微波技術(shù)與天線第5章ppt課件

1、第5章 微波元器件5.1 銜接匹配元件銜接匹配元件5.2 功率分配元器件功率分配元器件5.3 微波諧振器件微波諧振器件 5.4 微波鐵氧體器件微波鐵氧體器件第第5章章 微波元器件微波元器件前往主目錄前往主目錄第5章 微波元器件第第5章微波元器件章微波元器件 無論在哪個(gè)頻段任務(wù)的電子設(shè)備, 都需求各種功能的元器件, 既有如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路等無源元器件, 以實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配、 分配、 濾波等; 又有晶體管等有源元器件, 以實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生、放大、調(diào)制、變頻等。微波系統(tǒng)也不例外地有各種無源、有源元器件, 它們的功能是對(duì)微波信號(hào)進(jìn)展必要的處置或變換, 它們是微波系統(tǒng)的重要組成部分。

2、微波元器件按其變換性質(zhì)可分為線性互易元器件、 線性非互易元器件以及非線性元器件三大類。 第5章 微波元器件 線性互易元器件只對(duì)微波信號(hào)進(jìn)展線性變換而不改動(dòng)頻率特性，并滿足互易定理, 它主要包括各種微波銜接匹配元件、 功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件等; 線性非互易元器件主要是指鐵氧體器件, 它的散射矩陣不對(duì)稱,但仍任務(wù)在線性區(qū)域, 主要包括隔離器、環(huán)行器等; 非線性元器件能引起頻率的改動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻等, 主要包括微波電子管、 微波晶體管、微波固態(tài)諧振器、 微波場(chǎng)效應(yīng)管及微波電真空器件等。 微波元器件種類繁多, 而且隨著技術(shù)的提高不斷出現(xiàn)新的元器件, 因此不能一一列舉,

3、 本章從工程運(yùn)用的角度出發(fā), 重點(diǎn)引見具有代表性的幾組微波無源元器件, 主要有：銜接匹配元件、 功率分配元器件、 微波諧振元件和微波鐵氧體器件。 第5章 微波元器件5.1 銜接匹配元件銜接匹配元件 微波銜接匹配元件包括終端負(fù)載元件、 微波銜接元件以及阻抗匹配元器件三大類。終端負(fù)載元件是銜接在傳輸系統(tǒng)終端實(shí)現(xiàn)終端短路、匹配或規(guī)范失配等功能的元件; 微波銜接元件用以將作用不同的兩個(gè)微波系統(tǒng)按一定要求銜接起來,主要包括波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器及轉(zhuǎn)換接頭等; 阻抗匹配元器件是用于調(diào)整傳輸系統(tǒng)與終端之間阻抗匹配的器件, 主要包括螺釘調(diào)配器、多階梯阻抗變換器及漸變型變換器等。 下面分別引見這些元器件。 1

4、. 終端負(fù)載元件 終端負(fù)載元件是典型的一端口互易元件, 主要包括短路負(fù)載、匹配負(fù)載和失配負(fù)載。 第5章 微波元器件 (1) 短路負(fù)載 短路負(fù)載是實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)短路的器件, 對(duì)金屬波導(dǎo)最方便的短路負(fù)載是在波導(dǎo)終端接上一塊金屬片。 但在實(shí)踐微波系統(tǒng)中往往需求改動(dòng)終端短路面的位置, 即需求一種可挪動(dòng)的短路面, 這就是短路活塞。短路活塞可分為接觸式短路活塞和扼流式短路活塞兩種, 前者已不太常用, 下面引見一下扼流式短路活塞。 運(yùn)用于同軸線和波導(dǎo)的扼流式短路活塞如圖 5 - 1(a)、 (b)所示, 它們的有效短路面不在活塞和系統(tǒng)內(nèi)壁直接接觸處, 而向波源方向挪動(dòng)g/2的間隔。 第5章 微波元器件 這種構(gòu)

5、造是由兩段不同等效特性阻抗的g/4變換段構(gòu)成, 其任務(wù)原理可用如圖 5 - 1(c)所示的等效電路來表示, 其中cd段相當(dāng)于g/4終端短路的傳輸線, bc段相當(dāng)于g/4終端開路的傳輸線, 兩段傳輸線之間串有電阻Rk, 它是接觸電阻, 由等效電路不難證明ab面上的輸入阻抗為: Zab=0, 即ab面上等效為短路, 于是當(dāng)活塞挪動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了短路面的挪動(dòng)。扼流短路活塞的優(yōu)點(diǎn)是損耗小, 而且駐波比可以大于100, 但這種活塞頻帶較窄, 普通只需10%15%的帶寬。 如圖 5 - 1(d)所示的是同軸S型扼流短路活塞，它具有寬帶特性。第5章 微波元器件圖 5 1 扼流短路活塞及其等效電路第5章 微波元器件

6、 (2) 匹配負(fù)載 匹配負(fù)載是一種幾乎能全部吸收輸入功率的單端口元件。 對(duì)波導(dǎo)來說, 普通在一段終端短路的波導(dǎo)內(nèi)放置一塊或幾塊劈形吸收片, 用以實(shí)現(xiàn)小功率匹配負(fù)載, 吸收片通常由介質(zhì)片如陶瓷、膠木片等涂以金屬碎末或炭木制成。 當(dāng)吸收片平行地放置在波導(dǎo)中電場(chǎng)最強(qiáng)處, 在電場(chǎng)作用下吸收片劇烈吸收微波能量, 使其反射變小。劈尖的長(zhǎng)度越長(zhǎng)吸收效果越好, 匹配性能越好, 劈尖長(zhǎng)度普通取g/2的整數(shù)倍。 如圖 5 - 2(a)所示; 當(dāng)功率較大時(shí)可以在短路波導(dǎo)內(nèi)放置鍥形吸收體, 或在波導(dǎo)外側(cè)加裝散熱片以利于散熱, 如圖 5 - 2(b)、(c)所示; 當(dāng)功率很大時(shí), 還可采用水負(fù)載， 如圖 5 - 2(d

7、)所示, 由流動(dòng)的水將熱量帶走。 第5章 微波元器件圖 5 2 各種匹配負(fù)載第5章 微波元器件 同軸線匹配負(fù)載是由在同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間放置的圓錐形或階梯形吸收體而構(gòu)成的, 如圖 5 - 2(e)、 (f)所示。微帶匹配負(fù)載普通用半圓形的電阻作為吸收體, 如圖 5 - 2(g)所示, 這種負(fù)載不僅頻帶寬，而且功率容量大。 (3) 失配負(fù)載 失配負(fù)載既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率, 而且普通制成一定大小駐波的規(guī)范失配負(fù)載, 主要用于微波丈量。失配負(fù)載和匹配負(fù)載的制造類似, 只是尺寸略微改動(dòng)了一下, 使之和原傳輸系統(tǒng)失配。 比如波導(dǎo)失配負(fù)載，就是將匹配負(fù)載的波導(dǎo)窄邊b制形成與規(guī)范波導(dǎo)窄邊b0

