常用微波元件

会计学1常用微波元件

线性互易元器件只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性，并满足互易定理,它主要包括各种微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件等;线性非互易元器件主要是指铁氧体器件,它的散射矩阵不对称,但仍工作在线性区域,主要包括隔离器、环行器等;非线性元器件能引起频率的改变,从而实现放大、调制、变频等,主要包括微波电子管、微波晶体管、微波固态谐振器、微波场效应管及微波电真空器件等。本章主要介绍一些常用元件的工作原理和基本特性第1页/共74页

短路负载又称为短路器，它的作用是将电磁能量全部反射回去。将同轴线和波导终端短路，即分别成为同轴线和波导固定短路器。

实际很多情况下将短路负载做成可调的，其主要的要求为：1)保证接触处的损耗小，其反射系数的模接近12)当活塞移动时，接触损耗的变化要小。3)大功率条件下，活塞与波导(同轴导体)之间不能发生打火现象。1、短路负载8.1一端口元件一端口元件常用的有短路负载、匹配负载以及失配负载。2、短路负载的实现形式：接触式和扼流式两种(1)接触式波导接触式短路器第2页/共74页同轴接触式短路器短路器的电流分布

从电流分布可以看出，其在短路处的电流为最大值，相应的开路端为电流节点。

优缺点：结构简单；缺点是活塞移动时接触不恒定，弹簧片会逐渐磨损，大功率时，容易发生打火现象。第3页/共74页(2)扼流式波导扼流式短路器同轴扼流式短路器扼流式短路器的等效电路从等效电路可以看出，其输入阻抗第4页/共74页(二)匹配负载

匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在传输系统工作于行波状态时，都要用到匹配负载。

对匹配负载的基本要求是：（1）有较宽的工作频带，（2)输入驻波比小和一定的功率容量。

第5页/共74页6.2二端口元件1.无耗二端口网络的基本性质二端口元件等效为二端口微波网络，其散射矩阵为：第6页/共74页第7页/共74页2.连接元件连接元件的作用是将作用不同的微波元件连接成完整的系统。主要技术指标：插入损耗、驻波比，功率容量、工作频带等。第8页/共74页（二）转接元件

在将不同类型的传输线或元件连接时，不仅要考虑阻抗匹配，而且还应该考虑模式的变换。

1、同轴线波导转换器

连接同轴线与波导的元件，称为同轴线波导转换器，其结构如图所示。2、波导微带转接器

通常在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。

同轴线波导

波导微带

第9页/共74页(2)拐角、弯曲和扭转元件同轴线微带

3、

同轴线微带转接器

微波系统中为了改变电磁波传播的方向，需要采用拐角和弯曲元件；当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向的时候，需要用到扭转元件。技术指标：反射应尽可能的小、工作频带尽可能的宽，功率容量。第10页/共74页第11页/共74页3、匹配元件(1)膜片

波导中的膜片是垂直于波导管轴的金属片，有对称和不对称之分。一般在调谐的时候采用不对称膜片结构，而当负载输出要求对称输出的时候很，则需要对称膜片。膜片可分成感性膜片、容性膜片。膜片实现匹配的原理：利用膜片产生的反射波来抵消负载不匹配而产生的反射波(注意是相差造成的抵消)1、电感膜片：如图所示的膜片波导中传输的TE10模的磁场在膜片处集中，得到加强，呈电感性。称为电感膜片。

电感膜片及其等效电路第12页/共74页当膜片的厚度可以忽略的时候，膜片的归一化电纳近似表示为：2、电容膜片：如图所示的膜片波导中传输的TE10模的电场在膜片处集中，得到加强，呈电容性，称为电容膜片。当膜片的厚度可以忽略的时候，膜片的归一化电纳近似表示为：

电容膜片及其等效电路第13页/共74页3、谐振窗当感性膜片和容性膜片组合在一起，如图所示，即构成所谓的谐振窗。其等效电路相当于并联谐振回路，针对于某个频率，将产生谐振，从而使得电磁波无衰减的通过。平行耦合带线的奇偶模电场线分布

谐振窗的材料：玻璃、聚四氟乙烯、陶瓷片，金属片等等。第14页/共74页(2)、销钉销钉是垂直于波导宽边的金属圆棒。如图所示，在波导中其电感作用，常用于构成波导滤波器。第15页/共74页销钉的相对电纳和棒的粗细有关，棒越细，电感量越大，其相对电纳越小，同样粗细的棒，根数越多，相对电纳越大。置于a/2处的单根销钉相对电纳的近似值可以通过下面的式子来求：(3)、螺钉调配器用膜片和销钉第16页/共74页4衰减器和移相器

衰减器和移相器均属于二端口网络。衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减；移相器的作用: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。衰减器和移相器联合使用，可以调节导行系统中的电磁波的传播常数。一、衰减器

理想的衰减器应是只有衰减而无相移(相移量为0)的二端口网络，其散射矩阵为

:衰减器的衰减量表示为：

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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，这种衰减器称为吸收衰减器，如图所示。

(1)吸收式衰减器第18页/共74页二、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，它是一个无反射、无衰减的二端口网络，其散射矩阵为：其中移相器的相移量为：

