常用微波元件ppt课件

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1、.,第五章 常用微波元件,5-1 引 言,微波元件的功能在于对微波信号进行各种变换，按其变换性质可将微波元件分为如下三类：,一、线性互易元件,凡是元件中没有非线性和非互易性物质都属于这一类。常用的线性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。,二、线性非互易元件,这类元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质，具有非互易特性，其散射矩阵是不对称的。但仍工作于线性区域，属于线性元件范围。常用的线性非互易元件有隔离器、环行器等。,.,第五章 常用微波元件,三、非线性元件,这类元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换，从而引起频率的改变，并

2、能通过电磁控制以改变元件的特性参量。常用的非线性元件有检波器、混频器、变频器以及电磁快控元件等。,微波元件分类：,近年来，为了实现微波系统的小型化，开始采用由微带和集中参数元件组成的微波集成电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组成复杂的微波系统，完成各种不同功能。,.,第五章 常用微波元件,5-2 波导中的电抗元件,电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中磁场和存储磁能的元件；而电容器是指能够集中电场和存储电能的元件。,一、电容膜片 在矩形波导的横向放置一块金属膜片，在其上对称或不对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，如图所示。,电容膜片及其等效电路,电纳的近似计算公式为,.,第

3、五章 常用微波元件,矩形波导中的电感膜片及其等效电路如图所示。当在波导窄壁上放置金属膜片后，会使波导宽壁上的电流产生分流，于是在膜片的附近必然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜片。,二、电感膜片,电感膜片及其等效电路,电感膜片电纳的近似计算公式为,.,第五章 常用微波元件,三、 谐振窗 下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。即在横向金属膜片上开设一个小窗，称为谐振窗。,四、螺钉 螺钉插入波导的深度可以调节，电纳的性质和大小可随之改变，使用方便，是小功率微波设备中常采用的调谐和匹配元件。,谐振窗及其等效电路,波导可调螺钉及其等效电路,.,第五章 常用微波元件,5-3 连接元件

4、和终端负载,一、连接元件,在微波技术中，把相同类型传输线连接在一起的装置统称为接头。常用的接头有同轴接头和波导接头两种。把不同类型的传输线连接在一起的装置称为转接元件，又称作转换接头。常用的有同轴线与波导、同轴线与微带线、波导与微带线间的转接元件。,（一）接头,对接头的基本要求是：连接点接触可靠，不引起电磁的反射，输入驻波比尽可能小，一般在1.2以下；工作频带要宽；电磁能量无泄漏；结构牢固，装拆方便，易于加工等。,波导接头,.,第五章 常用微波元件,（二）转接元件,在将不同类型的传输线或元件连接时，不仅要考虑阻抗匹配，而且还应该考虑模式的变换。,1、同轴线波导转换器,连接同轴线与波导的元件，称

5、为同轴线波导转换器，其结构如图所示。,2、波导微带转接器,通常在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。,同轴线波导,波导微带,.,第五章 常用微波元件,3、 同轴线微带转接器,同轴线微带转接器的结构如图所示。与微带连接处的同轴线内导体直径的选取与微带线的特性阻抗有关，通常使内导体直径等于微带线宽度。,4、矩形波导圆波导模式变换器,矩形波导圆波导模式变换器，大多采用波导横截面的逐渐变化来达到模式的变换。,同轴线微带,矩形波导圆波导模式变换器,.,第五章 常用微波元件,二、终端负载,传输线终端所接元件称为终端负载，常用的终端负载有匹配负载和短路负载两种。匹配负载是将所有的电磁能量全部吸

6、收而无反射；而短路负载是将所有的电磁能量全部反射回去，一点能量也不吸收,(一) 匹配负载,匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在传输系统工作于行波状态时，都要用到匹配负载。,对匹配负载的基本要求是： （1）有较宽的工作频带， （2) 输入驻波比小和一定 的功率容量。,.,第五章 常用微波元件,(二）短路负载,短路负载又称为短路器，它的作用是将电磁能量全部反射回去。将同轴线和波导终端短路，即分别成为同轴线和波导固定短路器。,.,第五章 常用微波元件,5-4 衰减器和移相器,衰减器和移相器均属于二端口网络。 衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减； 移相器的作用是对通过它的微波信号