8、不一樣, 使之有一定的反射。設(shè)駐波比為, 那么有第5章 微波元器件 例如: 3 cm的波段規(guī)范波導(dǎo)BJ-100的窄邊為10.16 mm, 假設(shè)要求駐波比為1.1和1.2, 那么失配負(fù)載的窄邊分別為9.236 mm和8.407 mm。 2. 微波銜接元件 微波銜接元件是二端口互易元件, 主要包括: 波導(dǎo)接頭、 衰減器、相移器、轉(zhuǎn)換接頭。 (1) 波導(dǎo)接頭 波導(dǎo)管普通采用法蘭盤銜接, 可分為平法蘭接頭和扼流法蘭接頭, 分別如圖 5 - 3(a)、 (b)所示。平法蘭接頭的特點(diǎn)是: 加工方便, 體積小, 頻帶寬, 其駐波比可以做到1.002以下, 但要求接觸外表光潔度較高。 第5章 微波元器件圖 5

9、 3 波導(dǎo)法蘭接頭第5章 微波元器件 扼流法蘭接頭由一個(gè)刻有扼流槽的法蘭和一個(gè)平法蘭對(duì)接而成, 扼流法蘭接頭的特點(diǎn)是: 功率容量大, 接觸外表光潔度要求不高, 但任務(wù)頻帶較窄, 駐波比的典型值是1.02。因此平接頭常用低功率、寬頻帶場(chǎng)所， 而扼流接頭普通用于高功率、窄頻帶場(chǎng)所。 波導(dǎo)銜接頭除了法蘭接頭之外, 還有各種改動(dòng)和彎曲元件(如圖 5 - 4 所示)以滿足不同的需求。當(dāng)需求改動(dòng)電磁波的極化方向而不改動(dòng)其傳輸方向時(shí)，用波導(dǎo)改動(dòng)元件; 當(dāng)需求改動(dòng)電磁波的方向時(shí)，可用波導(dǎo)彎曲。波導(dǎo)彎曲可分為E面彎曲和H面彎曲。 為了使反射最小, 改動(dòng)長(zhǎng)度應(yīng)為(2n+1)g/4, E面波導(dǎo)彎曲的曲率半徑應(yīng)滿足R

10、1.5b, H面彎曲的曲率半徑應(yīng)滿足R1.5a。 第5章 微波元器件圖 5 4 波導(dǎo)改動(dòng)與彎曲元件第5章 微波元器件 (2) 衰減元件和相移元件 衰減元件和相移元件用來改動(dòng)導(dǎo)行系統(tǒng)中電磁波的幅度和相位。 對(duì)于理想的衰減器，其散射矩陣應(yīng)為 S=而理想相移元件的散射矩陣應(yīng)為 S=ale00aleje00je 衰減器的種類很多, 最常用的是吸收式衰減器, 它是在一段矩形波導(dǎo)中平行于電場(chǎng)方向放置吸收片而構(gòu)成, 有固定式和可變式兩種， 分別如圖 5 - 5(a)、 (b)所示。 第5章 微波元器件圖 5 5 吸收式衰減器第5章 微波元器件 收片由膠木板外表涂覆石墨或在玻璃片上蒸發(fā)一層厚的電阻膜組成, 普

11、通兩端為尖劈形，以減小反射。由矩形波導(dǎo)TE10模的電場(chǎng)分布可知, 波導(dǎo)寬邊中心位置電場(chǎng)最強(qiáng), 逐漸向兩邊減小到零, 因此, 當(dāng)吸收片沿波導(dǎo)橫向挪動(dòng)時(shí), 就可改動(dòng)其衰減量。 將衰減器的吸收片換成介電常數(shù)r1的無耗介質(zhì)片時(shí), 就構(gòu)成了移相器, 這是由于電磁波經(jīng)過一段長(zhǎng)波為l的無耗傳輸系統(tǒng)后相位變化為gl2 其中g(shù)為波導(dǎo)波長(zhǎng), 在波導(dǎo)中改動(dòng)介質(zhì)片位置， 會(huì)改動(dòng)波導(dǎo)波長(zhǎng), 從而實(shí)現(xiàn)相位的改動(dòng)。 (3) 轉(zhuǎn)換接頭第5章 微波元器件 微波從一種傳輸系統(tǒng)過渡到另一種傳輸系統(tǒng)時(shí)，需求用轉(zhuǎn)換器, 第2章討論的同軸波導(dǎo)鼓勵(lì)器和方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器等傳輸系統(tǒng)中都有轉(zhuǎn)換器。在這一類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，一方面要保證外形轉(zhuǎn)換時(shí)阻抗

12、的匹配，以保證信號(hào)有效傳送；另一方面要保證任務(wù)方式的轉(zhuǎn)換。另一類轉(zhuǎn)換器是極化轉(zhuǎn)換器, 由于在雷達(dá)通訊和電子干擾中經(jīng)常用到圓極化波, 而微波傳輸系統(tǒng)往往是線極化的, 為此需求進(jìn)展極化轉(zhuǎn)換, 這就需求極化轉(zhuǎn)換器。由電磁場(chǎng)實(shí)際可知, 一個(gè)圓極化波可以分解為在空間相互垂直、相位相差90而幅度相等的兩個(gè)線極化波; 另一方面, 一個(gè)線極化波也可以分解為在空間相互垂直、大小相等、相位一樣的兩個(gè)線極化波, 只需設(shè)法將其中一個(gè)分量產(chǎn)生附加90相移, 再合成起來便是一個(gè)圓極化波了。 第5章 微波元器件 常用的線-圓極化轉(zhuǎn)換器有兩種: 多螺釘極化轉(zhuǎn)換器和介質(zhì)極化轉(zhuǎn)換器(如圖 5 - 6)。 這兩種構(gòu)造都是慢波構(gòu)造,

13、 其相速要比空心圓波導(dǎo)小。 假設(shè)變換器輸入端輸入的是線極化波, 其TE11模的電場(chǎng)與慢波構(gòu)造所在平面成45角, 這個(gè)線極化分量將分解為垂直和平行于慢波構(gòu)造所在平面的兩個(gè)分量Eu和Ev, 它們?cè)诳臻g相互垂直, 且都是主模TE11, 只需螺釘數(shù)足夠多或介質(zhì)板足夠長(zhǎng), 就可以使平行分量產(chǎn)生附加 90 的相位滯后。 于是，在極化轉(zhuǎn)換器的輸出端兩個(gè)分量合成的結(jié)果便是一個(gè)圓極化波。至于是左極化還是右極化，要根據(jù)極化轉(zhuǎn)換器輸入端的線極化方向與慢波平面之間的夾角確定。 第5章 微波元器件圖 5 6 極化轉(zhuǎn)換器l123 mm6.4 mm51對(duì)2R61.9 mm(a)yEuEuz(b)EvEv12OEmin x第

14、5章 微波元器件 3. 阻抗匹配元件 阻抗匹配元件種類很多, 它們的作用是消除反射, 提高傳輸效率, 改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。這里主要引見螺釘調(diào)配器、 階梯阻抗變換器和漸變型阻抗變換器三種。 (1) 螺釘調(diào)配器 螺釘是低功率微波安裝中普遍采用的調(diào)調(diào)和匹配元件, 它是在波導(dǎo)寬邊中央插入可調(diào)螺釘作為調(diào)配元件, 如圖 5 - 7 所示。 螺釘深度的不同等效為不同的電抗元件, 運(yùn)用時(shí)為了防止波導(dǎo)短路擊穿, 螺釘都設(shè)計(jì)成容性, 即螺釘旋入波導(dǎo)中的深度應(yīng)小于3b/4(b為波導(dǎo)窄邊尺寸)。 由第1章的支節(jié)調(diào)配原理可知：多個(gè)相距一定間隔的螺釘可構(gòu)成螺釘阻抗調(diào)配器, 不同的是這里支節(jié)用容性螺釘來替代。 第5章 微波元器

