微波技術(shù)基礎(chǔ)_5_微波元器件課件

1、北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University微波技術(shù)基礎(chǔ)微波技術(shù)基礎(chǔ) 微波元器件微波元器件北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University 引言 波導(dǎo)中電抗元件 微波連接元件和終接元件 衰減器和移相器 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 定向耦合器 微波濾波器 微波諧振器內(nèi)容提要 微波元件北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University 引言 波導(dǎo)中電抗元件 微波連接元件和終接元件 衰減器和移相器 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 定向耦合器 微波濾波器 微波諧振器內(nèi)容提要 微波元件北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University引言按傳輸

2、線型式分：1.波導(dǎo)型，2.同軸型，3.微帶型按功能分： 1.連接元件，2.終端元件，3.匹配元件，4.衰減元件，5.相移元件，6.分路元件，7.波形變換元件，8.濾波元件按變換性質(zhì)分： 1.互易元件，2.非互易元件，3.非線性元件按端口分：一、二、三、四、 等等。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University 引言 波導(dǎo)中電抗元件 微波連接元件和終接元件 衰減器和移相器 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 定向耦合器 微波濾波器 微波諧振器內(nèi)容提要 微波元件北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University微波電路中，電抗元件的基本結(jié)構(gòu)都是利用微波傳輸線中結(jié)構(gòu)尺寸的不連

3、續(xù)性組成的?？梢圆捎玫刃щ娐返姆椒ㄌ幚聿贿B續(xù)性問題。不連續(xù)性引起的損耗很小，因此不連續(xù)性的等效電路是電感、電容、理想變壓器和無耗傳輸線段以及它們的組合。電抗元件包括電感器和電容器。電感器是指能夠集中磁場和存儲磁能的元件；電容器是指能夠集中電場和存儲電能的元件。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University一. 電容膜片在矩形波導(dǎo)的橫向放置一塊金屬膜片，在其上對稱或不對稱之處開一個(gè)與波導(dǎo)寬壁尺寸相同的窄長窗口。膜片可改變波導(dǎo)內(nèi)的電場分布規(guī)律而產(chǎn)生電容效應(yīng)，相當(dāng)于在橫截面處并接一個(gè)電容器。電容性膜片電容性膜片jB北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University

4、電納的近似計(jì)算公式：bdYbBp2cscln40二、電感膜片二、電感膜片在波導(dǎo)窄壁上放置金屬膜片，會使波導(dǎo)寬壁上的電流產(chǎn)生分流，在膜片的附近產(chǎn)生磁場，并存儲一部分磁能，這種膜片稱為電感膜片。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong UniversityBaYdap 022ctg電感性膜片對主模TE10, 其磁力線是平行于寬邊的閉合曲線, 膜片的置入將改變波導(dǎo)內(nèi)磁場的分布規(guī)律而產(chǎn)生電感效應(yīng)，相當(dāng)于在傳輸線上并聯(lián)一個(gè)感性電納。電納的近似計(jì)算公式：北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University電容膜片和電感膜片組合而形成諧振窗。諧振窗對某一固定頻率產(chǎn)生諧振，即當(dāng)工作頻率等于諧

5、振頻率時(shí)，電磁波可以無反射地通過。其等效電路相當(dāng)于并聯(lián)諧振回路。諧振窗及其等效電路諧振窗及其等效電路3.諧振窗北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University當(dāng)工作頻率等于諧振頻率時(shí)，并聯(lián)電納為零，信號可以無反射地通過，即為匹配狀態(tài)；當(dāng)工作頻率低于諧振頻率時(shí)，諧振窗呈感性，磁場儲能占優(yōu)勢；當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時(shí)，諧振窗呈容性，電場儲能占優(yōu)勢。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University4.銷釘銷釘由金屬細(xì)圓桿對穿波導(dǎo)寬壁或窄壁構(gòu)成；銷釘?shù)墓ぷ髟砼c膜片類似。 (a) (b) a）容性銷釘 b）感性銷釘電感銷釘?shù)碾娂{與銷釘?shù)拇旨?xì)及根數(shù)有關(guān)，銷釘越粗，電感

6、電納越大，根數(shù)越多，電納越大。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University在微波系統(tǒng)中，往往要將傳輸功率分成兩路或更多路，或?qū)茁饭β屎铣梢宦?，以獲得最大功率。三端口分路 / 合成元件可用于完成這個(gè)任務(wù)。常用的波導(dǎo)T接頭(又稱T形分支)有ET分支、 HT分支。HE北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University若分支寬面與TE10模式的電場所在的平面平行，即分支波導(dǎo)在主平面的寬壁上，稱為ET分支(串聯(lián)分支)；E1. ET接頭接頭 , 對臂是幾何對稱的。設(shè)各端口波導(dǎo)中只有TE10模傳輸，且各輸出端口接匹配負(fù)載。則:1) 信號由端口輸入時(shí)，端口 ,有同相輸出

