微波元器件介绍

1、微微 波波 元元 器器 件件 无源器件无源器件 有源器件有源器件 基本电抗元件基本电抗元件 终端元件终端元件 连接元件连接元件 分支元件（功分器）分支元件（功分器） 衰减器和移相器衰减器和移相器 定向耦合器定向耦合器 滤波器滤波器 谐振器谐振器 隔离器隔离器 微波振荡器微波振荡器 微波放大器微波放大器 微波混频器微波混频器 微波倍频器微波倍频器 微波控制器件微波控制器件 电抗元件电抗元件 v原理：原理： 在传输线的不均匀区域附近，电磁在传输线的不均匀区域附近，电磁 场比较复杂，可以分解为主模和多个高次场比较复杂，可以分解为主模和多个高次 模式的叠加，其中主模可以传输，而高次模式的叠加，其中主模

2、可以传输，而高次 模截止，只能分布在不均匀区附近。因此模截止，只能分布在不均匀区附近。因此 不均匀区附近储存了高次模式的电磁场能不均匀区附近储存了高次模式的电磁场能 量。量。 v 若储存的主要是若储存的主要是电场能量电场能量，则不均匀，则不均匀 区域相当于一个储存电能的区域相当于一个储存电能的电容电容；若储存；若储存 的主要是的主要是磁场能量磁场能量，则不均匀区域相当于，则不均匀区域相当于 一个储存磁能的一个储存磁能的电感电感。 波导电抗元件波导电抗元件 3、谐振窗：、谐振窗： a b 2 2 1 2 bb ba ba a r 谐振波长谐振波长： 谐振时，并联回路的电抗无穷大（相当于开路），无

3、反射；谐振时，并联回路的电抗无穷大（相当于开路），无反射； 失谐时，并联回路的电抗为容性或感性，反射较大；失谐时，并联回路的电抗为容性或感性，反射较大； 作用：一个谐振窗相当于作用：一个谐振窗相当于带通滤波器带通滤波器，谐振的频率就是可通，谐振的频率就是可通 过的频率。过的频率。 b a 谐振窗：谐振窗： 微带电路中的电容、电感 间隙电容间隙电容交指电容交指电容叠层电容叠层电容 2、串联电感：、串联电感： l 一段无耗一段无耗短短传输线传输线 c Z 一段一段Zc大大的短传输线可等效为的短传输线可等效为串联电感串联电感； 一段一段Zc小小的短传输线可等效为的短传输线可等效为并联电容。并联电容。

4、 若若Zc大，则大，则L大，大， C小可忽略小可忽略 若若Zc小，则小，则C大，大， L小可忽略小可忽略 当介质基片厚度一定时，微带宽度当介质基片厚度一定时，微带宽度W ，则，则Zc ； 预备知识：预备知识： C p c v lZL 22 p c v lY C L / 2 等效等效 L / 2 一段一段窄窄的短微带线可等效为的短微带线可等效为串联电感串联电感； 一段一段宽宽的短微带线可等效为的短微带线可等效为并联电容。并联电容。 l c Zc Z cc ZZ c Z 用高阻抗微带短线实现串联电感用高阻抗微带短线实现串联电感 高阻抗段高阻抗段 c Z c Z 环形电感环形电感圆形螺旋电感圆形螺旋

5、电感方形螺旋电感方形螺旋电感 为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数：为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数： 串联在传输线上的谐振回路：串联在传输线上的谐振回路： L C C L l 并联电容、电感：并联电容、电感： c Z c Z c Z cc ZZ 用低阻抗线实现并联电容：用低阻抗线实现并联电容： 低阻抗段低阻抗段 用并联的终端开路支节实现用并联的终端开路支节实现并联电容并联电容或或并联电感并联电感； 微微 波波 滤滤 波波 器器 一、低频滤波器设计一、低频滤波器设计 将所需其他滤波器的衰减将所需其他滤波器的衰减 特性通过特性通过频率变换频率变换，得到对，得到对 应的低通滤波

