长春理工微波与天线 期末考点第4章 微波元件

第四章微波元件,2020/6/13,1,2020/6/13,2,引言,微波元件分类传输线类型波导型、同轴型、微带型功能连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、相移元件、功分元件、波型变换元件、滤波元件等变换性质互易元件、非互易元件和非线性元件等,2020/6/13,3,微波元器件,2020/6/13,4,终端负载元件短路负载匹配负载失陪负载微波连接元件波导接头衰减器、移相器、转换接头匹配元件螺钉调配器多阶梯阻抗变换器渐变型阻抗变换器,2020/6/13,5,4.1连接匹配元件,连接匹配元件的要求,连接处接触电阻尽可能小连接处的缝隙不能产生微波泄漏工作频带宽安装、拆装方便,2020/6/13,6,尽量减少插入损耗！,一、终接元件-传输线终端所接的元件单端口网络匹配负载将所有的电磁能量全部吸收而无反射=1,=0短路器将所有的电磁能量全部反射=,=1,2020/6/13,7,（1）短路负载,短路负载-短路器作用-将电磁能量全部反射回去产生驻波分布的元件终端开路终端短路纯电抗元件,2020/6/13,8,向外辐射能量，不能形成纯驻波,无损耗的纯电抗负载几乎没有,最容易实现,短路负载,短路器分类固定短路器（短路片）可调短路器（短路活塞）固定短路器将传输线完全短路特点对于任何频率的电磁波，反射系数都恒等于1短路面的位置不能移动,2020/6/13,9,短路负载,可调短路器-短路活塞特点在特定的微波频率范围内，反射系数约等于1短路面的位置可以移动设计短路活塞的基本原则尽可能多地反射微波功率辐射损耗，吸收损耗都应尽量小工作频带尽量宽电接触良好，移动平滑，磨损小传输大功率时保证接触处不发生打火现象,2020/6/13,10,短路负载,可调短路器：短路活塞分类：接触式和扼流式接触式短路活塞与传输线内壁有良好的电接触并能平滑移动,2020/6/13,11,接触过紧活塞移动困难接触过松增加辐射损耗甚至造成接触点打火,弹性材料-铍青铜，磷青铜,短路活塞-扼流式,2020/6/13,12,特点：损耗小驻波比可以大于100频带较窄,一般只有10%-15%的带宽同轴S型扼流短路活塞，它具有宽带特性。,可调短路器-短路活塞优点无机械接触，无磨损电性能稳定交流短路，直流开路，可以通过它来为微波腔体内的有源器件提供直流偏置缺点工作频带窄机械加工难度较大，不适于在微波高频段使用,2020/6/13,13,（2）匹配元件,2020/6/13,14,匹配元件,全匹配负载作用-在传输系统中建立行波状态（）要求较宽的工作频带输入驻波比小一定的功率容量,2020/6/13,15,匹配元件,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，羟基铁液体：水测试实验表明，水负载的驻波比为10的属于宽带匹配负载带内驻波比为1.051.20是比较好的匹配负载，相当于99.99899.2的入射功率被负载吸收,2020/6/13,18,常用的匹配负载,2020/6/13,19,2020/6/13,20,小功率同轴线匹配负载的应用仪器、设备校准,匹配负载的应用,2020/6/13,21,微波元器件的闲置端口都必须配置匹配负载。右图为波导型定向耦合器，其4端口配置了一个小功率匹配负载。,2020/6/13,22,微波元器件的闲置端口都必须配置匹配负载。右图为微带线型耦合器，其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。,（3）失配负载,2020/6/13,23,二、微波连接元件,连接元件接头：把相同传输线连接在一起的装置转接元件：把不同类型传输线连接在一起的装置接头连接点接触可靠;输入驻波比尽可能小1.2;工作频带要宽;无泄漏结构要牢靠，装拆方便，容易加工等,2020/6/13,24,常用射频/微波接头,2020/6/13,25,波导接头,接头（法兰盘）,2020/6/13,26,平接头机械加工要求高,抗流接头真正短路,抗流法兰盘,2020/6/13,27,2020/6/13,28,图54波导扭转与弯曲元件(a)波导扭转（b）E面弯曲（c）H面弯曲,扭转元件：当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时;弯曲元件：当需要改变电磁波的方向时，可用波导弯曲。为了使反射最小,扭转长度应为(2n+1)/4,E面波导弯曲的曲率半径应满足R1.5b,H面弯曲的曲率半径应满足R1.5a。