微波电路、微波技术及天线 教学课件 ppt 作者 范寿康 第5章

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1、第5章,微波无源元件 制作 范寿康,第5章 微波无源元件 目录,5.1 微波电抗元件构成方法举例 5.2 微波谐振器 5.3 微波滤波器 5.4 阻抗变换器 5.5 定向耦合器 5.6 衰减器和移相器 5.7 微波环行器与隔离器 5.8 习题,5.1 微波电抗元件构成方法举例,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储存磁能的元件 电容器是指能够集中电场和储存电能的元件 在微波系统中，电抗元件的构成经常是利 用微波传输线中结构尺寸的不连续性或者 高、低特性阻抗微波传输线组成的。,5.1 微波电抗元件构成方法举例,5.1.1 用微波传输线构成微波电抗元件 1开路、短路短截线法 一段

2、很短的短路线如下图(a)，即短路短截线，可以 近似等效为一个集总参数电感，如图(b)。 图(a) 图(b),5.1 微波电抗元件构成方法举例,一段短的开路线如下图(a)，即开路短截 线，可以近似等效为一个集总参数电容，如 图(b)。 图(a) 图(b),5.1 微波电抗元件构成方法举例,2高低阻抗线法 图(a) 图(b) 图(c) 高阻抗线(Z0Z0)图(a)等效图(b) 低阻抗线(Z0Zl)图(a)等效图(c),5.1 微波电抗元件构成方法举例,5.1.2 用矩形波导的不连续性构成电抗元件 所谓不连续性是指在均匀矩形波导中出现 的几何结构不均匀性，这里采用等效电路的 方法处理不连续性问题。由

3、于不连续性引起 的损耗很小，故不连续性能等效电路不外乎 是电感、电容、理想变压器和无耗传输线段 以及它们的组合。,5.1 微波电抗元件构成方法举例,1电容膜片 在波导的横截面上放置一块金属膜片，在其 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，如下图(a)和(b)所示。 (a) 横面 (b) 纵面 (c) 等效电路,5.1 微波电抗元件构成方法举例,2电感膜片 下图给出矩形波导中电感膜片及其等效电路。当波导横截面 加上了膜片以后，使波导宽壁上的轴向电流产生分流，于是 在膜片的附近必然会产生磁场，并集中一部分磁能，因此这 种膜片为电感膜片，其等效电路如 (c) 图所示。 (a)横面 (

4、b)纵面 (c)等效电路,5.1 微波电抗元件构成方法举例,3谐振窗 下图给出了谐振窗口的结构和等效电路，即在横 向金属膜片上开有一个小窗，称为谐振窗。 可以将谐振窗看成电感膜片和电容膜片的组合， 其等效电路近似为LC并联回路，其等效电路如(b) 图所示，它具有谐振特性。 (a)横面 (b)等效电路,5.1 微波电抗元件构成方法举例,4销钉 在矩形波导中采用一根或多根垂直对穿波导宽壁的 金属圆棒，称为电感销钉，其结构和等效电路如下 图所示。电感销钉的电纳与销钉的粗细及根数关， 销钉愈粗，电感电纳愈大；根数愈多，电纳愈大。 (a)横面 (b)等效电路,5.1 微波电抗元件构成方法举例,5螺钉 螺

5、钉插入波导的深度可以调节，电纳的性质和大小也随之 改变，因而使用方便，是小功率微波设备中常采用的调谐和 匹配元件。 当螺钉插入波导较浅时，一方面和电容膜片一样，会集中 电场具有容性电纳的性质，另一方面波导宽壁的轴向电流会 流进螺钉从而产生磁场，故又具有感性电纳的性质。但由于 螺钉插入波导的深度较浅，故总的作用是容性电纳占优势， 故可调螺钉的等效电路为并接一个可变电容器，如下图所 示。 (a)可调螺钉 (b)等效电路,5.1 微波电抗元件构成方法举例,5.1.3 用微带线的不连续性构成电抗元件 在微波集成电路中广泛应用微带元件，并 经常会遇到微带的不连续性，即均匀微带线 中出现的几何结构不均匀性

