微波技术课件第5章 微波元器件(有源无源 4次课)

1、第5章 微波元器件微波元件分类传输线类型波导型、同轴型、微带型功能连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、相移元件、功分元件、波型变换元件、滤波元件等变换性质互易元件、非互易元件和非线性元件等分析方法-网络-等效电路 终端负载元件 短路负载 匹配负载 失陪负载 微波连接元件 波导接头 衰减器、移相器、转换接头 匹配元件 螺钉调配器 多阶梯阻抗变换器 渐变型阻抗变换器5.1 连接匹配元件 终接元件-传输线终端所接的元件 单端口网络 匹配负载 将所有的电磁能量全部吸收而无反射 =1,=0 短路器 将所有的电磁能量全部反射 =,=1短路负载 短路负载-短路器 作用-将电磁能量全部反射回去 产生驻波分

2、布的元件 终端开路 终端短路 纯电抗元件向外辐射能量，不能形成纯驻波向外辐射能量，不能形成纯驻波无损耗的纯电抗负载几乎没有无损耗的纯电抗负载几乎没有最容易实现最容易实现短路负载 短路器分类 固定短路器 可调短路器 固定短路器 将传输线完全短路 特点 对于任何频率的电磁波，反射系数 都恒等于 1 短路面的位置不能移动 可调短路器-短路活塞 特点 在特定的微波频率范围内，反射系数 约等于 1 短路面的位置可以移动 设计短路活塞的基本原则 尽可能多地反射微波功率 辐射损耗，吸收损耗都应尽量小 工作频带尽量宽 电接触良好，移动平滑，磨损小 传输大功率时保证接触处不发生打火现象短路负载 可调短路器：短路

3、活塞 分类：接触式和抗流式 接触式 短路活塞与传输线内壁有良好的电接触并能平滑移动接触过紧接触过紧活塞移动困难活塞移动困难接触过松接触过松增加辐射损耗甚至造成接触点打火增加辐射损耗甚至造成接触点打火弹性材料弹性材料-铍青铜，磷青铜铍青铜，磷青铜短路负载短路活塞-扼流式优点：优点：u损耗小损耗小 u驻波比可以大于驻波比可以大于100100短路活塞-扼流式缺点：缺点：u频带较窄频带较窄, , 一般只有一般只有10%15%10%15%的带宽的带宽u同轴同轴S S型扼流短路活塞，它具型扼流短路活塞，它具有宽带特性。有宽带特性。 可调短路器-短路活塞 优点 无机械接触，无磨损 电性能稳定 交流短路，直流

4、开路，可以通过它来为微波腔体内的有源器件提供直流偏置 缺点 工作频带窄 机械加工难度较大，不适于在微波高频段使用匹配元件匹配元件 全匹配负载 作用-在传输系统中建立行波状态 要求 较宽的工作频带 输入驻波比小 一定的功率容量匹配元件 匹配负载是由吸收材料和匹配段构成 根据吸收材料的几何形状 面吸收式：用于小功率微波系统 体吸收式：用于大功率微波系统 根据吸收材料的种类 固体：金属电阻膜，碳化硅，羟基铁 液体：水 测试实验表明，水负载的驻波比为 10 的属于宽带匹配负载 带内驻波比 为1.05 1.20是比较好的匹配负载，相当于99.998 99.2 的入射功率被负载吸收常用的匹配负载小功率同轴

5、线匹配负载的应用一、仪器、设备校准微波元器件的闲置端口都必须配置匹配负载。右图为波导型定向耦合器，其 4端口配置了一个小功率匹配负载。123414匹配负载的应用微波元器件的闲置端口都必须配置匹配负载。右图为微带线型耦合器，其 4 端口配置了一个 50 欧姆的匹配负载。尽管从理论上讲 4 端口是没有输出的。 连接元件 接头：把相同传输线连接在一起的装置 转接元件：把不同类型传输线连接在一起的装置 接头 连接点接触可靠; 输入驻波比尽可能小 1.2; 工作频带要宽; 无泄漏 结构要牢靠，装拆方便，容易加工等微波连接元件常用射频/微波接头 接头（法兰盘）平接头平接头机械加工要求高机械加工要求高抗流接

