射頻電路與天線（一）第11講基本元件介紹和應(yīng)用

1、射頻電路與天線（一）RF Circuits and Antennas第11講基本元件介紹和應(yīng)用第11講內(nèi)容引言波導(dǎo)元件同軸元件微帶元件集總元件高低阻抗線教材pp152-16211.1 引言 在射頻電路中，除了傳輸線以外，根據(jù)電路的設(shè)計(jì)或?qū)嶋H電路實(shí)現(xiàn)的需要，總是要引入各種不連續(xù)性。有些不連續(xù)性是我們所不需要的，例如傳輸線的彎曲、不同傳輸線的連接等。有些不連續(xù)性是作為實(shí)現(xiàn)某種功能的電路元件，人為引入的，是電路設(shè)計(jì)所必須的，例如電抗元件等。無(wú)論怎樣，為了精確設(shè)計(jì)電路，必須給出這些不連續(xù)性的分析模型等效電路。 高頻電阻由于高頻效應(yīng)，在高頻時(shí)電阻R將會(huì)出現(xiàn)引線電感，引線電阻，極間電容，引線間電容等。高頻

2、電容平板電容是最常用的電容，對(duì)于面積為A，間距為d，填充介電常數(shù)為的電介質(zhì)的平板電容在低頻時(shí)為 高頻時(shí)，除了引線電感和引線電容外，電介質(zhì)變得有耗，產(chǎn)生高頻介質(zhì)電導(dǎo)率，損耗電導(dǎo)為高頻電感電感通常是由導(dǎo)體線圈構(gòu)成，在高頻，線圈除了具有電感外，還有高頻電阻和線圈導(dǎo)體間的寄生電容。因此, 電感已變?yōu)镽LC諧振器。低頻電路基本元件：電感，電容，電阻以及理想變壓器。低頻元件都是集總元件，元件參數(shù)與頻率幾乎無(wú)關(guān)。但在射頻電路中，元件成為分布參數(shù)元件，參數(shù)是頻率的函數(shù)。射頻元件的基本結(jié)構(gòu)一般都是利用傳輸線中的不連續(xù)性實(shí)現(xiàn)的。 按傳輸線結(jié)構(gòu)劃分，基本元件通常分為波導(dǎo)元件、同軸元件、帶狀線元件、微帶元件、共面波導(dǎo)

3、元件和集總元件等 。 11.2 波導(dǎo)元件 電容膜片電力線xyzTTY0Y0jBTbaTxyzb力線分析當(dāng)矩形波導(dǎo)中傳輸?shù)闹髂E10 模遇到電容膜片時(shí)，由于它的場(chǎng)分量不滿足膜片的邊界條件，所以必然產(chǎn)生出新的場(chǎng)分量，或者說(shuō)感應(yīng)出新的場(chǎng)分布。電容膜片只在y方向引入不連續(xù)性，而x方向是連續(xù)的。而TE10模只有Ey、Hx 和Hz分量，所以在電容膜片處只有電力線發(fā)生彎曲、壓縮，而磁力線形狀不變。于是，在電容膜片處，電場(chǎng)能量相對(duì)集中，可以等效為一個(gè)并聯(lián)電容。模式展開(kāi)理論告訴我們，膜片處的場(chǎng)可以展開(kāi)為矩形波導(dǎo)所有TE和TM模的組合。當(dāng)入射波TE10模遇到膜片后，一部分入射波被反射，另一部分穿透膜片進(jìn)入另一段

4、波導(dǎo)，同時(shí)在膜片上產(chǎn)生了許多高次模。這些高次模的場(chǎng)同TE10模的場(chǎng)疊加滿足膜片的邊界條件。高次模在滿足單模傳輸條件的矩形波導(dǎo)中是截止的，所以，離開(kāi)膜片不遠(yuǎn)就會(huì)很快衰減掉，于是在膜片附近形成了一個(gè)電磁儲(chǔ)能區(qū)。模式分析由于電容膜片的不連續(xù)性只在y方向，而TE10模在y方向只有電場(chǎng)分量，所以產(chǎn)生的高次模只有TM模，而沒(méi)有TE模。截止的TM模中，電場(chǎng)能量占優(yōu)勢(shì)。因此，如果電容膜片極薄且無(wú)損耗的話，就可以等效為一個(gè)并聯(lián)電容。電容膜片的口徑附近電場(chǎng)比較集中，容易發(fā)生擊穿，所以功率容量低。而且電容膜片不易得到較大的等效電納，所以在實(shí)際應(yīng)用中很少采用。 電感膜片 分析方法與對(duì)電容膜片的分析方法相同。只是電感膜

