电磁波第7章-2

1、第7章 微波元件7.4.1 定向耦合器结构定向耦合器结构所谓定向就是指信号的输出口是指定的，理论上不会所谓定向就是指信号的输出口是指定的，理论上不会从其他端口输出。从其他端口输出。7.4 7.4 定向耦合器与功率分配器定向耦合器与功率分配器图图7-4-1 定向耦合器的工作示意图定向耦合器的工作示意图同向定向耦合器、反向定向耦合器、双向定向耦合器。同向定向耦合器、反向定向耦合器、双向定向耦合器。第7章 微波元件u端口端口1为输入端，端口为输入端，端口2为直通端为直通端(信号直接输出端信号直接输出端)，端口，端口3为为耦合端耦合端(信号耦合输出端信号耦合输出端)，端口，端口4为隔离端（理想情况下输

2、出为隔离端（理想情况下输出功率为零）。功率为零）。第7章 微波元件7.4.2 波导双孔定向耦合器波导双孔定向耦合器双孔定向耦合器由两根波导组成，分别称为主波导与双孔定向耦合器由两根波导组成，分别称为主波导与辅波导。该型耦合器通过主、辅波导公共宽壁辅波导。该型耦合器通过主、辅波导公共宽壁(或窄壁或窄壁)上的上的两个小孔实现定向耦合，工作原理如图两个小孔实现定向耦合，工作原理如图7-4-2所示。所示。1、2为为主波导端口，主波导端口，3、4为辅波导端口，主、辅波导的尺寸相同。为辅波导端口，主、辅波导的尺寸相同。两小孔间的距离为两小孔间的距离为d=g/4，g为中心频率为中心频率f0的波导波长。的波导

3、波长。图图7-4-2 波导双孔定向耦合器原理图与照片波导双孔定向耦合器原理图与照片2第7章 微波元件其工作原理为：波程差为半波长奇数倍，好像好叠加其工作原理为：波程差为半波长奇数倍，好像好叠加相消；波程差为半波长偶数倍，好像好叠加相长。相消；波程差为半波长偶数倍，好像好叠加相长。如信号由如信号由1-2传输传输：口口4输出信号：（输出信号：（1）信号路径：信号路径：1-a1-b-4 （2）信号路径：）信号路径：1-a2-b-4口口3输出信号：（输出信号：（1）信号路径：信号路径：1-a1-b”-3 （2）信号路径：）信号路径：1-a1-a2-3波长差为半波长，信号叠加相消，口波长差为半波长，信号

4、叠加相消，口4无输出。无输出。波长差为零，信号叠加相长，口波长差为零，信号叠加相长，口3输出两信号和。输出两信号和。第7章 微波元件同理，如信号由同理，如信号由2-1传输传输：波长差为半波长，信号叠加相消，口波长差为半波长，信号叠加相消，口3无输出。无输出。波长差为零，信号叠加相长，口波长差为零，信号叠加相长，口4输出两信号和。输出两信号和。u所以：当所以：当1-2为入射波，口为入射波，口3只输出入射波；只输出入射波； 2-1为反射波，口为反射波，口4只输出反射波，只输出反射波，定向耦合器可用来测定反射系数。定向耦合器可用来测定反射系数。第7章 微波元件设在各端口均接匹配负载的情况下，定义下述

5、各项技设在各端口均接匹配负载的情况下，定义下述各项技术指标：术指标：(1) 耦合度耦合度C：输入端的输入功率：输入端的输入功率P1与耦合端的输出功与耦合端的输出功率率P3之比的分贝数表示为之比的分贝数表示为 (2) 方向性方向性D：耦合端和隔离端输出功率之比的分贝数：耦合端和隔离端输出功率之比的分贝数表示为表示为131310lg20lgPCSP 334410lg20lgPDSP第7章 微波元件(3) 隔离度隔离度I：输入端输入的功率：输入端输入的功率P1与隔离端输出功率与隔离端输出功率P4之比的分贝数表示为之比的分贝数表示为上述三个指标之间的关系为上述三个指标之间的关系为D与与I都是描述定向耦

6、合器定向性能的量，但实际上更多使都是描述定向耦合器定向性能的量，但实际上更多使用方向性用方向性D而极少用隔离度而极少用隔离度I。方向性越高越好，理想情况。方向性越高越好，理想情况为为P4=0，D=。其他技术指标例如驻波比、带宽、插入损。其他技术指标例如驻波比、带宽、插入损耗与其他器件类似。耗与其他器件类似。141410lg=-20logPISP1331411410lg10lg10lgP PPPDICP PPP第7章 微波元件7.4.3 波导十字槽孔定向耦合器波导十字槽孔定向耦合器十字槽孔定向耦合器的优点是具有理想方向性，且基十字槽孔定向耦合器的优点是具有理想方向性，且基本上与频率无关，耦合度的