6、头抗流接头真正短路真正短路波导接头 抗流法兰盘 转接元件-将不同类型传输线或元件连接 阻抗匹配 模式的变换 同轴线波导转接器 内导体插入深度h 偏心距d 短路活塞位置l1 9 _ 1 5转换接头（1） 波导微带转接器波导波导(Ze=400-500 ) 微带线微带线(Z0=50 )中间加脊波导过渡段中间加脊波导过渡段实现阻抗匹配实现阻抗匹配转换接头（2）同轴线微带转接器同轴线内导体直径的选取同轴线内导体直径的选取与微带线的特性阻抗有关与微带线的特性阻抗有关通常使通常使内导体直径等于微带线中内导体直径等于微带线中心导带宽度心导带宽度转换接头（3） 矩形波导圆波导模式变换器 大多采用波导横截面的逐渐

7、变化来达到模式的变换转换接头（4） 衰减器和移相器 二端口网络 衰减器 作用：对通过它的微波能量产生衰减 移相器 作用：对通过它的微波信号产生一定的相移，但能量无衰减衰减器 分类 按是否可调分 固定衰减器 可变衰减器 按工作原理分 吸收衰减器 截止衰减器 极化衰减器00llaeeS 吸收式衰减器 工作原理 在波导内放入与电场方向平行的吸收片，当微波能量通过吸收片时，将吸收一部分能量而产生衰减 截止式衰减器的工作原理 在传输线中插入一小段横向尺寸较小的传输线段，使电磁波在这一小段传输线内处在截止状态下传输，即电磁波经过这段传输线后微波能量很快衰减，控制截止传输线的长度，就可以调节衰减量的大小20

8、010lg8.68lAAeAl2c移相器 移相器 对电磁波只产生一定的相移的微波元件，是一个无反射、无衰减的二端口网络 原理 相移量 常用的移相器：介质移相器 00jjeSe 2pll改变相位的方法改变相位的方法改变改变 l 或改变或改变 p阻抗调配器和阻抗变换器 在微波系统中经常会遇到反射问题 负载阻抗与传输线的特性阻抗不相等 相同类型而不同特性阻抗的传输线相连接 不同类型的传输线相连接 传输线中接入一些必要的器件 反射波的影响 使负载得不到最大功率 功率容量和效率都会降低 在大功率时还会出现打火现象 在微波测量系统中又会影响测量精度消除反射波消除反射波螺钉444pppddd电感，易击穿电感

9、，易击穿串联谐振串联谐振电容电容 2.定向耦合器 应用 监视功率、频率、频谱 功率分配、合成 混频器、测量电桥 测量反射波 分类定向耦合器-分类波导同轴线带状线微带线按传输线类型单孔耦合多孔耦合连续耦合平行线耦合按耦合方式同向耦合反向耦合输出方向90度定向180度定向输出相位强耦合中等耦合弱耦合按耦合强弱（a）微带分支定向耦合器微带分支定向耦合器 （b）波导单孔定向耦合器）波导单孔定向耦合器（c）平行耦合线定向耦合器）平行耦合线定向耦合器 （d）波导匹配双）波导匹配双T（e）波导多孔定向耦合器）波导多孔定向耦合器 （f） 微带混合环微带混合环4 端口端口隔离端口隔离端口2端口端口直通端口直通端