6、器衰减特性；应的低通滤波器衰减特性； 设计该对应的低通滤波器的设计该对应的低通滤波器的 电路结构和元件值；电路结构和元件值； 应用频率变换，得到所需滤应用频率变换，得到所需滤 波器的电路结构和元件值。波器的电路结构和元件值。 （衰减）（衰减） （频率）（频率） 低通滤波器低通滤波器的设计已非常的设计已非常 成熟；成熟； 低通滤波器：最平坦式、低通滤波器：最平坦式、 切比雪夫式、椭圆函数式切比雪夫式、椭圆函数式 二、微波滤波器设计二、微波滤波器设计 先按低频滤波器的常规设计方法，设计出低频集先按低频滤波器的常规设计方法，设计出低频集 总元件滤波器，得到其电路结构和每一个元件值；总元件滤波器，得到

7、其电路结构和每一个元件值； 然后，用微波频段的元件代替已设计电路中的集然后，用微波频段的元件代替已设计电路中的集 总元件，该过程称为总元件，该过程称为集总参数电路的微波实现集总参数电路的微波实现。 如，波导中，电感、电容就可以用波导膜片、销如，波导中，电感、电容就可以用波导膜片、销 钉来实现，微带电路中也可用微带间隙、分支等来实钉来实现，微带电路中也可用微带间隙、分支等来实 现电感、电容。现电感、电容。 三、微带滤波器三、微带滤波器 集总元件电路集总元件电路 1、低通滤波器、低通滤波器1 微带电路实现方案微带电路实现方案 L L C （电感）（电感） （交指电容）（交指电容） C1C3C5 L

8、2L4 L6 高阻抗短线高阻抗短线（窄线）（窄线） 相当于相当于 串联电感串联电感 低阻抗短线低阻抗短线 （宽线）相当于（宽线）相当于 并联电容并联电容 经过计算确定每段微带的长度、宽度，使其等效电经过计算确定每段微带的长度、宽度，使其等效电 抗值与集总元件电路中的对应电抗值的相等。抗值与集总元件电路中的对应电抗值的相等。 C1C3C 5 L2L4 L6 c Z c Z 微带电路实现方案微带电路实现方案 2、低通滤波器、低通滤波器2 集总元件电路集总元件电路 C2 C4 L1L3 椭圆函数式低椭圆函数式低 通滤波器通滤波器 L2L4 L5 C6 3、低通滤波器、低通滤波器3 微带电路实现方案微

9、带电路实现方案 4、带通滤波器、带通滤波器 输入输入 输出输出 两端开路的微带段，两端开路的微带段， 长度均为长度均为g / 2 微带段两端开路，波导波长等于微带段两端开路，波导波长等于 g 的电磁波才可以在微带的电磁波才可以在微带 段上谐振并持续存在；段上谐振并持续存在； 微带段与微带段之间有能量耦合；微带段与微带段之间有能量耦合； 输入信号中，只有谐振频率及其附近频率的信号才可以一输入信号中，只有谐振频率及其附近频率的信号才可以一 级一级耦合到输出口，故为级一级耦合到输出口，故为带通滤波器带通滤波器。 平行耦合微带型带通滤波器平行耦合微带型带通滤波器 某实际微带电路中的耦合带通滤波器某实际

10、微带电路中的耦合带通滤波器 屏蔽盒中的微带带通滤波器屏蔽盒中的微带带通滤波器 将将 微带段折弯，以减小体积微带段折弯，以减小体积 2 g 平行耦合微带型带通滤波器的变形平行耦合微带型带通滤波器的变形 同轴线输入同轴线输入同轴线输出同轴线输出 5、带阻滤波器、带阻滤波器 g1 /4 终端开路终端开路 输入输入输出输出 对于波导波长等于对于波导波长等于 g1 、g2 、g3 的电磁波而言，并的电磁波而言，并 联的终端开路联的终端开路 四分之一支节实现了对地短路的功能，这四分之一支节实现了对地短路的功能，这 些频率的信号些频率的信号 不能通过，故为不能通过，故为带阻滤波器带阻滤波器。 g2 /4g3

