微波技术与天线-第5章.pptx
微波元器件按其变换性质可分为三大类微波元器件按其变换性质可分为三大类:线线性性互互易易元元器器件件(linear reciprocal devices)只只对对微微波波信信号号进进行行线线性性变变换换而而不不改改变变频频率率特特性性并并满满足足互互易易定定理理，主主要要包包括括：各各种种微微波波连连接接匹匹配配元元件件、功功率率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件等；等；线线性性非非互互易易元元器器件件(linear nonreciprocal devices)主主要要是是指指铁铁氧氧体体器器件件，它的它的散射矩阵不对称散射矩阵不对称，但仍工作在线性区域，主要包括：，但仍工作在线性区域，主要包括：隔离器、环行器隔离器、环行器等；等；非非线线性性器器件件(nonlinear devices)能能引引起起频频率率的的改改变变，从从而而实实现现放放大大、调调制制、变变频频等等，主主要要包包括括微微波波电电子子管管、微微波波晶晶体体管管、微微波波固固态态谐谐振振器器、微微波波场场效效应应管及微波电真空器件管及微波电真空器件等。等。第1页/共61页5.1 连接匹配元件 微波连接匹配元件包括三大类:终端负载元件(terminal load devices)是连接在传输系统终端实现终端短路、匹配或失配等功能的元件；微波连接元件(microwave connector)是将作用不同的两个微波系统按一定要求连接起来，主要包括：波导接头、衰减器、相移器及转换接头等；阻抗匹配元器件(impedance matched devices)是用于调整传输系统与终端之间阻抗匹配的器件，主要包括螺钉调配器、多阶梯阻抗变换器及渐变型变换器等。第2页/共61页1.终端负载元件（单口元件）;(1)短路负载(short circuit load)g/4g/4g/4波导短路活塞同轴线短路活塞有效短路面 短短路路负负载载又又称称为为短短路路器器,它它的的作作用用是是将将电电磁磁能能量量全全部部反反射射回回去去。对金属波导最方便的短路负载是在波导终端接上一块金属片。对金属波导最方便的短路负载是在波导终端接上一块金属片。实实际际中中的的短短路路器器都都是是做做成成可可以以移移动动的的，这这种种短短路路负负载载又又称称为为可可调短路活塞调短路活塞。有效短路面第3页/共61页匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的元件。波导内放置锲形吸收体 或在波导外侧加装散热片以利于散热 对波导来说，小功率匹配负载一般在一段终端短路的波导内放置一块或几块劈形吸收片。当吸收片平行地放置在波导中电场最强处，吸收片强烈吸收微波能量，其反射变小，劈尖的长度越长吸收效果越好，匹配性能越好，劈尖长度一般取 g/2的整数倍。劈形吸收片劈形玻璃容器当功率很大时采用水负载 (2)匹配负载(matched load)当功率较大时第4页/共61页微带匹配负载用半圆形电阻作为吸收体,特点是频带宽而且功率容量也大 同轴线锥型匹配负载 同轴线梯形匹配负载 第5页/共61页第6页/共61页(3)失配负载(mismatch load)失配负载既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率，而且一 般制成一定大小驻波的标准失配负载，主要用于微波测量。失配负载和匹配负载的制作相似，只是略微改变一下尺寸，使之和原传输系统失配。第7页/共61页2.微波连接元件 微波连接元件是二端口互易元件，主要包括：波导接头、衰减器、相移器和转换接头。连接点接触可靠连接点接触可靠;不引起电磁波的反射不引起电磁波的反射,输入驻波比尽可能小输入驻波比尽可能小,一般在一般在1.21.2以下以下;工作频带要宽工作频带要宽;电磁能量不会泄漏到接头外面电磁能量不会泄漏到接头外面;而且结构要牢靠而且结构要牢靠,装拆方便装拆方便,容易加工等容易加工等。第8页/共61页(1)波导接头(waveguide connector)平法兰扼流法兰 平法兰特点：加工方便、体积小、频带宽，其驻波比可以做到1.002以下，但要求接触表面光洁度较高。常用于低功率、宽频带场合。扼流法兰特点：功率容量大，接触表面光洁度要求不高，但工作频带较窄，驻波比的典型值是1.02。一般用于高功率、窄频带场合。第9页/共61页波导连接头除了法兰接头之外，还有各种扭转(twist)和弯曲(bend)元件，从而改变电磁波方向。第10页/共61页1、衰减器：、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。(2)衰减元件和相移元件第11页/共61页2、移相器：、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。