第六章 常用微波元件2
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常见微波元件PPT课件
• 尖劈形吸收体——小功率 • 楔形吸收体——大功率
中功率负载
大功率风冷匹配负载
3 2
4
波导型定向耦合器，其
1
4端口配置了一个小功 率匹配负载。
4
1
微带线型耦合器，其 4端口 配置了一个50 欧姆的匹配 负载。
• 短路负载 • 作用：将电磁能量全部反射回去 • 基本要求： 保证接触处||=1；当活塞移动时，接触损耗变化小；大功率时，活塞与波导壁间不应 产生打火现象。 • 种类：
隔离口④：一路经lg/4、另一路经3lg/4（等幅反相）在④口输出，④无输出。
由端口①输入的功率：
端口①匹配无反射；
S11 0
直通臂②输出功率为一半，相位滞后 /2；
耦合臂③输出功率为一半，相位滞后 ；
隔离口④无输出。
S41 0
分支耦合线具有结构对称性，其任一
端口都可作输入端口，两输出端口总
是在与输入端口相反的一边。
• 同轴线微带转换器
① 工作原理：同轴线中心导体 电流在微带线上激励场
② 注意：与微带连接处的同轴 线内导体的直径的选取与微 带线的特性阻抗有关，通常 使内导体直径等于微带线宽 度。
• 波导微带转换器
作用：将TE10 波转换为TEM 工作原理：在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段，使微带线与波
3 1
E-T的S矩阵为：
2
1
1
1
2
2
2
S
1
1
1
2
2
2
1
1
0
2
2
H-T分支
1. 当信号由③口入时，①和②口都有等幅同 相输出
2. 当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口 输出最大
中功率负载
大功率风冷匹配负载
3 2
4
波导型定向耦合器，其
1
4端口配置了一个小功 率匹配负载。
4
1
微带线型耦合器，其 4端口 配置了一个50 欧姆的匹配 负载。
• 短路负载 • 作用：将电磁能量全部反射回去 • 基本要求： 保证接触处||=1；当活塞移动时，接触损耗变化小；大功率时，活塞与波导壁间不应 产生打火现象。 • 种类：
隔离口④：一路经lg/4、另一路经3lg/4（等幅反相）在④口输出，④无输出。
由端口①输入的功率：
端口①匹配无反射；
S11 0
直通臂②输出功率为一半，相位滞后 /2；
耦合臂③输出功率为一半，相位滞后 ；
隔离口④无输出。
S41 0
分支耦合线具有结构对称性，其任一
端口都可作输入端口，两输出端口总
是在与输入端口相反的一边。
• 同轴线微带转换器
① 工作原理：同轴线中心导体 电流在微带线上激励场
② 注意：与微带连接处的同轴 线内导体的直径的选取与微 带线的特性阻抗有关，通常 使内导体直径等于微带线宽 度。
• 波导微带转换器
作用：将TE10 波转换为TEM 工作原理：在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段，使微带线与波
3 1
E-T的S矩阵为：
2
1
1
1
2
2
2
S
1
1
1
2
2
2
1
1
0
2
2
H-T分支
1. 当信号由③口入时，①和②口都有等幅同 相输出
2. 当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口 输出最大
第六章-常用微波元件2
当l=lg/2时，波由A点经
短路器的反射回至A点所
走过的路程为2l= lg，由
路程所提相位差为2，加
上短路反射所得相位差，
因此，当波回A点时与1端
口的入射波为反相，因此，
3端口的输出为最大功率。
l
A
• 一波导匹配双T，其③端口为E臂，④端
口为H臂，若③端口输入功率为p，则①
端口输出功率为
；若①端口理
式中Pi为滤波器所接信号源的最大输出功率，PL为滤波器的负
载吸收功率。
微波滤波器的主要技术指标有：工作频带的中心频率、带宽、 通带内允许的最大衰减、阻带内允许的最小衰减、阻带向通带过 渡时的陡度和通带内群时延的变化等。
一、利用四分之一波长传输线并联电抗元件的滤波器
滤波器的结构是：在一特性
(3) 当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口无输出，此时对称面为电场的波腹 点；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，此时对称面为 电场的波节点。
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；
的信号为差信号；如
果反射波与1端口的
l
信号反相时，3端口
输出为最大。又ຫໍສະໝຸດ 于短路器的反射系数为-1，即有的相位差。
当l=lg/4时，波由A点经短路器的反射回至A点所走过 的路程为2l= lg/2，由路程所提相位差为，加上短路反射 所得相位差，因此，当波回A点时与1端口的入射波为同 相，因此，3端口的输出为最小功率。
Y0
1 Z0
R2
Z
2 02
微波技术基础微波元器件第六章
上式取模为
1
2 2 Z Z 0 L 1 sec ZL Z0 12
在中微波技术》
ZL Z0 2 Z0 ZL
cos
6-2 变换元件---阻抗变换器
当 = 0时，此时反射系数的模达到最大值，可以画出 随 变化的 曲线，如图所示。 随 (或频率)作周期变化，周期为。如果设 Γ 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 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。
《微波技术》
6-2 变换元件---阻抗变换器
当 m时
m arccos
2 1
m 2 m
Z0 ZL
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
f 2 f1 2 1 π m m 4 Wq 2 m f0 0 π2 π