11、 /4 带阻滤波器实例带阻滤波器实例 终端元件（单端口元件）终端元件（单端口元件） 一、匹配负载：一、匹配负载： 作用作用：接在传输线的终端，尽量吸收全部入射功率，保证：接在传输线的终端，尽量吸收全部入射功率，保证 传输线的终端无反射，其驻波比在传输线的终端无反射，其驻波比在 1.05 左右左右 1.1 左右；左右； 工作原理工作原理：元件中采用高阻衰减材料、吸波材料，：元件中采用高阻衰减材料、吸波材料， 吸收入射的电磁波；吸收入射的电磁波； 特点特点：吸波材料与空气的界面应做成渐变式过渡，减：吸波材料与空气的界面应做成渐变式过渡，减 小反射；小反射； 高功率匹配负载需要散热装置，将吸收的电磁

12、高功率匹配负载需要散热装置，将吸收的电磁 能转化成的热能散发出去。能转化成的热能散发出去。 1、波导式匹配负载、波导式匹配负载 片式吸收体片式吸收体体积式吸收体体积式吸收体 散热片散热片 大功率匹配干负载大功率匹配干负载 出出 大功率匹配水负载大功率匹配水负载 水水 入入 吸波材料吸波材料 2、同轴线式匹配负载、同轴线式匹配负载 同轴匹配干负载同轴匹配干负载 3、微带线式匹配负载、微带线式匹配负载 介质介质 薄膜电阻薄膜电阻 导体带导体带 渐变式渐变式 4 g 开路开路 匹配阻抗式匹配阻抗式 半圆式半圆式 二、辐射终端二、辐射终端 能量尽量辐射出去，尽量减小能量尽量辐射出去，尽量减小终端终端反

13、射；反射； 波导喇叭天线波导喇叭天线 E面喇叭面喇叭 H面喇叭面喇叭 金字塔形喇叭金字塔形喇叭圆形喇叭圆形喇叭 喇叭天线喇叭天线 抛物面天线的喇叭馈源抛物面天线的喇叭馈源 波导喇叭波导喇叭 衰减器和移相器衰减器和移相器 一、衰减器：一、衰减器： 同轴线衰减器同轴线衰减器 可调波导衰减器可调波导衰减器 吸波材料片吸波材料片 作用作用：根据需要，减小所传输信号的幅度。：根据需要，减小所传输信号的幅度。 原理原理：用吸波材料吸收一定的电磁能量来实现衰减。：用吸波材料吸收一定的电磁能量来实现衰减。 4 g 二、移相器：二、移相器： 原理原理：电磁波在不同介质中具有不同的相移常数。因：电磁波在不同介质中

14、具有不同的相移常数。因 此改变电磁波经过的介质就可以改变其相移量。此改变电磁波经过的介质就可以改变其相移量。 作用作用：可以人为地改变传输电磁波的相位。：可以人为地改变传输电磁波的相位。 矩形波导矩形波导TE10模式的相移常数模式的相移常数 2 222 a kk c 经过距离经过距离 l 的相移量的相移量 2 2 a ll 相移量与媒质参数密切相关相移量与媒质参数密切相关低损耗介质片低损耗介质片 l 微带线移相器电路 功率分配网络功率分配网络 0 2 )1( N 天线阵元天线阵元 移相器移相器 馈源馈源 应用举例：应用举例：用于相控阵天线中，要求每个天线阵元用于相控阵天线中，要求每个天线阵元

15、辐射相位不同的电磁波。辐射相位不同的电磁波。 移相器的移相器的 相移量相移量 相控阵天线相控阵天线 分支元件分支元件 作用作用：把一路电磁能量分为两路或多路；或者，将：把一路电磁能量分为两路或多路；或者，将 多路电磁能量相加或相减。多路电磁能量相加或相减。 1、波导、波导E-T分支（三端口元件分支（三端口元件） 2 1 3 21 3 串联支路串联支路 等效等效 等效电路等效电路 在在3臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调节臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调节串串 联支路联支路的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为电抗元件的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为电抗元件 使用。使用。 jX12