15、件圖 5 7 波導(dǎo)中的螺釘及其等效電路第5章 微波元器件 螺釘調(diào)配器可分為單螺釘、 雙螺釘、 三螺釘和四螺釘四種。 單螺釘調(diào)配器經(jīng)過調(diào)整螺釘?shù)目v向位置和深度來實(shí)現(xiàn)匹配, 如圖 5 - 8(a)所示; 雙螺釘調(diào)配器是在矩形波導(dǎo)中相距g/8、g/4或3g/8 等間隔的兩個(gè)螺釘構(gòu)成的, 如圖 5 - 8(b)所示。雙螺釘調(diào)配器有匹配盲區(qū), 故有時(shí)采用三螺釘調(diào)配器。其任務(wù)原理在此不再贅述。由于螺釘調(diào)配器的螺釘間距與任務(wù)波長(zhǎng)直接相關(guān), 因此螺釘調(diào)配器是窄頻帶的。 (2) 多階梯阻抗變換器 在第1章中我們?cè)?jīng)知道, 用/4阻抗變換器可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配; 但嚴(yán)厲來說，只需在特定頻率上才滿足匹配條件, 即/4阻抗

16、變換器的任務(wù)頻帶是很窄的。 第5章 微波元器件圖 5 8 螺釘調(diào)配器第5章 微波元器件 要使變換器在較寬的任務(wù)頻帶內(nèi)仍可實(shí)現(xiàn)匹配, 必需用多階梯阻抗變換器, 圖 5 - 9 所示分別為波導(dǎo)、同軸線、微帶的多階梯阻抗變換器。它們都可等效為如圖 5 - 10 所示的電路。 分別為T0, T1, T2, , TN共(N+1)個(gè), 假設(shè)參考面上部分電壓反射系數(shù)對(duì)稱選取, 即取0=N1=N-12=N-2那么輸入?yún)⒖济鎀0上總電壓反射系數(shù)為第5章 微波元器件圖 5 9 各種多階梯阻抗變換器第5章 微波元器件圖 5 10 多階梯阻抗變換器的等效電路Z0Ze1ZeNZlTNT2T1T0Ze2第5章 微波元器件

17、NjNNjNjjeeee2)1(242210.).()()1(212120NjNjNjNeee.)()()2()2(10NjNjjNjNjNeeeee.)2cos(cos210NNejN于是反射系數(shù)模值為|=|0cosN+1cos(N-2)+| 當(dāng)0, 1, 等值給定時(shí), 上式右端為余弦函數(shù)cos的多項(xiàng)式, 滿足|=0的cos有很多解, 亦即有許多g使|=0。這就是說，在許多任務(wù)頻率上都能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配, 從而拓寬了頻帶。顯然, 階梯級(jí)數(shù)越多, 頻帶越寬。 第5章 微波元器件 (3) 漸變型阻抗變換器 由前面分析可知, 只需添加階梯的級(jí)數(shù)就可以添加任務(wù)帶寬, 但添加了階梯級(jí)數(shù), 變換器的總長(zhǎng)度也

18、要添加, 尺寸會(huì)過大, 構(gòu)造設(shè)計(jì)就更加困難, 因此產(chǎn)生了漸變線替代多階梯。設(shè)漸變線總長(zhǎng)度為L(zhǎng), 特性阻抗為Z(z), 并建立如圖 5 - 11所示坐標(biāo), 漸變 線 上 恣 意 微 分 段 z z + z , 對(duì) 應(yīng) 的 輸 入 阻 抗 為Zin(z)Zin(z)+Zin(z), 由傳輸線實(shí)際得)tan()()()()tan()()()()(zzZzZjzZzxjzzZzZzZininininin第5章 微波元器件圖 5 11 漸變型阻抗變換器Z0zzz z2L2L0第5章 微波元器件 式中, 為漸變線的相移常數(shù)。當(dāng)z0時(shí), tanzz, 代入上式可得)()(1)()()()(2zzzzzzjZ

19、zZzZzZininininin忽略高階無窮小量, 并整理可得)()()(2zzzzzjdzzdzinin假設(shè)令電壓反射系數(shù)為(z), 那么)()()()(zzzzzzzzinin第5章 微波元器件 代入式(5 -1 -9)并經(jīng)整理可得關(guān)于(z)的非線性方程0)(ln)(1 21)(2)(2dzzzdzzjdzzd 當(dāng)漸變線變化較緩時(shí), 近似以為1-2(z)1, 那么可得關(guān)于(z)的線性方程dzedzzzdzjdzzdzj2)(ln)(2)(其通解為dzedzxzdezxjzj22)(ln21)(故漸變線輸入端反射系數(shù)為dzedzxzdezjLLLjin222)(ln第5章 微波元器件 這樣，

20、 當(dāng)漸變線特性阻抗Z(z)給定后, 由式(5 - 1 - 14)就可求得漸變線輸入端電壓反射系數(shù)。通常漸變線特性阻抗隨間隔變化的規(guī)律有：指數(shù)型、三角函數(shù)型及切比雪夫型, 下面就來引見指數(shù)型漸變線的特性, 其特性阻抗?jié)M足ln)21exp()(010zzLzzzz 可見當(dāng)z= 時(shí)， Z(z)=Z0, 而當(dāng)z= 時(shí)， Z(z)=Zl, 于是有2L2L01ln1)(lnzzLdzzzd 輸入端反射系數(shù)為第5章 微波元器件01lnsin21zzLLin0122201lnsin21ln21zzLLdzezzLezjLLLjin兩邊取模得 圖 5 - 12 給出了|in|與L的關(guān)系曲線。 由圖可見, 當(dāng)漸變

21、線長(zhǎng)度一定時(shí), |in|隨頻率的變化而變。越小, L越大, |in|越小; 極限情況下0, 那么|in|0, 這闡明指數(shù)漸變線阻抗變換器任務(wù)頻帶無上限, 而頻帶下限取決于|in|的允許值。 第5章 微波元器件圖 5 12 |in|隨L的變化曲線第5章 微波元器件5.2 功率分配元器件功率分配元器件 在微波系統(tǒng)中, 往往需將一路微波功率按比例分成幾路, 這就是功率分配問題。實(shí)現(xiàn)這一功能的元件稱為功率分配元器件, 主要包括: 定向耦合器、 功率分配器以及各種微波分支器件。 這些元器件普通都是線性多端口互易網(wǎng)絡(luò), 因此可用微波網(wǎng)絡(luò)實(shí)際進(jìn)展分析。下面就分別引見這三類元器件。 1. 定向耦合器 定向耦合

22、器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件, 它是由耦合安裝聯(lián)絡(luò)在一同的兩對(duì)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的, 第5章 微波元器件 如圖 5 - 13 所示。 圖中“、 是一條傳輸系統(tǒng), 稱為主線；“、為另一條傳輸系統(tǒng), 稱為副線。耦合安裝的耦合方式有許多種, 普通有孔、分支線、耦合線等, 構(gòu)成不同的定向耦合器。 本節(jié)首先引見定向耦合器的性能目的, 然后引見波導(dǎo)雙孔定向耦合器、雙分支定向耦合器和平行耦合微帶定向耦合器。 1) 定向耦合器的性能目的 定向耦合器是四端口網(wǎng)絡(luò), 端口“為輸入端, 端口“為直通輸出端, 端口“為耦合輸出端, 端口“為隔離端, 并設(shè)其散射矩陣為S。描畫定向耦合器的性能目的有: 耦合度、隔離度、

