微波技術(shù)課件第5章 微波元器件(有源無源 4次課)

第5章微波元器件微波元件分類傳輸線類型波導(dǎo)型、同軸型、微帶型功能連接元件、終端元件、匹配元件、衰減元件、相移元件、功分元件、波型變換元件、濾波元件等變換性質(zhì)互易元件、非互易元件和非線性元件等分析方法-----網(wǎng)絡(luò)-----等效電路終端負(fù)載元件短路負(fù)載匹配負(fù)載失陪負(fù)載微波連接元件波導(dǎo)接頭衰減器、移相器、轉(zhuǎn)換接頭匹配元件螺釘調(diào)配器多階梯阻抗變換器漸變型阻抗變換器5.1連接匹配元件終接元件----傳輸線終端所接的元件單端口網(wǎng)絡(luò)匹配負(fù)載將所有的電磁能量全部吸收而無反射ρ=1,Γ=0短路器將所有的電磁能量全部反射ρ=∞,Γ=1短路負(fù)載短路負(fù)載------短路器作用----將電磁能量全部反射回去產(chǎn)生駐波分布的元件終端開路終端短路純電抗元件向外輻射能量，不能形成純駐波無損耗的純電抗負(fù)載幾乎沒有最容易實現(xiàn)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對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可調(diào)短路器-----短路活塞特點在特定的微波頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)約等于1短路面的位置可以移動設(shè)計短路活塞的基本原則盡可能多地反射微波功率輻射損耗，吸收損耗都應(yīng)盡量小工作頻帶盡量寬電接觸良好，移動平滑，磨損小傳輸大功率時保證接觸處不發(fā)生打火現(xiàn)象短路負(fù)載可調(diào)短路器：短路活塞分類：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接觸過緊——活塞移動困難接觸過松——增加輻射損耗甚至造成接觸點打火彈性材料-----鈹青銅，磷青銅短路負(fù)載短路活塞-----扼流式優(yōu)點：損耗小

駐波比可以大于100短路活塞-----扼流式缺點：頻帶較窄,一般只有10%~15%的帶寬同軸S型扼流短路活塞，它具有寬帶特性?？烧{(diào)短路器-----短路活塞優(yōu)點無機(jī)械接觸，無磨損電性能穩(wěn)定交流短路，直流開路，可以通過它來為微波腔體內(nèi)的有源器件提供直流偏置缺點工作頻帶窄機(jī)械加工難度較大，不適于在微波高頻段使用匹配元件匹配元件全匹配負(fù)載作用------在傳輸系統(tǒng)中建立行波狀態(tài)要求較寬的工作頻帶輸入駐波比小一定的功率容量匹配元件匹配負(fù)載是由吸收材料和匹配段構(gòu)成根據(jù)吸收材料的幾何形狀面吸收式：用于小功率微波系統(tǒng)體吸收式：用于大功率微波系統(tǒng)根據(jù)吸收材料的種類固體：金屬電阻膜，碳化硅，羥基鐵液體：水測試實驗表明，水負(fù)載的駐波比為<1.05~1.20，能承受數(shù)百至幾十千瓦的平均功率，是良好的微波匹配負(fù)載。匹配元件設(shè)計和評價微波匹配負(fù)載的基本原則

端口在盡量寬的頻帶內(nèi)保持阻抗匹配，要求吸收材料的邊界緩慢過渡。采用功率容量大的吸收材料，吸收材料盡量放置在強(qiáng)電場區(qū)匹配元件匹配負(fù)載的主要技術(shù)指標(biāo)功率容量功率容量為數(shù)百毫瓦以下的匹配負(fù)載為小功率匹配負(fù)載工作帶寬相對帶寬>10％的屬于寬帶匹配負(fù)載帶內(nèi)駐波比為1.05~1.20是比較好的匹配負(fù)載，相當(dāng)于99.998％~99.2％的入射功率被負(fù)載吸收常用的匹配負(fù)載小功率同軸線匹配負(fù)載的應(yīng)用

一、儀器、設(shè)備校準(zhǔn)微波元器件的閑置端口都必須配置匹配負(fù)載。右圖為波導(dǎo)型定向耦合器，其4端口配置了一個小功率匹配負(fù)載。123414匹配負(fù)載的應(yīng)用微波元器件的閑置端口都必須配置匹配負(fù)載。右圖為微帶線型耦合器，其4端口配置了一個50歐姆的匹配負(fù)載。盡管從理論上講4端口是沒有輸出的。連接元件接頭：把相同傳輸線連接在一起的裝置轉(zhuǎn)接元件：把不同類型傳輸線連接在一起的裝置接頭連接點接觸可靠;輸入駐波比盡可能小<1.2;工作頻帶要寬;無泄漏結(jié)構(gòu)要牢靠，裝拆方便，容易加工等微波連接元件常用射頻/微波接頭接頭（法蘭盤）平接頭機(jī)械加工要求高抗流接頭真正短路波導(dǎo)接頭抗流法蘭盤轉(zhuǎn)接元件-----將不同類型傳輸線或元件連接阻抗匹配模式的變換同軸線―波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器內(nèi)導(dǎo)體插入深度h偏心距d短路活塞位置l轉(zhuǎn)換接頭（1）波導(dǎo)―微帶轉(zhuǎn)接器波導(dǎo)(Ze=400-500Ω)微帶線(Z0=50Ω)中間加脊波導(dǎo)過渡段實現(xiàn)阻抗匹配轉(zhuǎn)換接頭（2）同軸線―微帶轉(zhuǎn)接器同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑的選取

