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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1第五章 微波元件引言n微波元件按变换性质分类n线性互易元件u只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性，并满足互易定理。u包括微波连接匹配元件、功率分配元件、微波滤波元件、微波谐振器。n线性非互易元件u元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质。u铁氧体元件：它的散射矩阵不对称，但仍工作在线性区域。u包括隔离器、环形器。n非线性元器件u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，实现放大、调制、变频等。u器件包括微波电子管、微波晶体管、微波场效应管、微波电真空器件。u元件包括检波器、混频器、变频器等。2021/12/26引言
2、n微波元件按传输线类型分类n波导型微波元件n同轴型微波元件n微带型微波元件n微波元件按功能分类n衰减器n匹配元件n波型变换元件n相移元件n功分元件n滤波元件2021/12/26主要内容n微波电阻性元件n微波电抗性元件n波导元件的实现方法n微带元件的实现方法n衰减器n匹配负载n阻抗调配器和阻抗变换器 n连接元件n分支元件n定向耦合器n功率分配器2021/12/26n衰减器n用来控制微波传输线中传输功率的装置。n通过对波的吸收、反射或截止来衰减微波能量。n主要应用u去耦 消除负载失配对信号源的影响。u调节微波源输出的功率电平。n匹配元件 无反射的吸收传输到终端的全部功率，以建立传输 系统中的行波状
3、态。微波电阻性元件2021/12/26微波电抗性元件n集总参数电抗n集总参数电感 在某一个区域中只含有磁能。n集总参数电容 在某一个区域中只含有电能。n微波频段微波信号的交变电磁场，电场和磁场是交链在一起，没有单独的电场区域或磁场区域，不存在集总参数的电感和电容。n终端短路或开路的传输线等效为电抗元件（单端口网络）。n传输线中的不均匀区域等效为电抗元件。2021/12/26微波电抗性元件n传输线中的不均匀区域n指传输线中的结构、尺寸、参数发生突变的区域。n具有电容或电感的性质，可等效为电感或电容，即电抗元件。n原理 在传输线的不均匀区域附近，电磁场比较复杂，可分解为主模和多个高次模式的叠加，其
4、中主模可以传输、而高次模截止，只能分布在不均匀区附近。因此不均匀区附近储存了高次模式的电磁场能量。u若储存的主要是磁场能量（在某区域磁场储能电场储能不均匀区域相当于一个储存磁能的电感。u若储存的主要是电场能量（在某区域电场储能磁场储能）不均匀区域相当于一个储存电能的电容。2021/12/26微波电抗性元件n电抗元件n微波传输线中传输模 传输模所携带的电能和磁能是相等的。n微波传输线中截止模 截止模所含电能和磁能是不均衡的。u若截止模为TE模：磁能电能可等效为电感。u若截止模为TM模：电能磁能可等效为电容。 在传输系统人为引入某些不均匀性，则在不均匀性区域将激发起高次截止模。在微波元件中，把具有
5、容性电抗或感性电抗性质的最简单不均匀性结构叫基本电抗元件。2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n电容膜片u为满足膜片处的边界条件，膜片处电场线将发生弯曲、产生电场的Ez分量，故产生的高次模是TM模。u此高次模是截止模，在膜片附近储存的电能大于磁能，相当于一个电容。u由于膜片起分流作用，故该膜片为并联电容。 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n电容膜片u电容膜片并联电纳的相对值： 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n电感膜片u主模在膜片处有平行于膜片的电场，为满足膜片的边界条件，需要反方向的电场来抵消，故产生的高次模是TE模。u此高次模是
6、截止模，在膜片附近储存的磁能大于电能，相当于一个电感。u由于膜片起分流作用，故该膜片为并联电感。 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n电感膜片u电感膜片的相对并联电纳： 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n谐振窗 将电容膜片和电感膜片组合在一起得到的具有矩形窗 口形状的膜片。等效电路是一个并联谐振回路。u当信号频率=其谐振频率时：并联回路的电抗为（相当于开路），信号无反射的通过谐振窗。u当信号频率其谐振频率时：并联回路的电抗为容抗或感抗，反射较大。n当f f 0时，谐振窗附近电场储能占优势，回路呈容性电抗。n当f f 0时，谐振窗附近磁场储能占优势，回路