6、。在微带线的不 连续性部分会产生电抗效应，从而构成电抗 元件。,5.1 微波电抗元件构成方法举例,1微带线的开路端 微带线的中心导带突然中断，使导带末端积聚电 荷，即产生电场的边缘效应。这种电场的边缘效应 的影响可以用一个集中电容来等效，反之，集中电 容又可以用一段理想的开路线来等效，如下图所 示。,5.1 微波电抗元件构成方法举例,当两条微带线的中心导带相距很小间隙时，如下 图(a)所示，可以用一个集中串联电容来等效，在精 度要求很高的情况下，可用图（b）电路来等效。,5.2 微波谐振器,微波谐振器可分为传输线型和非传输线型 两种。前者是用一段波导、同轴线、微带线 和带状线来构成，后者则是非

7、传输线结构， 例如介质腔、微带圆形腔等。,5.2.1 微波谐振器的基本参数,1振荡模式 2谐振频率（谐振波长） 3固有品质因数 4等效电导,5.2.2 单模传输线谐振器与LCR谐振器的等效条件,微波谐振器是一种电磁振荡系统，实质上是其中 的电、磁能量相互交替转化。 在谐振角频率上，腔中的电场能量的振幅恰恰等 于磁场能量的振幅，在理想（无耗）的情况下，不 需要外界的影响，二者相互交替转化，在时间上可 以无穷尽地进行下去而保持总能量为常数。 当偏离谐振频率时这一状态便受到破坏，一个周 期平均的结果，或者是电能大于磁能，或者是磁能 大于电能，因而彼此不可能自行转化，故不可能在 孤立的腔中存在。 微波

8、谐振器的动态贮能与选频特性与集总参数LC 谐振回路本质是相同的，二者等效是可能的。,5.2.2 单模传输线谐振器与LCR谐振器的等效条件,同轴、微带线均可等效为双导线(传输线)，由它们构成的谐振器就可认为是双导 线段构成的单模传输线型谐振器. 如何确定传输线型谐振器与LCR集总参数谐 振器等效，即两者的等效条件是什么？,5.2.2 单模传输线谐振器与LCR谐振器的等效条件,一段终端开路或短路的传输线，在其电压分布的 波腹或波节点处，可用一集总参数的并联或串联谐 振电路来表示。下图描绘的是终端短路的微波传输 线及各点的等效电路。,5.2.2 单模传输线谐振器与LCR谐振器的等效条件,如果给出一个

9、串联谐振LC电路，一段 终端短路线 或一段 终端开路线如何相等效？或者给出一个并联谐 振LC电路;一段 终端开路线或一段 终端短路线 如何相等效呢？ 下面以下图中串联谐振电路与 终端短路线及 终端开路线能否等效为例，求其等效条件。 (a)RLC串联谐振回路 (b) 终端短路线 (C) 终端开路线,5.2.2 单模传输线谐振器与LCR谐振器的等效条件,两者要等效关键是两者的输入阻抗相等 对于上图(a)，输入阻抗为 对于上图(b)，输入阻抗为 对于上图(c), 输入阻抗为 实际上对所有频率，要二者严格完全等效是不可能的，只能要求二者近 似等效，即在谐振频率附近，要求 ， ，这就是串联 谐振电路与传

10、输线谐振器的等效条件，,5.2.2 单模传输线谐振器与LCR谐振器的等效条件,的可能性 (a)RLC串联谐振回路 (b) 终端短路线 (C) 终端开路线 对于图(a)， ，式中 ，图形绘于下图(a)。对于图 (b)， 对于图(c)， 它们的图形绘于下图 （b）。 从(a)图和(b)图中可以看出，不可能做到完全等效，但在附近的一段频率范围内， 例如两者图形可实现近似等效。,5.2.2 单模传输线谐振器与LCR谐振器的等效条件,的实现 集总参数RLC电路中，R是与频率无关常数，而对于传输线谐振器，一般情况下 是频率的函数，但在接近无耗（即高Q）电路中，传输线串联单位长度电阻与串联单位长度电感之间，

11、满足 ，也近似为常数. 从而可以实现,5.2.2 单模传输线谐振器与LCR谐振器的等效条件,综上所述，可以看出 终端短路线及 终端开路线构成的传输线谐振器，在谐振频率附近可近似地与RLC集总参数串联谐振器等效。,5.2.2 单模传输线谐振器与LCR谐振器的等效条件,用同样分析方法，可以看出在下图中由 终端开路线或 终端短路线构成的传输线谐振器，在谐振频率附近，可近似地与GLC集总参数并联谐振器等效.,5.2.2 单模传输线谐振器与LCR谐振器的等效条件,下表列出了集总参数谐振器与微波传输线谐振器的等效对应关系,5.2.3单模微波传输线谐振器的微波结构,1. 同轴线谐振器 利用同轴线段构成的分布

