第5部分 微波元件(新5.1 5.2)

1、5.1 5.1 一端口元件一端口元件 5.2 5.2 二端口元件二端口元件 5.3 5.3 三端口元件三端口元件 5.3 5.3 四端口元件四端口元件 5.1 5.1 一端口元件一端口元件 5.2 5.2 二端口元件二端口元件 5.3 5.3 三端口元件三端口元件 5.3 5.3 四端口元件四端口元件 返回 導(dǎo)行系統(tǒng)導(dǎo)行系統(tǒng) 波導(dǎo)型波導(dǎo)型 同軸線型同軸線型 微帶線型微帶線型 微波元件微波元件 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 微波系統(tǒng)微波系統(tǒng)是由有源是由有源微波電路微波電路和和微波無源元件微波無源元件組成組成。 多模元件多模元件 工作波型工作波型 單模元件單模元件 有：連接元件、終端元件、匹配元件、有：連接元件、終端

2、元件、匹配元件、 衰減與相移元件、分路元件、濾波元件等衰減與相移元件、分路元件、濾波元件等。 測量測量 信號源信號源隔離器隔離器衰減器衰減器相移器相移器 定向定向 耦合器耦合器 負(fù)載負(fù)載 濾波器濾波器 網(wǎng)絡(luò)按端口可分為一端口網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)按端口可分為一端口網(wǎng)絡(luò)、 二端口網(wǎng)絡(luò)二端口網(wǎng)絡(luò)、 三端口網(wǎng)絡(luò)三端口網(wǎng)絡(luò)、 四端口網(wǎng)絡(luò)四端口網(wǎng)絡(luò)。 一端口元件（單端口元件）：一端口元件（單端口元件）： 也就是向外只有一個端口的網(wǎng)絡(luò)，它是作為負(fù)載來應(yīng)用的。也就是向外只有一個端口的網(wǎng)絡(luò)，它是作為負(fù)載來應(yīng)用的。 a b 單 口 元 件 L 作為網(wǎng)絡(luò)，它只需要一個作為網(wǎng)絡(luò)，它只需要一個 參量即可表示參量即可表示： 0 0

3、11 ZZ ZZ S 匹配負(fù)載匹配負(fù)載 短路負(fù)載短路負(fù)載 失配負(fù)載失配負(fù)載 一端口元件一端口元件 天線天線 對應(yīng)于上述三種負(fù)載類型，其端口的反射系數(shù)分別表對應(yīng)于上述三種負(fù)載類型，其端口的反射系數(shù)分別表 現(xiàn)為：現(xiàn)為： 短路負(fù)載短路負(fù)載= 匹配負(fù)載匹配負(fù)載= 0 失配負(fù)載失配負(fù)載| =常數(shù)。常數(shù)。 單端口元件單端口元件 b a b a j e 短路器，其作用是將電磁波能量全部反射回去。短路器，其作用是將電磁波能量全部反射回去。 1 短路負(fù)載短路負(fù)載 將波導(dǎo)將波導(dǎo)/同軸線的終端短路同軸線的終端短路(用金屬導(dǎo)體用金屬導(dǎo)體 全部封閉起來全部封閉起來)， 即構(gòu)成波導(dǎo)或者同軸線短路負(fù)載。即構(gòu)成波導(dǎo)或者同軸線

4、短路負(fù)載。 實(shí)際中，短路負(fù)載都是做成可調(diào)的，實(shí)際中，短路負(fù)載都是做成可調(diào)的， 稱為可調(diào)短路活塞。稱為可調(diào)短路活塞。 (1) 保證接觸處的損耗小保證接觸處的損耗小， ； (2) 當(dāng)活塞移動時(shí)，接觸損耗變化小當(dāng)活塞移動時(shí)，接觸損耗變化?。?(3) 大功率時(shí)，活塞與波導(dǎo)壁間不應(yīng)產(chǎn)生打火現(xiàn)象大功率時(shí)，活塞與波導(dǎo)壁間不應(yīng)產(chǎn)生打火現(xiàn)象。 1 要求要求： 1 短路負(fù)載短路負(fù)載 短路器的輸入阻抗為短路器的輸入阻抗為: 短路器的輸入端反射系數(shù)為短路器的輸入端反射系數(shù)為: in00 tantanZjZjZl 2 000 11 000 tan1tan tan1tan j in in ZZjZZj Se ZZjZZj