7、产生一定的相移，微波能量可无衰减地通过。,一、衰减器,理想的衰减器应是只有衰减而无相移的二端口网络，其散射矩阵为,衰减器的衰减量表示为：,dB,.,第五章 常用微波元件,衰减器在原理上可以分为吸收式和截止式两种,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，这种衰减器称为吸收衰减器，如图所示。,（一）、吸收式,.,第五章 常用微波元件,（二）、截止式,截止衰减器是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，如图所示。,.

8、,第五章 常用微波元件,二、移相器,移相器是对电磁波只产生一定的相移而不产生能量衰减的微波元件，它是一个无反射、无衰减的二端口网络，其散射矩阵为,其中移相器的相移量为,因此，可变移相器与可变衰减器在结构形式上完全相似，所不同的是：前者是改变介质片的位置，后者是改变吸收片的位置。,.,第五章 常用微波元件,5-5 阻抗变换器,为了消除不良反射现象，可在其间接入一阻抗变换器，以获得良好的匹配。 常用的阻抗变换器有两种：一种是由四分之一波长传输线段构成的阶梯阻抗变换器(包括单节和多节)；另一种是渐变线阻抗变换器。,一、单节/4阻抗变换器,如右图所示，若主传输线的特性阻抗为Z0，终端接一纯电阻性负载Z

9、L ，但ZL Z0，则可以在传输线与负载之间接入一特性阻抗为Z01、长度l=p0/4的传输线段来实现匹配。,.,第五章 常用微波元件,设此时T0面上的反射系数为，则,上式取模为,在中心频率附近，上式可近似为,.,第五章 常用微波元件,当 = 0时，此时反射系数的模达到最大值，由式(5-7)可以画出 随 变化的曲线，如图所示。 随 (或频率)作周期变化，周期为。如果设 为反射系数模的最大容许值，则由/4阻抗变换器提供的工作带宽对应于图中限定的频率范围。由于当 偏离时曲线急速下降，所以工作带宽是很窄的。,.,第五章 常用微波元件,当 时,通常用分数带宽Wq表示频带宽度，Wq与 m有如下关系,当已知

10、ZL 和Z0，且给定频带内容许的 时，则由式可计算出相对带宽Wq值；反之，若给定Wq值，也可求出变换器的 ，计算中 m取小于/2的值。,对于单一频率或窄频带的阻抗匹配来说，一般单节变换器提供的带宽能够满足要求。但如果要求在宽频带内实现阻抗匹配，那就必须采用下面要讨论的多节阶梯阻抗变换器或渐变线阻抗变换器。,.,第五章 常用微波元件,二、多节阶梯阻抗变换器,多节阶梯阻抗变换器具有宽频带特性，现以下图所示的两节/4阶梯阻抗变换器为例进行分析。令变换器两端所接传输线的特性阻抗分别为Z0和ZL，并假设ZL Z0。每一节具有同样的长度l = p0/4，当工作于中心频率f0时，电长度 = l = /2。T

11、0、T1及T2为各阶梯处的参考面，0、1及2分别为对应参考面上的局部电压反射系数。设两节/4传输线段的特性阻抗分别为Z1和Z2，且ZL Z1 Z2 Z0，则局部电压反射系数分别为,.,第五章 常用微波元件,T0参考面上，,T0面上总的电压反射系数为,然而在多节阶梯的情况下，由于多节突变面数目增多，参与抵消作用的反射波数量也增多，从而在m相同的条件下，使工作频带增宽。,对于N节阶梯变换器,其模值为,.,第五章 常用微波元件,三、渐变线阻抗变换器,所谓渐变线，是指其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线的特性阻抗过渡到另一条传输线的特性阻抗。 只要增加/4阶梯阻抗变换器的节数，就能增宽工作频带。然而

