《常用微波元》PPT课件.ppt

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7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。,7.1 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,电纳的计算公式为,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,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，只对相应谐振频率完全匹配。,谐振波长,四、电感销钉,销钉,矩形波导中垂直于宽边的金属圆棒，直径越大，感抗越小；直径越小，感抗越大。采用多根销钉可减小感抗。,五、调谐螺钉,螺钉及等效电路,和前几者不一样，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。,一般工作在容性状态下,7.2 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,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、传输线尺寸变换器,作用：连接特性阻抗相同但尺寸不同的两个同轴线，采用锥形设计，降低反射,同轴线尺寸变换器,2、阻抗变换器,目前主要是渐变式阻抗变换器。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，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。,阻抗变换器,3、同轴线-波导转接器,作用：实现微波信号在同轴线和波导之间传递。,4、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。,矩形波导圆波导模式变换器,7.3 分支元件,主要作用：功率分配，又叫功分器，大功率微波功分器采用波导或同轴线结构，中小功率则采用微带线结构。,一、波导的分支元件,1、波导的T形接头,矩形波导的T形接头有E-T接头和H-T接头两种，如图所示。其中E-T接头的分支波导宽面与主波导中TE10模的电场所在平面平行；H-T接头的分支波导的宽面与主波导中TE10模的磁场所在的平面平行。,矩形波导的T形接头,对于波导的T形接头，我们把主波导的两臂分别称为1和2端口，分支臂称为3端口。分析波导的T形接头的工作特性，可利用波导中TE10模的电场分布来分析。E-T接头中TE10模的电场分布如图所示。,E-T接头具有下列特性：(1)当信号从3端口输入时，则1和2端口有等幅反相输出，用散射参量表示则有：S13=-S23；(2)由于1和2端口在结构上对称，故有：S11=S22；(3)当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口无输出；反过来，当信号由1和2端口等幅反相输入时，3端口输出最大。,H-T接头中TE10模的电场分布,H-T接头具有下列特性：(1)当信号从3端口输入时，则1和2端口有等幅同相相输出，用散射参量表示则有：S13=S23；(2)由于1和2端口在结构上对称，故有：S11=S22；(3)当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口输出最大；反之，当信号由1和2端口等幅反相输入时，3端口无输出。,二、魔T（匹配双T）,将具有共同对称面的E-T接头和H-T接头组合起来，即构成普通双T接头，如右图所示。,双T接头可等效为一个可逆无耗四端口网络，其散射参量矩阵为,对于普通的双T接头，由于连接处结构突变，即使双T各臂均接匹配负载，接头处也会产生反射，为了消除反射，通常在接头处加入匹配元件(如螺钉、膜片或锥体等)，就可以得到匹配双T，它具有下列重要性质：,(1)匹配特性：在理想情况下，它的四个端口是完全匹配的，只要1和2端口能调到匹配，3和4端口一定匹配，即S11=S22=S33=S44=0；(2)隔离特性：当3和4端口具有隔离特性时，即S34=S43=0，则1和2端口也具有隔离特性，即S12=S21=0；(3)平分特性：当信号由1端口输入时，则同相等分给3和4端口，即S31=S41；当信号由2端口输入时，则反相等分给3和4端口，即S32=-S42；当信号由3端口输入时，则反相等分给1和2端口，即S13=-S23；当信号由4端口输入时，同相等分给1和2端口，即S14=S24。,匹配双T的散射矩阵,二、同轴线的分支元件,同轴线功率分配器,2，3等功率输出,2，3不等功率输出,三、微带功率分配器,右图是微带三端口功分器原理图。信号由1端口(所接传输线的特性阻抗为Z0)输入，分别经过特性阻抗为Z02、Z03的两段微带线从2和3端口输出，负载电阻分别为R2及R3。K为分配系数。,功分器满足下列条件：2端口与3端口的输出功率比可为任意指定值；1端口无反射；2端口与3端口的输出电压等幅、同相。,7.4、终端元件,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,1、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（3）有一定的功率容量,2、短路器,作用：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。,对匹配负载的基本要求是：（1）接触处反射小，电接触良好（2)反射系数模值为接近1，传输功率大时不跳火(空气被击穿),7.5 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产生一定的相移但不产生衰减。,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,衰减器可以分为吸收衰减器、截止衰减器和极化衰减器三种,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。