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。 《微波技术》
当Γ0, Γ1, … 等值给定时, 上式右端为余 弦函数cosθ的多项式, 满足|Γ|=0的cosθ 有很多解, 亦即有许多λg使|Γ|=0。这就 是说，在许多工作频率上都能实现阻抗匹 配, 从而拓宽了频带。显然, 阶梯级数越 多, 频带越宽。
6-2 变换元件---阻抗变换器
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。 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
微波器件简介
带通双工器响应
带阻双工器响应
几种常见的双工器
同轴带通双工器
波导带通双工器
螺旋带阻双工器
陶瓷带通双工器
耦合器、功分/合路器介绍
天馈系统中采用耦合器提取检测信号，将 模块的工作状态随时报告给工作人员，以 便工作人员对模块进行实时监控； 天线接收的信号通过双工器中的接收滤波 器，再由功分器均分成数份，分配到不同 的接收机。
带通滤波器的工作原理
原始信号
滤波器响应
滤波后的信号
带通滤波器的主要电气参数
1. 带外抑制：带外抑制指，滤波器在工作频段以外的频点处对信号的衰减。 带外抑制： 滤波器抑制主要由腔数决定。腔数越多带外抑制越好，同时插损也越大；
上图为不加飞杆的滤波器响应，左、右图分别为5腔和7腔的响应。 对比二图可以明显看出：7腔响应的带外抑制优于5腔响应；7腔响应的中 心频点的插损为-1.17dB，5腔响应的中心频点插损为-0.7dB。
目 录
一：微波无源器件 1.滤波器介绍（重点讲带通滤波器） 2.双工器介绍 3.耦合器介绍 4.功分器介绍 二：塔顶放大器（TMA）
滤波器
滤波器用途与分类
最普通的滤波器具有下图所示的低通、高通、带通、带阻衰减特性。
(
四种普通滤波器的特性曲线 可以从不同角度对滤波器进行分类： (a)按功能分，有低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器， 带阻滤波器，可调滤波器。 (b)按滤波器的组成元件分，有集总参数滤波器，分布参数 滤波器，无源滤波器，有源滤波器，晶体滤波器，声表面 波滤波器，等等。
带通滤波器的结构
通常的带通滤波器具有 左图所示的结构： 抽头：将外部输入信 号馈入滤波器或者将经过滤 波器的信号导出。 谐振腔：形成通带内的 谐振点； 耦合窗口：在谐振腔之 间传输电磁信号，同时调整 成不同的耦合度，以满足滤 波器设计的需要； 感飞，容飞，对称飞： 形成通带外的传输零点（即 抑制点）
微波元件
(4)当TE-10模信号从①和②端口同相输入 时,则③端口输出最小;
(5)当TE-10模信号从①和②端口反相输入时,则③ 端口有输出;当信号从①和②端口等幅反相输入时,
则③端口有最大输出
E―T接头的等效电路相当于在传输中串接一个阻抗
如果在E分支中加一个可调的短路活塞,上下
改变活塞的位置就可改变串接电抗的大小
就越多，高次模所储存的磁场就越大，其等效感性
电纳也就越大
5. 调谐螺钉
被普遍采用的调谐和匹配元件
一方面, 与电容膜片一样，其
附近高次模的电场较为集中，
具有容性电纳；
另一方面，波导宽壁上的轴
向电流要流入螺钉，产生附加
磁场，具有电感量。
但当插入深度h较浅时，电感
量较小，容抗占优势，总的作 用等效为一个电容。(通常） 宽壁调谐螺钉
4. 矩形波导―圆波导模式变换器
矩形波导TE10模变换到圆波导TE11模的变换器 采用波导横截面的逐渐变化来达到模式的变换
TE10→TE01模式变换器
7.4 终接元件
(一) 全匹配负载
吸收体 能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在 传输系统中建立行波状态时,都要用到匹配负载
吸收体一般为碳化硅薄膜，镍铬合金薄膜，铂 金薄膜等 吸收体应放置在电场强度最大的位置 吸收体长为几个波长
H―T接头的H臂相当于并接在传输线中的电
抗
调节H臂中的短路活塞的位置就可改变并接
电抗的大小
3. 双T接头
将E-T和H-T两种分支合为一体
E臂（隔离臂）
平分臂
平分臂
H臂（隔离臂）
特性：(1) E臂输入，两主臂“1”、“2” 等幅反相输出，H臂无输出。
模式的变换
微波元器件
1
但高次模式不能传输，
不能输出。
T
2
3臂输入， 4臂无输出
2
4臂输入， 3臂无输出
4、波导魔T（四端口元件） 3（E）
调匹配的装置
2
1 • 主要特性：
4（H）
• 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；
四、波导滤波器
• 销钉型
• 膜片型
9. 3 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
•体积式吸收体
பைடு நூலகம்•片式吸收体
• 大功率匹配干负载
• 大功率匹配水负载 水
散热片
入 出
2、同轴线式匹配负载
• 同轴匹配干负载
吸波材料
3、微带线式匹配负载 • 渐变式
导体带 介质 薄膜电阻
• 匹配阻抗式
开路
• 半圆式
g 4
二、短路器：
• 提供尽量大的反射系数； • 最好可自由移动； • 可移动短路活塞：接触式：物理接触
2、串联电感：
• 预备知识：
Zc
l
一段无耗短传输线
等效
L/2 L/2
L Zcl 2 2v p
第6章微波谐振器-PPT精品文档
(c)
Microwave Technique
f 0
d ,N连续
(d )
f 0
d (e)
6.1 串联和并联谐振电路
6.1.1串联谐振电路
谐振时 Zin R
0
1 LC
Q0L 1 R 0RC
Figure 6.1 A series RLC resonator and its response. (a) The series RLC circuit. (b) The input impedance magnitude versus frequency.