12、参数谐振回路，称为同轴线谐振 器。由于同轴线中传输的主模是无色散的TEM波，故同轴线 谐振器振荡模式简单，不容易产生跳模，工作可靠而频带 宽，因而获得了广泛的应用。 按照传输线谐振器的基本原理，同轴线谐振器可用一个四 分之一波长奇数倍的同轴线段，或二分之一波长整数倍的同 轴线段构成，其常见的结构如下图所示。 (a) (b) (c),5.2.3单模微波传输线谐振器的微波结构,2. 微带传输线谐振器 由于微带传输线的主模是准TEM波。利用传输线谐振器的基本原理，对微带 传输线谐振器的原理分析，是不难理解和掌握的。频率一定时，一段长度适合 的开路或短路的微带线，均可构成微带传输线谐振器。这是因为在理

13、想的情况 下，电磁波在微带线的开路或短路端产生全反射而在线上形成驻波发生谐振。 下图画出了终端开路和终端短路的微带线传输线谐振器的结构及其理想情况下 的等效电路， (a) 图为终端短路线或终端开路线构成的微带谐振器， (b) 图 为对应的等效电路；(c) 图为终端开路线或终端短路线构成的微带谐振器，(d) 图为对应的等效电路。,5.3 微波滤波器,微波滤波器是微波系统中的重要元件之一, 它主要用于分离或组合各种不同频率信号。 在微波中继通信、卫星通信、雷达技术、 电子对抗及微波测量等方面，微波滤波器都 具有极为广泛的应用。,5.3.1 微波滤波器概述,微波滤波器按其衰减 特性可分为低通滤波 器

14、、高通滤波器、带 通滤波器、带阻滤波 器。右图绘出了四种 滤波器的梯形电路和 相应的衰减特性。,5.3.1 微波滤波器概述,微波低通滤波器的理想衰减特性如下图所示，以 截止频率 为界，当 时，滤波器的衰减 ， 称为通带，当 时， ，称为阻带。 这种理想的衰减特性必须由无限个元件组成的电 抗网络才能实现。,5.3.1 微波滤波器概述,实际的滤波器总是由有限个元件组成的电抗网络，故不能 得到理想的衰减特性，在综合设计滤波器时，总是确定一个 逼近衰减特性的函数，然后根据这个逼近函数综合出具体的 结构，常用的逼近函数有最平坦式滤波器和切比雪夫式滤波 器，它们的衰减特性分别为 最平坦式滤波器 切比雪夫式

15、滤波器 衰减特性 表达式 衰减特性 图形,5.3.2 低通原型滤波器及频率变换,1低通原型滤波器 所谓低通原型滤波器（简称低通原型），是指以集 总参数L、C为元件，按一定的技术要求，构成截止 角频率 ，信源内阻 的低通滤波器。实际上 一个具体的低通滤波器其截止角频率是若干弧度/秒 （rads），信源内阻为若干欧姆（ ），而上述低 通原型的截止角频率和信源内阻数值都是1，单位是 无量纲的。因此低通原型可以看作是实际滤波器的 角频率对截止角频率 归一化，元件阻抗值 对 信源内阻 和截止角频率 归一化而得到的. 其关系如右所示.,5.3.2 低通原型滤波器及频率变换,利用上式可以反归一化而得到实际低通滤波器的 元件真实值，由此可看出，低通原型是“规格化”， 或说成“标准化”的低通滤波器。下图绘出了低通原 型的衰减特性。,5.3.2 低通原型滤波器及频率变换,2低通原型滤波器的结构 低通原型是由集总参数L和C组成的两端口网络，其基本结 构有电容输入式和电感输入式两种。 电容输入式 电感输入式,5.3.2 低通原型滤波器及频率变换,3频率变换 所谓频率变换，就是将低通原型衰减特性中的频率变量 变换为实际滤波器的频率变量。 低通原型低通滤波器 低通原型高通滤波器 低通原型带通滤波器 低通原型带阻滤波器,5.3.3 微波低通滤