电磁波第四章微波元件及微波网络理论概要

CST工作室套装
• CST工作室套装™是由德国CST公司开发的 面向3D电磁、电路、温度和结构应力设计 工程师的一款最有效、全面和精确的专业 仿真软件。 • 包含八个工作室子软件，集成在同一平台。 可以为用户提供完整的系统级和部件级的 数值仿真分析。 • 软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域 和频域全波算法和高频算法。
CST 电磁工作室® /CST EM STUDIO® CST 粒子工作室® /CST PARTICLE STUDIO® CST 设计工作室™ /CST DESIGN STUDIO™ CST 多物理场工作室™ /CST MPHYSICS STUDIO™
“TM”和“R”的区别
• “TM” 是英文“trade mark”的缩写，“trade mark”即“商业标记”，所以“TM”的意思 就是“商标”。 • “R”是英文“register”的缩写，“register” 即“注册”，所以“R”的意思就是“注册 商标”。 • “TM”是商标标识，“R”是注册商标标识， 二者受法律保护的力度是不同的。
连接匹配元件
• 微波连接匹配元件包括终端负载元件、 微 波连接元件以及阻抗匹配元器件三大类。
• 终端负载元件是连接在传输系统终端实现 终端短路、匹配或标准失配等功能的元件;
• 微波连接元件用以将作用不同的两个微波 系统按一定要求连接起来,主要包括波导接 头、衰减器、相移器及转换接头等;
• 阻抗匹配元器件是用于调整传输系统与终 端之间阻抗匹配的器件, 主要包括螺钉调 配器、多阶梯阻抗变换器及渐变型变换器 等。
3）RLC元件 • 功能：电阻性元件吸收电磁场能量，电感、 电容性元件储存电磁场能量。 • 电抗元件：螺钉、短路活塞，螺钉相当于 和波导并联的可变电容；短路活塞相当于 和波导与同轴线串联的可变电抗，广泛地 应用于系统的调配及微波测量中。
4）定向耦合器 • 功能：微波系统监控的重要元件，它是一 个四端口元件，具有耦合信号，定向传输 的特点。
§4.0 微波元件与微波元件分析方法
1、微波电路 微波电路（微波系统）由微波传输线、 微波元件和微波器件组成。
2 微波元件及其功能描述
• 微波元件泛指能够控制导行电磁波的模式、 极化方向、幅值、相位及频率等的无源装 置。 • 功能：对其导行波模式、极化、振幅、相 位频率进行调控。 • 微波元器件按其变换性质可分为线性互易 元器件、 线性非互易元器件以及非线性元 器件三大类。
• 线性非互易元器件主要是指铁氧体器件, 它的散射矩阵不对称,但仍工作在线性区域, 主要包括隔离器、环行器等;
• 非线性元器件能引起频率的改变, 从而实 现放大、调制、变频等, 主要包括微波电 子管、 微波晶体管、微波固态谐振器、 微波场效应管及微波电真空器件等。 • 第一、二类微波无源元件，第二类微波有 源器件。
电路元件和器件
• 无源元器件：电容、电感、电阻、滤波器、 分配器、谐振回路等，实现信号匹配、 分 配、 滤波等； • 有源元器件：晶体管等, 实现信号产生、 放大、调制、变频等。
微波电路元件和器件
• 线性互易元器件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, 它主要包括各种微波连接匹配元件、 功率 分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器 件等;
• 典型应用包含各类天线/RCS、EMI/EMS、 SI/PI、带电粒子与电磁场相互作用、场路、 电磁温度及温度形变等各类协同仿真。 • CST微波工作室：系统级电磁兼容及通用高 频无源器件仿真软件，应用包括：天线 /RCS、EMI/EMS、三维和平面多层结构SI、 滤波器等。可计算任意结构任意材料电大 宽带的电磁问题。
HFSS
• The name HFSS stands for High Frequency Structure Simulator. • Ansoft pioneered the use of the Finite Element Method(FEM) for EM simulation.
• HFSS is a high-performance full-wave electromagnetic (EM) field simulator for arbitrary 3D volumetric(测定体积的，定域) passive(被动 的，无源的) device modeling that takes advantage of the familiar Microsoft Windows graphical user interface. • It integrates simulation, visualization, solid modeling, and automation in an easy-to-learn environment where solutions to your 3D EM problems are quickly and accurately obtained.