5、 1 短路負(fù)載短路負(fù)載 結(jié)構(gòu)方式：接觸式、扼流式結(jié)構(gòu)方式：接觸式、扼流式 彈簧片構(gòu)成，其長度為彈簧片構(gòu)成，其長度為 ， 接觸點(diǎn)為高頻電流節(jié)點(diǎn)接觸點(diǎn)為高頻電流節(jié)點(diǎn), ,以減少以減少 損耗。損耗。 4/ g （1）接觸式接觸式 缺點(diǎn)：接觸不恒定，大功率時(shí)易產(chǎn)生缺點(diǎn)：接觸不恒定，大功率時(shí)易產(chǎn)生 打火現(xiàn)象打火現(xiàn)象。 (a)滑塊式滑塊式(b)彈性片式彈性片式(c)同軸線式同軸線式 2 01 () () inab incd Z Z Z = （2）扼流式扼流式 等效電路在等效電路在abab上的輸入阻上的輸入阻抗抗 其其損耗小損耗小且且穩(wěn)定穩(wěn)定，但，但活塞長活塞長且且頻帶頻帶只能做到只能做到1015%的帶寬的

6、帶寬。 (a)波導(dǎo)型波導(dǎo)型(b)等效電路等效電路 Rk為接觸電阻為接觸電阻 全部吸收輸入功率全部吸收輸入功率的元件的元件。 作為作為匹配標(biāo)準(zhǔn)匹配標(biāo)準(zhǔn)、等效天線等效天線、吸收負(fù)載吸收負(fù)載等等。 主要技術(shù)指標(biāo)：主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率工作頻率f f、輸入駐波比輸入駐波比、功率容量功率容量。 0 ZZL 2 匹配負(fù)載匹配負(fù)載 低功率波導(dǎo)匹配負(fù)載一般為一段終端短路的波導(dǎo)，在其里面低功率波導(dǎo)匹配負(fù)載一般為一段終端短路的波導(dǎo)，在其里面 沿電場方向放置一塊或者數(shù)塊劈形吸收片或者楔形吸收體，沿電場方向放置一塊或者數(shù)塊劈形吸收片或者楔形吸收體， 如圖所示：如圖所示： 2 匹配負(fù)載匹配負(fù)載 尖劈是一種緩變過渡結(jié)構(gòu)，

7、實(shí)踐表明，由此引起的對波的尖劈是一種緩變過渡結(jié)構(gòu)，實(shí)踐表明，由此引起的對波的 反射遠(yuǎn)小于突變結(jié)構(gòu)，且尖劈劈角越小，即斜面拉得越長，反射遠(yuǎn)小于突變結(jié)構(gòu)，且尖劈劈角越小，即斜面拉得越長， 匹配性能愈好。這種小功率匹配負(fù)載允許耗散的平均功率匹配性能愈好。這種小功率匹配負(fù)載允許耗散的平均功率 達(dá)瓦級，一般可在達(dá)瓦級，一般可在1015頻帶內(nèi)達(dá)到駐波比頻帶內(nèi)達(dá)到駐波比1.05 的近于理想的匹配程度。的近于理想的匹配程度。 同軸線匹配負(fù)載是在內(nèi)外導(dǎo)體之間放入圓錐形或同軸線匹配負(fù)載是在內(nèi)外導(dǎo)體之間放入圓錐形或 者階梯型吸收體，如圖所示：者階梯型吸收體，如圖所示： 2 匹配負(fù)載匹配負(fù)載 高功率時(shí)需要考慮熱量的吸