23、 定向度、輸入駐波比和任務(wù)帶寬。下面分別加以引見。 第5章 微波元器件圖5-13 定向耦合器的原理圖耦合裝置P1P2P4P3第5章 微波元器件)(1lg20lg101331dBsppc (2) 隔離度 輸入端“的輸入功率P1和隔離端“的輸出功率P4之比定義為隔離度, 記作I。)(1lg20lg101441dBsppI (3) 定向度 耦合端“的輸出功率P3與隔離端“的輸出功率P4之比定義為定向度，記作D。144313lg20lg10ssppD第5章 微波元器件 (4) 輸入駐波比 端口“、 、 都接匹配負(fù)載時(shí)的輸入端口“的駐波比定義為輸入駐波比，記作。 111111ssp (5) 任務(wù)帶寬 任

24、務(wù)帶寬是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 等參數(shù)均滿足要求時(shí)的任務(wù)頻率范圍。 2) 波導(dǎo)雙孔定向耦合器 波導(dǎo)雙孔定向耦合器是最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)定向耦合器, 主、副波導(dǎo)經(jīng)過其公共窄壁上兩個(gè)相距d=(2n+1)g0/4 的小孔實(shí)現(xiàn)耦合。第5章 微波元器件 其中，g0是中心頻率所對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng), n為正整數(shù), 普通取n=0。耦合孔普通是圓形, 也可以是其它外形。定向耦合器的構(gòu)造如圖 5 - 14(a)所示, 下面簡(jiǎn)單引見其任務(wù)原理。 根據(jù)耦合器的耦合機(jī)理, 畫出如圖 5 - 14(b)所示的原理圖。 設(shè)端口“入射TE10波(u+1=1), 第一個(gè)小孔耦合到副波導(dǎo)中的歸一化出射波為u-41=q和u-31=

25、q, q為小孔耦合系數(shù)。假設(shè)小孔很小, 到達(dá)第二個(gè)小孔的電磁波能量不變, 只是引起相位差(d), 第二個(gè)小孔處耦合到副波導(dǎo)處的歸一化出射波分別為u-42=qe-jd和 u-32=qe-jd, 在副波導(dǎo)輸出端口“合成的歸一化出射波為第5章 微波元器件5-14 波導(dǎo)雙孔定向耦合器第5章 微波元器件 u-3=u-31e-jd+u-32=2qe-jd副波導(dǎo)輸出端口“合成的歸一化出射波為 u-4=u-41+u-42e-jd=q(1+e-j2d)=2qcosde-jd由此可得波導(dǎo)雙孔定向耦合器的耦合度為3234)(1raabq小圓孔耦合的耦合系數(shù)為quuc2lg20lg2031 式中, a、b分別為矩形波

26、導(dǎo)的寬邊和窄邊；r為小孔的半徑；是TE10模的相移常數(shù)。而波導(dǎo)雙孔定向耦合器的定向度為第5章 微波元器件ddquuDseclg20cos22lg20lg2043 當(dāng)任務(wù)在中心頻率時(shí), d=/2, 此時(shí)D; 當(dāng)偏離中心頻率時(shí), secd具有一定的數(shù)值, 此時(shí)D不再為無窮大。實(shí)踐上雙孔耦合器即使在中心頻率上, 其定向性也不是無窮大, 而只能在30dB左右。 由式(5 - 2 - 9)可見, 這種定向耦合器是窄帶的。 總之, 波導(dǎo)雙孔定向耦合器是依托波的相互關(guān)涉而實(shí)現(xiàn)主波導(dǎo)的定向輸出, 在耦合口上同相疊加, 在隔離口上反相抵消。 為了添加定向耦合器的耦合度，拓寬任務(wù)頻帶, 可采用多孔定向耦合器, 關(guān)

27、于這方面的知識(shí), 讀者可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。 第5章 微波元器件 3) 雙分支定向耦合器 雙分支定向耦合器由主線、副線和兩條分支線組成, 其中分支線的長(zhǎng)度和間距均為中心波長(zhǎng)的1/4, 如圖 5 - 15 所示。 設(shè)主線入口線“的特性阻抗為Z1=Z0, 主線出口線“的特性阻抗為Z2=Z0k(k為阻抗變換比), 副線隔離端“的特性阻抗為Z4=Z0, 副線耦合端“的特性阻抗為Z3=Z0k, 平行銜接線的特性阻抗為Z0p, 兩個(gè)分支線特性阻抗分別為Zt1和Zt2。下面來討論雙分支定向耦合器的任務(wù)原理。 假設(shè)輸入電壓信號(hào)從端口“經(jīng)A點(diǎn)輸入, 那么到達(dá)D點(diǎn)的信號(hào)有兩路, 一路是由分支線直達(dá), 其波行程為g/4,

28、 另一路由ABCD, 波行程為3g/4; 故兩條途徑到達(dá)的波行程差為g/2, 相應(yīng)的相位差為, 即相位相反。 第5章 微波元器件圖5-15 雙分支定向耦合器Z1Z4Z2Z3ABCDZt1Zt2Z0pZ0pg/ 4g/ 4第5章 微波元器件 因此假設(shè)選擇適宜的特性阻抗, 使到達(dá)的兩路信號(hào)的振幅相等, 那么端口“處的兩路信號(hào)相互抵消, 從而實(shí)現(xiàn)隔離。 同樣由AC的兩路信號(hào)為同置信號(hào), 故在端口“有耦合輸出信號(hào), 即端口“為耦合端。耦合端輸出信號(hào)的大小同樣取決于各線的特性阻抗。 下面給出微帶雙分支定向耦合器的設(shè)計(jì)公式。 設(shè)耦合端“的反射波電壓為|U3r|, 那么該耦合器的耦合度為各線的特性阻抗與|U

29、3r|的關(guān)系式為)(lg1023dBUkcr第5章 微波元器件 2300rPUKZZrptUZZ301rptUkZZ302 可見， 只需給出要求的耦合度C及阻抗變換比k, 即可由式(5 - 2 - 10)算得|U3r|, 再由式(5 - 2 - 11)算得各線特性阻抗, 從而可設(shè)計(jì)出相應(yīng)的定向耦合器。對(duì)于耦合度為3dB、阻抗變換比k=1的特殊定向耦合器, 稱為3dB定向耦合器, 它通常用在平衡混頻電路中。此時(shí)第5章 微波元器件002ZZP021ZZZtt213rU此時(shí)散射矩陣為 01021js100jj001010j第5章 微波元器件 分支線定向耦合器的帶寬受g/4的限制, 普通可做到10%2

30、0%, 假設(shè)要求頻帶更寬, 可采用多節(jié)分支耦合器。 4) 平行耦合微帶定向耦合器 平行耦合微帶定向耦合器是一種反向定向耦合器, 其耦合輸出端與主輸入端在同一側(cè)面, 如圖 5 - 16 所示, 端口“為輸入口, 端口“為直通口, 端口“為耦合口, 端口“為隔離口。 下面簡(jiǎn)單分析一下平行耦合微帶定向耦合器的任務(wù)原理。 設(shè)平行耦合微帶線的奇、 偶模特性阻抗分別為Z0o和Z0e, 令第5章 微波元器件圖 5 16 平行耦合微帶定向耦合器Z0Z0Z0o Z0eZ0Z0U0第5章 微波元器件oeozzz000000oeoezzzzk 其中，Z0為匹配負(fù)載阻抗, K為電壓耦合系數(shù)。 設(shè)各端口均接阻抗為Z0的