7、呈感性电抗。一个谐振窗相当于带通滤波器，谐振器的频率就是可通过的频率。 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n谐振窗 u谐振频率的求法：从阻抗匹配的角度进行求解。u谐振窗小波导：长a，宽b，厚t，特性阻抗Ze。u谐振窗谐振的条件： Ze=Ze（主波导特性阻抗）。 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n谐振窗 u0是大、小波导特性阻抗相等（即谐振窗谐振）时对应的波长，也就是谐振窗的谐振波长。u当工作波长=0时：谐振窗对通过的波没有反射。u当工作波长0时： 产生反射。 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n对穿电感销钉对穿电感销钉上流过电流，在
8、它的周围激起额外的磁场，具有电感的性质，可以等效为并联电感。对穿电感销钉的相对电纳与棒的粗细有关:u棒越粗，电感量越小，其相对电纳就越大。u同样粗细的棒，根数越多，电感量越小，相对电纳就越大。 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n对穿电感销钉u单电感销钉的相对电纳：u三电感销钉的相对电纳： 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n可调销钉（可调螺钉）u波导宽壁上的纵向电流进入螺钉要产生附加磁场，故具有电感特性。u螺钉末端积累电荷，其附近电场集中，故具有电容特性。u可等效为并联在主传输线上的LC串联谐振电路。u改变螺钉旋入波导的深度h，即可改变螺钉电纳的大小和
9、性质。实践中常用作调谐和匹配元件。 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n可调销钉（可调螺钉）uh/4时，电容的影响较小，电感起主要作用，可等效成并联电感。uh/4时，电容和电感的影响彼此相当，可等效成并联在主传输线上的LC串联谐振电路。谐振时可等效为短路电阻滤波器。 2021/12/26微波电抗性元件n波导元件的实现方法n矩形波导E面阶梯n矩形波导H面阶梯 2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n预备知识u一段Zc大的短传输线可等效为串联电感；一段Zc小的短传输线可等效为并联电容。u当介质基片厚度一定时，微带宽度W，则Zc。一段窄的短微带线可等效为串联电感；
10、一段宽的短微带线可等效为并联电容。u用高阻抗线实现串联电感。2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n预备知识u为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数。u串联在传输线上的谐振回路2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n预备知识u用低阻抗线实现并联电容。u用并联的终端电路支节实现并联电容或并联电感。2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n预备知识u并联在传输线上的谐振回路 在传输线上并联一个或多个支节，这些支节等效于串联或并联谐振回路。u微带线中的串联电阻2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n串联电感和并联电容的实现原则Iu微
11、带线带条宽度变窄（特性阻抗增高），可等效成一个串联电感。u微带线带条宽度变宽（特性阻抗降低），可等效成一个并联电容。u注意 等效的前提是变窄或变宽的微带线长度工作波长，这样等效电感或电纳才能与频率成线性关系。2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n串联电感和并联电容的实现（方法I）可证明：图（a）所示的一段传输线可等效为图（b）所示的T型电路或图（c）所示的型电路。uT型电路等效关系：u型电路等效关系：结论：当l邻接微带线特性阻抗Z0：u其型等效电路中的两个并联电容可略去不计，等效电路中只剩下一个串联电感。u实际工作中为了获得较大的电感，可将高阻抗的微带线段弯成环形。n做成“蚊
