化：如下图,微波谐振器中的能量关系：与LC振荡电路相同，振荡过程就是电磁能量的转换过程。但微波谐振器与LC振荡电路也有许多不同之处：分布参数与集中参数电路不同；谐振频率的数目不同；Q值不同微波谐振器中的主要参数：谐振频率f0、品质因数Q和等效电导G0,2、特性参数谐振频率：谐振频率f0是指谐振器中某模式的场量发生谐振时的频率，也经常用谐振波长表示。它是谐振器中最主要的参数。谐振频率可采用电纳法分析。在谐振时，谐振器内电场能量和磁场能量彼此相互转换，其谐振器内总的电纳为零。如果采用某种方法得到谐振器的等效电路，并将所有的等效电纳归算到同一个参考面上，则谐振时，此参考面上总的电纳为零。谐振频率由振荡模式、腔体尺寸以及腔中填充介质(,)所确定,而且在谐振器尺寸一定的情况下,与振荡模式相对应有无穷多个谐振频率。,品质因数品质因数Q0是表征微波谐振器频率选择性的重要参量,它的定义为,0,为粗略估计谐振器内的Q0值,近似认为|H|=|Ht|C,这样上式可写成,0,0,式中，S、V分别表示谐振器的内表面积和体积。可见:Q0V/S，应选择谐振器形状使其V/S大;因Q01/,由于仅为几微米,对厘米波段的谐振器,其Q0值将在104105量级。上述讨论的品质因数Q0是未考虑外接激励与耦合的情况,因此称之为无载品质因数或固有品质因数。（3）等效电导：,3.3.3几种实用的微波谐振腔（器）1、同轴谐振腔：同轴谐振腔通常分为/2型、/4型及电容加载型三种。(1)/2型同轴谐振腔谐振波长/2型同轴谐振腔由两端短路的一段同轴线构成如图3-54(a)所示。从参考面T向两边看去的导纳分别为纯电纳jB1和jB2。谐振条件为由上式(利用圆图)可导出谐振波长0与腔体长度l的关系为,3-54,上式表明:腔长度l固定时，对应有无穷多个谐振波长，反过来，当谐振波长0固定时，对应有无穷多个谐振长度。这表明谐振腔具有多谐性。由于同轴谐振腔的长度为0/2的整数倍，故称为二分之一波长型同轴谐振腔。,(2)/2型同轴谐振腔结构：,谐振波长,(3)电容加载同轴谐振腔结构谐振波长（频率）,3、微带谐振器由微带线构成的具有谐振特性的元件，总有一部分未被导体包围，未能构成腔体，所示称为做带谐振器。微带谐振器有微带线段谐振器、微带环形谐振器和微带盘形谐振器等形式。,(1)/2和/4微带谐振器结构：和同轴谐振腔相类似。一段两端短路或开路的微带线段可构成/2谐振器；一段一端短路另一端开路的微带线段可构成/4谐振器。与同轴谐振腔相区别的是，微带线导带的中断并非理想的开路。两端开路的/2微带谐振器可等效为上图所示的电路。因此它的谐振条件为,/4微带谐振器的谐振条件为,(2)环形微带谐振器结构及工作原理：环形微带谐振器是将微带线的导带做成闭合圆环构成的。当微带环的平均周长等于微带线带内波长的整数倍时，电磁波便能在带内形成稳定的行波振荡。谐振条件,3.4微波滤波器与铁氧体元件,3.4.1微波滤波器1、基本概念与指标微波滤波器定义：微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，而只让需要的信号通过。注：实际上很多微波元件都具有一定的频率响应特性，都可以用滤波器的理论进行分析。,微波滤波器按作用可划分为低通、高通、带通和带阻等四种类型的滤波器。为了描述滤波器的滤波特性，一般常用的是插入衰减随频率变化的曲线，如下图,参看图370,Frequency(GHz),S21(dB),阻带最小插损LAs1=30dB,通带最大衰减LAr=1.4dB,0-6-20-30,1.91,2.4,2.5,2.93,通带截止频率fcr1,通带截止频率fcr2,通带中心频率f02.45G,f,阻带最小插损LAs2=20dB,阻带下边频fcs1,阻带上边频fcs2,主要技术指标：工作频带的中心频率；带宽、通带内允许的最大衰减、通带截止频率、阻带内允许的最小衰减、阻带边频、阻带向通带过渡时的陡度和通带内群时延的变化等。,微波滤波器分类：按功能分类；按滤波器的插入衰减的频响特性分类；按构成滤波器的传输线类型分类；按工作带宽分类。微波滤波器的分析设计方法：采用集中参数滤波器的设计原理和分析方法，并根据所得的分析结果，在具体的微波结构上加以实现。,微带型微波滤波器的主要形式：,微波滤波器实例说明如何把微波滤波器等效为集中参数电路，并由此来分析它们的滤波特性。利用四分之一波长传输线并联电抗元件的滤波器结构：在均匀传输线（特性阻抗为Z0）中每隔p/4的距离安置一些不连续结构。均匀传输线可以是波导，同轴线、微带等；不连续结构等效为电抗性元件(实际结构可以是短路支线、膜片或螺钉)，如下图,特点：滤波器到底是什么性质取决于并联电抗元件的性质，而p/4传输线段本身对滤波器的性质并无贡献，它只起方便电抗元件接入的作用。分析：用集中参数等效电路来进行分析,RL,Z6,Z0,Z0,RL,Z3,利用高低阻抗线构成的滤波器结构：由不同特性阻抗的传输线级联而成。适当选取每段传输线的长度和它的特性阻抗，并按一定顺序把它们级联在在一起，就构成了高低阻抗线型式的滤波器。如下图特点：是一种低通滤波器。结构紧凑、便于设计、性能较好。,l5,l6,分析：1、均匀传输线等效于集中参数的T型或型电路,2、等效电路,等效电路中，C1为外接传输线和l0段连接时的阶梯电容Cf0，C4C6C9Cf为高低阻抗线连接时的阶梯电容,l1/21,以上结论都是在各段传输线的长度p时得到当高阻抗线特性阻抗较高时简单的可用串联电感等效，同理当低阻抗线特性阻抗较低时简单的可用并联电容等效,以上所介绍的各种微波元件,都是线性、互易的,但在许多情况下,需要具有非互易性的器件如隔离器和环形器。在非互易器件中,非互易材料是必不可少的,微波技术中应用很广泛的非互易材料是铁氧体。铁氧体：铁氧体是一种黑褐色