31、負(fù)載, 如圖 5 - 16 所示, 根據(jù)奇偶模分析, 那么可等效為圖 5 - 17。 端口“處輸入阻抗為OeOeinIIUUIUz111111 下面來證明端口“是匹配的。 由圖 5 - 17 知， 端口“處的奇偶模輸入阻抗為第5章 微波元器件Z0Z0Z0eZ0Z03412021U021UZ0Z0Z0oZ0Z03412021U021U圖5-17平行耦合微帶定向耦合器奇偶模等效電路第5章 微波元器件tantan000000jZZjZZZZOOintantan00000jZZjZZZZeeeein將式(5 -2 -14)代入上式(5 -2 -16)得tantan000000eoOeOinZjZZjZ

32、ZZtantan00000oeeoeeinZjZZjZZZ可見，ZoinZein=Z0eZ0o=Z20 。 由奇偶模等效電路得端口“的奇偶模電壓和電流分別為00121UZZZUOinOino00121UZZZUeineine001211UZZIOino001211UZZIeine第5章 微波元器件 代入式5 -2 -15并利用式5 -2 -17那么有00002)()(zzzzzzzzzzzeinoineinoinoineinin可見端口“是匹配的, 所以加上的電壓U0, 即為入射波電壓, 由對(duì)稱性可知其他端口也是匹配的。 由分壓公式可得端口“的合成電壓為00001133321tan)(2tan

33、)(2UzzjzzzjUUUUUooeooeoeoe 將式(5 -2 -14)代入, 于是有耦合端口“輸出電壓與端口“輸入電壓之比為第5章 微波元器件 U4=U4e+U4o=U2e-U2o=0022222sincos11UjkkUUUoe 可見, 端口“有耦合輸出而端口“為隔離端, 當(dāng)任務(wù)在中心頻率上, =/2, 此時(shí) U3=KU0 0221UkjU 可見端口“、 “電壓相差 90, 相應(yīng)的耦合度為)(lg20lg2003dBkUUc第5章 微波元器件 于是給定耦合度C及引出線的特性阻抗Z0后, 由式(5 -2 -25)求得耦合系數(shù)K, 從而可確定Z0o和Z0e: KKZZ1100KKZZe1

34、100 然后由此確定平行耦合線的尺寸。值得指出的是: 在上述分析中假定了耦合線奇偶模相速一樣, 因此電長(zhǎng)度一樣, 但實(shí)踐上微帶線的奇偶模相速是不相等的, 所以按上述方法設(shè)計(jì)出的定向耦合器性能會(huì)變差。為改善性能, 普通可取介質(zhì)覆蓋、 耦合段加齒形或其它補(bǔ)償措施, 圖 5 - 18 給出了兩種補(bǔ)償構(gòu)造。 第5章 微波元器件圖 5 18 平行耦合微帶定向耦合器的補(bǔ)償構(gòu)造第5章 微波元器件 2. 功率分配器 將一路微波功率按一定比例分成n路輸出的功率元件稱為功率分配器。按輸出功率比例不同, 可分為等功率分配器和不等功率分配器。在構(gòu)造上, 大功率往往采用同軸線而中小功率常采用微帶線。下面引見兩路微帶功率

35、分配器以及微帶環(huán)形電橋的任務(wù)原理。 (1) 兩路微帶功率分配器 兩路微帶功率分配器的平面構(gòu)造如圖 5 - 19 所示, 其中輸入端口特性阻抗為Z0, 分成的兩段微帶線電長(zhǎng)度為g/4, 特性阻抗分別是Z02和Z03, 終端分別接有電阻R2和R3。功率分配器的根本要求如下: 第5章 微波元器件圖 5 19 兩路微帶功率分配器的平面構(gòu)造Z0 U2g / 4 U3R2R3Zin2Zin3第5章 微波元器件 端口“無反射; 端口“、 輸出電壓相等且同相; 端口“、 輸出功率比值為恣意指定值, 設(shè)為根據(jù)以上三條有21k032111zzzinin2323222121/21KRURU32UU 第5章 微波元器

36、件22022RzZin32033RzZin 這樣共有R2、R3、Z02、Z03四個(gè)參數(shù)而只需三個(gè)約束條件, 故可恣意指定其中的一個(gè)參數(shù), 現(xiàn)設(shè)R2=kZ0, 于是由上兩式可得其它參數(shù): )1 (202KKZZ32003/ )1 (KKKZZKZR03第5章 微波元器件 實(shí)踐的功率分配器終端負(fù)載往往是特性阻抗為Z0的傳輸線, 而不是純電阻, 此時(shí)可用g/4阻抗變換器將其變?yōu)樗桦娮? 另一方面U2、U3等幅同相, 在“、端跨接電阻Rj, 既不影響功率分配器性能, 又可添加隔離度。于是實(shí)踐功率分配器平面構(gòu)造如圖 5 - 20 所示, 其中Z04、Z05及Rj 由以下公式確定: KZZRZ00204

37、KZZRZ00305kkzRj201第5章 微波元器件圖 5-20 實(shí)踐功率分配器平面構(gòu)造圖Z0Z0Z05Z04RjZ02Z03Z0g / 4第5章 微波元器件 (2) 微帶環(huán)形電橋 微帶環(huán)形電橋是在波導(dǎo)環(huán)形電橋根底上開展起來的一種功率分配元件。 其構(gòu)造原理圖如圖 5 - 21 所示, 它由全長(zhǎng)為3g/2的環(huán)及與它相連的四個(gè)分支組成, 分支與環(huán)并聯(lián)。 其中端口“為輸入端, 該端口無反射, 端口“、 等幅同相輸出, 而端口“為隔離端, 無輸出。其任務(wù)原理可用類似定向耦合器的波程疊加方法進(jìn)展分析。在這里不作詳細(xì)分析, 只給出其特性參數(shù)應(yīng)滿足的條件。 第5章 微波元器件圖 5 21 微帶環(huán)形電橋構(gòu)造

38、cbba第5章 微波元器件 設(shè)環(huán)路各段歸一化特性導(dǎo)納分別為a、 b、 c, 而四個(gè)分支的歸一化特性導(dǎo)納為1。那么滿足上述端口輸入輸出條件下, 各環(huán)路段的歸一化特性導(dǎo)納為a=b=c= 21而對(duì)應(yīng)的散射矩陣為 jjs002100jjjj0000jj第5章 微波元器件 3. 波導(dǎo)分支器 將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的元件稱為波導(dǎo)分支器, 它是微波功率分配器件的一種, 常用的波導(dǎo)分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配雙T。 (1) E-T分支 E面T型分支器是在主波導(dǎo)寬邊面上的分支, 其軸線平行于主波導(dǎo)的TE10模的電場(chǎng)方向, 簡(jiǎn)稱E-T分支。其構(gòu)造及等效電路如圖 5 - 22 所示, 由等效電路可