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。
Microwave Technique
引言
LC谐振器的作用
低频…
谐振腔的作用
微波…
LC谐振器在微波频段的缺点：
a. 尺寸变小，储能空间小，容量低；
b. 损耗增加：辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增大， 品质因数低，频率选择性差 。
微波屏蔽腔的谐振频率
Microwave Technique
微波屏蔽腔的谐振频率
Microwave Technique
Microwave Technique
Microwave Technique
6.4 圆波导谐振腔
概述：圆柱谐振腔是由一段长度为l， 两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半 径为R。圆柱腔中场分布分析方法和 谐振波长的计算与矩形腔相同。
6.2.2
6.2 传输线谐振器
Microwave Technique
6.2.3
6.2 传输线谐振器
Microwave Technique
Microwave Technique
f 0
d ,N连续
(d )
f 0
d (e)
6.1 串联和并联谐振电路
6.1.1串联谐振电路
谐振时 Zin R
0
1 LC
Q0L 1 R 0RC
Figure 6.1 A series RLC resonator and its response. (a) The series RLC circuit. (b) The input impedance magnitude versus frequency.
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。
Microwave Technique
引言
LC谐振器的作用
低频…
谐振腔的作用
微波…
LC谐振器在微波频段的缺点：
a. 尺寸变小，储能空间小，容量低；
b. 损耗增加：辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增大， 品质因数低，频率选择性差 。
微波屏蔽腔的谐振频率
Microwave Technique
微波屏蔽腔的谐振频率
Microwave Technique
Microwave Technique
Microwave Technique
6.4 圆波导谐振腔
概述：圆柱谐振腔是由一段长度为l， 两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半 径为R。圆柱腔中场分布分析方法和 谐振波长的计算与矩形腔相同。
6.2.2
6.2 传输线谐振器
Microwave Technique
6.2.3
6.2 传输线谐振器
Microwave Technique
《微波元器件介绍》课件
《微波元器件介绍》PPT 课件
微波元器件是通信和雷达等领域中的重要组成部分。本课件将介绍微波元器 件的应用、分类、选型原则、关键技术以及发展趋势。
1. 简介
微波元器件是用于处理和传输微波信号的电子器件。广泛应用于通信、雷达、 卫星通信、无线电天线和导航系统等领域。
• 什么是微波元器件 • 微波元器件的应用领域 • 微波元器件的分类
2. 常见的微波元器件
射频开关
通过控制电路的开关状态，实现对微波信号 的开关和切换，广泛应用于无线通信和雷达 系统。
耦合器
用于将微波信号从一个端口耦合到另一个端 口，常用于功率分配和天线系统。
功分器
将输入的微波信号均匀分配到多个输出端口， 常用于通信和雷达系统中的功率分配。
衰减器
用于减小微波信号的功率，常用于信号衰减 和匹配。
材料科学的进步将推动微波元器件的
设计优化与仿真技术应用
4
发展。
设计优化和仿真技术的应用将提高微 波元器件的性能和效率。
6. 总结
微波元器件在通信和雷达等领域中起着重要作用。随着技术的发展，微波元器件将继续提高集成度和性 能，推动通信技术的发展。 谢谢观看。
3.Байду номын сангаас微波元器件的选型原则
1 频率范围
选择适合所需频率范围的微波元器件。
3 功率处理能力
选择能够处理所需功率的微波元器件。
2 带宽与损耗
考虑微波元器件的带宽和损耗，确保符合 系统要求。
4 稳定性与可靠性
考虑微波元器件的稳定性和可靠性，确保 长期运行稳定。
4. 微波元器件的关键技术
封装与加工工艺
微波元器件的封装和加工工 艺需要考虑对微波信号的影 响。
材料选择与制备
微波元器件是通信和雷达等领域中的重要组成部分。本课件将介绍微波元器 件的应用、分类、选型原则、关键技术以及发展趋势。
1. 简介
微波元器件是用于处理和传输微波信号的电子器件。广泛应用于通信、雷达、 卫星通信、无线电天线和导航系统等领域。
• 什么是微波元器件 • 微波元器件的应用领域 • 微波元器件的分类
2. 常见的微波元器件
射频开关
通过控制电路的开关状态，实现对微波信号 的开关和切换，广泛应用于无线通信和雷达 系统。
耦合器
用于将微波信号从一个端口耦合到另一个端 口，常用于功率分配和天线系统。
功分器