12、香形”平面螺旋电感可进一步增大电感量。n螺旋电感可增加电感量的原理与低频电感增加线圈匝数可增大电感量的原理是一样的。2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n串联电容的实现u实现方法 微带间隙。u微带间隙可等效成一型电容网络。 微带间隙越小，串联电容C12就越大，并联电容C1就越小。u导体带条的宽带不可能太大。为了获得大的串联电容，可将导体带条切断处做成对插形。2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n并联电容的实现（方法I ）u图（a）中，带条宽度为W较宽微带线段是特性阻抗为Z0的低阻抗线段， Z0 邻接微带线特性阻抗Z0：u其T型等效电路中的两个串联电感可略去不
13、计，等效电路中只剩下一个并联电容。2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n并联电感的实现长度为l的终端短路传输线的输入阻抗为：u当l/4时，输入阻抗为感性。u当/4 l/2时，输入阻抗为容性。n无论传输线的输入端是呈感性还是容性，其电抗与频率的关系都是非线性的。n低频时电感和电容的电抗与频率是成正比的。 二者之间区别的主要原因就是微波传输线为分布参数元件，低频时为集中参数元件。2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n并联电感的实现u当l时，输入阻抗表达式可近似为：结论：当满足l时，终端短路线的输入阻抗与频率呈正比关系，可近似等效为一个并联的集中电感。u当l=/8
14、 /10时，可认为l。2021/12/26微波电抗性元件n微带元件的实现方法n并联电容的实现（方法II ）长度为l的终端开路传输线的输入阻抗为：u当l时，输入电纳表达式可近似为：结论：当满足l 10n带内驻波比 =1.05 1.20是比较好的匹配负载相当于 99.998 99.2 的入射功率被负载吸收。2021/12/26123414匹配负载n应用微波元器件的闲置端口都必须配置匹配负载。n波导型定向耦合器 4端口配置了一个小功率匹配负载。n微带线型耦合器 4 端口配置了一个 50 欧姆的匹配负载（尽管从理论上讲 4 端口是没有输出的）。2021/12/26阻抗调配器和阻抗变换器 n在微波系统中
15、经常会遇到反射问题n负载阻抗与传输线的特性阻抗不相等n相同类型而不同特性阻抗的传输线相连接n不同类型的传输线相连接n传输线中接入一些必要的器件n反射波的影响n使负载得不到最大功率n功率容量和效率都会降低n在大功率时还会出现打火现象n在微波测量系统中又会影响测量精度消除反射波2021/12/26阻抗调配器和阻抗变换器n匹配方法插入可调的电抗元件或阻抗变换元件，产生新的反射波来抵消原来的反射波，达到匹配。n阻抗匹配网络n阻抗调配器 元件参数可调，采用Smith圆图来确定阻抗调配网络中各个电抗元件的参数。n阻抗变换器u利用网络综合法设计出满足一定技术指标的阻抗匹配网络。u一旦根据需要设计好以后不能任
16、意改变。2021/12/26阻抗调配器和阻抗变换器n阻抗调配器n分支调配器u电纳调节范围：- +u单支节调配器、双支节调配器、三支节调配器u用于双线、同轴线n螺钉调配器u电纳调节范围： 0 +u单螺钉、双螺钉、三螺钉、四螺钉u用于波导2021/12/26阻抗调配器和阻抗变换器n单节/4阻抗变换器n缺点u频带窄uZC1、ZC3差距大时，尺寸突变大，不连续电容大2021/12/26n多节/4阶梯阻抗变换器nn节有（n+1）个阶梯，产生（n+1）个反射波到输入端，产生叠加效果，在某些频率上全部（部分）抵消，形成匹配。n在较宽的频带内有较小的反射系数。阻抗调配器和阻抗变换器2021/12/26n渐变线阻抗变换器n只要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, 结构设计就更加困难，产生了渐变线代替多阶梯。n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。阻抗调配器和阻抗变换器2021/12/26n连接元件n接头：把相同传输线连接在一起的装置。n转换元件：把不同类型传输线连接在一起的装置。n接头n连接点电接触可靠
