第五章微波元件与微波网络理论

1、第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:471 微波元件的功能：通过对导波结构的微波元件的功能：通过对导波结构的边界形状边界形状、填充介质填充介质等的控制，改变的电磁波的等的控制，改变的电磁波的模式模式、极化方向极化方向等，实现对微波信等，实现对微波信号的号的幅度幅度、相位相位的各种变换。的各种变换。一、线性互易元件一、线性互易元件 元件中元件中无非线性和非互易性物质无非线性和非互易性物质，包括：匹配负载、衰，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、减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向耦合器、阻抗

2、变换器和滤波器等。阻抗变换器和滤波器等。第五章第五章 微波元件微波元件按变换性质可将微波元件分为：按变换性质可将微波元件分为： 第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:472三、非线性元件三、非线性元件 元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换，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。包括：检波器、混频器、变频器以及从而引起频率的改变。包括：检波器、混频器、变频器以及电磁快控元件等电磁快控元件等。 波导型同轴型微带型微波元件按结构形式微波元件分类：按结构形式微波元件分类：二、线性非互易元件二、线性非互

3、易元件 元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质包括：隔离器、元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质包括：隔离器、环行器等。环行器等。第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4735.1 连接元件和终端负载5.1.1 5.1.1 波导接头波导接头 对接头的基本要求是：对接头的基本要求是：1 1）连接点接触可靠，不引起电磁的反）连接点接触可靠，不引起电磁的反射；射；2 2）输入驻波比尽可能小，一般在）输入驻波比尽可能小，一般在1.21.2以下；以下；3 3）工作频带要）工作频带要宽；宽；4 4）电磁能量无泄漏；）电磁能量无泄漏；5 5）结构牢固，装拆

4、方便，易于加工等。）结构牢固，装拆方便，易于加工等。 一、扼流法兰盘一、扼流法兰盘 短路面短路面5:5:短路面短路面34:34:开路面开路面12:12:短路面短路面第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:474工作原理：扼流槽可看作长为工作原理：扼流槽可看作长为/2/2的终端短路线，在输入口的终端短路线，在输入口处输入阻抗为处输入阻抗为0 0，此时电磁信号可以无损耗地通过连接端口，此时电磁信号可以无损耗地通过连接端口，而不会受到连接口处缝隙的影响。而不会受到连接口处缝隙的影响。优点：对加工精度和装配精度要求较低；优点：对加工精度和装配精度

5、要求较低；缺点：工作频带窄缺点：工作频带窄二、平法兰盘二、平法兰盘 优点：工作频带宽优点：工作频带宽缺点：对加工和装配精度要求高缺点：对加工和装配精度要求高第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4755.1.2 5.1.2 同轴线同轴线波导转换器波导转换器 同轴线同轴线波导波导作用：作用： 将将TEMTEM波转换为波转换为TETE1010工作原理：工作原理： 1 1、通过调整探针插入深度、通过调整探针插入深度h h，使在波导内激励场最大；，使在波导内激励场最大； 2 2、通过调整插入位置、通过调整插入位置d d，使波导内反射、传输波同相

6、；，使波导内反射、传输波同相； 3 3、利用波导高通特性过滤调所激励的高次模。、利用波导高通特性过滤调所激励的高次模。第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4765.1.3 5.1.3 波导波导微带转换器微带转换器 工作原理：工作原理： 在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段，使微带线与波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，实现阻抗匹配导间结构渐变，减小不连续性带来的反射，实现阻抗匹配第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4775

7、.1.4 5.1.4 同轴线同轴线微带转换器微带转换器 工作原理：工作原理： 同轴线中心导体电流在微带线上激励场同轴线中心导体电流在微带线上激励场 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宽度。体直径等于微带线宽度。 第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4785.1.5 5.1.5 矩形波导矩形波导圆波导转换器圆波导转换器 工作原理：工作原理： 通过矩形截面向圆口径渐变，实现矩形波导通过矩形截面向圆口径渐变，实现矩形波导圆波导转圆波导转换。由于结构