,扭转与弯曲元件,转换接头（1）,转接元件-将不同类型传输线或元件连接阻抗匹配模式的变换同轴线波导转接器内导体插入深度h偏心距d短路活塞位置l,2020/6/13,29,转换接头（2）,波导微带转接器,2020/6/13,30,波导(Ze=400-500)微带线(Z0=50)中间加脊波导过渡段实现阻抗匹配,转换接头（3）,同轴线微带转接器,2020/6/13,31,同轴线内导体直径的选取与微带线的特性阻抗有关通常使内导体直径等于微带线中心导带宽度,转换接头（4）,矩形波导圆波导模式变换器大多采用波导横截面的逐渐变化来达到模式的变换,2020/6/13,32,衰减器和移相器,二端口网络衰减器作用：对通过它的微波能量产生衰减移相器作用：对通过它的微波信号产生一定的相移，但能量无衰减,2020/6/13,33,衰减器,分类按是否可调分固定衰减器可变衰减器按工作原理分吸收衰减器截止衰减器极化衰减器,2020/6/13,34,吸收式衰减器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,2020/6/13,35,同轴衰减器,截止式衰减器的工作原理在传输线中插入一小段横向尺寸较小的传输线段，使电磁波在这一小段传输线内处在截止状态下传输，即电磁波经过这段传输线后微波能量很快衰减，控制截止传输线的长度，就可以调节衰减量的大小,2020/6/13,36,移相器,移相器对电磁波只产生一定的相移的微波元件，是一个无反射、无衰减的二端口网络原理相移量常用的移相器：介质移相器,2020/6/13,37,改变相位的方法改变l或改变p,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,2020/6/13,38,消除反射波,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,2020/6/13,39,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，同轴线螺钉调配器调节范围：0+单螺钉、双螺钉、三螺钉、四螺钉用于波导,2020/6/13,40,阻抗调配器和阻抗变换器,阻抗变换器单节阻抗变换器-/4阻抗变换器缺点：频带窄Z1、Z3差距大时，尺寸突变大，不连续电容大,2020/6/13,41,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,2020/6/13,42,渐变线阻抗变换器渐变线，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,2020/6/13,43,曲线类型：指数型、三角函数型、切比雪夫型。特点：工作频带无上限！,螺钉调配器,2020/6/13,44,电感，易击穿,串联谐振,电容,应用于低功率微波装置中，特点：频带窄！,4.2功率分配器,波导分支器E-TH-T分支双T魔T定向耦合器双孔定向耦合器双分支定向耦合器功率分配器2路微带功率分配器环形电桥,2020/6/13,45,2020/6/13,46,E-T分支,H-T分支,1.波导分支器-功分器、功率合成器,ET分支,ET分支（总与反相联系）,2020/6/13,47,1、口输入，、均有输出2、口输入，、均有输出3、口输入，、等幅反相输出4、等幅同相输入，口无输出5、等幅反相输入，口输出最大,HT分支,HT分支（总与同相联系）,2020/6/13,48,1、口输入，、均有输出2、口输入，、均有输出3、口输入，、等幅同相输出3、等幅同相输入，口输出最大4、等幅反相输入，口无输出,HT分支,2020/6/13,49,功率合成（分配）器ET分支口输入，、等幅反相输出（分路）、等幅反相输入，口输出最大（合成）HT分支口输入，、等幅同相输出（分路）、等幅同相输入，口输出最大（合成）,2020/6/13,50,波导型定向耦合器通过在主副波导的公共壁上的耦合孔来实现副波导各端口的输出功率的大小，决定于耦合孔的大小、形状和位置,2020/6/13,51,（b）多孔定向耦合器,（a）宽壁斜交单孔耦合器,（c）十字孔定向耦合器,双T和魔T双T：将具有共同对称面的ET接头和HT接头组合起来、平分臂，、隔离臂,2020/6/13,52,双T性质（1）口输入，、等幅反相输出，口输出为0（2）口输入，、等幅同相输出，口输出为0（3）、等幅同相输入，口无输出，口有输出（4）、等幅反相输入，口有输出，口无输出,双T,2020/6/13,53,双T散射矩阵可逆无耗四端口网络（互易、对称）,2020/6/13,54,魔T（匹配双T）匹配特性在理想情况下，四个端口完全匹配只要、口匹配，、口一定匹配隔离特性当、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=-S42,2020/6/13,55,2020/6/13,56,魔T的散射矩阵-理想的3dB定向耦合器,2.定向耦合器,应用监视功率、频率、频谱功率分配、合成混频器、测量电桥测量反射波,2020/6/13,57,定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件,它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的。