7、频率特性也较好，结构紧凑，本上与频率无关，耦合度的频率特性也较好，结构紧凑，连接方便，在微波通信系统中经常采用。连接方便，在微波通信系统中经常采用。图7-4-3 十字槽孔定向耦合器结构图第7章 微波元件图7-4-5 十字槽耦合器耦合波传输方向的判定第7章 微波元件7.4.4 平行耦合线耦合器平行耦合线耦合器上述两种耦合器都是波导耦合器，传播的是上述两种耦合器都是波导耦合器，传播的是TE波或波或TM波。波。TEM波耦合器多用平行耦合线实现，以带状线结构波耦合器多用平行耦合线实现，以带状线结构为主。通常，此类定向耦合器由主线和辅线构成，两条平为主。通常，此类定向耦合器由主线和辅线构成，两条平行带线

8、的长度为行带线的长度为/4，如图，如图7-4-6所示。所示。图7-4-6 平行耦合线耦合器结构第7章 微波元件图7-4-9 平行耦合线耦合器第7章 微波元件7.4.5 功率分配器功率分配器在实际应用中，有时需要将信号源的功率分别馈送给在实际应用中，有时需要将信号源的功率分别馈送给若干个分支电路若干个分支电路(负载负载)，例如将发射机的功率分别馈送给天，例如将发射机的功率分别馈送给天线的很多个辐射单元，就需要功率分配器。线的很多个辐射单元，就需要功率分配器。功率分配器的主要指标为输入输出间的分配损耗与插功率分配器的主要指标为输入输出间的分配损耗与插入损耗、输出支路间的隔离度、输出功率比，其他指标

9、如入损耗、输出支路间的隔离度、输出功率比，其他指标如端口驻波比、带宽等与其他器件类似端口驻波比、带宽等与其他器件类似。第7章 微波元件图7-4-10 同轴线型功率分配器结构示意图第7章 微波元件图7-4-11 多路输出结构第7章 微波元件图7-4-13 多路功率分配器第7章 微波元件7.5 7.5 微波谐振器微波谐振器图7-5-2 LC回路演变成微波谐振腔第7章 微波元件图7-5-1 微波谐振腔第7章 微波元件假设波导长度为假设波导长度为l，要能产生谐振，则有，要能产生谐振，则有,1,2,3,.2glpp由此得到矩形波导谐振腔的谐振波长为由此得到矩形波导谐振腔的谐振波长为 (7-5-2)222

10、2mnpablu矩形波导：矩形波导：第7章 微波元件u圆柱形谐振腔圆柱形谐振腔圆柱形谐振腔由一段两端封闭的圆波导构成，和矩圆柱形谐振腔由一段两端封闭的圆波导构成，和矩形谐振腔一样，圆柱形谐振腔也有形谐振腔一样，圆柱形谐振腔也有TEmnp和和TMmnp型场，型场，其中其中m表示场沿半圆周分布的最大值个数，表示场沿半圆周分布的最大值个数，n表示沿半径表示沿半径分布的最大值个数，分布的最大值个数，p表示场沿轴向分布的最大值个数。表示场沿轴向分布的最大值个数。在许多振荡型式中，最有用的是在许多振荡型式中，最有用的是TE111型和型和TE011型。型。第7章 微波元件图7-5-6 TE111模中等精度波

11、长计结构示意图TE111模的谐振波长为模的谐振波长为 (7-5-4)2211123.41la第7章 微波元件图7-5-8 TE011模高精度波长计结构示意图TE011模的谐振波长为模的谐振波长为 (7-5-5)2211121.64la第7章 微波元件u同轴谐振腔同轴谐振腔图7-5-9 三种结构的同轴谐振腔/2同轴线谐振腔；称为同轴线谐振腔；称为/4同轴线谐振腔；电容加载同轴谐振腔同轴线谐振腔；电容加载同轴谐振腔第7章 微波元件滤波器是用来分离不同频率信号的一种器件。它的主滤波器是用来分离不同频率信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，而只要作用是抑制不需要的信号，使

12、其不能通过滤波器，而只让需要的信号通过。让需要的信号通过。 在通信、电子对抗、雷达等微波系统中，滤波器是必在通信、电子对抗、雷达等微波系统中，滤波器是必不可少的设备，同时滤波器还是构成多工器的基础。滤波不可少的设备，同时滤波器还是构成多工器的基础。滤波器按频率的通带范围可分为低通、高通、带通和带阻四个器按频率的通带范围可分为低通、高通、带通和带阻四个类型。类型。7.6 7.6 微波滤波器微波滤波器第7章 微波元件图7-6-1 滤波器的响应特性第7章 微波元件滤波器主要技术指标为：滤波器主要技术指标为：(1) 截止频率与带宽即通带的上下限频率截止频率与带宽即通带的上下限频率f1和和f2，截止频，