将输入的微波信号均匀分配到多个输出端口， 常用于通信和雷达系统中的功率分配。
衰减器
用于减小微波信号的功率，常用于信号衰减 和匹配。
材料科学的进步将推动微波元器件的
设计优化与仿真技术应用
4
发展。
设计优化和仿真技术的应用将提高微 波元器件的性能和效率。
6. 总结
微波元器件在通信和雷达等领域中起着重要作用。随着技术的发展，微波元器件将继续提高集成度和性 能，推动通信技术的发展。 谢谢观看。
3.Байду номын сангаас微波元器件的选型原则
1 频率范围
选择适合所需频率范围的微波元器件。
3 功率处理能力
选择能够处理所需功率的微波元器件。
2 带宽与损耗
考虑微波元器件的带宽和损耗，确保符合 系统要求。
4 稳定性与可靠性
考虑微波元器件的稳定性和可靠性，确保 长期运行稳定。
4. 微波元器件的关键技术
封装与加工工艺
微波元器件的封装和加工工 艺需要考虑对微波信号的影 响。
材料选择与制备
微波无源器件
第6章微波无源器件微波器件有源器件:无源器件:放大器、混频器、倍频器…基本元件（R、C、L）、阻抗变换器、定向耦合器、功率分配器、环行器…波导型同轴型微带型微波元件6.1 微波基本元件v6.1.1 微带基本元件一、集总参数元件(l <<λ)微带线1、电阻用钽（tan)、镍、铬合金材料蒸发在基片上，两端由微带引出2、电容6.1 微波基本元件v 6.1.1 微带基本元件一、集总参数元件(l <<λ)二、半集总参数元件(l 与λ接近) 6.1 微波基本元件v 6.1.2 波导基本元件≈b dY b B c g 2csc ln 4πλ1、膜片a 、电容膜片：b 、电感膜片−≈a d Y a B c g 22πλctg 谐振窗2、螺钉 6.1 微波基本元件v 6.1.2 波导基本元件3、终端负载(一) 匹配负载吸收入射波的全部功率。
使传输线工作于行波状态。
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。
Z L =Z c0==Γc in Z Z 作用: 6.1 微波基本元件v 6.1.2 波导基本元件3、终端负载(一) 匹配负载吸收入射波的全部功率。
使传输线工作于行波状态。
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。
Z L =Z c0==Γc in Z Z 作用:(二）短路负载作用:将电磁能量全部反射回去。
Z L =0l tg jZ Z c in β=6.1 微波基本元件v 6.1.2 波导基本元件3、终端负载抗流式(二）短路负载作用:将电磁能量全部反射回去。
Z L =0l tg jZ Z c in β=v 6.1.4 波型与极化变换器6.1 微波基本元件1．方-圆变换器2．线-圆极化变换器v 6.1.5 衰减器和相移器6.1 微波基本元件1、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[]S e e l l =−−00αα衰减器的衰减量表示为：oi A P PL log 10=截止式v 6.1.5 衰减器和相移器6.1 微波基本元件2、相移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。
第六章微波振荡器
振荡器:
主要内容
负阻二极管与振荡晶体管 负阻振荡器的一般理论 负阻振荡器电路 微波晶体管振荡器
§6.1 引 言
振荡器主要分类 1）二极管振荡器——高振荡频率（100GHz/100mW，
400GHz/150GHz）
A、碰撞雪崩渡越时间（IMPATT）二极管——高功率、高效率(15%)； B、转移电子器件（Gunn）二极管——低相位噪声(150GHz)；
点，而当引起偏离的因素消失后，振荡器仍能恢复 到原来的状态。
判别方法： sin(θ + Θ ) > 0
jx
or
α = θ + Θ < 180 o
Z(ω)
α θ
ZD(I)
H
(I0,ω0)
稳定工作点的图示判别法
R
调谐的滞后特性——多调谐回路
Z (ω)
P1
Pc
Pa
Z D (I )
Pb P'b
P'd
Pd M
负阻振荡器平衡条件
− 对于宽频带负阻振荡器，Z ( I ) = − R ( I ) + jX ( I ) 将是 与频率有关的函数，即− Z ( I , ω ) = − R ( I , ω ) + jX ( I , ω ) ， 则要求设计一个网络，使其阻抗满足平衡条 件，这将变成一个对负阻的宽带匹配问题。振 荡平衡用复平面上的图解表示见下图。
（也可先混频在中频鉴相或采用取样锁相）
外腔稳频振荡器电路
A 调谐螺钉 1 加偏置
A 高 Q 稳频腔 B
λg
4 雪崩管 变换段
雪崩管
匹配 终端
1 1′ 输出 l A′ B′ 阻抗变换段
A′
06微波技术第六章微波元件
衰减器与相移器是分别用来改变传输 系统中微波信号的幅度和相移的,是基本 的微波元件,是插入系统中的双口元件。
一、衰减器
作用: 1、降低传输系统中的传输功率,控制一定 的功率电平；
常 用 微 波 元 件
2、插在微波信号源与微波系统之间,消除 系统变化对信号源的影响
3、利用小功率仪表测量较大功率时,可在 被测系统与小功率仪表之间插入衰减量适 当的衰减器.