16、等效等效 能量分配功能能量分配功能 21 3 3臂自身有反射，但若在该臂加入匹配装置，臂自身有反射，但若在该臂加入匹配装置， 可使可使3臂的入射能量全部从臂的入射能量全部从1、2臂平分输出；臂平分输出； 3臂输入时，从臂输入时，从1、2臂等幅、反相输出；臂等幅、反相输出； 1臂输入时，从臂输入时，从 2、3臂输出；臂输出； 12 3 12 3 2臂输入时，从臂输入时，从 1、3臂输出；臂输出； 求差信号的功能求差信号的功能 1 2 3 两信号分别从两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴臂输入，且到达分支波导中轴 T面时面时相位相同相位相同，则，则3臂输出臂输出两信号之差两信号之差，称为，

17、称为差差 信号信号。 信号信号1信号信号2 信号信号1 信号信号2 若两输入信号等幅，则若两输入信号等幅，则3臂无输出；臂无输出； T 求和信号的功能求和信号的功能 1 2 3 两信号分别从两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中臂输入，且到达分支波导中 轴轴T面时面时相位相反相位相反，则，则3臂输出臂输出两信号之和两信号之和，称，称 为为和信号和信号。 信号信号1信号信号2 信号信号1 信号信号2 T 2、波导、波导H-T分支（三端口元件）分支（三端口元件） 21 3 等效等效 并联支路并联支路 等效电路等效电路 1 2 3 在在3臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调臂加终端短路活塞，

18、就可以移动短路活塞，调 节节并联支路并联支路的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为 电抗元件使用。电抗元件使用。 21 等效等效 jX 能量分配功能能量分配功能 1 2 3 3臂自身有反射，但若在该分支波导加入匹臂自身有反射，但若在该分支波导加入匹 配装置，可使配装置，可使3臂的入射能量全部从臂的入射能量全部从1、2臂臂 平分输出；平分输出； 3臂输入时，从臂输入时，从1、2臂等幅、同相输出；臂等幅、同相输出； 1臂输入时，从臂输入时，从 2、3臂输出；臂输出； 2臂输入时，从臂输入时，从 1、3臂输出；臂输出； 1 2 3 1 2 3 求和信号的功能求和信号的功

19、能 1 2 3 信号信号1信号信号2 信号信号1信号信号2 两信号分别从两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中臂输入，且到达分支波导中 轴轴T面时面时相位相同相位相同，则，则3臂输出臂输出两信号之和两信号之和，称为，称为 和信号和信号。 T 求差信号的功能求差信号的功能 1 2 3 信号信号1信号信号2 信号信号1信号信号2 两信号分别从两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴臂输入，且到达分支波导中轴 T面时面时相位相反相位相反，则，则3臂输出臂输出两信号之差两信号之差，称为，称为差差 信号信号。 若此时两信号等幅，则若此时两信号等幅，则3臂无输出；臂无输出； T 3、波导双、波导双

20、-T分支（四端口元件）分支（四端口元件） 1 2 3（E） 4（H） 主要特性：主要特性： 1、2同相输入：同相输入：3输出输出差信号差信号，4输出输出和信号和信号； 3输入：输入：1、2等幅、反相输出，等幅、反相输出，4无输出；无输出； 4输入：输入：1、2等幅、同相输出，等幅、同相输出，3无输出；无输出； 3、4相互隔离（相互不可传送信号）相互隔离（相互不可传送信号） 1 3 2 “3臂、臂、4臂隔离臂隔离”的原因：的原因： T 3臂输入的臂输入的TE10 模式模式 关于中轴面关于中轴面T反对称反对称， 而而4臂中臂中TE10模式关于模式关于 中轴面中轴面T对称对称，故相互，故相互 不能激

21、励。不能激励。 3臂（臂（4臂）输入的臂）输入的 TE10 模可以在模可以在4臂（臂（3 臂）中激励起高次模，臂）中激励起高次模， 但高次模式不能传输，但高次模式不能传输， 不能输出。不能输出。 3臂输入，臂输入， 4臂无输出臂无输出 1 3 2 T 4臂输入，臂输入， 3臂无输出臂无输出 4、波导魔、波导魔T（四端口元件）（四端口元件） 1 2 3（E） 4（H） 调匹配的装置调匹配的装置 主要特性：主要特性： 任何端口都与外接传输线相匹配；任何端口都与外接传输线相匹配；3、4匹配之后，匹配之后，1、2 自动匹配；自动匹配； 3输入：输入：1、2等幅、反相输出，等幅、反相输出，4无输出；无输