8、渐变，引起的反射极小。换。由于结构渐变，引起的反射极小。第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4795.2 波导分支接头5.2.1 E-T5.2.1 E-T分支接头分支接头一、结构一、结构主波导E臂分支(1) 当信号从当信号从3端口输入时，则端口输入时，则1和和2端口有等幅反相输出；端口有等幅反相输出；(2) 当信号由当信号由1和和2端口等幅同相输入时，端口等幅同相输入时，3端口无输出；端口无输出；(3) 当信号由当信号由1和和2端口等幅反相输入时，端口等幅反相输入时，3端口输出最大。端口输出最大。二、工作特性二、工作特性第五章 微波元

9、件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4710 02121212121212121: STE第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:47115.2.2 H-T5.2.2 H-T分支接头分支接头一、结构一、结构主波导E臂分支(1) 当信号从当信号从3端口输入时，则端口输入时，则1和和2端口有等幅同相输出；端口有等幅同相输出；(2) 当信号由当信号由1和和2端口等幅同相输入时，端口等幅同相输入时，3端口输出最大；端口输出最大；(3) 当信号由当信号由1和和2端口等幅反相输入时，端口等幅反相输入时，3

10、端口无输出。端口无输出。二、工作特性二、工作特性第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4712 11122211122211022S第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:471312345.2.3 5.2.3 双双T T分支（匹配双分支（匹配双T T） 将具有共同对称面的将具有共同对称面的E-TE-T接头和接头和H-TH-T接头组合起来，接头组合起来，即构成普通双即构成普通双T T接头接头一、结构一、结构二、工作特性二、工作特性(1) 当信号从当信号从3端口输入时，则端口输入时，

11、则1和和2端口有等幅反相输出，而端口有等幅反相输出，而4端口无输出（隔离）；端口无输出（隔离）；(2) 当信号从当信号从4端口输入时，则端口输入时，则1和和2端口有等幅同相输出，而端口有等幅同相输出，而3端口无输出（隔离）；端口无输出（隔离）；第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:47141234(3) 当信号由当信号由1和和2端口等幅同相输入端口等幅同相输入时，时，3端口无输出，端口无输出，4端口输出最端口输出最大；大；(4) 当信号由当信号由1和和2端口等幅反相输入端口等幅反相输入时，时，3端口输出最大，端口输出最大，4端口无输端口

12、无输出。出。匹配双匹配双T特性：特性：对口隔离，邻口对口隔离，邻口3dB耦合，耦合，4个端口完全匹配个端口完全匹配匹配双匹配双T可用作可用作3dB功分器或功率合成器。功分器或功率合成器。第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:47155.3 波导中的阻抗元件 电阻元件包括匹配负载和衰减器等（吸收能量）；电抗电阻元件包括匹配负载和衰减器等（吸收能量）；电抗元件包括电感元件和电容元件。元件包括电感元件和电容元件。 电感器：能够电感器：能够集中磁场集中磁场和和存储磁能存储磁能的元件；的元件； 电容器：能够电容器：能够集中电场集中电场和和存储电能

13、存储电能的元件。的元件。 5.3.1 5.3.1 终端负载及衰减器终端负载及衰减器 传输线终端所接元件称为终端负载，常用的终端负载有传输线终端所接元件称为终端负载，常用的终端负载有匹配负载和短路负载两种：匹配负载和短路负载两种： 匹配负载：将所有的电磁能量全部吸收而无反射；匹配负载：将所有的电磁能量全部吸收而无反射； 短路负载：将所有的电磁能量全部反射回去，一点能量短路负载：将所有的电磁能量全部反射回去，一点能量也不吸收也不吸收 ；一、终端负载一、终端负载第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:47161 1、匹配负载、匹配负载 功能：吸