,定向耦合器-分类,2020/6/13,58,2020/6/13,59,（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,2020/6/13,60,4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,2020/6/13,61,2020/6/13,62,定向耦合器的结构与散射矩阵,端口“”为输入端端口“”为直通输出端端口“”为耦合输出端端口“”为隔离端,散射矩阵为：,2020/6/13,63,定向耦合器的网络分析,a.互易：Sij=Sji,则网络化为：,b.对称，且关于xx和yy对称：Sii=Sjj,S12=S34,S13=S24,S14=S23,2020/6/13,64,c.负载匹配：Sii=Sjj=0,则网络化为：,d.无耗：S+S=I,则：,对于正向定向耦合器，4端口为隔离输出端，则S14=0。,2020/6/13,65,如，要求2、3端输出的信号等幅，相差90则S矩阵为：,定向耦合器的技术指标耦合度C输入端口的输入功率P1和耦合端口的输出功率P3之比的分贝数,2020/6/13,66,可逆四端口网络,耦合度越大耦合越弱,定向性D耦合端口和隔离端口的输出功率之比的分贝数来表示定向耦合器的定向传输性能，称为定向性DD愈大,隔离端口输出愈小,定向性愈好,2020/6/13,67,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。工作频带宽度满足定向耦合器指标要求的频率范围,2020/6/13,68,波导双孔定向耦合器,2020/6/13,69,两孔间距：,端口“”入射TE10波，入射波振幅归一化为1。第一个小孔耦合到副波导中的波为u-41=q和u-31=q,q为小孔耦合系数。,2、第二个小孔处耦合到副波导处的波分别为：u-42=qe-jd和u-32=qe-jd,2020/6/13,70,3、端口“”输出合成出射波为：,u-3=u-31e-jd+u-32=2qe-jd,4、端口“”输出合成的出射波为,u-4=u-41+u-42e-jd=q(1+e-j2d)=2qcosde-jd,5、波导双孔定向耦合器的耦合度为,定向度为：,工作在中心频率时,D;当偏离中心频率时,D不再为无穷大，窄带！,双分支定向耦合器和端口反向，反向定向耦合器和端口的输出信号相位差90,故又称为90反向定向耦合器,2020/6/13,71,2020/6/13,72,输入,ABCADC，路程相同C点相加有输出输入，ADABCD两路路程差为p0/2相位差为口无输出,3.功率分配器,2020/6/13,73,将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器。等功率分配器和不等功率分配器大功率往往采用同轴线，中小功率常采用微带线,功率分配器,2020/6/13,74,(1)两路微带功率分配器两路微带功率分配器的平面结构如图所示,其中输入端口特性阻抗为Z0,分成的两段微带线电长度为g/4,特性阻抗分别是Z02和Z03,终端分别接有电阻R2和R3。,2020/6/13,75,端口“”无反射;端口“、”输出电压相等且同相;端口“、”输出功率比值为任意指定值,设为根据以上三条有,功率分配器的基本要求如下:,2020/6/13,76,由传输线理论有,2020/6/13,77,实际，在“、”端跨接电阻Rj,既不影响功率分配器性能,又可增加隔离度。于是实际功率分配器平面结构如图5-20所示,其中Z04、Z05及Rj由以下公式确定:,2020/6/13,78,图5-20实际功率分配器平面结构图,微带环形电桥,2020/6/13,79,图521微带环形电桥结构,工作原理：1）1端入，2、4出等幅同相，3无输出2）2端入，1、3出等幅反相，4无输出3）3端入，2、4出等幅反相，1无输出4）4端入，1、3出等幅同相，2无输出综合：相邻端有输出，对角端无输出,2020/6/13,80,设环路各段归一化特性导纳分别为a、b、c,而四个分支的归一化特性导纳为1。则满足上述端口输入输出条件下,各环路段的归一化特性导纳为,而对应的散射矩阵为,4.3微波谐振器,微波谐振器微波系统中常用的重要元件具有储能与选频特性的微波元件应用微波信号源、微波滤波器及波长计、速调管、磁控管等微波电子管的重要组成部分微波加热器-微波炉构成由一段两端短路或两端开路的传输线段组成低损耗介质块,2020/6/13,81,2020/6/13,82,图525各种微波谐振器,微波谐振器-简介,2020/6/13,83,2a=11mm，h=8mmf0=4.2GHz，C波段,2a=4mm，h=3.5mmf0=12GHz，Ku波段,分类传输线型谐振器-两端被开路或短路的传输线矩形谐振器圆柱谐振器同轴谐振器带状线谐振器微带谐振器开放式谐振腔非传输线型谐振器-特殊形状谐振器速调管磁控管行波管,2020/6/13,84,微波