7、；北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University 3) 當(dāng)信號由端口輸入時(shí)，端口 、 有等幅反相輸出；2) 信號由端口輸入時(shí)，端口、 有同相輸出；4) 當(dāng)信號由端口 、 同相輸入時(shí)，端口輸出最小, 為二者之差；若由端口 、 輸入的信號既同相又等幅，則端口輸出為零。對稱面處在電場駐波波腹點(diǎn)。5) 當(dāng)信號由端口 、 反相輸入時(shí)，端口輸出最大, 為二者之和。對稱面處在電場駐波波節(jié)點(diǎn)。 北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong UniversityE-T接頭的 S 矩陣 互易：si j=sj i ( i , j=1, 2, 3; i j ) ； 、 口對稱：s11=s22； 由

8、口輸入時(shí), 、 口等幅反相輸出: s13=- s23 。故:331313131112131211sssssssssSTE北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University若分支寬面與TE10模的磁場所在的平面平行, 即分支波導(dǎo)接在主波導(dǎo)的窄壁上，稱為HT分支(并聯(lián)分支)。當(dāng)信號由端口輸入時(shí)，端口 、 有同相輸出；當(dāng)信號由端口 輸入時(shí)，端口 、 有等幅同相輸出；2. HT接頭（4）北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University3) 當(dāng)信號由端口 、 同相輸入時(shí)，端口 輸出最大, 為二者之和。對稱面處在電場駐波波腹點(diǎn)。4) 當(dāng)信號由端口 、 反相輸入時(shí)，端口輸出

9、最小, 為二者之差；若由端口 、 輸入的信號既反相又等幅，則端口輸出為零。對稱面處在電場駐波波節(jié)點(diǎn)。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University H-T接頭的 S 矩陣與E-T接頭相似，不同之處在于s13=s23 。即:331313131112131211sssssssssSTH北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University 引言 波導(dǎo)中電抗元件 微波連接元件和終接元件 衰減器和移相器 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 定向耦合器 微波濾波器 微波諧振器內(nèi)容提要 微波元件北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University北京交通大學(xué)Beijing

10、 Jiaotong University在微波技術(shù)中，將相同傳輸線連接在一起的裝置統(tǒng)稱為接頭。常用的接頭有同軸接頭和波導(dǎo)接頭.不同類型的傳輸線連接在一起的裝置稱為轉(zhuǎn)接元件，又稱作轉(zhuǎn)換接頭。常用的有同軸線與波導(dǎo)、同軸線與微帶線、波導(dǎo)與微帶線間的轉(zhuǎn)接元件。一、接頭對接頭的基本要求是：連接點(diǎn)接觸可靠，不引起電磁波的反射，輸入駐波比盡可能小，一般在1.2以下；工作頻帶要寬；電磁能量無泄漏；結(jié)構(gòu)牢固，裝拆方便，易于加工等。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University典型的矩形波導(dǎo)接頭（法蘭）有平接頭和 抗流接頭兩種。1.平接頭平接頭優(yōu)點(diǎn)是體積小，工作頻段寬，但接觸面要加工平整、光潔

11、、精度高，兩個(gè)平接頭連接時(shí)，要保證兩者之間相互對準(zhǔn)和良好的機(jī)械接觸，否則會產(chǎn)生反射和微波功率泄露和打火.北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University2.抗流接頭抗流接頭在連接兩段波導(dǎo)的任意一個(gè)平接頭上開有槽深為0/4的圓槽，圓槽與寬壁的中心的距離也為0/4，由于1和2是處于半波長短路線的輸入端，Z12=0，兩段波導(dǎo)的寬壁雖無機(jī)械接觸，但有良好的電接觸?？沽鹘宇^工作頻段較窄，一般用于大功率系統(tǒng)。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University二、轉(zhuǎn)接元件n在將不同類型的傳輸線或元件連接時(shí)，不僅要考慮阻抗匹配，而且還應(yīng)該考慮模式的變換。 1.同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

12、 n連接同軸線與波導(dǎo)的元件，稱為同軸線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，它將同軸線一端的內(nèi)導(dǎo)體深入矩形波導(dǎo)中，同軸線的TEM模會激勵(lì)起矩形波導(dǎo)中的TE10模，反之亦然，從而實(shí)現(xiàn)了模式變換。同軸線波導(dǎo) 北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University2.波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)接器 n矩形波導(dǎo)的等效阻抗通常在300400歐姆，微帶特性阻抗一般為50歐姆，且矩形波導(dǎo)的高度b比微帶線襯底的厚度h大很多，因此兩種傳輸線不能直接相接。n通常在波導(dǎo)和微帶線之間加一段脊波導(dǎo)過渡段來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。波導(dǎo)微帶 北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University3.同軸線微帶轉(zhuǎn)接器n將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體向外延伸一小段與微