低损耗介质片低损耗介质片l 当将衰减器的衰减片换成介电常数 r1的低耗介质片时，就构成了移相器第12页/共61页功率分配网络功率分配网络天线阵元天线阵元移相器移相器源源 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第13页/共61页1.1.同轴线波导转接器 它将同轴线的一端加信号,另一端的内导体伸入矩形波导内,则同轴线中TEMTEM模就会激励起矩形波导中TETE1010模,反之亦然。这样实现了模式变换。(3)转换接头(switching connector)微波从一种传输系统过渡到另一种传输系统时需要用转换器微波从一种传输系统过渡到另一种传输系统时需要用转换器第14页/共61页2.2.波导微带转接器由于矩形波导的等效阻抗通常在300300 400400之间,而微带线特性阻抗一般为50;50;而且矩形波导的高度b b又比微带线衬底高度h h大得多,因此两种传输线不能直接相接,常在波导和微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。第15页/共61页2023/3/123.同轴线微带转接器 将同轴线的内导体向外延伸一小段(长度约为1 1 2mm)2mm)与微带线中心导带搭接,同轴线的外导体与微带线的接地平面相连的外壳相连,这种接头根据报导,在10GHz10GHz以下的频率范围内,可得到小于1.151.15的驻波比,在一般工程中应用得到满意的结果。第16页/共61页3.阻抗匹配元件(1)螺钉调配器(bolt tuner)使用时为了避免波导短路击穿，螺钉都设计成容性，即螺钉旋入波导中的深度应小于3b/4。螺钉不同的深度等效为不同的电抗元件 螺钉调配器可分为单螺钉、双螺钉、三螺钉和四螺钉调配器。单螺钉调配器通过调整螺钉的纵向位置和深度来实现匹配的。第17页/共61页（2）多阶梯阻抗变换器(multi-ladder impedance changer)在第1章中我们已经知道用/4阻抗变换器可实现阻抗匹配，但严格说来只有在特定频率上才满足匹配条件，若要使变换器在较宽的工作频带内仍可实现匹配，必须用多阶梯阻抗变换器。波导形同轴形微带形第18页/共61页（3）渐变型阻抗变换器(graded model impedance changer)增加阶梯的级数就可以增加工作带宽，但增加了阶梯级数，变换器的总长度也要增加，尺寸会过大，另一方面结构设计越困难，因此提出用渐变线代替多阶梯。渐变线：其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线的特性阻抗变换到另一条传输线的特性阻抗。Zl第19页/共61页5.2 功率分配元器件 在微波系统中，往往需将一路微波功率按比例分成几路，这就是功率分配问题。实现上述功能的元件称为功率分配元器件(power divider)，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。第20页/共61页1、定向耦合器、定向耦合器3 34 41 12 2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 34 41 12 2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的方向从主传输线中取出一些电磁能量并向设定的方向传输。可以用来传输。可以用来监视功率、频率和频谱监视功率、频率和频谱;把功率进把功率进行分配和合成行分配和合成;又可以测量反射系数和功率又可以测量反射系数和功率,等等等等。是一条传输系统，称为主线为一条传输系统，称为副线第21页/共61页（1）、波导定向耦合）、波导定向耦合器器 双孔定向耦合器（窄频带）双孔定向耦合器（窄频带）3 34 41 12 21 12 23 34 43 34 41 12 2123N 多孔定向耦合器（频带较宽）多孔定向耦合器（频带较宽）耦合端口3微波同相叠加，隔离口4反向抵消第22页/共61页 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。输出，因此应在隔离端口接匹配负载，吸收这一部分功率。吸波材料吸波材料第23页/共61页 定向耦合器实例定向耦合器实例第24页/共61页（2）微带定向耦合器）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性能提高性能主线主线副线副线第25页/共61页锯齿形定向耦合器实例锯齿形定向耦合器实例第26页/共61页微带双分支定向耦合器微带双分支定向耦合器3 32 21 14 4ABCD1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；第27页/共61页微带双分支定向耦合器实例微带双分支定向耦合器实例第28页/共61页2.功率分配器(power divider)将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器。按输出功率比例不同，可分为等功率分配器和不等功率分配器。在结构上，大功率往往采用同轴线，而中小功率常采用微带线。