射频电路7_金属波导(2)20100930

1、Research Institute of Antennas & RF Techniques射频电路与天线（一）射频电路与天线（一） RF Circuits and Antennas第第7 7讲讲 金属波导金属波导(2)(2)王世伟王世伟华南理工大学电子与信息学院天线与射频技术研究所TEL: 22236201-604Email:Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyv同轴线同轴线v波导的连接波导的连接v波导的激励与耦合波导的激励与耦合第第7讲内容讲内容教

2、材教材P58-67Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology7.1 7.1 同轴线同轴线v同轴线是由两根共轴的圆柱导体所组成，主同轴线是由两根共轴的圆柱导体所组成，主模为模为TEMTEM波，也可传输波，也可传输TETE、TMTM波（高次模）。波（高次模）。Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of TechnologyTEM波波 v根据根据Maxwell方程组

3、，同轴线方程组，同轴线TEM波满足波满足v于是于是0zzEH10rEr()10rHrr000j zrrzrzEEerEHEEHHrEjHz rHjEz Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of TechnologyTEMTEM模场分布模场分布EHResearch Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology同轴线横截面同轴线横截面TEMTEM模电场动态图模电场动态图Resear

4、ch Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology同轴线横截面同轴线横截面TEMTEM模磁场动态图模磁场动态图Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyv电流、电压与特性阻抗电流、电压与特性阻抗 002lnj zlbj zraaEIH dlebUE drE aealn2cUbZIa60ln( )crbZa电介质填充时电介质填充时1rResearch Inst

5、itute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyv传输功率传输功率v功率容量功率容量v导体衰减常数导体衰减常数v介质衰减常数介质衰减常数222*011ln22cUa EbPI UZa22lncca EbPacE介质击穿电场强度介质击穿电场强度11()22lncabbatanrdResearch Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology 高次模高次模v同轴线也存在高次模，采用与圆波导类似

6、的同轴线也存在高次模，采用与圆波导类似的分析方法，考虑到同轴线存在内导体边界条分析方法，考虑到同轴线存在内导体边界条件，可以得到求截止波数的特征方程件，可以得到求截止波数的特征方程u对于对于TM波波 mcmcmcmcJk aNk aJk bNk b, 1,2,22()cccnknbabakn近似解近似解 与与m无关无关 Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology同轴线同轴线TM01模场分布模场分布Research Institute of Antennas &

7、; RF TechniquesSouth China University of Technology u对于对于TE波波 mcmcmcmcJk aNk aJk bNk b对于对于TEm1模，近似解模，近似解 1(), 1,2,cTEmbamm对于对于TE01模，近似解模，近似解 012()cTEbaResearch Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology同轴线同轴线TE11模（最低高次模）场分布模（最低高次模）场分布Research Institute of Antennas

8、& RF TechniquesSouth China University of Technology同轴线模式分布图同轴线模式分布图Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology 同轴线尺寸的选择原则同轴线尺寸的选择原则v单模传输，只传输单模传输，只传输TEM波波v功率容量大（相对于微带线等平面电路）功率容量大（相对于微带线等平面电路）v衰减小衰减小v易于匹配，特性阻抗合适易于匹配，特性阻抗合适v无辐射损耗，抗干扰无辐射损耗，抗干扰11min ()cTEkba

9、u对于对于TEM模单模工作模单模工作 Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology0cdPda773.591,()crbZa50( )crZu对于最大功率容量对于最大功率容量u对于最小衰减容量对于最小衰减容量2.303ba301.649,()crbZa0cddau折衷选取折衷选取22lncca EbPaResearch Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technolo

10、gy【例例7-1】估计估计RC-142同轴电缆（同轴电缆（a=0.035in，b=0.116in，填充的电介质介电常数，填充的电介质介电常数 ）单模工作的最高频率。单模工作的最高频率。 解：任何频率都可以传输解：任何频率都可以传输TEM模，最低模，最低 高次模是高次模是TE11模模111116.786()cTEcTErrccfGHzba2.2r12.54incm实际上，通常建议给出实际上，通常建议给出5%的安全余量，的安全余量，因此因此 11max0.9516cTEffGHzResearch Institute of Antennas & RF TechniquesSouth Chin

11、a University of Technologyu 矩形波导连接法兰盘矩形波导连接法兰盘 有两种广泛应用的波导法兰盘：有两种广泛应用的波导法兰盘： 盖板型法兰盘盖板型法兰盘(cover flange) 扼流型法兰盘扼流型法兰盘(choke flange)。7.2 7.2 波导连接波导连接 波导和同轴线必须采用特殊的连接结构波导和同轴线必须采用特殊的连接结构Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of TechnologyResearch Institute of Antennas &a