14、收绝大部分入射波功率，使传输线无反射。功能：吸收绝大部分入射波功率，使传输线无反射。 当需让传输系统工作于行波状态时，可使用匹配负载。当需让传输系统工作于行波状态时，可使用匹配负载。1 1）结构）结构l 吸收片通常由介质片吸收片通常由介质片（如陶瓷、胶木片等）涂（如陶瓷、胶木片等）涂以金属碎末或炭木制成以金属碎末或炭木制成 吸收片放置在波导中吸收片放置在波导中电场最强处电场最强处2 2）工作原理）工作原理设输入功率设输入功率 ，吸收材料幅度衰减系数为，吸收材料幅度衰减系数为 ，则，则inPlinrePP4当当 较大时，较大时， 可极小。可极小。rPl ,第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与

15、天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4717 说明：说明： 劈尖的长度越长吸收效果越好劈尖的长度越长吸收效果越好, , 匹配性能越好匹配性能越好, , 劈尖长劈尖长度一般取度一般取g/2g/2的整数倍；的整数倍； 当功率较大时，可以在短路波导内放置锲形吸收体当功率较大时，可以在短路波导内放置锲形吸收体, , 或或在波导外侧加装散热片以利于散热；在波导外侧加装散热片以利于散热； 当功率很大时当功率很大时, , 还可采用水负载。还可采用水负载。第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:47182 2、短路负载、短路负载 功能

16、：将电磁能量全部反射回去。功能：将电磁能量全部反射回去。 结构及工作原理：结构及工作原理： 在金属波导终端接上一块金属片即可实现短路。在实际微在金属波导终端接上一块金属片即可实现短路。在实际微波系统中往往需要改变终端短路面的位置波系统中往往需要改变终端短路面的位置短路活塞。短路活塞。 扼流式短路活塞扼流式短路活塞结构及工作原理：结构及工作原理：fgfg短路短路cdcd开路开路abab短路短路优点：无接触，损耗小，寿命长优点：无接触，损耗小，寿命长缺点：带宽窄缺点：带宽窄波导结构波导结构同轴结构同轴结构第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1

17、:4719二、衰减器二、衰减器 衰减器的功能：对通过的微波能量产生衰减，从而有控衰减器的功能：对通过的微波能量产生衰减，从而有控制地减小信号幅度（制地减小信号幅度（相当于电路中的可变电阻器相当于电路中的可变电阻器）。）。理想的衰减器具有如下特性：理想的衰减器具有如下特性：1 1、输入端和输出端完全匹配，无反射；、输入端和输出端完全匹配，无反射；2 2、信号经过衰减器只存在幅度衰减而无相位改变。、信号经过衰减器只存在幅度衰减而无相位改变。 衰减器在原理上可以分为衰减器在原理上可以分为吸收式吸收式（有能量损耗）和（有能量损耗）和截止截止式式（无能量损耗）。（无能量损耗）。 固定衰固定衰减器减器可变

18、衰可变衰减器减器第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4720一、电容膜片一、电容膜片 在矩形波导的横向放置一块金属膜片，在其上对称或不在矩形波导的横向放置一块金属膜片，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，在该位置对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，在该位置处形成电场聚集处形成电场聚集电容。电容。 电容膜片电容膜片 工作原理：利用结构的形状、介质等引起的不连续性，工作原理：利用结构的形状、介质等引起的不连续性，使使得导波系统中的电场或磁场聚集得导波系统中的电场或磁场聚集，从而实现电感和电容。，从而实现电感和

19、电容。 5.3.2 5.3.2 电抗元件电抗元件 等效电路等效电路第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4721二、电感膜片二、电感膜片 波导窄壁上放置金属膜片后，会使波导宽壁上的电流产生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聚集分流，于是在膜片的附近必然会产生磁场聚集电感。电感。 电容膜片电容膜片等效电路等效电路三、谐振窗三、谐振窗 谐振窗谐振窗等效电路等效电路第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4722四、螺钉四、螺钉 通过调