常 用 微 波 元 件
第六章
常用微波元件
在微波系统中,实现对微波信号进行定 向传输、放大、衰减、分配以及其他控制作 用的元件，统称为微波元件。 微波元件的种类很多，他们的分类方法 通常有:
1. 按波段分或带宽分； 2. 按传输形式分(如:同轴线式, 波导式,微 带式)；
常 用 微 波 元 件
3.按外形结构分(如连接，分支，过渡元件 等)
1、波导型短路活塞
a b λg/4
c e d
电流
电压
a
c
b
d
e
常 用 微 波 元 件
2、同轴型短路活塞
b c c d e f g
a
a
c
f
zc1
b d e
zc2
g I
常 用 微 波 元 件
abcd部分是由活塞侧壁和同轴线壁组 成的长度为四分之一波长的一段同轴线。 而cefg部分则是由S型活塞内部空腔所组成, 是一段终端短路的同轴线四分之一波长。
(3)起始相移量； (4)可调范围；
(5)变化规律； (6)功率容量。
长为L的无损耗传输线，输入与输出端的相 移差为：
常 用 微 波 元 件
引入两种改变
的方法：
(1)改变传输线长度L；
常 用 微 波 元 件
一、衰减器
作用: 1、降低传输系统中的传输功率,控制一定 的功率电平；
常 用 微 波 元 件
2、插在微波信号源与微波系统之间,消除 系统变化对信号源的影响
3、利用小功率仪表测量较大功率时,可在 被测系统与小功率仪表之间插入衰减量适 当的衰减器.
常 用 微 波 元 件
第六章
常用微波元件
在微波系统中,实现对微波信号进行定 向传输、放大、衰减、分配以及其他控制作 用的元件，统称为微波元件。 微波元件的种类很多，他们的分类方法 通常有:
1. 按波段分或带宽分； 2. 按传输形式分(如:同轴线式, 波导式,微 带式)；
常 用 微 波 元 件
3.按外形结构分(如连接，分支，过渡元件 等)
1、波导型短路活塞
a b λg/4
c e d
电流
电压
a
c
b
d
e
常 用 微 波 元 件
2、同轴型短路活塞
b c c d e f g
a
a
c
f
zc1
b d e
zc2
g I
常 用 微 波 元 件
abcd部分是由活塞侧壁和同轴线壁组 成的长度为四分之一波长的一段同轴线。 而cefg部分则是由S型活塞内部空腔所组成, 是一段终端短路的同轴线四分之一波长。
(3)起始相移量； (4)可调范围；
(5)变化规律； (6)功率容量。
长为L的无损耗传输线，输入与输出端的相 移差为：
常 用 微 波 元 件
引入两种改变
的方法：
(1)改变传输线长度L；
常 用 微 波 元 件
微波元器件
2.功分器
• 功分器它是一种将一路输入信号分成两路或多路相等或不相等信号的器 件，也可反过来将多路信号合成一路输出，此时可也称为合路器。
• 技术指标： 1）插入损耗：器件直通损耗，其计算公式为所有路数的输出功率之和与输 入功率的比值 2）隔离度： 当主路接匹配负载时，各分配支路之间的衰减量。 3）幅度平衡：指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值。 4）相位平衡：指频带内所有输出端口之间相对于输入端口相移量起伏程度。
特性：各分支中的能量按照某种顺序环转。
图 5 – 33 环行器及其场分布
7.放大器
所用器件 ： 微波双极晶体管 场效应晶体管
技术指标 ： • 增益：定义为负载吸收的功率PL与信号源输出的资 用功率之比 • 噪声系数：一个线性两端口网络的噪声系数为 F=输入端的信噪比/输出端的信噪比
Nf=10log(F) dB Te=(F-1)T0 T0为环境温度 Pn=kTeB (W) 网络产生的噪声功率
• 微波滤波器的衰减特性
P in LA 10 lg dB PL
LA
1 1
2
1 P ( )
2 N
• 微波滤波器的设计方法
• 经典方法：即低通原型综合法 –先由衰减特性综合出低通原型 –再进行频率变换 –最后用微波结构实现电路元件。 –结合数学计算软件(如MATLAB)和微波仿真软件 （Ansoft、 Microwave Office等）可以得到满意 的结果。
多级电路系统的综合噪声系数由下式给出：
Ft=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/(G1*G2)+· · +(Fn-1）/(G1*G2*· · *Gn)
• 频率特性 :包括增益特性（增益随频率的变化特性） 和相位特性（相位随频率的变化特性）。 • 效率 ：定义为交流输出功率与直流输入功率之比。
微波元器件介绍
定向耦合器 • 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。
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。
率变换，得到对应的低通滤波器衰减特 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。
任何端口都与外接传输线相匹配；
性； 用低阻抗线实现并联电容：
低通滤波器：最平坦式、切比雪夫式、椭圆函数式 1、2均有输入：3输出差信号，4输出和信号；
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。
c
• 一段窄的短微带线可等效为串联电感； 3输入：1、2等幅、反相输出，4无输出；
最大正向损耗：0.