5、片只在x方向上不連續(xù)，在y方向上是連續(xù)的。當(dāng)傳輸TE10模時(shí)，電感膜片處只有磁力線變形、壓縮，因此，磁場(chǎng)能量相對(duì)集中?；蛘哒f(shuō)，在膜片上產(chǎn)生的高次模只有TE模且沿y方向不變化，因而，高次模為TEm0模，而TEm0模中磁場(chǎng)儲(chǔ)能大于電場(chǎng)儲(chǔ)能。因此，電感膜片處，磁場(chǎng)能量占優(yōu)勢(shì)，故等效為并聯(lián)電感。諧振窗諧振窗可以理解為電感膜片和電容膜片的組合，因此，可以等效為一并聯(lián)諧振回路。顯然，當(dāng)它的電場(chǎng)儲(chǔ)能和磁場(chǎng)儲(chǔ)能相等時(shí)發(fā)生諧振，并聯(lián)導(dǎo)納為零，這時(shí)反射最小。根據(jù)波導(dǎo)理論，可以把諧振窗看成在主波導(dǎo)中級(jí)聯(lián)一小段橫截面為 的縮小尺寸波導(dǎo)，只要它們相匹配，就不會(huì)有反射。 對(duì)于空氣填充的矩形波導(dǎo)，設(shè)波導(dǎo)中只傳輸TE10模。

6、主波導(dǎo)的特性阻抗和諧振窗波導(dǎo)的特性阻抗分別為匹配條件于是 在固定波長(zhǎng)的情況下，滿足這個(gè)關(guān)系式的諧振窗尺寸有很多組值 。雙曲線方程應(yīng)當(dāng)注意，上述分析是近似的，忽略了諧振窗的邊緣效應(yīng)以及膜片非常薄的影響，因此，只能用于諧振窗的初步設(shè)計(jì)。在微波系統(tǒng)中，為了使某些電真空器件與波導(dǎo)相耦合，或者將波導(dǎo)充氣或密封，并保證不影響微波功率的傳輸，廣泛采用諧振窗。諧振窗也常用作波導(dǎo)濾波器的諧振元件。 調(diào)節(jié)螺釘在矩形波導(dǎo)中央插入螺釘時(shí)，該處場(chǎng)受擾動(dòng)和發(fā)生變化。當(dāng)插入深度小于/4時(shí)，一方面增強(qiáng)電場(chǎng)，另一方面，寬面縱電流流入螺釘產(chǎn)生磁場(chǎng)，但前者占優(yōu)勢(shì)，所以并聯(lián)電納呈容性隨著螺釘旋入深度的增加，電感量和電容量都增加，約/

7、4 時(shí)，容抗和感抗相等，形成串聯(lián)諧振，當(dāng)深度進(jìn)一步增加，感抗大于容抗，形成電感。波導(dǎo)階梯波導(dǎo)階梯是兩種不同截面尺寸的波導(dǎo)相連接時(shí)所形成的不連續(xù)性。對(duì)于矩形波導(dǎo)最常見(jiàn)的階梯是E面階梯和H面階梯。E面階梯沿電場(chǎng)方向（y方向）構(gòu)成階梯，類似于電容膜片，沿縱向可以近似看作電容膜片的一半，故在連接處可以等效為一個(gè)并聯(lián)電容。H面階梯沿磁場(chǎng)方向（x方向）構(gòu)成階梯，類似于電感膜片，沿縱向可以近似看作電感膜片的一半，故在連接處可以等效為一個(gè)并聯(lián)電感。E面階梯H面階梯短路負(fù)載短路器分類固定短路器可調(diào)短路器固定短路器將傳輸線完全短路特點(diǎn)對(duì)于任何頻率的電磁波，反射系數(shù) 都恒等于 1短路面的位置不能移動(dòng)短路活塞 短路活