12、mp; RF TechniquesSouth China University of Technology 具有盖板型法兰盘的两个波导可用螺栓固定具有盖板型法兰盘的两个波导可用螺栓固定在一起构成一个接触式连接。在一起构成一个接触式连接。 为了避免在这个连接处的反射和电阻损耗，为了避免在这个连接处的反射和电阻损耗，必须使接触表面光滑、干净和平整，因为电必须使接触表面光滑、干净和平整，因为电流必须流经这个不连续处。流必须流经这个不连续处。 高功率应用中，连接处可能发生电压击穿。高功率应用中，连接处可能发生电压击穿。 盖板型连接结构简单，通常使用于一般应用。盖板型连接结构简单，通常使用于一般应用。产

13、生的产生的SWR典型值小于典型值小于1.03. 盖板型法兰盘盖板型法兰盘Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of TechnologyResearch Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology 扼流型法兰盘是在盖板型法兰盘上增加扼流扼流型法兰盘是在盖板型法兰盘上增加扼流环。当盖板型法兰盘与扼流型法兰盘连接时，环。当盖板型法兰盘与扼流型法兰盘连接时，连接出形成一个很薄的隙缝，

14、构成一个连接出形成一个很薄的隙缝，构成一个g/4径向传输线。径向传输线。 扼流型法兰盘中的圆形轴向槽构成另一个扼流型法兰盘中的圆形轴向槽构成另一个g/4线。线。 因此这个槽右端的短路转换为两个法兰盘连因此这个槽右端的短路转换为两个法兰盘连接点的开路。在这个连接点上产生的任何电接点的开路。在这个连接点上产生的任何电阻都与无穷大阻都与无穷大(或非常高或非常高)的阻抗串联，因此的阻抗串联，因此接触电阻的影响很小。接触电阻的影响很小。扼流型法兰盘扼流型法兰盘Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University

15、of Technology 连接点非常高的阻抗又在波导接口处变换成连接点非常高的阻抗又在波导接口处变换成短路短路(或非常低的阻抗或非常低的阻抗)，这样就为波导壁上，这样就为波导壁上电流在流经连接点时提供一个有效的低阻抗电流在流经连接点时提供一个有效的低阻抗通路。通路。 这样，在两个法兰盘之间的欧姆连接处就存这样，在两个法兰盘之间的欧姆连接处就存在一个可以忽略的电压降，所以电压击穿得在一个可以忽略的电压降，所以电压击穿得以避免。因此，盖板以避免。因此，盖板-扼流型连接对于高功扼流型连接对于高功率应用是非常有用的。率应用是非常有用的。 该接点的该接点的SWR典型值小于典型值小于1.05，但它比盖板

16、，但它比盖板-盖板型连接更依赖于频率。盖板型连接更依赖于频率。 Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyu 同轴线连接法兰盘同轴线连接法兰盘 同轴线连接更为复杂，已形成各种标准的同同轴线连接更为复杂，已形成各种标准的同轴连接头。轴连接头。 常用的同轴接头有：常用的同轴接头有：pN型：以发明人型：以发明人P.Neil命名，命名，f11-18GHzpTNC型：广泛实用一种，型：广泛实用一种，f1GHzpSMA型：小型接头型：小型接头, f18-25GHzp2.4mm:

17、 用于毫米波，用于毫米波， f50GHzResearch Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology N型同轴接头型同轴接头Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology TNC型同轴接头型同轴接头Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Techno

18、logy SMA和和2.4mm同轴接头同轴接头Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology 同轴接头转微带线的测试架同轴接头转微带线的测试架Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology 典型同轴接头的原理典型同轴接头的原理/4/4/4/4Research Institute of Antennas & RF TechniquesSou

19、th China University of Technology7.3 7.3 为什么为什么5050 ？v微波射频电路的同轴电缆和连接头通常选微波射频电路的同轴电缆和连接头通常选用用5050 作为标准。作为标准。v考虑因素：考虑因素：功率容量功率容量抗击穿电压抗击穿电压匹配匹配减少衰减减少衰减Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyv同轴线的电场同轴线的电场vr=ar=a时电场最大时电场最大v因此最大传输功率因此最大传输功率ln( / )rVErb amaxln

20、( / )VEab a222max02ln( / )VPa Eb aZResearch Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyv根据最大功率求最佳的导体尺寸根据最大功率求最佳的导体尺寸v求得求得b/a=1.65,b/a=1.65,带入特性阻抗公式带入特性阻抗公式v因此最大传输功率的情况下特性阻抗是因此最大传输功率的情况下特性阻抗是22(lnln )2ln( / ) 10Pabaaab aaa0ln( / )(1)2LZb aC030Z Research Institute of

21、Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyv根据传输线理论衰减常数可表达为根据传输线理论衰减常数可表达为v串联总单位用表面电阻率串联总单位用表面电阻率R Rs s表示表示v并联总单位电导并联总单位电导G G是是00(2)22GZRZ11()(3)2sRRba2(4)ln( / )Gb aResearch Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyv把（把（3 3）和（）和（4 4）带入（）带入（2

22、2），我们可以求得），我们可以求得最低衰减条件最低衰减条件vb/a=3.6b/a=3.6带入特性阻抗公式求得带入特性阻抗公式求得(1/1/ )0ln( / )1/ln( / )0/3.6baaab aa bb ab a077Z Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyv3030 和和7777 的平均值为的平均值为53.553.5 ，几何平均值为，几何平均值为4848（介质为空气）（介质为空气）v当我们用介质为填充物时（比如当我们用介质为填充物时（比如PTFE, E