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 Zcl 2 2v p C Ycl
vp
•用高阻抗微带短线实现串联电感
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）
2 4（H）
“3臂、4臂隔离”的原因：
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 1
T 3 1
T
2
3臂输入，4臂 无输出
2
4臂输入，3臂 无输出
4、波导魔T（四端口元件）
调匹配的装置
3（E） 2
1
4（H）
• 主要特性：
• 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；
常用微波元件
如果 S12 1 S11 S22 0
令S11 S11 e j(S11) , S12 S12 e j(S12 )
S21
S12 e , j(S12 ) S22
S e j(S22 ) 22
由公式(3)、(4)有
S e S e S e S e 0 j(S11)
Z Z0 Z Z0
Z0为标准波导的等效特性阻抗，Z为失配负载波导的 等效特性阻抗。从而驻波比可以表示为：
1
1
如果Z
Z0
Z Z
Z0 Z0
1 Z Z0 Z Z0 2Z Z
1 Z Z0 2Z0 Z0 Z Z0
由于TE模的等效阻抗只和波导的b / a相关(见3.1 51),而失配负载的宽边a相同
（3）功率容量：具有一定的功率容量。 通常将功率容量<1W的称为低功率负载， 将功率容量>1W的称为高功率负载。
如图所示，低功率匹配负载由短路金属波导及在其内部 沿电场方向放置劈型或楔型吸收片(通常由陶瓷、玻璃等 薄片介质涂以金属粉末制成[将导致表面接触电阻])，为 了获得好的吸收性能，通常吸收片的长度为1~2个波导波 长。
b b0
1
1
如果Z
Z0
Z0 Z0
Z Z
1 Z0 Z
Z0 Z 2Z0 Z0
1 Z0 Z 2Z Z Z0 Z
由于TE模的等效阻抗只和波导的b / a相关(见3.1 51),而失配负载的宽边a相同
b0
b
从上面的公式可以看出，对于不同的驻波比可以选择 不同的失配负载波导的窄边。
第六章 微波元件
KD= KI-Kt
6.8 E面、H面分支、双T接头和魔T
实际工作中，常常要把功率一分为二。就 需要波导分支元件。
微波系统是由许多元件和均匀传输线组成的，应 力求做到在连接处没有反射，即处于阻抗匹配状
态，并且要尽量减小器件本身的损耗，以保障更 多的能量能够传输到终端负载。
无源元器件 微 波 元 器 件
（本课程）
基本电抗元件 终端元件 连接元件 分支元件（功率分配元件） 衰减器和移相器 定向耦合器 滤波器 谐振器 隔离器 ……
吸波材料
3 2
1
4 2 2
1
3 4
波导定向耦合器
(1)过渡衰减 (2)隔离度 (3)方向性
P入 Kt 10lg (dB） P耦 P入 K I 10lg (dB） P 隔 P耦 K D 10lg (dB） P 隔
耦合到副通道中的功率越 小，则方向性越强，而过 度衰减根据不同的技术要 求而定。 理想的定向耦合器的方向 性和隔离度均为无穷大， 但实际方向性达到40dB， 性能很不错的定向耦合器
采取措施： 1、外形渐变；2、材料的特性阻抗不能过大 注：电损耗问题 1、必须有σ才有损耗， σ越大，损耗越大。所以理 想导体损耗最大
2、电磁波入射到理想导体会全部反射，无法进入， 体现了反射和损耗的矛盾。
二、短路器：
在微波测量系统中，常要求可以移动段路面以使入射的功 率全部被反射
• 提供尽量大的反射系数； • 可自由移动； • 可移动短路活塞：接触式：物理接触 非接触式：非物理接触，电接触； • 波导可移动短路器
b a
b 2 2 a ' 1 1 2 a 2 a '
微波技术-第6章常用微波元件
第六章 常用微波元件
§6.1
§6.2 §6.3 §6.4
一端口元件
二端口元件 三端口元件 四端口元件
§6.1 一端口元件
短路负载 一端口元件 匹配负载 单端口部件
一端口散射参量：
Z Z0 S11 Z Z0
1 ．短路负载
短路器，可调短路活塞。 Z L 0 要求： 1）保证接触处的损耗小， 1 ； 2）当活塞移动时，接触损耗变化小； 3）大功率时，活塞与波导壁间不应产生打火现象。 可用为调配器、纯电抗元件。 输入阻抗：
a. 单孔耦合器
单孔耦合器。为获得定向性，该单孔需用开在两个矩 形波导的公共宽壁上。 在制造和应用上都有缺点，较少采用。
b. 波导双孔定向耦合器
公共宽臂（或窄臂）上相距 g 0 / 4 的双孔耦合器。如图：
设电磁波由端口①输入，大部分波向端口②传输，一部分 波通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距 g 0 / 4 ，结 果在端口③方向的波相位同相而增强，在端口④方向则因 相位反相而相互抵消。
2 2
S12 S 22 1
2 2
1、连接元件
3、相移与衰减元件
2、匹配元件
4、波型变换元件
1.