8、塞實(shí)質(zhì)上就是長(zhǎng)度可調(diào)整的短路線段。為了實(shí)現(xiàn)良好的短路特性，短路活塞應(yīng)該與波導(dǎo)壁保持緊密接觸。但緊密接觸會(huì)造成滑動(dòng)困難。所以簡(jiǎn)單的短路活塞難以在電氣性能與機(jī)械性能同時(shí)得到理想的特性。短路活塞的主要要求保證接觸處的損耗小，反射系數(shù)的模應(yīng)該接近1,；活塞移動(dòng)時(shí)，接觸損耗要??；大功率應(yīng)用時(shí)，反射系數(shù)的模應(yīng)該接近1。分類：接觸式和抗流式接觸式短路活塞與傳輸線內(nèi)壁有良好的電接觸并能平滑移動(dòng)接觸過(guò)緊活塞移動(dòng)困難接觸過(guò)松增加輻射損耗甚至造成接觸點(diǎn)打火彈性材料-鈹青銅，磷青銅因此，一般多采用扼流結(jié)構(gòu)的短路活塞?；钊跈C(jī)械上與波導(dǎo)壁并不接觸，但在電氣性能上卻保持了良好的短路特性。扼流槽尺寸因?yàn)榕c工作波長(zhǎng)有關(guān)，所以

9、帶寬受到限制。RZc211.3 同軸元件同軸線的主模是TEM模，采用波導(dǎo)不連續(xù)性的分析方法，可以得到同軸線不連續(xù)性的等效電路。 同軸線階梯同軸線縫隙同軸線膜片11.4 微帶不連續(xù)性微帶開(kāi)路 因?yàn)樵谖е行膶?dǎo)帶突然終斷處，導(dǎo)帶末端將出現(xiàn)剩余電荷，引起邊緣電場(chǎng)效應(yīng)，所以，微帶開(kāi)路端并不是理想開(kāi)路，而是存在縮短電容效應(yīng)。微帶間隙微帶間隙處，電場(chǎng)相對(duì)集中，所以可以形成電容。當(dāng)間隙較大或要求精確較高的情況下，間隙等效為型電路。SWhjBjBbjBajBa為了獲得較大的電容值，可以采用交指形間隙結(jié)構(gòu)。通常能夠提供高達(dá)5pF的串聯(lián)電容。微帶階梯微帶拐角在微帶電路中，為了改變電磁波傳播方向通常采用拐角。直接的

10、直角拐角由于存在不連續(xù)性電容，會(huì)產(chǎn)生較大反射。為了減小反射，可以把拐角做成圓滑的拐角，但這樣會(huì)使得電路尺寸較大。直角拐角圓滑拐角更有效的方法是把拐角的外部切成斜角，利用兩次反射的相互抵銷達(dá)到匹配。微帶拐角的切角11.5 集總元件在射頻頻段，傳統(tǒng)工藝下的集總元件由于損耗和寄生效應(yīng)的影響已無(wú)法使用。但是隨著微電子與微機(jī)械工藝的發(fā)展，如今集總元件的尺寸已經(jīng)可以制作得遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于射頻工作波長(zhǎng)，因此，依然可以應(yīng)用于射頻電路中。射頻電路中常用的集總元件主要是片式電阻、電容和電感。為了精確地設(shè)計(jì)射頻電路，必須掌握集總元件在射頻頻段的準(zhǔn)確特性，給出精確的等效電路。 集總電阻 電阻可以用有耗材料的薄膜制成。片式電阻是在陶瓷片上沉積有耗薄膜層(厚度從m)，兩端加金屬電極而成。有耗薄膜金屬電極RC集總電容 通常采用介質(zhì)薄膜電容，其原理類似于平板電容?？梢詫?shí)現(xiàn)高達(dá)25pF的電容。集總電感 通常采用環(huán)形導(dǎo)線 實(shí)現(xiàn)集總電感。 為了獲得大電感，可采用螺旋線，這種電感有較高的 Q值和較大的電感量。但因電感量增大的同時(shí)也增加了損耗和雜散電容，這使最大工作頻率受到限制。 11.6 高/低阻抗線 在射頻電路中我們可以用一小段高阻抗傳輸線作為串聯(lián)電感，用一小段低阻抗線作為并聯(lián)電容，統(tǒng)稱為高、低阻抗線。一段電角度為的傳輸線的A矩陣為 T型電路的A矩陣為兩個(gè)矩陣相等，必須對(duì)應(yīng)元素相等，即如