23、PTFE, Er r=2.25=2.25）最佳点会向低的特性阻抗值移动所以最佳点会向低的特性阻抗值移动所以5050 被选被选为标准。为标准。Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology7.4 7.4 波导激励与耦合波导激励与耦合* *v激励是指产生电磁波，耦合是指把一个区域激励是指产生电磁波，耦合是指把一个区域的电磁波转换到另一个区域中。两者的本质的电磁波转换到另一个区域中。两者的本质是一样的。是一样的。v激励激励/ /耦合原则耦合原则激励装置应与场分量的方向一致激励

24、装置应与场分量的方向一致激励出一种场分量即可激励出一种场分量即可v波导常用的耦合装置有探针（电场耦合）、波导常用的耦合装置有探针（电场耦合）、环（磁场耦合）和小孔（混合耦合）。环（磁场耦合）和小孔（混合耦合）。Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyu探针耦合（电场耦合）探针耦合（电场耦合） 波导同轴转换波导同轴转换Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of

25、 Technology 如图如图(a)所示，它是在波导的宽壁面中央插入所示，它是在波导的宽壁面中央插入同轴线，同轴线的外导体与波导壁面连接，同轴线，同轴线的外导体与波导壁面连接，而内导体延伸进入波导中。延伸的一段形成而内导体延伸进入波导中。延伸的一段形成一个辐射小天线，也称为小探针。一个辐射小天线，也称为小探针。 小探针在其附近空间激励起很多模式的场，小探针在其附近空间激励起很多模式的场，当波导满足单模传输条件时，只有当波导满足单模传输条件时，只有TE10波向波向远处传播，而其它的高次模因不满足传输条远处传播，而其它的高次模因不满足传输条件而很快被衰减掉。件而很快被衰减掉。 调节短路活塞可使波

26、导与同轴线匹配，并把调节短路活塞可使波导与同轴线匹配，并把功率全部反射使输出最大。这就把同轴线的功率全部反射使输出最大。这就把同轴线的TEM波转换为矩形波导中的波转换为矩形波导中的TE10波。波。 Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology 探针激励能否在波导中激励起其它模式，主要探针激励能否在波导中激励起其它模式，主要取决于探针在波导中的位置。原则上说，只要取决于探针在波导中的位置。原则上说，只要激励的电磁场中有一个分量与所需激励的工作激励的电磁场中有一个分量与所

27、需激励的工作模式的某一个分量相吻合，该模式就可以被激模式的某一个分量相吻合，该模式就可以被激励，如上述探针产生的电场分量与波导中励，如上述探针产生的电场分量与波导中TE10波的波的Ey分量相吻合，因而可激励起分量相吻合，因而可激励起TE10波。波。 显然，如将探针从波导宽边中央移开，则激励显然，如将探针从波导宽边中央移开，则激励TE10波的强度将随离开距离的增加而逐渐减弱，波的强度将随离开距离的增加而逐渐减弱，直至侧壁附近为直至侧壁附近为0。 为了获得大功率和宽频带，常常采用一些变形为了获得大功率和宽频带，常常采用一些变形的探针，如图的探针，如图(b)(f)。探针激励的优点是调整。探针激励的优

28、点是调整较简单，输出较大，频带较宽。较简单，输出较大，频带较宽。 Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technologyu环耦合（磁场耦合）环耦合（磁场耦合） 波导同轴转换波导同轴转换 在磁场分布最强的地方放入激励小环，让磁力在磁场分布最强的地方放入激励小环，让磁力线穿过小环，就可以实现磁场激励（耦合）线穿过小环，就可以实现磁场激励（耦合） 矩形波导矩形波导TE10模的磁激励模的磁激励Research Institute of Antennas & RF Techniq

29、uesSouth China University of Technologyu孔激励孔激励 在金属壁上开孔，可以实现电磁波的激励在金属壁上开孔，可以实现电磁波的激励（耦合），例如，在两个波导的公共壁面上（耦合），例如，在两个波导的公共壁面上开小孔，可以实现一个波导对另一个波导的开小孔，可以实现一个波导对另一个波导的激励的方法。激励的方法。 小孔激励可以是电场激励或磁场激励，也可小孔激励可以是电场激励或磁场激励，也可以是两者兼有的电磁激励，视小孔所在位置以是两者兼有的电磁激励，视小孔所在位置的电磁场分布。的电磁场分布。Research Institute of Antennas & R

30、F TechniquesSouth China University of Technologyu小孔耦合的原理小孔耦合的原理Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology 根据小孔耦合原理，可以判断图根据小孔耦合原理，可以判断图(a)是磁激励是磁激励(耦合耦合)，图，图(b)、(c)则是电磁激励。则是电磁激励。 几种矩形波导小孔耦合几种矩形波导小孔耦合Research Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China Univer