第五章常用微波元件.

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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,微波能量可 无衰减地通过。 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 0 e l S l e 0 衰减器的衰减量表示为:
对匹配负载的基本要求是:
(1)有较宽的工作频带, (2) 输入驻波比小和一定
的功率容量。
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第五章 常用微波元件
(二)短路负载
短路负载又称 为短路器,它的 作用是将电磁能 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。
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第五章 常用微波元件
5-4 衰减器和移相器
P4
(dB)
在理想情况下,隔离端应无输出功率,即P4=0,此时隔离度为无限大。 但实际上由于设计或加工制作的不完善,常有极小部分功率从隔离端输 出,使隔离度不再为无限大。 有时用方向性D′ (dB)来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之比的分贝数。也可用散射参量来表示方向性, 即 2
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第五章 常用微波元件
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
0 S j e e j 0
其中移相器的相移量为
l 2l p
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:前者是改变介质片的位置,后者是改变吸收片的位置。
电感膜片电纳的近似计算公式为
B
p
d Y0 ctg 2 2a a
电感膜片及其等效电路
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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。 四、螺钉 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。
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5-5 阻抗变换器
为了消除不良反射现象,可在其间接入一阻抗变换器,以获得良好的 匹配。 常用的阻抗变换器有两种:一种是由四分之一波长传输线段构成的阶 梯阻抗变换器(包括单节和多节);另一种是渐变线阻抗变换器。 一、单节/4阻抗变换器 如右图所示,若主传输线的特性 阻抗为Z0,终端接一纯电阻性负 载ZL ,但ZL Z0,则可以在传输 线与负载之间接入一特性阻抗为 Z1、长度l=p0/4的传输线段来实现 匹配。
当已知ZL 和Z0,且给定频带内容许的 m时,则由式可计算出相对带宽 Wq值;反之,若给定Wq值,也可求出变换器的 m ,计算中 m取小于 /2的值。 对于单一频率或窄频带的阻抗匹配来说,一般单节变换器提供的 带宽能够满足要求。但如果要求在宽频带内实现阻抗匹配,那就 必须采用下面要讨论的多节阶梯阻抗变换器或渐变线阻抗变换器。
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m

2 1
m 2 m
m arccos
Z0 Z L
Z L Z0
通常用分数带宽Wq表示频带宽度,Wq与 m有如下关系
Wq f 2 f 1 2 1 m m 4 2 m f0 0 2
中等耦合
弱耦合
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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。
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第五章 常用微波元件
一、定向耦合器的技术指标
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第五章 常用微波元件
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
~ 2 U 2 i1 1 C 10 log 20 log ~ S13 S13U i1 2
(dB)
由此可见耦合度的分贝数愈大耦合愈弱。通常把耦合度为 0~10dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器;把耦合度为 10~20dB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。

Z L Z0 2 Z0 Z L
cos
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当 = 0时,此时反射系数的模达到最大值,反射系数随 (或频率)作周期变 化,周期为。如果设 m 为反射系数模的最大容许值,则由/4阻抗变换器 提供的工作带宽对应于图中Δ θ 限定的频率范围。由于当 偏离时曲线急速 下降,所以工作带宽是很窄的。
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。
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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、变频器等。 微波元件分类:
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第五章 常用微波元件
(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、同轴线波导转换器
连接同轴线与波导的元件,称为同轴线波导转换器,其结构如图所示。
2、波导微带转接器
通常在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。
同轴线波导
波导微带
波导可 调螺钉 及其等 效电路
谐振窗及其等效电路
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5-3 连接元件和终端负载
一、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
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二、多节阶梯阻抗变换器 多节阶梯阻抗变换器具有宽频带特性,现以 下图所示的两节 /4 阶梯阻抗变换器为例进 行分析。令变换器两端所接传输线的特性阻 抗分别为Z0和ZL,并假设ZL > Z0。每一节具 有同样的长度l = p0/4,当工作于中心频率f0 时,电长度 = l = /2。T0、T1及T2为各阶 梯处的参考面,0、1及2分别为对应参考 面上的局部电压反射系数。设两节 /4 传输 线段的特性阻抗分别为Z1和Z2,且ZL > Z1 > Z2 > Z0,则局部电压反射系数分别为
微波元件
波导型
同轴型
微带型
近年来,为了实现微波系统的小型化,开始采用由微带和集总参 数元件组成的微波集成电路,可以在一块基片上做出大量的元件, 组成复杂的微波系统,完成各种不同功能。
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第五章 常用微波元件
5-2 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。
ห้องสมุดไป่ตู้0 l
~ 1 l j 2 z d[ln Z ( z)] e dz 2 0 dz
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5-6 定向耦合器
定向耦合器分类 :
按传输线类型
按耦合方式
波导
同轴线
带状线
微带线
单孔耦合
多孔耦合
连续耦合
平行线耦合
输出方向
输出相位
按耦合强弱
同向耦合
反向耦合
90度定向
180度定向
强耦合
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。
电纳的近似计算公式为
B
电容膜片及其等效电路
d Y0 ln cos p 2b
4b
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二、电感膜片 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。

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第五章 常用微波元件
二、终端负载
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
(一) 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。
Z1 Z 0 0 Z1 Z 0
Z 2 Z1 1 Z 2 Z1
2
Z L Z2 Z L Z2
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T0参考面上,
U r 0U i 1U i e j 2 2U i e j 4
T0面上总的电压反射系数为 Ur 0 1e j 2 2 e j 4 Ui 然而在多节阶梯的情况下,由于多节突变面数目增多,参与抵消 作用的反射波数量也增多,从而在m相同的条件下,使工作频 带增宽。 对于N节阶梯变换器
A 10log
Pi dB Po
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衰减器在原理上可以分为吸收式和截止式两种 (一)、吸收式 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,如图所示。
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(二)、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,如图所示。
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。 (一) 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 P C 10 log 1(dB) P3
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(二)隔离度D 隔离度D定义为输入端的输入功率P1与隔离端的输出功率P4之比的分贝数, 即 P D 10 log 1 (dB) 若用散射参量来描述,则有
~ 2 U 2 i 1 1 D 10 log 20 log ~ S14 S U 2 14 i1
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第五章 常用微波元件
设此时T0面上的反射系数为,则

Z L Z0 Z0 Z L tg l
Z L Z0 2 j
上式取模为

1
2 2 Z Z 0 L 1 sec Z L Z0 12
在中心频率附近,上式可近似为
2e jN 0 cos N 1 cos N 2
其模值为
2 0 cos N 1 cos N 2
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第五章 常用微波元件
三、渐变线阻抗变换器
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。
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5-1 引 言
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
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第五章 常用微波元件
3、 同轴线微带转接器
同轴线微带转接器的结构如图所示。与微带连接处的同轴线内导体 直径的选取与微带线的特性阻抗有关,通常使内导体直径等于微带线导 带的宽度。
4、矩形波导圆波导模式变换器
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。
同 轴 线 微 带
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。
渐变线输入端总的反射系 数in为
in d in
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