39、見, E-T分支相當(dāng)于分支波導(dǎo)與主波導(dǎo)串聯(lián)。 第5章 微波元器件圖 5 - 22E-T分支構(gòu)造及等效電路第5章 微波元器件 當(dāng)微波信號(hào)從端口“輸入時(shí), 平均地分給端口“、 , 但兩端口是等幅反相的; 當(dāng)信號(hào)從端口“、反相鼓勵(lì)時(shí), 那么在端口“合成輸出最大; 而當(dāng)同相鼓勵(lì)端口“、時(shí), 端口“將無輸出。 由此可得E-T分支的S參數(shù)為 s21212121212102121第5章 微波元器件 (2)H-T分支 H-T分支是在主波導(dǎo)窄邊面上的分支, 其軸線平行于主波導(dǎo)TE10模的磁場(chǎng)方向, 其構(gòu)造及等效電路如圖 5 - 23 所示, 可見H-T分支相當(dāng)于并聯(lián)于主波導(dǎo)的分支線。 當(dāng)微波信號(hào)從端口“輸入時(shí),

40、 平均地分給端口“、, 這兩端口得到的是等幅同相的TE10波; 當(dāng)在端口“、同相鼓勵(lì)時(shí), 端口“合成輸出最大, 而當(dāng)反相鼓勵(lì)時(shí)端口“將無輸出。 H-T分支的散射矩陣為第5章 微波元器件圖 5 - 23H-T分支構(gòu)造及等效電路第5章 微波元器件 s21212121212102121 (3) 匹配雙T 將E-T分支和H-T分支合并, 并在接頭內(nèi)加匹配以消除各路的反射, 那么構(gòu)成匹配雙T, 也稱為魔T, 如圖 5 - 24 所示。它有以下特征: 第5章 微波元器件圖 5 24 魔T的構(gòu)造第5章 微波元器件 四個(gè)端口完全匹配; 端口“、 對(duì)稱, 即有S11=S22; 當(dāng)端口“輸入, 端口“、有等幅同相

41、波輸出, 端口“隔離; 當(dāng)端口“輸入, 端口“、 有等幅反相波輸出, 端口“隔離; 當(dāng)端口“或“輸入時(shí), 端口“、等分輸出而對(duì)應(yīng)端口“或“隔離; 第5章 微波元器件2211ss2313ss2414ss04433 ss034s 當(dāng)端口“、 同時(shí)參與信號(hào), 端口“輸出兩信號(hào)相量和的 倍, 端口“輸出兩信號(hào)差的 倍。 端口“稱為魔T的H臂或和臂, 而端口“稱為魔T的E臂或差臂。 根據(jù)以上分析, 魔T各散射參數(shù)有以下關(guān)系: 2121第5章 微波元器件網(wǎng)絡(luò)是無耗的, 那么有 S+S=I (5 - 2 - 36)以上兩式經(jīng)推導(dǎo)可得魔T的S矩陣為 21s0110100110010110 總之, 魔T具有對(duì)口

42、隔離, 鄰口 3 dB耦合及完全匹配的關(guān)系, 因此它在微波領(lǐng)域獲得了廣泛運(yùn)用, 尤其用在雷達(dá)收發(fā)開關(guān)、 混頻器及移相器等場(chǎng)所。 第5章 微波元器件5. 3 微波諧振器件微波諧振器件 在低頻電路中, 諧振回路是一種根本元件, 它是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)而成, 在振蕩器中作為振蕩回路，用以控制振蕩器的頻率; 在放大器中用作諧振回路; 在帶通或帶阻濾波器中作為選頻元件等。在微波頻率上, 也有上述功能的器件, 這就是微波諧振器件, 它的構(gòu)造是根據(jù)微波頻率的特點(diǎn)從LC回路演化而成的。微波諧振器普通有傳輸線型諧振器和非傳輸線諧振器兩大類, 傳輸線型諧振器是一段由兩端短路或開路的微波導(dǎo)行系統(tǒng)構(gòu)成的, 如金屬

43、空腔諧振器、 同軸線諧振器和微帶諧振器等, 如圖 5 - 25 所示, 在實(shí)踐運(yùn)用中大部分采用此類諧振器。 因此本節(jié)只引見這類諧振器。 第5章 微波元器件圖 5 25 各種微波諧振器第5章 微波元器件 1. 微波諧振器件的演化過程及其根本參量 低頻電路中的LC回路是由平行板電容C和電感L并聯(lián)構(gòu)成， 如圖 5 - 26(a)所示。它的諧振頻率為 當(dāng)要求諧振頻率越來越高時(shí), 必需減小L和C。 減小電容就要增大平行板間隔, 而減小電感就要減少電感線圈的匝數(shù), 直到僅有一匝如圖 5 - 26(b)所示; 假設(shè)頻率進(jìn)一步提高, 可以將多個(gè)單匝線圈并聯(lián)以減小電感L, 如圖 5 - 26(c)所示; 進(jìn)一步

44、添加線圈數(shù)目, 以致相連成片, 構(gòu)成一個(gè)封鎖的中間凹進(jìn)去的導(dǎo)體空腔， 如圖 5 - 26(d)所示, 這就成了重入式空腔諧振器; 繼續(xù)把構(gòu)成電容的兩極拉開, 那么諧振頻率進(jìn)一步提高, 這樣就構(gòu)成了一個(gè)圓盒子和方盒子, 如圖 5 - 26(e)所示, 這也是微波空腔諧振器的常用方式。 LCf210第5章 微波元器件圖 5 26 微波諧振器的演化過程第5章 微波元器件 雖然它們與最初的諧振電路在方式上已完全不同, 但兩者之間的作用完全一樣, 只是適用于不同頻率而已。對(duì)于諧振腔而言, 曾經(jīng)無法分出哪里是電感、哪里是電容, 腔體內(nèi)充溢電磁場(chǎng), 因此只能用場(chǎng)的方法進(jìn)展分析。 集總參數(shù)諧振回路的根本參量是

45、電感L、電容C和電阻R, 由此可導(dǎo)出諧振頻率質(zhì)量因數(shù)調(diào)和振阻抗或?qū)Ъ{。但是在微波諧振器中, 集總參數(shù)L、R、C已失去詳細(xì)意義, 所以通常將諧振器頻率f0、質(zhì)量因數(shù)Q0和等效電導(dǎo)G0作為微波諧振器的三個(gè)根本參量。 第5章 微波元器件 (1) 諧振頻率 諧振頻率f0是微波諧振器最主要的參數(shù)。對(duì)于金屬空腔諧振器, 可以看作一段金屬波導(dǎo)兩端短路, 因此腔中的波不僅在橫向呈駐波分布, 而且沿縱向也呈駐波分布, 所以為了滿足金屬波導(dǎo)兩端短路的邊境條件, 腔體的長(zhǎng)度l和波導(dǎo)波長(zhǎng)g應(yīng)滿足,.)2 , 1(2pplg于是有l(wèi)p由規(guī)那么波導(dǎo)實(shí)際得222)2()2(cguw第5章 微波元器件故諧振頻率為21220)

46、2()(2clpvf 式中，v為媒質(zhì)中波速，c為對(duì)應(yīng)方式的截止波長(zhǎng)。 可見諧振頻率由振蕩方式、腔體尺寸以及腔中填充介質(zhì)(, )所確定, 而且在諧振器尺寸一定的情況下, 與振蕩方式相對(duì)應(yīng)有無窮多個(gè)諧振頻率。 (2) 質(zhì)量因數(shù) 質(zhì)量因數(shù)Q0是表征微波諧振器頻率選擇性的重要參量, 它的定義為第5章 微波元器件1022pWwWWQT 式中，W為諧振器中的儲(chǔ)能, WT為一個(gè)周期內(nèi)諧振器損耗的能量, Pl為諧振器的損耗功率。 而諧振器的儲(chǔ)能為dvEdvHuwwwvvme222121 諧振器的平均損耗主要由導(dǎo)體損耗引起, 設(shè)導(dǎo)體外表電阻為RS, 那么有dsHRdsRJPstsSSS2212121 式中, -