,1、吸收式,2、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。,3、极化式,极化衰减器是在圆波导里面放置可以旋转的吸收片，通过旋转吸收片的角度，改变极化角度，从而改变极化的匹配程度，达到衰减的目的。控制吸收片的极化角和来波的极化角度，可实现0的衰减。,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：移相器是改变介质片（无衰减介质）的位置，衰减器是改变吸收片的位置。,7.6 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。,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。,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。,1、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),直通端,耦合端,隔离端,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。,(dB),2、定向性D,定向性D 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,3、输入驻波比（插入驻波比）,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,4、频带宽度,频带宽度是指耦合度、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。,二、混合环（3dB定向耦合器）,混合环,作用：功分器，是一个无耗互易对称网络,由S参数即得到其功率分配模式，在各个端口分别匹配输入的情况下，1和3为一组隔离端，2和4为一组隔离端,7.7 微波谐振器,微波谐振器又称作微波谐振腔，它广泛应用于微波信号源、微波滤波器及波长计中。它相当于低频集总参数的LC谐振回路，是一种基本的微波元件。谐振器是速调管、磁控管等微波电子管的重要组成部分。微波谐振器可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成，电磁波在其上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。因此，微波谐振器是具有储能与选频特性的微波元件。,微波谐振器可以定性地看作是由集总参数LC谐振回路过渡而来的，如图所示。,但微波谐振器和LC谐振回路也有许多不同之处。1、LC谐振回路的电场能量集中在电容器中，磁场能量集中在电感器，而微波谐振器是分布参数回路，电场能量和磁场能量是空间分布的；2、LC谐振回路只有一个谐振频率，而微波谐振器一般有无限多个谐振频率；微波谐振器可以集中较多的能量，且损耗较小，因此它的品质因数远大于LC集中参数回路的品质因数，另外，微波谐振器有不同的谐振模式(即谐振波型)。微波谐振器有两个基本参量：谐振波长0(或谐振频率f0)和品质因数Q。,1、谐振波长0,谐振波长0是指谐振器中该模式的场量发生谐振时的工作波长，它是描述谐振器中电磁能量振荡规律的参量。,一、谐振器基本参量,色散方程,表示沿Z方向的半波个数,2、品质因数Q,品质因数Q是微波谐振器的一个主要参量，它描述了谐振器选择性的优劣和能量损耗的大小，其定义为,式中W 为谐振器中的储能，PL为谐振器中的损耗功率。,其它计算公式,二、同轴线谐振器,同轴谐振器通常分为/4型、/2型及电容加载型三种。其中的传输模式为TEM模，具有场结构简单，稳定及工作频带宽的优点。图中为轴向的剖面图,/4型,/2,电容加载型,1、/4型同轴谐振器,谐振波长0与腔体长度l的关系为,或,由于这类同轴腔内导体长度为0/4的奇数倍，故称为四分之一波长型同轴谐振器。,其品质因素：,当(D/d)=3.6时，同轴腔的品质因数Q0达最大。,2、/2型同轴谐振器,/2型同轴谐振器由两端短路的一段同轴线构成,谐振波长0与腔体长度l的关系为,或,3、电容加载型同轴谐振器,同轴线一端短路，另一端的内导体端面与外导体短路面之间形成缝隙电容，形成电容加载同轴线谐振器。,满足谐振条件的C值由右式确定,如果将缝隙电场近似看作均匀分布，则式中C可按平板电容公式计算,0为空气的介电常数，a为同轴腔内导体半径，d为缝隙宽度。,三、矩形谐振器,矩形谐振器是由一段两端短路的矩形波导构成，它的横截面尺寸为ab，长度为l，如下图所示。,1、谐振模式及其场分布 矩形波导中传输的电磁波模式有TE模和TM模，相应谐振器中同样有TE谐振模和TM谐振模，分别以TEmnp和TMmnp表示，其中下标m、n和p分别表示场分量沿波导宽壁、窄壁和腔长度方向上分布的半驻波数。在众多谐振模中，TE101为最低谐振模。,2、谐振波长谐振条件与/2型同轴谐振器相同，波导中传输的波是色散波。,矩形谐振器谐振波长计算公式,式中c为波导中相应模式的截止波长。此式也适用于圆柱谐振器。对于矩形谐振器有,TE101模的谐振波长为 它为最低谐振模。,若为立方体谐振器，a=b=l，则TE101模的品质因数为,3、品质因素,TE101模的品质因数为,四、圆柱形谐振器,圆柱谐振器是由一段长度为l，两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半径为R。这种谐振器结构简单，加工方便，Q值高。圆柱谐振中场分布分析方法和谐振波长的计算与矩形谐振器相同。,式中m、n和p分别表示场分量沿沿圆周、半径和腔长度方向分布的驻波数。,三种常用谐振模式 圆柱腔中最常用的三个谐振模式为TM010模、TE111模和TE011模。1、TM010模（参量放大器和波长计）圆波导TM01模的截止波长c=2.62R和p=0 圆柱腔TM010模的谐振波长0的计算公式为,2、TE111模（波长计）,TE111模的谐振波长0的计算公式为,3、TE011模（高Q值）,TE011模的谐振波长0的计算公式为,本章小结,了解各种微波元件的描述参数及工作特性,