8、收和發(fā)散問題。吸收高功率時(shí)需要考慮熱量的吸收和發(fā)散問題。吸收 物體可以是固體物體可以是固體( (如石墨和水泥混合物如石墨和水泥混合物) )或液體或液體( ( 通常用水通常用水) )。 2 匹配負(fù)載匹配負(fù)載 功功 率率 小功率匹配負(fù)載小功率匹配負(fù)載 中功率匹配負(fù)載中功率匹配負(fù)載 大功率水負(fù)載大功率水負(fù)載 頻頻 帶帶 寬帶匹配負(fù)載寬帶匹配負(fù)載 窄帶匹配負(fù)載窄帶匹配負(fù)載 材材 料料 木材、石墨、羰基鐵、吸收負(fù)載木材、石墨、羰基鐵、吸收負(fù)載 2 匹配負(fù)載匹配負(fù)載 1 1 VSWR + G = - G 0 0 ZZ ZZ - G = + 作為標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載。作為標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載。 吸收一部分功率，反射一部分功

9、率。吸收一部分功率，反射一部分功率。 Z0為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)等效特性阻抗，為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)等效特性阻抗，Z Z為失配負(fù)載波導(dǎo)的等效阻抗為失配負(fù)載波導(dǎo)的等效阻抗 3 失配負(fù)載失配負(fù)載 天線是任何無線電系統(tǒng)的基本組成部分 天線是一種用來發(fā)射或者接收電磁波的器件 天線是將傳輸線中的導(dǎo)行電磁波轉(zhuǎn)化為空間電磁波 IEEE：發(fā)射或者接收系統(tǒng)的一部分，為發(fā)射或者接收 電磁波而設(shè)計(jì) 4 天線天線 發(fā)射天線的作用是將發(fā)射機(jī)的高頻電流（或波導(dǎo) 系統(tǒng)中的導(dǎo)行波）的能量有效地轉(zhuǎn)換成空間的電 磁能量。而接收天線的作用則恰恰相反。因此天 線實(shí)際上是一個換能器換能器。 高頻電流 高頻電流 發(fā)射機(jī) 發(fā)射天線 接收機(jī) 接收天線 Wave 發(fā)

10、射天線應(yīng)能使電磁波的能量集中輻射到所規(guī)定 的方向或區(qū)域內(nèi)，并抑制對其它不需要方向或區(qū) 域的輻射。接收天線應(yīng)對某個方向的來波接收最 強(qiáng)，而抑制其它方向來波的干擾。也就是說天線 應(yīng)該有一定的方向性方向性。 發(fā) 射 天 線 接 收 天 線 wave 避免能量損耗避免能量損耗 防止干擾防止干擾 天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰俊?這 首先要求天線是一個良好的電磁開放系統(tǒng), 其次要求天線與 發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配。 天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上, 或?qū)Υ_定方 向的來波最大限度的接受, 即天線具有方向性。 天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波, 即天線有適當(dāng)?shù)?極化。 天線應(yīng)有足夠的工作頻

11、帶。 5.1 5.1 一端口元件一端口元件 5.2 5.2 二端口元件二端口元件 5.3 5.3 三端口元件三端口元件 5.3 5.3 四端口元件四端口元件 5.1 5.1 一端口元件一端口元件 5.2 5.2 二端口元件二端口元件 5.3 5.3 三端口元件三端口元件 5.3 5.3 四端口元件四端口元件 2221 1211 SS SS S 2112 SS *USS 返回 1. 1. 二端口網(wǎng)路性質(zhì)二端口網(wǎng)路性質(zhì) 二端口元件可等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為二端口元件可等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為： 網(wǎng)絡(luò)互易網(wǎng)絡(luò)互易： 無耗（互易），滿足幺正性無耗（互易），滿足幺正性 對于二端口為對于二端口

12、為： 1 1 2 22 2 12 2 12 2 11 SS SS 0 0 12 * 2211 * 12 22 * 1212 * 11 SSSS SSSS 和和 )arg(argarg2 221112 SSS 若若 ，則則 或相反或相反。1 12 S0 2211 SS 2211 SS 故有故有 若若 ，則則 ，1 2112 SS 0 22 S0 11 S 1）若一個端口匹配，則另一個端口自動匹配若一個端口匹配，則另一個端口自動匹配； 2）若網(wǎng)絡(luò)是完全匹配的，則必然是完全傳輸?shù)模蛳喾慈艟W(wǎng)絡(luò)是完全匹配的，則必然是完全傳輸?shù)?，或相反?3）S11、S12、S22的相角只有兩個是獨(dú)立的，已知其中兩的相