20、节螺钉插入波导的深度，电纳的性质和大小可随通过调节螺钉插入波导的深度，电纳的性质和大小可随之改变。根据插入深度的不同，可实现可变电容、可变电感之改变。根据插入深度的不同，可实现可变电容、可变电感和谐振器功能。和谐振器功能。 波导可调螺钉及其等效电路波导可调螺钉及其等效电路 第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:47235.4 定向耦合器 定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件, , 它由它由主传输线主传输线、耦合传输线耦合传输线、耦合装置耦合装置构成。构成。 耦 合装 置P1P2P4P3

21、主传输线主传输线耦合传输线耦合传输线四个端口：四个端口： ：输入端：输入端 ：直通端：直通端 ：耦合端：耦合端 ：隔离端：隔离端第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:47245.4.1 5.4.1 定向耦合器的技术指标定向耦合器的技术指标 定向耦合器的主要技术指标有：耦合度、隔离度定向耦合器的主要技术指标有：耦合度、隔离度( (或方向或方向性性) )、输入驻波比和工作带宽。、输入驻波比和工作带宽。 一、耦合度一、耦合度C 定义：输入端的输入功率定义：输入端的输入功率P1与耦合端的输出功率与耦合端的输出功率P3之比的之比的分贝数，即分贝数

22、，即CPP 1013log（dB)dB) 说明：说明： 1）耦合度的愈大，耦合愈弱；）耦合度的愈大，耦合愈弱； 2）C20dB:弱耦合定向耦合器。弱耦合定向耦合器。第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4725 定义：输入端的输入功率定义：输入端的输入功率P1与隔离端的输出功率与隔离端的输出功率P4之比的之比的分贝数，即分贝数，即(dB)41log10PPI 定义：耦合端输出功率定义：耦合端输出功率P3与隔离端的输出功率与隔离端的输出功率P4之比，即之比，即CIPPPPPPD411343log10log10二、隔离度二、隔离度I 说明：

23、说明：在理想情况下在理想情况下，隔离端应无输出功率，即，隔离端应无输出功率，即P4=0P4=0，此时隔，此时隔离度离度I I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。部分功率从隔离端输出，使隔离度不再为无限大。三、方向性三、方向性D第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:4726四、输入驻波比四、输入驻波比 定义：将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负定义：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。载

24、时，输入端的驻波比。五、频带宽度五、频带宽度 定义：在耦合度、隔离度定义：在耦合度、隔离度(或方向性或方向性)及输入驻波比都满足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。指标要求时，定向耦合器的工作频带宽度，简称工作带宽。4.4.2 4.4.2 波导双孔定向耦合器波导双孔定向耦合器 一、结构一、结构 在两个波导的公共在两个波导的公共窄壁上，开两个有形状、窄壁上，开两个有形状、尺寸完全相同、尺寸完全相同、相距相距d d为为(2n(2n1)1) g0g0/4/4的耦合孔的耦合孔形成。形成。第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电

25、子工程学院1:4727 通过控制耦合孔的大小，形状以及两耦合孔的距离，使耦通过控制耦合孔的大小，形状以及两耦合孔的距离，使耦合波在合波在耦合端同相叠加耦合端同相叠加而有输出，在而有输出，在隔离端反相叠加隔离端反相叠加而无输出而无输出或减小输出，从而获得定向性。或减小输出，从而获得定向性。二、工作原理二、工作原理 三、性能参数三、性能参数 设输入信号幅度为设输入信号幅度为1 1，小孔正向耦合系数为，小孔正向耦合系数为 ，反向耦合系，反向耦合系数为数为 C 利用耦合波利用耦合波相互干涉相互干涉而实现波的定向耦合而实现波的定向耦合：C第五章 微波元件微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院1:47281 1、耦合度、耦合度C C 耦合端信号幅度为：耦合端信号幅度为： ljljljeCeCeCA2323311lg10lg10APPC)(6lg20lg204lg10dBCC2 2、隔离度、隔离度I I