與微帶線的特性阻抗有關(guān)通常使內(nèi)導(dǎo)體直徑等于微帶線中心導(dǎo)帶寬度轉(zhuǎn)換接頭（3）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)到模式的變換轉(zhuǎn)換接頭（4）

衰減器和移相器

二端口網(wǎng)絡(luò)衰減器作用：對通過它的微波能量產(chǎn)生衰減移相器作用：對通過它的微波信號產(chǎn)生一定的相移，但能量無衰減衰減器分類按是否可調(diào)分固定衰減器可變衰減器按工作原理分吸收衰減器截止衰減器極化衰減器吸收式衰減器工作原理在波導(dǎo)內(nèi)放入與電場方向平行的吸收片，當(dāng)微波能量通過吸收片時，將吸收一部分能量而產(chǎn)生衰減截止式衰減器的工作原理在傳輸線中插入一小段橫向尺寸較小的傳輸線段，使電磁波在這一小段傳輸線內(nèi)處在截止?fàn)顟B(tài)下傳輸，即電磁波經(jīng)過這段傳輸線后微波能量很快衰減，控制截止傳輸線的長度，就可以調(diào)節(jié)衰減量的大小移相器移相器對電磁波只產(chǎn)生一定的相移的微波元件，是一個無反射、無衰減的二端口網(wǎng)絡(luò)原理相移量常用的移相器：介質(zhì)移相器改變相位的方法改變l或改變p阻抗調(diào)配器和阻抗變換器

在微波系統(tǒng)中經(jīng)常會遇到反射問題負(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波的影響使負(fù)載得不到最大功率功率容量和效率都會降低在大功率時還會出現(xiàn)打火現(xiàn)象在微波測量系統(tǒng)中又會影響測量精度消除反射波螺釘電感，易擊穿串聯(lián)諧振電容2.定向耦合器應(yīng)用監(jiān)視功率、頻率、頻譜功率分配、合成混頻器、測量電橋測量反射波分類定向耦合器-----分類（a）微帶分支定向耦合器（b）波導(dǎo)單孔定向耦合器（c）平行耦合線定向耦合器（d）波導(dǎo)匹配雙T（e）波導(dǎo)多孔定向耦合器（f）微帶混合環(huán)4端口隔離端口2端口直通端口1

端口輸入端口3端口耦合端口定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)耦合度C輸入端口的輸入功率P1和耦合端口的輸出功率P3之比的分貝數(shù)可逆四端口網(wǎng)絡(luò)耦合度越大耦合越弱定向性D耦合端口和隔離端口的輸出功率之比的分貝數(shù)來表示定向耦合器的定向傳輸性能，稱為定向性DD愈大,隔離端口輸出愈小,定向性愈好輸入駐波比ρ將定向耦合器除輸入端口外,其余各端口均接上匹配負(fù)載時,輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比。工作頻帶寬度滿足定向耦合器指標(biāo)要求的頻率范圍雙分支定向耦合器①和③端口反向，反向定向耦合器②和③端口的輸出信號相位差90°,故又稱為90°反向定向耦合器①輸入,A→B→CA→D→C，路程相同C點相加,③有輸出①輸入，A→DA→B→C→D兩路路程差為λp0/2相位差為π,④口無輸出

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。等功率分配器和不等功率分配器大功率往往采用同軸線，中小功率常采用微帶線

3.功率分配器

(1)兩路微帶功率分配器兩路微帶功率分配器的平面結(jié)構(gòu)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度為λg/4,特性阻抗分別是Z02和Z03,終端分別接有電阻R2和R3。功率分配器的基本要求如下:功率分配器圖5–19兩路微帶功率分配器的平面結(jié)構(gòu)