13、帶線的中心導(dǎo)帶搭接連接，同軸線的外導(dǎo)體與微帶線的接地平面相連的外殼通過法蘭相連。n在10GHz以下的頻率范圍內(nèi)，可得到小于1.15的駐波比。在一般工程中應(yīng)用得到滿意的結(jié)果。同軸線微帶 北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University4.矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)模式變換器 n矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)模式變換器，大多采用波導(dǎo)橫截面的逐漸變化來達(dá)到模式的變換。TE10TE11模式變換器模式變換器北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong UniversityH10H01模式變換器模式變換器圓波導(dǎo)中H01模損耗低，可作遠(yuǎn)距離傳輸線。常用這種變換器將矩形波導(dǎo)的元器件與圓波導(dǎo)元器件相連。北京交通大學(xué)Bei

14、jing Jiaotong University終接元件n傳輸線終端所接元件稱為終接元件，常用的終接元件有匹配負(fù)載和短路器兩種。匹配負(fù)載和短路器都屬于一端口網(wǎng)絡(luò)。n匹配負(fù)載將所有的電磁能量全部吸收而無反射(=1,=0)，解決波反射和吸收兩者之間的矛盾 ；而短路負(fù)載是將所有的電磁能量全部反射回去，一點(diǎn)能量也不吸收（=，|=1），解決理想短路和活動(dòng)間隙之間的矛盾。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University1.全匹配負(fù)載全匹配負(fù)載是接在傳輸系統(tǒng)終端的單端口微波元件，它能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。當(dāng)需要在傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時(shí)，要用到匹配負(fù)載。對匹配負(fù)載的基本要求是：

15、有較寬的工作頻帶； 輸入駐波比小和一定的功率容量。 根據(jù)所吸收功率的大小，分為低功率負(fù)載（小于1w）和高功率負(fù)載（大于1w）。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University低功率負(fù)載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數(shù)塊劈形吸收片或楔形吸收體。劈形吸收片劈形吸收片楔形吸收體楔形吸收體高功率負(fù)載需要考慮熱量的吸收和發(fā)散，吸收體通常為水，由水的流動(dòng)攜帶出熱量，又稱水負(fù)載。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universityg / 2g / 4CAB 劈形吸收片長度為g /2的整數(shù)倍可實(shí)現(xiàn)無反射的原理: 如圖, A、B兩點(diǎn)相距g /4, 在A、B兩點(diǎn)

16、處都產(chǎn)生反射波，但B點(diǎn)處的反射波回到A點(diǎn)時(shí), 與A點(diǎn) 的反射波的行程差為g /2，相位相差 , 兩者相互抵消，總反射系數(shù)為零。擴(kuò)大到整個(gè)斜面，把吸收片分為AB、BC兩部分，在AB段上任一點(diǎn)總能在BC段上找到與之相距g /4的對應(yīng)點(diǎn)，這兩點(diǎn)的反射波互相抵消。于是，整個(gè)吸收片可無反射而實(shí)現(xiàn)全匹配。 北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University2.短路負(fù)載n短路負(fù)載又稱為短路器，它的作用是將電磁能量全部反射回去。將同軸線和波導(dǎo)終端短路，即分別成為同軸線和波導(dǎo)固定短路器。 在某些微波系統(tǒng)和微波測量儀器中，常采用短路面可以移動(dòng)的短路負(fù)載，稱為短路活塞。要求有良好的電接觸。接觸處的損

17、耗小，|G|接近于1； 活塞移動(dòng)時(shí)，接觸處損耗變化?。?傳輸大功率時(shí)，接觸處不發(fā)生打火?？烧{(diào)短路活塞相當(dāng)于長線中長度可調(diào)的短路線段或短路單跨線。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University短路活塞按傳輸線形式分有同軸線型和波導(dǎo)型；按結(jié)構(gòu)分有接觸式和扼流式。接觸式由于接觸點(diǎn)的頻繁移動(dòng)容易使波導(dǎo)內(nèi)壁磨損，且在大功率時(shí)，易發(fā)生跳火現(xiàn)象。扼流式利用長度為p/4的變換器，構(gòu)成了等效短路面。(a)、(b)分別為波導(dǎo)型、同軸線型的山字型短路活塞北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University扼流結(jié)構(gòu)的基本原理：利用lg /4線的阻抗變換性，把有高頻電流流過、需要有良好

18、電接觸的地方，恰好安排在電壓波節(jié)處(即電流波腹處)，從而得到等效短路；與此同時(shí)，把可能產(chǎn)生損耗或可能有功率漏出的地方，恰好安排在電流波節(jié)處，從而避免損耗和漏出功率。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University 引言 波導(dǎo)中電抗元件 微波連接元件和終接元件 衰減器和移相器 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 定向耦合器 微波濾波器 微波諧振器內(nèi)容提要 微波元件北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University衰減器和移相器均屬于二端口網(wǎng)絡(luò)。衰減器的作用是對通過它的微波能量產(chǎn)生衰減；移相器的作用是對通過它的微波信號產(chǎn)生一定的相移，而能量無衰減地通過。一、衰減器常用的衰減器