12、，节数的增加，导致变换器的总长度也随之增加。如果选用渐变线，则既可增宽频带又不致使变换器尺寸过大。 渐变线可以看作是由阶梯数目无限增多而每个阶梯段长度无限缩短的阶梯变换器演变而来，如图所示。,渐变线输入端总的反射系数in为,.,第五章 常用微波元件,5-6 定向耦合器,定向耦合器在微波技术中有着广泛的应用 。,定向耦合器的种类很多。,.,第五章 常用微波元件,下图给出了几种定向耦合器的结构示意图，其中图(a)为微带分支定向耦合器，图(b)为波导单孔定向耦合器，图(c)为平行耦合线定向耦合器，图(d)为波导匹配双T，图(e)为波导多孔定向耦合器，图(f)为微带混合环。,.,第五章 常用微波元件,

13、一、定向耦合器的技术指标,定向耦合器一般属于四端口网络，它有输入端、直通端、耦合端和隔离端，分别对应右图所示的1、2、3和4端口。,定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度(或方向性)、输入驻波比和工作带宽。,(一) 耦合度C,耦合度C定义为输入端的输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比的分贝数，即,（dB),.,第五章 常用微波元件,由于定向耦合器是一个可逆四端口网络，因此耦合度又可表示 由此可见耦合度的分贝数愈大耦合愈弱。通常把耦合度为010dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器；把耦合度为1020dB的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器；把耦合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。

14、,(dB),.,第五章 常用微波元件,(dB),若用散射参量来描述，则有,(dB),在理想情况下，隔离端应无输出功率，即P4=0，此时隔离度为无限大。但实际上由于设计或加工制作的不完善，常有极小部分功率从隔离端输出，使隔离度不再为无限大。 有时用方向性 (dB)来表示耦合器的隔离性能，它是耦合端输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比。也可用散射参量来表示方向性，即,.,第五章 常用微波元件,(三）、输入驻波比,将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载时，输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。此时，网络输入端的反射系数即为网络的散射参量S11，故有,（四）、频带宽度,频带宽度是指耦合度

15、、隔离度(或方向性)及输入驻波比都满足指标要求时，定向耦合器的工作频带宽度，简称工作带宽。,.,第五章 常用微波元件,二、波导型定向耦合器,大多数波导定向耦合器的耦合都是通过在主、副波导间公共壁上的耦合孔来实现的。通过耦合孔将主波导中的电磁能量耦合到副波导中，并具有一定的方向性。副波导各端口输出功率的大小，决定于耦合孔的大小、形状和位置。 波导定向耦合器的种类很多，最常用的波导定向耦合器有：单孔、多孔和十字孔定向耦合器。下图给出了三种常用波导定向耦合器的结构示意图，其中图(a)为宽壁斜交单孔耦合器，图(b)为多孔定向耦合器，图(c)为十字孔定向耦合器。,.,第五章 常用微波元件,最简单的双孔定

16、向耦合器，是在两个波导的公共窄壁上开有形状、尺寸完全相同、相距d为p0/4的两个耦合孔，如下图 (a)所示。在波导窄壁b/2处，取一个水平纵截面，如图(b)所示。,这种定向耦合器的定向性是由各孔耦合波相互干涉而得到的，只要控制耦合孔的大小，形状以及两耦合孔的距离，使耦合波在一个方向上同相叠加而有输出，在另一个方向上反相叠加而无输出或减小输出，从而获得定向性。,.,第五章 常用微波元件,三、 平行耦合线定向耦合器,平行耦合线定向耦合器是TEM波传输线定向耦合器的一种主要形式。这种平行耦合线定向耦合器通常用微带线或带状线来实现。,平行耦合线定向耦合器,.,第五章 常用微波元件,耦合带状线定向耦合器的横截面如图，主、副线的中心导带均放置在两块平行接地板之间。,奇、偶模二端口网络的归一化转移参量如下,.,第五章 常用微波元件,可求得相应的e 、Te及o 、To的表达式：,各端口输出电压与耦合线参量之间的关系为,.,第五章 常用微波元件,由以上分析可得到以下几点结论： (1)不论耦合区电长度 为何值，要获得理想匹配