①端口“①”無反射;②端口“②、③”輸出電壓相等且同相;③端口“②、③”輸出功率比值為任意指定值,設(shè)為根據(jù)以上三條有由傳輸線理論有

實際，

在“②、③”端跨接電阻Rj,既不影響功率分配器性能,又可增加隔離度。于是實際功率分配器平面結(jié)構(gòu)如圖5-20所示,其中Z04、Z05及Rj

由以下公式確定:圖5-20實際功率分配器平面結(jié)構(gòu)圖5.3微波諧振器微波諧振器微波系統(tǒng)中常用的重要元件具有儲能與選頻特性的微波元件應(yīng)用微波信號源、微波濾波器及波長計、速調(diào)管、磁控管等微波電子管的重要組成部分微波加熱器--------微波爐構(gòu)成由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段組成低損耗介質(zhì)塊圖5–25各種微波諧振器2a圓波導(dǎo)在圓波導(dǎo)兩端用導(dǎo)體短路可構(gòu)成微波圓柱諧振腔2a2b同軸線在同軸線兩端用抗流活塞或低通濾波器短路可構(gòu)成微波同軸諧振腔D=11mm，h=8mmf0=4.2GHz，C波段D=4mm，h=3.5mmf0=12GHz，Ku波段微波諧振器-------簡介分類傳輸線型諧振器----兩端被開路或短路的傳輸線矩形諧振器圓柱諧振器同軸諧振器帶狀線諧振器微帶諧振器開放式諧振腔非傳輸線型諧振器----特殊形狀諧振器速調(diào)管磁控管行波管微波源rr導(dǎo)體板的尺度遠(yuǎn)大于微波波長LC諧振回路在高頻的局限性頻率升高，損耗急劇增加，品質(zhì)因數(shù)大大降低，選頻特性變差；頻率升高，電感器和電容器制作困難圖5–26微波諧振器的演化過程與LC諧振回路的相似之處與LC諧振回路的區(qū)別能量分布LC諧振回路：電場能量C

，磁場能量L

微波諧振器：電場能量和磁場能量是空間分布的諧振頻率LC諧振回路：唯一諧振頻率f0

微波諧振器：無限多個諧振頻率f0品質(zhì)因數(shù)微波諧振器集中較多的能量，損耗較小，因此它的品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)大于LC集中參數(shù)回路的品質(zhì)因數(shù)一、微波諧振器的基本參量三個基本參量諧振頻率f0(或諧振波長0)品質(zhì)因數(shù)Q0等效電導(dǎo)G0諧振頻率f0諧振器中某個模式的場發(fā)生諧振的頻率諧振頻率可采用電納法分析諧振時,諧振器內(nèi)電場能量和磁場能量自行彼此轉(zhuǎn)換,故諧振器內(nèi)總的電納為零諧振頻率諧振頻率f0等效電路，將所有的等效電納歸算到同一個參考面上f0諧振頻率諧振頻率由振蕩模式、腔體尺寸以及腔中填充介質(zhì)(μ,ε)所確定；在諧振器尺寸一定的情況下,與振蕩模式相對應(yīng)有無窮多個諧振頻率。結(jié)論品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q0描寫諧振器的選擇性的優(yōu)劣和能量損耗的大小品質(zhì)因數(shù)Q0諧振時,電磁場的總儲能為諧振器的損耗導(dǎo)體損耗介質(zhì)損耗輻射損耗封閉腔=0無介質(zhì)損耗壁電流的熱損耗無載品質(zhì)因數(shù)描述了諧振腔儲能和諧振腔本身耗能的情況有載品質(zhì)因數(shù)描述了諧振腔儲能和諧振腔及其耦合裝置的耗能情況外界負(fù)載吸收的功率結(jié)論:

①，應(yīng)選擇諧振器形狀使其大;②因諧振器線尺寸與工作波長成正比即V∝,S∝,故有Q0∝,由于δ僅為幾微米,對厘米波段的諧振器,其Q0值將在104-105量級。∝二、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)成的諧振腔同軸線單模傳輸條件優(yōu)點振蕩模式最簡單工作穩(wěn)定工作頻帶寬同軸諧振腔的種類λ/4同軸腔λ/2同軸腔電容加載同軸腔/2型同軸諧振腔由兩端短路（或開路）的一段同軸線構(gòu)成當(dāng)腔的長度一定時每對應(yīng)一個n值就有一個諧振波長,即對應(yīng)于一種模式/2型同軸諧振腔的品質(zhì)因數(shù)(D/d)=3.6時，同軸腔的品質(zhì)因數(shù)Q0達(dá)最大λ/4同軸腔將同軸線一端短路,另一端開路諧振時,從參考面T

看進(jìn)去的導(dǎo)納為零λ/4同軸腔的品質(zhì)因數(shù)實際應(yīng)用中，延長外導(dǎo)體長度，成為一截止圓波導(dǎo)，避免開路端向外輻射(D/d)=3.6時，同軸腔的品質(zhì)因數(shù)Q0達(dá)最大電容加載同軸腔一端短路,另一端的內(nèi)導(dǎo)體的端面與外導(dǎo)體的短路面之間形成一個集中電容由參考面T向右和向左看的電納分別為電容加載同軸腔將縫隙電場近似看作均勻分布，則式中C可按平板電容公式計算特點加載電容腔的長度總小于/4損耗大，Q值低矩形諧振腔構(gòu)成在矩形波導(dǎo)上相距為l的兩處位置上用理想導(dǎo)體短路，就構(gòu)成了矩形諧振腔振蕩模式及其場分布矩形波導(dǎo)TE模和TM模諧振腔T