19、有吸收衰減器、截止衰減器和極化衰減器。衰減量固定不變的稱為固定衰減器; 衰減量可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的稱為可變衰減器。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University吸收衰減器：在波導(dǎo)中內(nèi)置與電場方向平行的吸收片，當(dāng)微波通過吸收片時(shí)，一部分能量將被吸收。為消除反射，衰減片兩端通常做成漸變形的。當(dāng)吸收片處于寬邊中央時(shí)，衰減最大。吸收片上通過的電場切線分量越強(qiáng)，其衰減量越大。因此，左右移動(dòng)吸收片在波導(dǎo)中的位置就能改變衰減量的大小。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University截止衰減器：在傳輸線中插入一段橫向尺寸較小的傳輸線段，使電磁場在這一小段傳輸線內(nèi)處于截止?fàn)?/p>

20、態(tài)，即電磁波經(jīng)過這段傳輸線后能量很快衰減?？刂七@段傳輸線的長度，即可調(diào)節(jié)衰減量的大小。右圖為一種截止衰減器示意圖。其主體是一段處于截止?fàn)顟B(tài)的圓波導(dǎo), 其半徑滿足截止條件:。ac41.311TE北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University極化衰減器是在圓波導(dǎo)中置入可旋轉(zhuǎn)的吸收片，衰減量的大小與吸收片旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)?？勺鹘^對定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)衰減器。右圖是旋轉(zhuǎn)式極化衰減器的結(jié)構(gòu)示意圖，其主體是一段的圓波導(dǎo)TE11模)，內(nèi)置一可連同圓波導(dǎo)一起旋轉(zhuǎn)的吸收片。圓波導(dǎo)的兩端各通過方 圓過渡波導(dǎo)分別與輸入、輸出TE10模的矩形波導(dǎo)相連接，在過渡波導(dǎo)中也各有一片平行于矩形波導(dǎo)寬壁的固定吸收片。極化

21、衰減器的衰減量由圓波導(dǎo)中的吸收片2的旋轉(zhuǎn)角度 確定。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University工作原理為：從矩形波導(dǎo)輸入的TE10波在方 圓過渡波導(dǎo)激起圓波導(dǎo)的垂直極化的TE11波，其電場E1垂直于其中的吸收片1的平面而無衰減；當(dāng)電磁波E/ = E1sin , E = E1cos E/ 將全部被吸收而E則可無衰減地通過。當(dāng)波到達(dá)輸出端的方 圓過渡波導(dǎo)中時(shí)，E再次被吸收片3的平面分解為平行和垂直兩個(gè)分量， 進(jìn)入圓波導(dǎo)后, 若吸收片2相對于水平面旋轉(zhuǎn)了 角, 則E1被吸收片2的平面分解為:北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University平行分量被吸收, 垂

22、直分量可無衰減地通過方 圓過渡段而從矩形波導(dǎo)中輸出；這部分電場 E2 為cos2 EE衰減量21lg10PPL 221lg10EEdBcoslg4021cosE北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University二、移相器二、移相器移相器是對電磁波只產(chǎn)生一定的相移而不產(chǎn)生能量衰減的微波元件，它是一個(gè)無反射、無衰減的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣： 00jjeSe llp2移相器可分固定移相器與可變移相器。改變相位的方法有兩種： 改變傳輸線的長度l 改變傳輸線相位常數(shù)，如在波導(dǎo)中放入可移動(dòng)的介質(zhì)片北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University 引言 波導(dǎo)中電抗元件 微波

23、連接元件和終接元件 衰減器和移相器 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 定向耦合器 微波濾波器 微波諧振器內(nèi)容提要 微波元件北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University阻抗不匹配導(dǎo)致的反射會造成許多不良影響，如負(fù)載不能獲得最大功率、功率容量和效率下降、大功率時(shí)出現(xiàn)打火現(xiàn)象、在微波測量時(shí)影響測量精度。為了匹配而插入的網(wǎng)絡(luò)稱為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)有兩種：阻抗調(diào)配器和阻抗變換器。阻抗調(diào)配器和阻抗變換器負(fù)載阻抗與傳輸線的特性阻抗不相等;相同類型而不同特性阻抗的傳輸線相連接; 不同類型的傳輸線相連接;傳輸線中接入一些必要的器件。 反射的產(chǎn)生反射的產(chǎn)生北京交通大學(xué)Beijing Jiaot