47、Ht為導(dǎo)體內(nèi)壁切向磁場(chǎng)，而-JS=-nHt, n為法向矢量。 于是有第5章 微波元器件stvstvdsHdvHdsHdvHuwQ2222002式中，為導(dǎo)體內(nèi)壁趨膚深度。因此只需求得諧振器內(nèi)場(chǎng)分布, 即可求得質(zhì)量因數(shù)Q0。 為粗略估計(jì)諧振器內(nèi)的Q0值, 近似以為H|=Ht|, 這款式(5 - 3 - 9)可近似為SVQ2 式中， S、 V分別表示諧振器的內(nèi)外表積和體積。 可見: Q0 VS， 應(yīng)選擇諧振器外形使其VS大; 第5章 微波元器件 因諧振器線尺寸與任務(wù)波長(zhǎng)成正比即V 30, S , 故有Q0 0, 由于僅為幾微米, 對(duì)厘米波段的諧振器,其Q0值將在104105量級(jí)。 上述討論的質(zhì)量因數(shù)

48、Q0 是未思索外接鼓勵(lì)與耦合的情況, 因此稱之為無載質(zhì)量因數(shù)或固有質(zhì)量因數(shù)。 (3) 等效電導(dǎo)G0 等效電導(dǎo)G0是表征諧振器功率損耗特性的參量, 假設(shè)諧振器上某等效參考面的邊境上取兩點(diǎn)a, b, 并知諧振器內(nèi)場(chǎng)分布, 那么等效電導(dǎo)G0可表示為0第5章 微波元器件220)(batSSdlEdsHRG 可見等效電導(dǎo)G0具有多值性, 與所選擇的點(diǎn)a和b有關(guān)。 以上討論的三個(gè)根本參量的計(jì)算公式都是針對(duì)一定的振蕩方式而言的, 振蕩方式不同，所得參量的數(shù)值不同。因此上述公式只能對(duì)少數(shù)規(guī)那么外形的諧振器才是可行的。對(duì)復(fù)雜的諧振器, 只能用等效電路的概念, 經(jīng)過丈量來確定f0、Q0和G0。 2. 矩形空腔諧振

49、器 矩形空腔諧振器是由一段長(zhǎng)為l、 兩端短路的矩形波導(dǎo)組成，如圖 5 - 27 所示。與矩形波導(dǎo)類似, 它也存在兩類振蕩方式，即TE和TM方式。 第5章 微波元器件圖 5 27 矩形諧振器及其坐標(biāo)第5章 微波元器件其中主模為TE101模, 其場(chǎng)分量表達(dá)式為 lzaxEEeysinsinlzaxZjEHTEXcossin0lzaxakEjHzsincos00 xxyEEH 式中， ， 可見各分量與y無關(guān), 電場(chǎng)只需Ey分量, 磁場(chǎng)只需Hx和Hz, 沿x, z方向均為駐波分布。下面討論在主模條件下矩形空腔諧振器的主要參量。 /u第5章 微波元器件allacf2220式中, c為自在空間光速, 對(duì)應(yīng)

50、諧振波長(zhǎng)為2202laal (2) 質(zhì)量因數(shù)Q0 由TE101模的場(chǎng)表達(dá)式可得)1(822222202akZEuabldvHuwTEv而ZTE= , =10= , 代入上式整理得22)/(akk208Eablw第5章 微波元器件導(dǎo)體損耗功率為)22(82222021allaabllabERdsHRPStSS于是質(zhì)量因數(shù)Q0為3333231002212)(allablbaRbkalPWWQS 3. 微帶諧振器 微帶電路型諧振器的構(gòu)造方式很多, 主要有傳輸線型諧振器(如微帶線節(jié)諧振器)和非傳輸線型諧振器(如圓形、環(huán)行、 橢圓形諧振器), 這幾種微帶諧振器分別如圖 5 - 28(a)、 (b)、 (

51、c)、 (d)所示。 第5章 微波元器件圖 5 28 各種微帶諧振器第5章 微波元器件 下面對(duì)線節(jié)型諧振器加以簡(jiǎn)單分析。設(shè)微帶線任務(wù)在準(zhǔn)TEM方式, 對(duì)于終端開路的一段長(zhǎng)為l的微帶線, 由傳輸線實(shí)際, 其輸入阻抗為 Zin=-jZ0 tanl 式中, , g為微帶線的帶內(nèi)波長(zhǎng)。 根據(jù)并聯(lián)諧振條件Yin=0, 于是有式中, g0為帶內(nèi)諧振波長(zhǎng)。 根據(jù)串聯(lián)諧振條件Zin=0, 于是有0g第5章 微波元器件1244) 12(0plplgog或 由此可見, 長(zhǎng)度為 整數(shù)倍的兩端開路微帶線構(gòu)成了 微帶諧振器; 長(zhǎng)度為 奇數(shù)倍的一端開路一端短路的微帶線構(gòu)成了 微帶諧振器。由于實(shí)踐上微帶諧振器短路比開路難實(shí)

52、現(xiàn), 所以普通采用終端開路型微帶諧振器。 但終端導(dǎo)帶斷開處的微帶線不是理想的開路, 因此計(jì)算的諧振長(zhǎng)度要比實(shí)踐的長(zhǎng)度要長(zhǎng), 普通有2go2go4go4go2201gpll第5章 微波元器件 式中, l1為實(shí)踐導(dǎo)帶長(zhǎng)度, l為縮短長(zhǎng)度。 微帶諧振器的損耗主要有導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗, 其總的質(zhì)量因數(shù)Q0為 10)111(rdCQQQQ Qc, Qd, Qr分別是導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗引起的質(zhì)量因數(shù), Qc和Qd可按下式計(jì)算: gcCaQ3 .27gcredaQ3 .27第5章 微波元器件 式中，c為微帶線的導(dǎo)體衰減常數(shù)(dB/m); e, q分別為微帶線的有效介電常數(shù)和填充因子。通常

53、QrQdQc, 因此微帶線諧振器的質(zhì)量因數(shù)主要取決于導(dǎo)體損耗。 4. 諧振器的耦合和鼓勵(lì) 前面引見的都是孤立諧振器的特性, 實(shí)踐的微波諧振器總是經(jīng)過一個(gè)或幾個(gè)端口和外電路銜接, 我們把諧振器和外電路相連的部分稱作鼓勵(lì)安裝或耦合安裝。對(duì)波導(dǎo)型諧振器的鼓勵(lì)方法與第2章中波導(dǎo)的鼓勵(lì)和耦合類似, 有電鼓勵(lì)、 磁鼓勵(lì)和電流鼓勵(lì)三種, 而微帶線諧振器通常用平行耦合微帶線來實(shí)現(xiàn)鼓勵(lì)和耦合, 如圖 5 - 29 所示。 第5章 微波元器件圖 5 29 微帶諧振器的耦合微帶線導(dǎo)帶微帶腔第5章 微波元器件 用平行耦合微帶線來實(shí)現(xiàn)鼓勵(lì)和耦合, 如圖 5 - 29 所示。 不論是哪種鼓勵(lì)和耦合, 對(duì)諧振器來說, 外接