第29页/共61页（1）微带功率分配器：微带功率分配器：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第30页/共61页功分器实例功分器实例一分二一分三第31页/共61页主要特性：主要特性：3端口输入：端口输入：1、2等幅、反相输出，等幅、反相输出，4端口端口无输出；无输出；4端口输入：端口输入：1、2等幅、同相输出，等幅、同相输出，3端口端口无输出；无输出；1、2端口端口均有输入：均有输入：3端口输出差信号，端口输出差信号，4端口输出和信号；端口输出和信号；3、4端口相互隔离；端口相互隔离；1、2端口相互隔离；端口相互隔离；（2）微带环形电桥（微带魔）微带环形电桥（微带魔T）1243微带环形电桥实例微带环形电桥实例第32页/共61页3.波导分支器(waveguide branch circuit)将微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器。1)E面T型分支当微波信号从端口输入时，平均地分给端口，但两端口是等幅反相的；当信号从端口反相激励时，则在端口合成输出最大；而当同相激励端口时，端口将无输出。结构 等效电路 第33页/共61页2)H面T型分支 当微波信号从端口输入时，平均地分给端口，这两端口得到是等幅同相的波；当在端口同相激励时，则在端口合成输出最大，而当反相激励时端口将无输出。第34页/共61页3)匹配双T或魔T(magic-T circuit)将ET分支和HT分支合并，并在接头内加匹配以消除各路的反射，则构成匹配双T，也称为魔T。H臂或和臂E臂或差臂 魔T具有对口隔离，邻口3dB3dB耦合及完全匹配的关系，因此它在微波领域获得了广泛应用，尤其用在雷达收发开关、混频器及移相器等场合。第35页/共61页十字定向耦合器定向耦合器魔T双 第36页/共61页5.3 微波谐振器件 在低频电路中，谐振回路是一种基本元件，它是由电感L和电容C串联或并联而成，在振荡器中作为振荡回路用以控制振荡器的频率；在放大器中用作谐振回路；在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。在微波频率上，也有上述功能的器件，这就是微波谐振器件(microwave resonators)。第37页/共61页 相当于低频中的谐振回路，具有储能、选频、稳频相当于低频中的谐振回路，具有储能、选频、稳频的功能；的功能；用途用途：微波源、滤波器、选频器等等；：微波源、滤波器、选频器等等；基本概念：基本概念：特点：特点：理论上说，有无穷多个谐振频率（多谐性）；理论上说，有无穷多个谐振频率（多谐性）；品质因素品质因素Q值很高（几万几十万）；值很高（几万几十万）；Q谐振系统谐振时的平均储能谐振系统谐振时的平均储能系统中每秒的能量消耗系统中每秒的能量消耗第38页/共61页对于谐振腔而言，已经无法分出哪里是电感、哪里是电容，腔体内充满电磁场，因此只能用场的方法进行分析。第39页/共61页1、矩形波导谐振腔、矩形波导谐振腔三个整数三个整数m、n、l的每一种组合都对应腔内的一种谐振模的每一种组合都对应腔内的一种谐振模式，因此：有无穷多个谐振模式；式，因此：有无穷多个谐振模式；（1）波导型谐振器：）波导型谐振器：abl应采用两端短路的方式；应采用两端短路的方式；第40页/共61页2、圆波导谐振腔、圆波导谐振腔la品质因数正比于腔体积，反比于腔内壁面积，故在同样体积品质因数正比于腔体积，反比于腔内壁面积，故在同样体积情况下，圆波导谐振腔比矩形谐振腔品质因数高，性能好，情况下，圆波导谐振腔比矩形谐振腔品质因数高，性能好，加工也容易，是最常用的谐振腔。加工也容易，是最常用的谐振腔。应采用两端短路的方式；应采用两端短路的方式；第41页/共61页（2）同轴腔谐振器：）同轴腔谐振器：谐振模式为谐振模式为TEM模式，场结构简单稳定、频带宽，应用广泛；模式，场结构简单稳定、频带宽，应用广泛；1、两端短路同轴谐振腔：、两端短路同轴谐振腔：l短路活塞可改变腔长，从而短路活塞可改变腔长，从而改变谐振频率改变谐振频率短路短路活塞活塞可调可调l()为自然数谐振频率nlnfmm2=第42页/共61页2、一端短路另一端开路同轴谐振腔：、一端短路另一端开路同轴谐振腔：金属盖板防辐射金属盖板防辐射l内导体可移内导体可移动，用于改动，用于改变谐振频率变谐振频率实际结构实际结构可调可调l()为自然数谐振频率nlnfmm412-=第43页/共61页微带谐振器微带谐振器lab线节谐振器线节谐振器环形谐振器环形谐振器圆盘形谐振器圆盘形谐振器谐振条件：谐振条件：1、线节谐振器、缝隙谐振器：、线节谐振器、缝隙谐振器：2、环形谐振器：平均周长、环形谐振器：平均周长第44页/共61页5.4 微波铁氧体器件 许多情况下，我们需要具有非互易性的器件。例如，在微波系统中，负载的变化对微波信号源的频率和功率输出会产生不良影响，使振荡器性能不稳定。为了解决这样的问题，最好在负载和信号源之间接入一个具有不可逆传输特性的器件。这种器件具有单向通行、反向隔离的功能，称为隔离器(isolators)。