微波元器件介绍.ppt

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1、,微波器件基本知识,一、无源器件原理介绍,微波元器件,无源器件,有源器件,基本电抗元件 终端元件 连接元件分支元件（功分器）衰减器和移相器定向耦合器 滤波器 谐振器 隔离器,微波振荡器微波放大器微波混频器微波倍频器微波控制器件,电抗元件,原理：在传输线的不均匀区域附近，电磁场比较复杂，可以分解为主模和多个高次模式的叠加，其中主模可以传输，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。若储存的主要是电场能量，则不均匀区域相当于一个储存电能的电容；若储存的主要是磁场能量，则不均匀区域相当于一个储存磁能的电感。,波导电抗元件,3、谐振窗：,a,b,谐振波长：,谐振

2、时，并联回路的电抗无穷大（相当于开路），无反射；失谐时，并联回路的电抗为容性或感性，反射较大；作用：一个谐振窗相当于带通滤波器，谐振的频率就是可通过的频率。,b,a,谐振窗：,微带电路中的电容、电感,间隙电容,交指电容,叠层电容,2、串联电感：,一段无耗短传输线,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。,若Zc大，则L大，C小可忽略若Zc小，则C大，L小可忽略,当介质基片厚度一定时，微带宽度W，则Zc；,预备知识：,一段窄的短微带线可等效为串联电感；一段宽的短微带线可等效为并联电容。,l,用高阻抗微带短线实现串联电感,高阻抗段,串联在传输线上的谐振回路：,L

3、,C,l,并联电容、电感：,用低阻抗线实现并联电容：,低阻抗段,微 波 滤 波 器,一、低频滤波器设计,将所需其他滤波器的衰减特性通过频率变换，得到对应的低通滤波器衰减特性；设计该对应的低通滤波器的电路结构和元件值；应用频率变换，得到所需滤波器的电路结构和元件值。,（衰减）,（频率）,低通滤波器的设计已非常成熟；低通滤波器：最平坦式、切比雪夫式、椭圆函数式,二、微波滤波器设计,先按低频滤波器的常规设计方法，设计出低频集总元件滤波器，得到其电路结构和每一个元件值；,然后，用微波频段的元件代替已设计电路中的集总元件，该过程称为集总参数电路的微波实现。,如，波导中，电感、电容就可以用波导膜片、销钉来

4、实现，微带电路中也可用微带间隙、分支等来实现电感、电容。,三、微带滤波器,集总元件电路,1、低通滤波器1,微带电路实现方案,L,L,C,（电感）,（交指电容）,C1,C3,C5,L2,L4,L6,高阻抗短线（窄线）相当于 串联电感 低阻抗短线（宽线）相当于 并联电容 经过计算确定每段微带的长度、宽度，使其等效电抗值与集总元件电路中的对应电抗值的相等。,2、低通滤波器2,集总元件电路,C2,C4,L1,L3,椭圆函数式低通滤波器,L2,L4,L5,C6,3、低通滤波器3,微带电路实现方案,4、带通滤波器,输入,输出,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在；,微带

5、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，故为带通滤波器。,平行耦合微带型带通滤波器,某实际微带电路中的耦合带通滤波器,屏蔽盒中的微带带通滤波器,将 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,同轴线输入,同轴线输出,5、带阻滤波器,g1/4,终端开路,输入,输出,对于波导波长等于 g1、g2、g3 的电磁波而言，并联的终端开路 四分之一支节实现了对地短路的功能，这些频率的信号 不能通过，故为带阻滤波器。,带阻滤波器实例,终端元件（单端口元件）,一、匹配负载：,作用：接在传输线的终端，尽量吸收全部入射功率，保证传输线的终端无反

6、射，其驻波比在 1.05 左右 1.1 左右；,工作原理：元件中采用高阻衰减材料、吸波材料，吸收入射的电磁波；,特点：吸波材料与空气的界面应做成渐变式过渡，减小反射；高功率匹配负载需要散热装置，将吸收的电磁能转化成的热能散发出去。,1、波导式匹配负载,片式吸收体,体积式吸收体,吸波材料,2、同轴线式匹配负载,同轴匹配干负载,3、微带线式匹配负载,介质,薄膜电阻,导体带,渐变式,二、辐射终端,能量尽量辐射出去，尽量减小终端反射；,喇叭天线,抛物面天线的喇叭馈源,波导喇叭,衰减器和移相器,一、衰减器：,同轴线衰减器,作用：根据需要，减小所传输信号的幅度。原理：用吸波材料吸收一定的电磁能量来实现衰减

7、。,二、移相器：,原理：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。,作用：可以人为地改变传输电磁波的相位。,矩形波导TE10模式的相移常数,经过距离 l 的相移量,相移量与媒质参数密切相关,微带线移相器电路,功率分配网络,天线阵元,移相器,馈源,应用举例：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。,移相器的相移量,相控阵天线,分支元件,作用：把一路电磁能量分为两路或多路；或者，将多路电磁能量相加或相减。,1、波导E-T分支（三端口元件）,2,1,3,等效电路,在3臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调节串联支路的输入阻抗值（近似为纯电抗）