54、部分要吸收部分功率, 因此質(zhì)量因數(shù)有所下降, 此時(shí)稱之為有載質(zhì)量因數(shù)記作Ql , 由質(zhì)量因數(shù)的定義得1010101)11(eeQQPPWwPWwQ式中, Pl=Pl+Pe, Pe為外部電路損耗的功率, Qe稱為有載質(zhì)量因數(shù)。普通用耦合系數(shù)來表征外接電路調(diào)和振器相互影響的程度, 即eQQr0第5章 微波元器件于是101QQ 這闡明越大, 耦合越緊, 有載質(zhì)量因數(shù)越小; 反之, 越小, 耦合越松, 有載質(zhì)量因數(shù)Ql越接近無載質(zhì)量因數(shù)Q0。 第5章 微波元器件5.4 微波鐵氧體器件微波鐵氧體器件 以上所引見的各種微波元件, 都是線性、互易的, 但在許多情況下, 我們卻需求具有非互易性的器件。例如,

55、在微波系統(tǒng)中, 負(fù)載的變化對(duì)微波信號(hào)源的頻率和功率輸出會(huì)產(chǎn)生不良影響, 使振蕩器性能不穩(wěn)定。 為理處理這樣的問題, 最好在負(fù)載和信號(hào)源之間接入一個(gè)具有不可逆?zhèn)鬏斕匦缘钠骷? 如圖 5 - 30 所示, 即微波從振蕩器到負(fù)載是通行的, 反過來從負(fù)載到振蕩器是制止通行的。這樣當(dāng)負(fù)載不匹配時(shí), 從負(fù)載反射回來的信號(hào)不能到達(dá)信號(hào)源, 從而保證了信號(hào)源的穩(wěn)定, 這種器件具有單向通行、反向隔離的功能, 因此稱為單向器或隔離器。 另一類非互易器件是環(huán)行器, 它具有單向循環(huán)流通功能。 第5章 微波元器件圖 5 30 單向器的銜接信號(hào)源負(fù)載單向器第5章 微波元器件 在非互易器件中, 非互易資料是必不可少的, 微

56、波技術(shù)中運(yùn)用很廣泛的非互易資料是鐵氧體。鐵氧體是一種黑褐色的陶瓷, 最初由于其中含有鐵的氧化物而得名。實(shí)踐上隨著資料研討的提高, 后來開展的某些鐵氧體并不一定含有鐵元素。 目前常用的有鎳 - 鋅、鎳 - 鎂、 錳 - 鎂鐵氧體和釔鐵石榴石YIG等微波鐵氧體的電阻率很高, 比鐵的電阻率大10121016倍, 當(dāng)微波頻率的電磁波經(jīng)過鐵氧體時(shí), 導(dǎo)電損耗是很小的。鐵氧體的相對(duì)介電常數(shù)為1020, 更重要的是, 它是一種非線性各向異性磁性物質(zhì), 它的磁導(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)而變, 即具有非線性; 在加上恒定磁場(chǎng)以后, 它在各方向上對(duì)微波磁場(chǎng)的磁導(dǎo)率是不同的, 就是說其具有各向異性的。由于這種各向異性, 當(dāng)電磁

57、波從不同的方向經(jīng)過磁化鐵氧體時(shí), 便呈現(xiàn)一種非互易性。利用這種效應(yīng), 便可以做成各種非互易微波鐵氧體元件，最常用的有隔離器和環(huán)行器。 第5章 微波元器件 1. 隔離器 如前所述, 隔離器也叫反向器, 電磁波正向經(jīng)過它時(shí)幾乎無衰減, 反向經(jīng)過時(shí)衰減很大。常用的隔離器有諧振式和場(chǎng)移式兩種。 1) 諧振式隔離器 由于鐵氧體具有各向異性, 因此在恒定磁場(chǎng)Hi作用下, 與Hi方向成左、右螺旋關(guān)系的左、右圓極化旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有不同的導(dǎo)磁率分別設(shè)為-和+。 設(shè)在含鐵氧體資料的微波傳輸線上的某一點(diǎn), 沿+z方向傳輸左旋磁場(chǎng), 沿-z方向傳輸右旋磁場(chǎng), 兩者傳輸一樣間隔, 但對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率不同, 故左右旋磁場(chǎng)相速不同

58、, 所產(chǎn)生相移也就不同, 這就是鐵氧體相移不可逆性。另一方面，鐵氧體具有鐵磁諧振效應(yīng)和圓極化磁場(chǎng)的諧振吸收效應(yīng)。 第5章 微波元器件 所謂鐵氧體的鐵磁諧振效應(yīng)，是指當(dāng)磁場(chǎng)的任務(wù)頻率等于鐵氧體的諧振角頻率0時(shí), 鐵氧體對(duì)微波能量的吸收到達(dá)最大值。而對(duì)圓極化磁場(chǎng)來說，左、右旋極化磁場(chǎng)具有不同的磁導(dǎo)率, 從而兩者也有不同的吸收特性。 對(duì)反向傳輸?shù)挠倚龢O化磁場(chǎng)，磁導(dǎo)率為+，它具有鐵磁諧振效應(yīng)，而對(duì)正向傳輸?shù)淖髽O化磁場(chǎng)，磁導(dǎo)率為-，它不存在鐵磁諧振特性, 這就是圓極化磁場(chǎng)的諧振效應(yīng)。鐵氧體諧振式隔離器正是利用了鐵氧體的這一特性制成的。 第5章 微波元器件圖 5 31 諧振式隔離器的鐵氧體位置第5章 微波

59、元器件 鐵氧體諧振式隔離器就是在波導(dǎo)的某個(gè)恰當(dāng)位置上放置鐵氧體片而制成的, 在這個(gè)位置上，往一個(gè)方向傳輸?shù)氖怯倚艌?chǎng), 另一方向上傳輸?shù)氖亲笮艌?chǎng)。圖 5 - 31 所示的矩形波導(dǎo)在x=x1處放置了鐵氧體, 下面來確定鐵氧體片放置的位置。 對(duì)于矩形波導(dǎo)TE10模而言, 其磁場(chǎng)只需x分量和z分量, 它們的表達(dá)式為xaHaHZsin0 xaHHZcos0第5章 微波元器件 可見兩者存在/2的相差。在矩形波導(dǎo)寬邊中心處, 磁場(chǎng)只需Hx分量, 即磁場(chǎng)矢量是線極化的, 且幅度隨時(shí)間周期性變化, 但其方向總是x方向; 在其它位置上, 假設(shè)|Hx|Hz|,那么合成磁場(chǎng)矢量是橢圓極化的, 并以寬邊中心為對(duì)稱軸, 波導(dǎo)兩邊為極化性質(zhì)相反的兩個(gè)磁場(chǎng); 當(dāng)在某個(gè)位置x1上有|Hx|=|Hz|時(shí), 合成磁場(chǎng)是圓極化的, 即11cossinxaxaa于是有aaaxg2tan1第5章 微波元器件解得aaxg2arctan1 進(jìn)一步分析闡明, 對(duì)TE10模來說,在x=x1處沿+z方向傳輸?shù)膱A極化磁場(chǎng)不與恒定磁場(chǎng)方向成右手螺旋關(guān)系, 即為左旋磁場(chǎng), 而沿-z方向傳輸?shù)膱A極化磁場(chǎng)那么是右旋磁場(chǎng)?？梢?，應(yīng)在波導(dǎo)x=x1處放置鐵氧體片, 并加上如圖 5 - 31 所