24、ong University1）分支調(diào)配器）分支調(diào)配器分支調(diào)配器按分支的多少可分為單支節(jié)、雙支節(jié)和三支節(jié)。單支節(jié)調(diào)配器結(jié)構(gòu)簡單，但其分支長度和接入位置都必須根據(jù)波長和負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，分支長度可以應(yīng)用短路線實(shí)現(xiàn)，但接入位置較難改變，為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用雙支節(jié)和三支節(jié)調(diào)配器。阻抗調(diào)配器阻抗調(diào)配器阻抗調(diào)配器可分分支調(diào)配器和螺釘調(diào)配器，分支調(diào)配器通過改變分支線的長度，主要用于平行雙線和同軸線；螺釘調(diào)配器通過改變螺釘插入的深度，常用于波導(dǎo)中。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University雙支節(jié)調(diào)配器：雙支節(jié)調(diào)配器：同軸雙支節(jié)調(diào)配器將兩個(gè)支節(jié)線并接在主線上，兩支節(jié)的間距為d2（固定

25、，如/8 ），兩支節(jié)長度l1和l2（用短路活塞調(diào)整）要匹配必須使 ，由等效電路知 ，即：21Y 222YYjB221YjB 阻抗調(diào)配器阻抗調(diào)配器北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University2) 螺釘調(diào)配器在雙線、同軸線和微帶線傳輸系統(tǒng)中，用并聯(lián)分支提供電納，而在波導(dǎo)系統(tǒng)中用螺釘提供電納，調(diào)整螺釘?shù)纳疃瓤梢愿淖儾⒙?lián)電納的性質(zhì)和大小。一般情況下，螺釘插入的深度比較淺，只能提供一個(gè)容性電納。阻抗調(diào)配器阻抗調(diào)配器波導(dǎo)中的螺釘及其電抗性質(zhì)的變化波導(dǎo)中的螺釘及其電抗性質(zhì)的變化北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University波導(dǎo)中的螺釘，一方面和容性膜片一樣，集中電場

26、而具有容抗性質(zhì)；另一方面，波導(dǎo)寬邊的軸向電流要流進(jìn)螺釘，產(chǎn)生磁場，而具有感抗性質(zhì)。設(shè)螺釘插入深度較小時(shí)，容抗占優(yōu)勢，并聯(lián)電納呈容性(B0)；隨著插入深度的增加，最終變?yōu)楦锌拐純?yōu)勢，并聯(lián)電納呈感性(B0)。為避免波導(dǎo)短路和擊穿，通常設(shè)計(jì)螺釘呈容性，作可變電容用。螺釘匹配器的作用原理與支節(jié)匹配器相似，所不同的只是螺釘只能作電容用。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University阻抗變換器n為了消除不良反射現(xiàn)象，除采用阻抗調(diào)配器以外，還可以采用阻抗變換器來達(dá)到匹配。n阻抗變化器在兩段需要匹配的傳輸線之間，插入一段或多段傳輸線，完成不同阻抗之間的變換，以獲得良好的匹配。n按阻抗變換的

27、規(guī)律可分為階梯阻抗變換器(包括單節(jié)和多節(jié))和漸變式阻抗變換器。n按結(jié)構(gòu)分:同軸線阻抗變換器,矩形波導(dǎo)阻抗變換器,帶狀線阻抗變換器,微帶線阻抗變換器.北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University1.單節(jié)阻抗變換器n第二章介紹的/4阻抗變換器不僅適用于雙線，而且適用于包括波導(dǎo)在內(nèi)的所有傳輸線。n在等效阻抗分布為Ze1和Ze2的兩段波導(dǎo)中接入一段長度為p/4，等效阻抗為 的波導(dǎo)段即可實(shí)現(xiàn)匹配。 12eeeZZ Zn對于傳輸TE10模的矩形波導(dǎo)，其等效阻抗為：2012ebZaa阻抗變換器北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University對于寬壁尺寸a相同，窄壁尺寸

28、分別為b1和b3的兩段矩形波導(dǎo)中間加一段長度為p/4，寬壁為a，窄壁為 的矩形波導(dǎo)管，就可以實(shí)現(xiàn)匹配。21 3bbb同理，對于同軸線和微帶線也可以用類似的方法實(shí)現(xiàn)匹配。微帶線矩形波導(dǎo) 同軸線 阻抗變換器北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University阻抗匹配器只能對一個(gè)頻率進(jìn)行匹配，而且當(dāng)匹配的兩個(gè)阻抗值差別較大時(shí)，尺寸變化較大，造成的不連續(xù)電容較大，影響匹配效果。為克服這些問題，可以采用多節(jié)/4阻抗變換器。2.多節(jié)/4阻抗變換器n多節(jié)/4阻抗變換器形狀像階梯狀，每一個(gè)連接處尺寸變化都很小，降低了不連續(xù)電容。阻抗變換器北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Univer