10、口1 端口端口输入端口输入端口3端口端口耦合端口耦合端口 定向耦合器的技术指标 耦合度C 输入端口的输入功率P1和耦合端口的输出功率P3之比的分贝数1310lg()PCdBP可逆四端口网络可逆四端口网络212131311210lg20lg()2iiUCdBSS U耦合度越大耦合度越大耦合越弱耦合越弱 定向性D 耦合端口和隔离端口的输出功率之比的分贝数来表示定向耦合器的定向传输性能，称为定向性D D愈大,隔离端口输出愈小,定向性愈好23131324414110lg10lg20lg()SSPDdBPSS 输入驻波比 将定向耦合器除输入端口外,其余各端口均接上匹配负载时,输入端的驻波比即为定向耦合器

11、的输入驻波比。 工作频带宽度 满足定向耦合器指标要求的频率范围111111SS 双分支定向耦合器和端口反向，反向定向耦合器 和端口的输出信号相位差90,故又称为90反向定向耦合器输入输入, ABC ADC，路程相同，路程相同C点相加点相加,有输出有输出输入，输入，ADABCD两路路程差为两路路程差为p0/2相位差为相位差为,口无输出口无输出 将一路微波功率按一定比例分成将一路微波功率按一定比例分成n n路输出的功率元件路输出的功率元件称为功率分配器。称为功率分配器。u等功率分配器和不等功率分配器等功率分配器和不等功率分配器u大功率往往采用同轴线，中小功率常采用微带线大功率往往采用同轴线，中小功

12、率常采用微带线 3.功率分配器 (1) (1) 两路微带功率分配器两路微带功率分配器 两路微带功率分配器的平面结构如图两路微带功率分配器的平面结构如图 5 - 19 5 - 19 所示所示, , 其中输入端口特性阻抗为其中输入端口特性阻抗为Z Z0 0, , 分成的两段微带线分成的两段微带线电长度为电长度为g/4, g/4, 特性阻抗分别是特性阻抗分别是Z Z0202和和Z Z0303, , 终端分别接终端分别接有电阻有电阻R R2 2和和R R3 3。功率分配器的基本要求如下。功率分配器的基本要求如下: : 功率分配器图 5 19 两路微带功率分配器的平面结构 端口端口“”无反射无反射; ;

13、 端口端口“、 ”输出电压相等且同相输出电压相等且同相; ; 端口端口“、 ”输出功率比值为任意指定值输出功率比值为任意指定值, , 设为设为根据以上三条有根据以上三条有21k0in32in111ZZZ232322212121kRURU32UU 22022inRzZ32033inRzZ)1 (202kkZZ32003/ )1 (kkZZkZR03由传输线理论有由传输线理论有 实际，实际， 在在“、”端跨接电阻端跨接电阻R Rj j, , 既不影响功既不影响功率分配器性能率分配器性能, , 又可增加隔离度。于是实际功率分配又可增加隔离度。于是实际功率分配器平面结构如图器平面结构如图 5 - 20

14、 5 - 20 所示所示, , 其中其中Z Z0404、Z Z0505及及R Rj j 由由以下公式确定以下公式确定: : kZZRZ00204kZZRZ00305kkzRj201图 5-20 实际功率分配器平面结构图5.3 微波谐振器 微波谐振器 微波系统中常用的重要元件 具有储能与选频特性的微波元件 应用 微波信号源、微波滤波器及波长计、 速调管、磁控管等微波电子管的重要组成部分 微波加热器-微波炉 构成 由一段两端短路或两端开路的传输线段组成 低损耗介质块图 5 25 各种微波谐振器2a圆波导圆波导在圆波导两端用导体短路可构成微波圆柱谐振腔2a2b同轴线同轴线在同轴线两端用抗流活塞或低通