22、出； 4输入：输入：1、2等幅、同相输出，等幅、同相输出，3无输出；无输出； 1、2均有输入：均有输入：3输出差信号，输出差信号，4输出和信号；输出和信号； 3、4臂相互隔离；臂相互隔离；1、2臂相互隔离；臂相互隔离； 在微波设备、雷达中应用广泛。在微波设备、雷达中应用广泛。 二、二、 微带分支：微带分支： Y形分支形分支 T形分支形分支 微带天线阵微带天线阵 微带天线阵元微带天线阵元 微带线微带线 主要特性：主要特性： 3臂输入：臂输入：1、2等幅、反相输出，等幅、反相输出，4臂无输出；臂无输出； 4臂输入：臂输入：1、2等幅、同相输出，等幅、同相输出，3臂无输出；臂无输出； 1、2臂均有输

23、入：臂均有输入：3臂输出差信号，臂输出差信号，4臂输出和信号；臂输出和信号； 3、4臂相互隔离；臂相互隔离；1、2臂相互隔离；臂相互隔离； 微带环形电桥（微带魔微带环形电桥（微带魔T） 1 2 4 3 微带环形电桥实例微带环形电桥实例 功分器功分器 典型的功分器有微带和腔体两种。 腔体功分器：腔体功分器： 腔体功分器是同轴结构，它将输入的50阻抗变换 为25（使用内外导体的不同比率），25阻抗可以良好 的与两个输出50的并联阻抗匹配。 微带功分器微带功分器 Wilkinson功率分配器是在T分支上加隔离电阻形成的。 它可以进行任意比率的功率分配。 工作原理： 当信号从端口1输入时，功率从端口2

24、和端口3输出，只要设计 恰当，输出可按一定比例分配，并保持电压同相，电阻R上无电 流，不吸收功率。 1 2 3 若端口2（或端口3）失配，则有信号反射。反射信号 通过两条线路到达端口3（或端口2）。路径差为半波长， 因此只要控制好R，就可以实现两路反射信号大小相等、 相位相反，因此反射信号不会流入端口3（或端口2），从 而保证两输出端有良好的隔离。 定向耦合器定向耦合器 3 32 2 1 14 4 同向耦合同向耦合 输入端口输入端口 隔离端口隔离端口 耦合端口耦合端口 直通端口直通端口 3 3 2 2 1 14 4 反向耦合反向耦合 直通端口直通端口 耦合端口耦合端口 输入端口输入端口 隔离端

25、口隔离端口 作用：作用：从主传输线中取出一些电磁能量并向设定从主传输线中取出一些电磁能量并向设定 的方向传输。的方向传输。 一、波导定向耦合器一、波导定向耦合器 4 g 双孔定向耦合器（窄频带）双孔定向耦合器（窄频带） 3 32 2 1 1 4 4 1 1 2 2 3 32 2 1 14 4 123N 多孔定向耦合器（频带较宽）多孔定向耦合器（频带较宽） 3 4 1 2 单孔定向耦合器单孔定向耦合器 理想状态下，隔离端口应当没有输出，但实际上仍有一定输出，因此应在 隔离端口接匹配负载，吸收这一部分功率。 吸波材料吸波材料 定向耦合器实例定向耦合器实例 二、微带定向耦合器二、微带定向耦合器 平行耦合线定向耦合器平行耦合线定向耦合器 距离较近的微带线之间都有能量耦合距离较近的微带线之间都有能量耦合。 锯齿形定向耦合器锯齿形定向耦合器 提高定向性提高定向性 主线主线 副线副线 锯齿形定向耦合器实例锯齿形定向耦合器实例 微带双分支定向耦合器微带双分支定向耦合器 3 3 2 21 1 4 4 4 g 4 g AB CD 1输入，输入，2、3输出，相位差输出，相位差90度；度； 4为隔离端口，无输出；为隔离端口，无输出； 环形器 使信号单方向传输的器件。所有射频信号以同样的环形方向传输，但是 只能从一个端口出去，所有射频信号必须从它遇到的第一个端口出来。它是