13、截止频率之差即为滤波器带宽。率之差即为滤波器带宽。(2) 通带衰减即通带内允许的最大衰减，要求越小越好。通带衰减即通带内允许的最大衰减，要求越小越好。 (3) 带外抑制即阻带衰减，要求越大越好。带外抑制即阻带衰减，要求越大越好。(4) 寄生通带是滤波器的特有指标，寄生通带是滤波器的特有指标，这是由于传输线是这是由于传输线是分布参数，对频率响应具有周期性的原因，分布参数，对频率响应具有周期性的原因，其结果使离开其结果使离开设计通带一定距离又产生了通带，一般各通带的中心频率设计通带一定距离又产生了通带，一般各通带的中心频率成倍数关系。滤波器的截止频率一定不能落在寄生通带内。成倍数关系。滤波器的截止

14、频率一定不能落在寄生通带内。第7章 微波元件(5) 时延特性，信号通过网络的时间取决于群时延表示时延特性，信号通过网络的时间取决于群时延表示为为其中，其中，为滤波器的插入相移即该网络的散射参量的相角为滤波器的插入相移即该网络的散射参量的相角21。当插入当插入与与为线性关系时，为线性关系时，td为常数，信号不会产生失真；为常数，信号不会产生失真；当不是线性关系时，信号会失真。当不是线性关系时，信号会失真。dddt第7章 微波元件1. 低通滤波器低通滤波器图7-6-2 15阶同轴结构低通滤波器使用高阻抗传输线实现串联电感，使用高阻抗传输线实现串联电感， 用低阻抗线实现并联电容。用低阻抗线实现并联电

15、容。第7章 微波元件2. 高通滤波器高通滤波器高通滤波器的结构通常用同轴短截线来实现并联电感同轴短截线来实现并联电感，用垫有聚四氟乙稀的内导体圆盘实现串联电容垫有聚四氟乙稀的内导体圆盘实现串联电容，从而构成梯形高通滤波器图7-6-3 高通滤波器的内部结构、等效电路第7章 微波元件3. 带通滤波器带通滤波器一般相对带宽小于一般相对带宽小于20%称为窄带带通滤波器，相对带称为窄带带通滤波器，相对带宽大于宽大于40%称为宽带带通滤波器。称为宽带带通滤波器。其基本原理都可以归结其基本原理都可以归结为耦合腔的级联为耦合腔的级联(串联或并联串联或并联)。图7-6-4 带通滤波器工作原理第7章 微波元件图7

16、-6-5 波导带通滤波器第7章 微波元件图7-6-6 同轴带通滤波器第7章 微波元件4. 带阻滤波器带阻滤波器带阻滤波器可对某些特殊频率进行衰减，带阻滤波器可对某些特殊频率进行衰减，其LC原型电路如图7-6-7所示。图7-6-7 带阻滤波电路LC原型第7章 微波元件图7-6-9 带阻滤波器结构第7章 微波元件图7-6-10 9级带阻滤波器响应第7章 微波元件7.7.1 铁氧体对圆极化波的导磁率铁氧体对圆极化波的导磁率7.7 7.7 微波铁氧体元件微波铁氧体元件图7-7-1 铁氧体对正负圆极化波呈现的相对导磁率第7章 微波元件7.7.2 微波铁氧体元件微波铁氧体元件1. 场移式隔离器场移式隔离器

17、场移式隔离器是利用铁氧体在外加恒定磁场作用下，对正负圆极化波所具有的不同特性而构成的一种微波元件。它使正向传输的波无衰减(实际上是衰减很小)地通过，而对于反向传输的波则有较大的衰减。图7-7-2 场移式隔离器第7章 微波元件图7-7-3 场移式隔离器工作原理第7章 微波元件2. 共振式隔离器共振式隔离器 共振式隔离器的特点是恒定磁场强度正好等于磁共振所需要的数值，即铁氧体工作于图7-7-1的谐振吸收区。铁磁共振时，正圆极化磁场通过铁氧体衰减很大，负圆极化磁场则衰减很小。电磁波由1向2端传播时，因右侧TE10波的磁场为顺时针旋转，相对于H0为负圆极化磁场，电磁波的衰减很小，顺利传播；反之，电磁波

18、由2端向1端传播时，铁氧体处TE10波的磁场变为逆时针旋转，相对于H0为正圆极化磁场，电磁波的衰减很大，无法传播。因此， 共振式隔离器也可以起到隔离作用。第7章 微波元件图7-7-4 共振式隔离器第7章 微波元件这两种隔离器各有优缺点，如下所述：(1) 场移式隔离器所需的恒定磁场比较小，但是所用的衰减片既要衰减量大，使反向传输的功率产生极大的衰减，又要占的地方小，以免正向传输的功率出产生较大的衰臧，因此工艺上不易实现，制造不易。此外，衰减片装在波导里，散热也不容易。(2) 共振式隔离器的结构简单，功率容量大，但所需的恒定磁场比较大。第7章 微波元件3. 环行器环行器环行器是一种具有环行作用的微波器件。环行器原理如图7-7-5所示。当电磁波从臂输入时，则由臂输出，而臂无输出。依次类推， 如从臂输入，则输出，无输出。因为是循环置换，故取名为环行器。环行器用得最多的是结环行器，下面以Y结环行器为例进行介绍。第7章 微波元件图7-7-5 环形器原理图第7章 微波元件图7-7-6 Y形带