因此，可变移相器与可变衰减器在结构形式上完全相似，所不同的是：衰减器使用的是衰减片，而移相器使用的是介质片。第19页/共74页8.3三端口元件即具有三个端口波导、微带、同轴接头的器件，如功率分配器，环形器等等。1、无耗三端口网络的性质第20页/共74页第21页/共74页第22页/共74页上述散射参数矩阵[ST]和[SR]不同，表示的是非互易无耗三端口网络为一个理想的环形器，对应的功率流的方向不同。第23页/共74页第24页/共74页2.三端口功率分配/合成元件通常有E-T、H-T以及电阻性功率分配器和wilkinson功率分配器1)T型接头

如图所示，T型接头是一种最简单的功率分配、合成器件。其可以用任何的导行系统来实现。有互易、无耗网络的性质，可以知道其不可能实现三个端口同时匹配。第25页/共74页无耗T型接头的传输线模型第26页/共74页3.波导分支器

将微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器,它是微波功率分配器件的一种,常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。

(1)E-T分支E面T型分支器是在主波导宽边面上的分支,其轴线平行于主波导的TE10模的电场方向,简称E-T分支。其结构及等效电路如图5-22所示,由等效电路可见,E-T分支相当于分支波导与主波导串联。图5-22E-T分支结构及等效电路第27页/共74页

当微波信号从端口“③”输入时,平均地分给端口“①、②”,但两端口是等幅反相的;当信号从端口“①、②”反相激励时,则在端口“③”合成输出最大;而当同相激励端口“①、②”时,端口“③”将无输出。由此可得E-T分支的［S］参数为第28页/共74页第29页/共74页第30页/共74页第31页/共74页(2)H-T分支H-T分支是在主波导窄边面上的分支,其轴线平行于主波导TE10模的磁场方向,其结构及等效电路如图5-23所示,可见H-T分支相当于并联于主波导的分支线。当微波信号从端口“③”输入时,平均地分给端口“①、②”,这两端口得到的是等幅同相的TE10波;当在端口“①、②”同相激励时,端口“③”合成输出最大,而当反相激励时端口“③”将无输出。H-T分支的散射矩阵为：图5-23H-T分支结构及等效电路第32页/共74页第33页/共74页第34页/共74页第35页/共74页第36页/共74页(3)匹配双T

将E-T分支和H-T分支合并,并在接头内加匹配以消除各路的反射,则构成匹配双T,也称为魔T,如图所示。它有以下特征：:魔T的结构第37页/共74页

①四个端口完全匹配;②端口“①、②”对称,即有S11=S22;③当端口“③”输入,端口“①、②”有等幅同相波输出,端口“④”隔离;④当端口“④”输入,端口“①、②”有等幅反相波输出,端口“③”隔离;⑤当端口“①”或“②”输入时,端口“③、④”等分输出而对应端口“②”或“①”隔离;第38页/共74页⑥当端口“①、②”同时加入信号,端口“③”输出两信号相量和的倍,端口“④”输出两信号差的倍。端口“③”称为魔T的H臂或和臂,而端口“④”称为魔T的E臂或差臂。根据以上分析,魔T各散射参数有以下关系:第39页/共74页网络是无耗的,则有［S］+［S］=［I］以上两式经推导可得魔T的［S］矩阵为

总之,魔T具有对口隔离,邻口3dB耦合及完全匹配的关系,因此它在微波领域获得了广泛应用,尤其用在雷达收发开关、混频器及移相器等场合。

第40页/共74页(4)对称Y分支三个端口对称且互易第41页/共74页第42页/共74页第43页/共74页3)电阻性功率分配器根据三端口网络的性质，当网络含有有耗元件的时候，可以将所有端口实现匹配。如图所示，其端口均接Z0的特性阻抗，从接头看，其端口阻抗Z为：等分三端口电阻性功率分配器第44页/共74页第45页/共74页第46页/共74页Wilkinson微带功分器T型接头的确定是三个端口不能同时做到匹配，输出端口之间没有任何隔离，电阻性功率分配可以实现三个端口完全匹配，但是输出端口之间仍然达不到隔离要求，由三端口的网络特性可以知道，有耗元件能实现端口完全匹配且输出端口之间具有隔离。功率分配器中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即(Wilkinson功率分配器)。右图是微带三端口功分器原理图。信号由1端口(所接传输线的特性阻抗为Z0)输入，分别经过特性阻抗为Z02、Z03的两段微带线从2和3端口输出，负载电阻分别为R2及R3。两段传输线在中心频率时电长度均为

=/2，它们之间没有耦合。微带三端口功分器原理图第47页/共74页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：第48页/共74页按条件(3)，由上式可得若取，则有由条件(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。如图由于在中心频率处电刻度

=/2，Zin2=Z022/R2，Zin3=Z032/R3为纯电阻，则端口1的输入导纳为：如以输入电阻表示功率比,则：可解得：第49页/共74页8.4四端口元件即具有四个端口波导、微带、同轴接头的器件，如双T、魔T、定向耦合器和混合电桥等等。1、无耗互易四端口网络的基本性质第50页/共74页第51页/共74页第52页/共74页第53页/共74页第54页/共74页第55页/共74页第56页/共74页第57页/共74页第58页/共74页2、定向耦合器的技术指标

耦合器的对称性指标种类和结构

第59页/共74页第60页/共74页第61页/共74页定向耦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，分别对应右图所示的1、2、3和4端口。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。

(一)

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（dB)第62页/共74页由此可见耦合度的分贝数愈大耦合愈弱。通常把耦合度为-10~0dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器；把耦合度为-20~-10dB的定向耦合器称为中等耦合