另一类非互易器件是环行器(circulators)，它具有单向循环流通功能。第45页/共61页 在非互易器件中，非互易材料是必不可少的，微波技术中应用很广泛的非互易材料是铁氧体。铁氧体是一种黑褐色的陶瓷，最初由于其中含有铁的氧化物而得名。实际上随着材料研究的进步，后来发展的某些铁氧体并不一定含有铁元素。目前常用的有镍-锌、镍-镁、锰-镁铁氧体和钇铁石榴石（YIG）等。特性：微波铁氧体(ferrite)的电阻率很高，比铁的电阻率大10121016倍，当微波频率的电磁波通过铁氧体时，导电损耗是很小的。铁氧体的相对介电常数为10-20，更重要的是，它的磁导率随外加磁场而变，即具有非线性；再加上恒定磁场以后，它在各方向上对微波磁场的磁导率是不同的，就是说各向异性的。由于这种各向异性，当电磁波从不同的方向通过磁化铁氧体时，便呈现一种非互易性(nonreciprocal properties)。利用这种效应，便可以做成各种非互易微波铁氧体元件。最常用的有隔离器和环行器。第46页/共61页隔离器隔离器入射波入射波入射波入射波反射波反射波AA入射波可通过，反射波不可通过入射波可通过，反射波不可通过隔离器也叫反向器，它的基本特性是电磁波正向通过时几乎无衰减，反向通过时衰减很大。常用于阻抗匹配一、隔离器一、隔离器第47页/共61页二、二、Y型结环形器型结环形器铁氧体铁氧体外加恒定磁场外加恒定磁场波导环形器实例波导环形器实例入射波到达分支口分为两路。对恒定磁场而言，一路为左旋，入射波到达分支口分为两路。对恒定磁场而言，一路为左旋，一路为右旋，由于铁氧体对不同旋向的波表现出不同的磁导率，电一路为右旋，由于铁氧体对不同旋向的波表现出不同的磁导率，电磁波将偏向磁导率高的一边，即：能量向磁导率高的一边集中。磁波将偏向磁导率高的一边，即：能量向磁导率高的一边集中。第48页/共61页环形器用于天线收发开关：环形器用于天线收发开关：天线天线接收机接收机发射机发射机发射通路发射通路接收通路接收通路发射机、接收机之间良好隔离发射机、接收机之间良好隔离第49页/共61页微波滤波器第50页/共61页C1C3C5L2L4L6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C1C3C 5L2L4L6微带电路实现方案微带电路实现方案微带低通滤波器微带低通滤波器集总元件电路集总元件电路第51页/共61页微带带通滤波器微带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段上谐振并持续存的电磁波才可以在微带段上谐振并持续存在；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级一级耦合到输出口，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第52页/共61页某实际微带电路中的耦合带通滤波器某实际微带电路中的耦合带通滤波器第53页/共61页屏蔽盒中的微带带通滤波器屏蔽盒中的微带带通滤波器第54页/共61页将将微带段折弯，以减小体积微带段折弯，以减小体积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第55页/共61页微带带阻滤波器微带带阻滤波器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，并联的电磁波而言，并联的终端开路的终端开路四分之一支节实现了对地短路的功能，这些四分之一支节实现了对地短路的功能，这些频率的信号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。g2/4g3/4第56页/共61页同轴线滤波器同轴线滤波器C2C4L1L3L5用高、低阻抗同轴线实现低通滤波器用高、低阻抗同轴线实现低通滤波器低通滤波器低通滤波器同轴线实现方案：同轴线实现方案：a：内导体半径：内导体半径b：外导体内半径：外导体内半径高阻抗短线高阻抗短线（内导体细）（内导体细）相当于相当于串联电感串联电感低阻抗短线低阻抗短线（内导体粗）相当于（内导体粗）相当于并联电容并联电容C2C4L1L3L5第57页/共61页销钉型销钉型波导滤波器波导滤波器膜片型膜片型第58页/共61页减小电容就要增大平行板距离而减小电感就要减少电感线圈的匝数,直到仅有一匝如果频率进一步提高,可以将多个单匝线圈并联以减小电感L进一步增加线圈数目,以致相连成片,形成一个封闭的中间凹进去的导体空腔,这就成了重入式空腔谐振器构成电容的两极拉开,则谐振频率进一步提高,这样就形成了一个圆盒子和方盒子当要求谐振频率越来越高时,必须减小L和C微波空腔谐振器的常用形式1.微波谐振器件的演化过程 ，减小L和C，谐振频率 增大第59页/共61页谐振器谐振器谐振器谐振器谐振器谐振器导带导带导带导带谐振器谐振器导带导带导带导带微带谐振器的耦合、激励微带谐振器的耦合、激励导带导带第60页/共61页感谢您的观看！第61页/共61页