源,导体板的尺度远大于微波波长,LC谐振回路在高频的局限性频率升高，损耗急剧增加，品质因数大大降低，选频特性变差；频率升高，电感器和电容器制作困难,2020/6/13,85,2020/6/13,86,图526微波谐振器的演化过程,与LC谐振回路的相似之处,2020/6/13,87,与LC谐振回路的区别能量分布LC谐振回路：电场能量C，磁场能量L微波谐振器：电场能量和磁场能量是空间分布的谐振频率LC谐振回路：唯一谐振频率f0微波谐振器：无限多个谐振频率f0品质因数微波谐振器集中较多的能量，损耗较小，因此它的品质因数远大于LC集中参数回路的品质因数,2020/6/13,88,微波谐振器的基本参量,三个基本参量谐振频率f0(或谐振波长0)品质因数Q0等效电导G0谐振频率f0谐振器中某个模式的场发生谐振的频率谐振频率可采用电纳法分析谐振时,谐振器内电场能量和磁场能量自行彼此转换,故谐振器内总的电纳为零,2020/6/13,89,谐振频率,谐振频率f0等效电路，将所有的等效电纳归算到同一个参考面上,2020/6/13,90,f0,谐振频率,2020/6/13,91,谐振频率由振荡模式、腔体尺寸以及腔中填充介质(,)所确定；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。,结论,品质因素,品质因素Q0描写谐振器的选择性的优劣和能量损耗的大小,2020/6/13,92,品质因素Q0谐振时,电磁场的总储能为谐振器的损耗导体损耗介质损耗辐射损耗,2020/6/13,93,封闭腔=0,无介质损耗,壁电流的热损耗,无载品质因数描述了谐振腔储能和谐振腔本身耗能的情况有载品质因数描述了谐振腔储能和谐振腔及其耦合装置的耗能情况,2020/6/13,94,外界负载吸收的功率,2020/6/13,95,结论:，应选择谐振器形状使其大;因谐振器线尺寸与工作波长成正比即V,S,故有Q0,由于仅为几微米,对厘米波段的谐振器,其Q0值将在104-105量级。,同轴线谐振腔,同轴线谐振腔利用同轴线中的驻波振荡构成的谐振腔同轴线单模传输条件优点振荡模式最简单工作稳定工作频带宽,2020/6/13,96,同轴谐振腔的种类/4同轴腔/2同轴腔电容加载同轴腔/2型同轴谐振腔由两端短路（或开路）的一段同轴线构成,2020/6/13,97,当腔的长度一定时每对应一个n值就有一个谐振波长,即对应于一种模式,/2型同轴谐振腔的品质因数,2020/6/13,98,(D/d)=3.6时，同轴腔的品质因数Q0达最大,/4同轴腔将同轴线一端短路,另一端开路谐振时,从参考面T看进去的导纳为零,2020/6/13,99,/4同轴腔的品质因数实际应用中，延长外导体长度，成为一截止圆波导，避免开路端向外辐射,2020/6/13,100,(D/d)=3.6时，同轴腔的品质因数Q0达最大,电容加载同轴腔一端短路,另一端的内导体的端面与外导体的短路面之间形成一个集中电容由参考面T向右和向左看的电纳分别为,2020/6/13,101,电容加载同轴腔将缝隙电场近似看作均匀分布，则式中C可按平板电容公式计算特点加载电容腔的长度总小于/4损耗大，Q值低,2020/6/13,102,矩形谐振腔,构成在矩形波导上相距为l的两处位置上用理想导体短路，就构成了矩形谐振腔振荡模式及其场分布矩形波导TE模和TM模谐振腔TEmnp和TMmnp，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,2020/6/13,103,矩形谐振腔,最低振荡模TE101谐振波长谐振条件与/2同轴腔相同,但由于波导中传输的波是色散波,故波长应指波导波长p,2020/6/13,104,所有谐振腔,矩形谐振腔,谐振波长TE101模的谐振波长相同m、n及p的TE振荡模和TM振荡模的谐振波长相等,故TE振荡模和TM振荡模互为简并模,2020/6/13,105,矩形谐振腔,简并模若：a=b=l，则H101，H011，E110是简并模式简并模式的特点就是它们具有相同的谐振频率和不同的电磁场空间分布结构应用-微波炉，加热器、干燥器获得较均匀的加热效果,2020/6/13,106,4.4微波滤波器,微波滤波器分类按功能低通（LPF）高通（HPF）带通（BPF）带阻（BSF）按衰减频率特性响应最大平坦式切比雪夫式椭圆函数式,2020/6/13,107,微波滤波器的主要技术指标工作频率:滤波器的通带频率范围,有两种定义方式：3dB带宽插损带宽通带内允许的最大插入衰减LAr(dB)阻带内允许的最小衰减LAs(dB)及相应的阻带频率fs带内波纹,2020/6/13,108,微波滤波器的衰减特性,2020/6/13,109,微波滤波器的衰减特性,2020/6/13,110,2020/6/13,111,微波滤波器的设计方法经典方法：即低通原型综合法先由衰减特性综合出低通原型再进行频率变换最后用微波结构实现电路元件。结合数学计算软件(如Mathcad、MATLAB等)和微