15、滤波器短路可构成微波同轴谐振腔D = 11 mm，h = 8 mmf0 = 4.2 GHz ，C 波段波段D = 4 mm， h = 3.5 mmf0 = 12 GHz，Ku 波段波段微波谐振器-简介 分类 传输线型谐振器-两端被开路或短路的传输线 矩形谐振器 圆柱谐振器 同轴谐振器 带状线谐振器 微带谐振器 开放式谐振腔 非传输线型谐振器-特殊形状谐振器 速调管 磁控管 行波管微波源微波源rr导体板的尺度导体板的尺度远大于微波波长远大于微波波长 LC谐振回路在高频的局限性 频率升高，损耗急剧增加，品质因数大大降低，选频特性变差； 频率升高，电感器和电容器制作困难LCf210图 5 26 微波

16、谐振器的演化过程 与LC谐振回路的相似之处 与LC谐振回路的区别 能量分布 LC 谐振回路：电场能量 C ，磁场能量 L 微波谐振器： 电场能量和磁场能量是空间分布的 谐振频率 LC谐振回路：唯一谐振频率 f0 微波谐振器：无限多个谐振频率 f0 品质因数 微波谐振器集中较多的能量，损耗较小，因此它的品质因数远大于LC集中参数回路的品质因数一、微波谐振器的基本参量 三个基本参量 谐振频率f0 (或谐振波长0 ) 品质因数Q0 等效电导G0 谐振频率f0 谐振器中某个模式的场发生谐振的频率 谐振频率可采用电纳法分析 谐振时,谐振器内电场能量和磁场能量自行彼此转换,故谐振器内总的电纳为零谐振频率

17、谐振频率f0 等效电路，将所有的等效电纳归算到同一个参考面上00B ff0,.)2 , 1(2gppllp2c2g2222/12c2022lpvf谐振频率2/12c2022lpvfu谐振频率由谐振频率由振荡模式振荡模式、腔体尺寸腔体尺寸以及以及腔中腔中填充介质填充介质( (, ,) )所确定；所确定；u在谐振器尺寸一定的情况下在谐振器尺寸一定的情况下, , 与振荡模式与振荡模式相对应有相对应有无穷多个谐振频率。无穷多个谐振频率。结论结论品质因数 品质因数Q0 描写谐振器的选择性的优劣和能量损耗的大小000022LLQWWPTP谐振时谐振器内储存的电磁能量一个周期内损耗的电磁能量 品质因数Q0

18、谐振时,电磁场的总储能为 谐振器的损耗 导体损耗 介质损耗 辐射损耗*022VVWdVdVE EH H封闭腔封闭腔=0无介质损耗无介质损耗壁电流的热损耗壁电流的热损耗 无载品质因数 描述了谐振腔储能和谐振腔本身耗能的情况 有载品质因数 描述了谐振腔储能和谐振腔及其耦合装置的耗能情况000LWQP00LLeWQPP外界负载吸外界负载吸收的功率收的功率SVQ2结论结论: : ， 应选择谐振器形状使其应选择谐振器形状使其 大大; ; 因谐振器线尺寸与工作波长成正比即因谐振器线尺寸与工作波长成正比即V V , , S S , , 故故 有有Q Q0 0 , , 由于由于仅为几微米仅为几微米, , 对厘

19、米波段对厘米波段的谐振器的谐振器, ,其其Q Q0 0值将在值将在10104 4-10-105 5量级。量级。 SVSVQ030200二、同轴线谐振腔 同轴线谐振腔 利用同轴线中的驻波振荡构成的谐振腔 同轴线单模传输条件 优点 振荡模式最简单 工作稳定 工作频带宽minab 同轴谐振腔的种类 /4同轴腔 /2同轴腔 电容加载同轴腔 /2型同轴谐振腔 由两端短路（或开路）的一段同轴线构成02ln当腔的长度一定时当腔的长度一定时每对应一个每对应一个n值就有值就有一个谐振波长一个谐振波长,即对即对应于一种模式应于一种模式 /2型同轴谐振腔的品质因数00ln281lnD dDQDDD dd(D/d)=3.6时，同轴腔的品质因数时，同轴腔的品质因数Q0达最大达最大 /4同轴腔 将同轴线一端短路,另一端开路 谐振时,从