微波铁氧体器件
• 在许多情况下, 微波系统需要具有非互易 性的器件。负载的变化对微波信号源的频 率和功率输出会产生不良影响, 使振荡器 性能不稳定。
• 一类非互易单向器或隔离器，另一类非互 易器件是环行器。
4 微波元件的分析方法
• 分析微波元件的工作原理及确定其参数， 严格的方法是分析元件内部的场结构，进 而确定其外特性，这是典型的边值型问题。 由于微波元件复杂和不规则的边界情况， 完整准确地求解电磁场方程将遇到极大的 困难。 • 一般采用等效为微波网络的方法，微波元 件特性用微波网络的外特性参量描述，而 这些网络外特性参量可以用网络参量描述， 网络参量可以由实验测定。
第四章 微波元件及微波网络理论 概要
教材上的目录 §4.1 连接元件 §4.2 波导分支元件 §4.3 波导RLC元件 §4.4 定向耦合器 §4.5 阻抗调配元件 §4.6 微波谐振器 §4.7 微波铁氧体元件 §4.8 微波网络
微波工程领域的前沿和热点问题
微波是现代雷达、通信、广播电视、遥 感探测、射电天文乃至医学诸多工程领域 信息传输载体，同时还具有加热等特殊的 功能。 • 微波集成电路技术 • 复杂环境下的微波问题 • 新型材料中的微波问题
5）阻抗程度直接决定了系统的工作状态，直 接影响信号的传输质量。
6）谐振元件 • 功能：等同于普通电路的谐振回路，产生 电磁振荡。 • 谐振器件：角柱腔，圆柱腔，可以用场的 方法分析。 • 特性参数：品质因数Q
7）微波铁氧体元件 • 是一类具有不可逆性的微波元件，利用不 同极化电磁波在铁氧体外加恒定电磁场中 表现出的不同电磁性质（磁导率）实现不 同极化电磁波的分离。 • 具有代表性的微波铁氧体元件主要有：隔 离器和环流器。隔离器：传输单向性。环 流器：传输端口顺序性。
功率分配元器件
• 在微波系统中, 往往需将一路微波功率按 比例分成几路, 这就是功率分配问题。
• 实现这一功能的元件称为功率分配元器件, 主要包括: 定向耦合器、 功率分配器以及 各种微波分支器件。
微波谐振器件
• 微波谐振器一般有传输线型谐振器和非传 输线谐振器两大类,
• 传输线型谐振器是一段由两端短路或开路 的微波导行系统构成的, 如金属空腔谐振 器、 同轴线谐振器和微带谐振器等, 在实 际应用中大部分采用此类谐振器。
3 微波元件构成原理
• 在微波段，电路元件与普通电路中元件无 论在形体上和构成原理上发生较大的变化。 • 微波元件一般是由微波传输线结构（形状、 尺寸及填充介质）突变而构成。
大体分类
• 微波元器件品种繁多, 而且随着技术的进 步不断出现新的元器件。本章主要介绍无 源元器件。 • 大体可以分为连接匹配元件、 功率分配元 器件、 微波谐振元件和微波铁氧体器件。
ADS
• ADS是由美国Agilent公司推出的微波电路 和通信系统的仿真软件， • 是当今业界最流行的微波射频电路、通信 系统、RFIC设计软件， • 也是国内高校、科研院所和大型IT公司使用 最多的软件之一。
• ADS功能强大，仿真手段丰富，可实现包括 时域与频域、数字与模拟、线性与非线性、 噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行 成品率分析与优化，提高复杂电路的设计效 率，是优秀的微波射频电路、系统信号链路 的设计工具，是射频工程师必备的工具软件 之一。 • ADS是基于电路和系统仿真软件，对于更高 频率需要考虑电磁场分布时精度存在问题。
6 微波元件分类
根据微波元件功能可以将微波元件分类： 1）连接元件 • 功能：不同类型微波传输线连接，实质上 是完成导行电磁波不同模式的转换。 • 技术要求：完成模式转换的同时，引入衰 耗和反射波尽可能小。 • 波导之间转换、同轴线和波导、同轴线和 微带线、波导和微带线和矩形波导和圆波 导。
2）分支元件 功能：元件接入，对应普通电路并联和串联。 E-T分支（串联），H-T分支（并联），双T 功率分配器。
微波工程问题理论分析方法
• 解析方法。 • 近似方法，包括变分法，微扰法，高频、 低频近似法等。 • 数值方法：基于积分方程的矩量法，基于 微分方程的有限元方法FEM，差分法FEM 和时域有限差分方法FDTD。
5 微波仿真软件介绍
• ADS（Advanced Design System） • HFSS（High Frequency Structure Simulator）, / • CST MICROWAVE STUDIO，
CST 设计环境™ /CST DESIGN ENVIRONMENT™
CST 印制板工作室™ /CST PCB STUDIO™ CST 电缆工作室™ /CST CABLE STUDIO™
CST MS工作室™ /CST MICROSTRIPES™
CST 微波工作室® /CST MICROWAVE STUDIO®