29、sityn對于一個(gè)n節(jié)的阻抗變換器，有n+1個(gè)反射面。當(dāng)波導(dǎo)的波長偏離中心波長時(shí)，雖然反射波不能完全抵消，但由于每個(gè)反射波的相位各不相同，在輸入端疊加后，一些頻率成分相互抵消，使得在較寬的頻帶上都有較小的反射系數(shù)。阻抗變換器北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University 引言 波導(dǎo)中電抗元件 微波連接元件和終接元件 衰減器和移相器 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 定向耦合器 微波濾波器 微波諧振器內(nèi)容提要 微波元件北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University定向耦合器定向耦合器n定向耦合器在微波技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，如用于監(jiān)視功率、頻率和頻譜；對功率進(jìn)行分配和

30、合成；構(gòu)成雷達(dá)天線的收發(fā)開關(guān)、平衡混頻器和測量電橋；測量反射系數(shù)和功率。n定向耦合器的種類很多：波導(dǎo)同軸線帶狀線微帶線按傳輸線類型單孔耦合多孔耦合連續(xù)耦合平行線耦合按耦合方式同向耦合反向耦合輸出方向90度定向180度定向輸出相位強(qiáng)耦合中等耦合弱耦合按耦合強(qiáng)弱北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University定向耦合器示意圖微帶分支定向耦合器波導(dǎo)單孔定向耦合器平行耦合線定向耦合器波導(dǎo)匹配雙T波導(dǎo)多孔定向耦合器微帶混合環(huán)北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universityn定向耦合器是微波測量中常用的標(biāo)準(zhǔn)器件n一般屬于四端口網(wǎng)絡(luò)，有輸入端(1)、直通端(2)、耦合端(

31、3)和隔離端(4)。n導(dǎo)波從端口1輸入，端口1和2之間的波導(dǎo)為主波導(dǎo)，端口3和4之間的波導(dǎo)為副波導(dǎo)，經(jīng)耦合孔耦合導(dǎo)波在副波導(dǎo)中激勵(lì)起新的導(dǎo)波。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universityn定向耦合器主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、隔離度(或方向性)、輸入駐波比和工作帶寬。1.耦合度C耦合度C定義為輸入端的輸入功率P1與耦合端的輸出功率P3之比的分貝數(shù)，即1310lgPCP由于定向耦合器是一個(gè)可逆四端口網(wǎng)絡(luò)，因此耦合度又可表示212313112110log20log2iiUCSS U北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University由此可見，耦合度（相當(dāng)于功率衰減）愈

32、大，耦合愈弱。通常把耦合度為010dB的定向耦合器稱為強(qiáng)耦合定向耦合器；把耦合度為1020dB的定向耦合器稱為中等耦合定向耦合器；把耦合度大于20dB的定向耦合器稱為弱耦合定向耦合器。3dB的定向耦合器相當(dāng)于功分器。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University2.定向性D理想情況下，隔離端沒有功率輸出。通常用耦合端輸出功率P3和隔離端的輸出功率P4之比的分貝數(shù)來表示耦合器定向傳輸性能，即定向性D23131324414110lg10lg20lgSSPDPSSD越大，隔離端輸出越小，定向性越好，理想情況下D=。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University

33、3.輸入駐波比 將定向耦合器除輸入端外，其余各端均接上匹配負(fù)載時(shí)，輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比。此時(shí)，輸入端的反射系數(shù)即為網(wǎng)絡(luò)的散射參量S11，故有111111SS4.工作頻帶寬度頻帶寬度是指耦合度、定向性及輸入駐波比都滿足指標(biāo)要求時(shí)，定向耦合器的工作頻帶寬度，簡稱工作帶寬。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University波導(dǎo)型定向耦合器波導(dǎo)型定向耦合器大多數(shù)波導(dǎo)定向耦合器的耦合都是通過在主副波導(dǎo)的公共壁上的耦合孔來實(shí)現(xiàn)的。通過耦合孔將主波導(dǎo)中的電磁能量耦合到副波導(dǎo)中，并具有一定的方向性。副波導(dǎo)各端口的輸出功率的大小，決定于耦合孔的大小形狀和位置。北京交通大學(xué)Be

34、ijing Jiaotong University波導(dǎo)雙孔定向耦合器：在兩個(gè)波導(dǎo)的公共壁上在兩個(gè)波導(dǎo)的公共壁上開有形狀、尺寸完全相同、相距為開有形狀、尺寸完全相同、相距為 g / 4 的兩的兩個(gè)小孔。個(gè)小孔。波導(dǎo)型雙孔定向耦合器波導(dǎo)型雙孔定向耦合器 (a) 窄臂雙孔耦合窄臂雙孔耦合 (b) 寬臂雙孔耦合寬臂雙孔耦合 北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universityd = g / 4 1 e-jdIIIa+a-a+e-jda-e-jd波導(dǎo)型雙孔定向耦合器原理圖波導(dǎo)型雙孔定向耦合器原理圖設(shè)由端口輸入單位振幅的TE10波，在第 I 孔處向端口、耦合波的幅度分別用a+、a- 表示。顯