连接元件
连接元件的作用是将作用不同的微波元件连接成完整的系统。
波导平法兰接头 特点：体积小，频带宽 加工方便， 接触表面光洁度较高
波导扼流法兰接头 特点：功率容量大， 频带较窄， 接触表面光洁度要求不高
4．波型变换元件
导行系统的主模不同，因此从一种模式过渡到另一模 式 的电磁波需使用波型变换元件。 设计的一般原则是抑制杂模的产生和阻抗匹配。 同轴—矩形波导过渡器 （要求在20%带宽内，
驻波比小于1.1）。
§6.1
§6.2 §6.3 §6.4
一端口元件
二端口元件 三端口元件 四端口元件
§6.1 一端口元件
短路负载 一端口元件 匹配负载 单端口部件
一端口散射参量：
Z Z0 S11 Z Z0
1 ．短路负载
短路器，可调短路活塞。 Z L 0 要求： 1）保证接触处的损耗小， 1 ； 2）当活塞移动时，接触损耗变化小； 3）大功率时，活塞与波导壁间不应产生打火现象。 可用为调配器、纯电抗元件。 输入阻抗：
a. 单孔耦合器
单孔耦合器。为获得定向性，该单孔需用开在两个矩 形波导的公共宽壁上。 在制造和应用上都有缺点，较少采用。
b. 波导双孔定向耦合器
公共宽臂（或窄臂）上相距 g 0 / 4 的双孔耦合器。如图：
设电磁波由端口①输入，大部分波向端口②传输，一部分 波通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距 g 0 / 4 ，结 果在端口③方向的波相位同相而增强，在端口④方向则因 相位反相而相互抵消。
2 2
S12 S 22 1
2 2
1、连接元件
3、相移与衰减元件
2、匹配元件
4、波型变换元件
1.
连接元件
连接元件的作用是将作用不同的微波元件连接成完整的系统。
波导平法兰接头 特点：体积小，频带宽 加工方便， 接触表面光洁度较高
波导扼流法兰接头 特点：功率容量大， 频带较窄， 接触表面光洁度要求不高
4．波型变换元件
导行系统的主模不同，因此从一种模式过渡到另一模 式 的电磁波需使用波型变换元件。 设计的一般原则是抑制杂模的产生和阻抗匹配。 同轴—矩形波导过渡器 （要求在20%带宽内，
驻波比小于1.1）。
微波有源器件
于1000mw。
甘氏二极管工作模式
13
② 限 制 空 间 电 荷 模 式 (Limited space-charge (LSA) mode)：
工作于限制空间电荷 模式，除 与器件本身特性有关外还与外 电路（谐振槽路）特性有关。 槽路中电磁振荡由甘氏管的脉 冲 电 流 激 励 的 。 N0L 必 须 是 1012/cm2 或 更 高 ， N0/F 必 须 在 2×105到2×104s/cm3之间。
谐振腔电路配合可获得的频率变化达倍频程。
甘氏二极管工作模式
12
甘氏二极管可工作于多种模式，部分取决于器件本身特性，部分取决于外电 路特性。下面主要介绍渡越时间模式与限制空间电荷模式。
①渡越时间模式（transit time (Gunn) mode）
渡越时间模式是非谐振模式，与器件长度及外加直流偏压有关。直流偏压要
当工作于非谐振渡越时间模式 （unresonant transit-time mode） 在1-18GHz频率范围内，输出 功 率 最 高 可 达 2W ， 多 数 为 几 百毫瓦。
当工作于谐振限制空间电荷模 式 （ resonant limited spacecharge (LSA) mode）工作频率 可 到 100GHz ， 脉 冲 工 作 、 占 孔系数10%时，脉冲功率输出 到几百瓦。
图2-11 甘氏二极管振荡器
PIN二极管—结构
15
PIN二极管（简称PIN管） 是微波控制电路中最重 要的一种微波控制器件。
PIN 管 与 一 般 的 PN 二 极 管（见图a）不同，在P 跟N型半导体材料之间 多了一个绝缘区，叫做 本征区。严格地说本征 区并非完全“绝缘”， 还有很少的载流子以支 持很小的电流，其结构 见图b。图c给出几种低 功率电平下的封装形式。
名师推荐微波元器件介绍共69页文档
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
名师推荐微波元器件介绍
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46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
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(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；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。故匹配双T的散射参量矩阵为
Y0 R2 R3 1 2 2 Z 0 Z 02 Z 03
如以输入电阻表示功率比，则
2 P2 Zin 3 R2 Z03 1 2 2 P3 Zin 2 Z02 R3 k
可解得
Z02 Z0 k 3 Z 0
1 k 2 k3
6-8 波导匹配双T
一、波导的T形接头