8、，作为电抗元件使用。,jX,1,2,等效,能量分配功能,2,1,3,3臂自身有反射，但若在该臂加入匹配装置，可使3臂的入射能量全部从1、2臂平分输出；,3臂输入时，从1、2臂等幅、反相输出；,1臂输入时，从2、3臂输出；,1,2,3,1,2,3,2臂输入时，从1、3臂输出；,求差信号的功能,1,2,3,两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相同，则3臂输出两信号之差，称为差信号。,信号1,信号2,若两输入信号等幅，则3臂无输出；,T,求和信号的功能,1,2,3,两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相反，则3臂输出两信号之和，称为和信号。,信号1,信号2,T,2

9、、波导H-T分支（三端口元件）,等效电路,1,2,3,能量分配功能,1,2,3,3臂自身有反射，但若在该分支波导加入匹配装置，可使3臂的入射能量全部从1、2臂平分输出；,3臂输入时，从1、2臂等幅、同相输出；,1臂输入时，从2、3臂输出；,2臂输入时，从1、3臂输出；,1,2,3,1,2,3,求和信号的功能,1,2,3,信号1,信号2,信号1信号2,两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相同，则3臂输出两信号之和，称为和信号。,T,求差信号的功能,1,2,3,信号1,信号2,两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相反，则3臂输出两信号之差，称为差信号。,若此时两

10、信号等幅，则3臂无输出；,T,3、波导双-T分支（四端口元件）,1,2,3（E）,4（H）,主要特性：1、2同相输入：3输出差信号，4输出和信号；3输入：1、2等幅、反相输出，4无输出；4输入：1、2等幅、同相输出，3无输出；3、4相互隔离（相互不可传送信号）,1,3,2,“3臂、4臂隔离”的原因：,T,3臂输入的TE10 模式关于中轴面T反对称，而4臂中TE10模式关于中轴面T对称，故相互不能激励。,3臂（4臂）输入的TE10 模可以在4臂（3臂）中激励起高次模，但高次模式不能传输，不能输出。,3臂输入，4臂无输出,4、波导魔T（四端口元件）,1,2,3（E）,4（H）,调匹配的装置,主要特

11、性：任何端口都与外接传输线相匹配；3、4匹配之后，1、2自动匹配；3输入：1、2等幅、反相输出，4无输出；4输入：1、2等幅、同相输出，3无输出；1、2均有输入：3输出差信号，4输出和信号；3、4臂相互隔离；1、2臂相互隔离；在微波设备、雷达中应用广泛。,二、微带分支：,Y形分支,T形分支,主要特性：3臂输入：1、2等幅、反相输出，4臂无输出；4臂输入：1、2等幅、同相输出，3臂无输出；1、2臂均有输入：3臂输出差信号，4臂输出和信号；3、4臂相互隔离；1、2臂相互隔离；,微带环形电桥（微带魔T）,微带环形电桥实例,功分器 典型的功分器有微带和腔体两种。腔体功分器：腔体功分器是同轴结构，它将输

12、入的50阻抗变换为25（使用内外导体的不同比率），25阻抗可以良好的与两个输出50的并联阻抗匹配。,微带功分器,Wilkinson功率分配器是在T分支上加隔离电阻形成的。它可以进行任意比率的功率分配。工作原理：当信号从端口1输入时，功率从端口2和端口3输出，只要设计恰当，输出可按一定比例分配，并保持电压同相，电阻R上无电流，不吸收功率。,1,2,3,若端口2（或端口3）失配，则有信号反射。反射信号通过两条线路到达端口3（或端口2）。路径差为半波长，因此只要控制好R，就可以实现两路反射信号大小相等、相位相反，因此反射信号不会流入端口3（或端口2），从而保证两输出端有良好的隔离。,定向耦合器,3,

13、2,1,4,同向耦合,输入端口,隔离端口,耦合端口,直通端口,作用：,从主传输线中取出一些电磁能量并向设定的方向传输。,一、波导定向耦合器,双孔定向耦合器（窄频带）,3,2,1,4,1,2,3,4,1,2,单孔定向耦合器,定向耦合器实例,二、微带定向耦合器,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。,主线,副线,锯齿形定向耦合器实例,微带双分支定向耦合器,3,2,1,4,A,B,C,D,1输入，2、3输出，相位差90度；4为隔离端口，无输出；,环形器 使信号单方向传输的器件。所有射频信号以同样的环形方向传输，但是只能从一个端口出去，所有射频信号必须从它遇到的第一个端口出来。它是结合磁铁和一种特殊类型的材料即铁氧体来完成。频率范围：1.891.92GHz 最大正向损耗：0.4 dB 最小反向损耗：20dB 最大电压驻波系数：1.2。,一.微波放大器（功放和低噪放）,有源元件,二.微波混频器,单平衡混频器,单端混频器,