35、然， a+、a- 即為小孔的正、反向耦合系數(shù)。由于孔很小，兩孔的形狀、大小又相同，故經(jīng)第II孔耦合到副波導(dǎo)向、口傳輸?shù)牟ǖ姆扰c第 I 孔的幾乎相等，只有e-jbd 的相移，于是由耦合孔向、口方向傳輸?shù)暮铣刹ǚ謩e為：北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universitydjdjeaeaa422jea可見，當(dāng)f = f0 時(shí)，由兩孔耦合到副波導(dǎo)的波，在端口方向上同相相加，在端口方向上反相抵消而無輸出；得到了方向性的耦合。這里，耦合端口的輸出波與端口的輸入波方向相同，故稱為正向定向耦合。 djdjeeaaa3djeaa20jeaa北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Unive

36、rsity雙雙T與魔與魔Tn將具有共同對稱面的E-T和H-T接頭組合起來，即構(gòu)成雙T接頭，1臂和2臂稱為平分臂，3臂（E臂）和4臂（H臂）稱為隔離臂。如果導(dǎo)波從E臂輸入，1和2端口等幅反相輸出，H臂輸出為零（S13=-S23，S43=0）；如果導(dǎo)波從H臂輸入，1和2端口等幅同相輸出，E臂輸出為零（S14=S24，S34=0）；北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University如果E臂和H臂接匹配負(fù)載，導(dǎo)波從1和2端口等幅同相輸入，H臂有“和”輸出，E臂無輸出；如果E臂和H臂接匹配負(fù)載，導(dǎo)波從1和2端口等幅反相輸入，E臂有“和”輸出，H臂無輸出。n雙T可等效為一個(gè)可逆對稱無耗四端

37、口網(wǎng)絡(luò)北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universityn根據(jù)對稱性，可得S11=S22n根據(jù)可逆性（即互易性），可得S12=S21，S13=S31，S14=S41，S23=S32，S24=S42，S34=S43，n雙T的S矩陣為 111213141211131413133314144400SSSSSSSSSSSSSSSn對于普通的雙T接頭，由于連接處結(jié)構(gòu)突變，即使雙T各臂均接匹配負(fù)載，接頭處也會產(chǎn)生反射。為了消除反射，通常在接頭處加入匹配元件(如螺釘、膜片或錐體等)，得到匹配的雙T（魔T）。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universityn魔T具有以下特性：

38、1.自動(dòng)匹配：只要端口3和端口4匹配，則端口1和端口2自動(dòng)匹配；（如果S33=S44=0，則S11=S22=0）2.對口隔離：端口1與端口2、端口3與端口4互相隔離（S12=S21=S34=S43=0）3.功率平分：當(dāng)信號自E壁輸入，則反相等分給端口1與端口2；當(dāng)信號從H壁輸入，則同相等分給端口1與端口2；北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University當(dāng)信號從端口1輸入，則同相等分給E壁與H壁；當(dāng)信號從端口2輸入，則反相等分給E壁（反）與H壁（同）；n魔T的S矩陣為 001100111110021100Sn魔T是理想的3dB定向耦合器。n鄰臂平分,對臂隔離。北京交通大學(xué)Be

39、ijing Jiaotong University例1.已知魔T各端口的輸入電壓，求各端口的輸出電壓。解：魔T是線性網(wǎng)絡(luò)，滿足線性疊加原理，即某端口的輸出電壓為各端口輸入電壓在該端口上的響應(yīng)之和。由S矩陣定義可得， 001100111110021100S11223344001100111110021100iriririrUUUUUUUU北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University因此 ， ， ， 。1342riiUUU2342riiUUU3122riiUUU4122riiUUU北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University例2：魔T的端口1和3接匹配負(fù)

40、載，而端口2內(nèi)置短路活塞，H壁（端口4）接匹配信號源（輸入電壓為 ），求E壁（端口3）的輸出電壓。解：信號從H壁輸入，端口1和2同相等分輸出 1242rriUUU端口1接匹配負(fù)載，因此入射波被全部吸收，即 10iU 端口2接短路負(fù)載，因此入射波被全部反射，即2242iriUUU 4iU北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University相當(dāng)于信號從端口2輸入，因此端口3和4反相等分輸出，即32422riiUUU 42422riiUUU由此可知，H壁輸入的功率1/2消耗在端口1接的匹配負(fù)載上，1/4消耗在端口3接的匹配負(fù)載上，1/4反饋回H壁。北京交通大學(xué)Beijing Jiaot