13、角只有兩個是獨(dú)立的，已知其中兩 個相角，則第三個相角便可確定個相角，則第三個相角便可確定。 無耗互易二端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)無耗互易二端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì): 連接元件的連接元件的作用作用是將作用不同的微波元件是將作用不同的微波元件連接成連接成完整的系統(tǒng)完整的系統(tǒng)。 主要指標(biāo)要求主要指標(biāo)要求 接觸損耗小接觸損耗小 駐波比小駐波比小 功率容量大功率容量大 工作頻帶寬工作頻帶寬 2. 2. 微波連接元件微波連接元件 有波導(dǎo)接頭、拐角、有波導(dǎo)接頭、拐角、 彎曲、扭轉(zhuǎn)元件等彎曲、扭轉(zhuǎn)元件等。 有同軸轉(zhuǎn)接頭有同軸轉(zhuǎn)接頭。 衰減衰減與與相移相移元件分別是是用來改變導(dǎo)行系統(tǒng)中電磁場元件分別是是用來改變導(dǎo)行系統(tǒng)中電磁

14、場 的的幅度幅度和和相位相位的的。 衰減器和相移器衰減器和相移器聯(lián)合聯(lián)合使用，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)行系統(tǒng)中電磁使用，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)行系統(tǒng)中電磁 波的波的傳播常數(shù)傳播常數(shù)。( (在衰減器或相移器段在衰減器或相移器段) ) 3. 3. 相移和衰減元件相移和衰減元件 0 0 l l e e S 刀形吸收式衰減器刀形吸收式衰減器 橫移式吸收式衰減器橫移式吸收式衰減器 理想衰減器理想衰減器( (對相移不要求對相移不要求) )的散射矩陣的散射矩陣： 有耗有耗 2 1 l e a- 0 0 j j e e S 式中式中 為相移器的相移量為相移器的相移量。 l 理想相移器（要求不引入附加的衰減）的散射矩陣為理想相移器（要求

15、不引入附加的衰減）的散射矩陣為 介質(zhì)移相器：利用低損耗的介質(zhì)薄片介質(zhì)移相器：利用低損耗的介質(zhì)薄片( (一般為聚苯乙烯一般為聚苯乙烯) ) 導(dǎo)行系統(tǒng)的主模不同，因此從一種模式過渡到另一模導(dǎo)行系統(tǒng)的主模不同，因此從一種模式過渡到另一模 式式 的電磁波需使用波型變換元件的電磁波需使用波型變換元件。 設(shè)計(jì)的一般原則是設(shè)計(jì)的一般原則是抑制雜模抑制雜模的產(chǎn)生和的產(chǎn)生和阻抗匹配阻抗匹配。 其主要要求其主要要求 阻抗匹配阻抗匹配 頻帶寬頻帶寬 功率容量大功率容量大 不存在雜模不存在雜模 4. 4. 波形變換元件波形變換元件 同軸同軸矩形波導(dǎo)過渡器矩形波導(dǎo)過渡器 （要求在（要求在20%20%帶寬內(nèi)，帶寬內(nèi)， 駐波比小于駐波比小于1.11.1）。）。 線圓極化變換器線圓極化變換器。 激勵元件：探針激勵激勵元件：探針激勵( (電場最強(qiáng)處電場最強(qiáng)處) )、環(huán)激勵球法線平等于、環(huán)激勵球法線平等于 磁力線磁力線, ,在磁場最強(qiáng)處在磁場最強(qiáng)處) )、孔或縫激勵、孔或縫激勵( (用于波導(dǎo)之間用于波導(dǎo)之間, , 波波 導(dǎo)、諧振腔之間導(dǎo)、諧振腔之間, , 微帶線之間微帶