41、ong University 引言 波導(dǎo)中電抗元件 微波連接元件和終接元件 衰減器和移相器 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 定向耦合器 微波濾波器 微波諧振器內(nèi)容提要 微波元件北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universityn微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。 n按作用分，可分為低通、高通、帶通和帶阻等四種類型的濾波器。 n按傳輸類型分，可分為波導(dǎo)型、同軸型、帶狀型和微帶型等四種。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong Universityn微波濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)截止頻率fc或頻率范圍f1f2通帶內(nèi)的最大插入衰減LAr阻帶內(nèi)的最小插入衰減LAs北京交通大學(xué)Bei

42、jing Jiaotong University 引言 波導(dǎo)中電抗元件 微波連接元件和終接元件 衰減器和移相器 阻抗調(diào)配器和阻抗變換器 定向耦合器 微波濾波器 微波諧振器內(nèi)容提要 微波元件北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University微波諧振器微波諧振器n微波諧振器又稱作微波諧振腔，由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段組成，電磁波在三個(gè)坐標(biāo)方向上均呈駐波分布，即電磁能量不能傳輸，只能來回振蕩。n微波諧振器是具有儲能與選頻特性的微波元件，廣泛應(yīng)用于微波信號源、微波濾波器及波長計(jì)中。諧振意味著“平衡”，微波諧振就是微波能量中電儲能和磁儲能之間的平衡北京交通大學(xué)Beijing Ji

43、aotong Universityn微波諧振器可以定性地看作是由集中參數(shù)LC諧振回路過渡而來的。微波諧振器微波諧振器n在低頻段，采用集中參數(shù)的L和C來構(gòu)造諧振回路，但升高到微波頻率后，由于歐姆損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗的增加，降低了諧振回路的Q值，且LC諧振回路功率容量較小，工藝上也難以實(shí)現(xiàn)。北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University微波諧振器中電磁場能量關(guān)系與LC諧振回路相類似微波諧振器微波諧振器北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University微波諧振器與LC諧振回路相比，有其特殊性： LC諧振回路的電場能量集中在電容器中，磁場能量集中在電感器，而微波

44、諧振器是分布參數(shù)回路，電場能量和磁場能量是空間分布的； LC諧振回路只有一個(gè)諧振頻率，而微波諧振器一般有無限多個(gè)諧振頻率； 微波諧振器可以集中較多的能量，且損耗較小，因此它的品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)大于LC集中參數(shù)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。微波諧振器微波諧振器北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University諧振器基本參量諧振器基本參量LC諧振中，常采用L、C和R作為基本參量，但在微波諧振器中，L和C既無明確的物理意義，又無法直接測量。在微波諧振器中，通常采用諧振頻率f0 (或諧振波長0)、品質(zhì)因數(shù)Q 及等效電導(dǎo)G0作為基本參量。1.諧振頻率f0 諧振頻率f0是指諧振器中該模式的場量發(fā)生諧振時(shí)的頻

45、率，也經(jīng)常用諧振波長0表示，它是描述諧振器中電磁能量振蕩規(guī)律的參量。微波諧振器微波諧振器北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University諧振時(shí)，諧振器內(nèi)電場和磁場能量自行轉(zhuǎn)換，諧振器內(nèi)總電納為零。如果采用某種方法得到諧振器的等效電路,并將所有的電納歸算到同一個(gè)參考面上,則在諧振時(shí),此參考面上總的電納為零,即利用上式可以求得諧振頻率。微波諧振器微波諧振器00B f北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University式中W0為諧振器的儲能，PL為諧振器的損耗功率2.品質(zhì)因數(shù)Q品質(zhì)因數(shù)Q是微波諧振器的一個(gè)主要參量，它描述了諧振器選擇性的優(yōu)劣和能量損耗的大小，其定義為其

46、它計(jì)算公式:微波諧振器微波諧振器2QLLPWTPW0002諧振時(shí)能量一個(gè)周期內(nèi)損耗的電磁諧振器內(nèi)儲存電磁能量StVSdSHdVHRQ220StVdSHdVHQ222北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University同軸線諧振腔同軸線諧振腔利用同軸線中的駐波振蕩構(gòu)成的諧振腔，稱為同軸諧振腔。只要同軸線尺寸滿足： 即可保證只傳輸TEM模。 同軸諧振腔具有振蕩模式簡單、工作穩(wěn)定、工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)?？勺鳛槲⒉ㄈ龢O管的振蕩回路，作為波長計(jì)和 混頻器的諧振回路。通常分為/4型、/2型及電容加載型三種。minab北京交通大學(xué)Beijing Jiaotong University可得 或或阻抗分布規(guī)律 ，因此1. /4型同軸諧振腔型同軸諧振腔將同軸線一端開路，一端短路，則構(gòu)成了/4型同軸諧振腔。它等效于終端短路的傳輸線。根據(jù)諧振條件，從參考面T看進(jìn)去的導(dǎo)納為零，由終端短路沿線同軸線諧振腔同軸線諧振腔0inZjZ