二、 普通双T和匹配双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
S11 S 12 [S ] S13 S14 S12 S11 S13 S14 S13 S13 S 33 0 S14 S14 0 S 44
微带三端口功分器原理图
功分器应满足下列条件： (1) 2端口与3端口的输出功率比可为任意指定值； (2) 1端口无反射； (3) 2端口与3端口的输出电压等幅、同相。
由于2端口、3端口的输出功率与输出电压的关系分别为
2 U2 P2 2 R2
2 U3 P3 2 R3
如由条件(1)要求输出功率比为
l
又由于短路器的反射系数为-1，即有的相位差。 当l=lg/4时，波由A点经短路器的反射回至A点所走过 的路程为2l= lg/2，由路程所提相位差为，加上短路反射 所得相位差，因此，当波回A点时与1端口的入射波为同 相，因此，3端口的输出为最小功率。 当l=lg/2时，波由A点经 短路器的反射回至A点所 走过的路程为2l= lg，由 路程所提相位差为2，加 上短路反射所得相位差， 因此，当波回A点时与1端 口的入射波为反相，因此， 3端口的输出为最大功率。 A
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)，就可以得到匹配的双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 ；
l
• 一波导匹配双T，其③端口为E臂，④端 口为H臂，若③端口输入功率为p，则① 端口输出功率为 ；若①端口理 想短路，②端口理想匹配，则④端口输 出功率为 。
6-9 微波滤波器
微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。
微波滤波器按作用分类，可划分为低通、高通、带通和带阻等四 种类型的滤波器，如下图所示。
为了描述滤波器的滤波特性，一般常用的是插入衰减随频 率变化的曲线。插入衰减的定义为
Pi L A 10log PL
式中Pi为滤波器所接信号源的最大输出功率，PL为滤波器的负 载吸收功率。 微波滤波器的主要技术指标有：工作频带的中心频率、带宽、 通带内允许的最大衰减、阻带内允许的最小衰减、阻带向通带过 渡时的陡度和通带内群时延的变化等。
0 0 1 1 0 0 1 [S ] 2 1 1 0 1 1 0
1 1 0 0
8-18 如图所示E-T分支，其臂2接短路活塞，请问
短路活塞与对称中心平面的距离l为多少时， 臂3的负载得到最大功率或最小功率？
解： 2端口输出的信号经 短路器全部反射回来。 当第二个端口的反射 信号与1端口的信号 同相时，3端口输出 的信号为差信号；如 果反射波与1端口的 信号反相时，3端口 输出为最大。
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。
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 接头和H-T 接头中 TE10 模的电场分布 分别如图所示。
下图是利用高低阻抗线 构成的微波滤波器的原理 性示意图及其等效电路。 适当选取每段传输线的长 度和它的特性阻抗，并按 一定顺序把它们级联在一 起，就构成了这种型式的 滤波器。
高低阻抗线的结构示意图及其等效电路
实际中应用的滤波器远不止上面讲的这些，例如，利用耦合 传输线之间的相互作用，利用谐振腔或许多谐振腔的级联等， 都可以构成微波滤波器。
P2 1 2 P3 k
则
2 2 U2 U3 2 k 2 R2 2 R3
2 按条件(3)，由上式可得 R2 k R3
若取
R2 kZ 0 ，则
R3 Z 0 k
由条件(2)，即1端口无反射，所以要求由Zin2与Zin3并联而成的总 输入阻抗等于 Z0。由于在中心频率 = /2，Zin2= Z022/R2 ，Zin3= Z032/R3为纯电阻，则
6-7 微带功分器
定向耦合器的结构较复杂，成本也较高，在单纯进行功率分配的情 况下，用得并不多，通常用功分器来完成。大功率微波功分器采用波导 或同轴线结构，中小功率则采用带状线或微带线结构。 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。两段传输线在中心频率时电 长度均为 = /2，它们之间没有 耦合。
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，此时对称面为电场的波腹 点；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，此时对称面为 电场的波节点。 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，此时，3端口对称面处 为电场波腹点；反之，当信号由1和2端口等幅反相输入时，3端口无输出，3端口对 称面处为电场波节点。
一、利用四分之一波长传输线并联电抗元件的滤波器
滤波器的结构是：在一特性 阻抗为Z0的传输线上，每隔 lp/4的距离就并接一个电抗性 元件(它的实际结构可以是短 路支线、膜片或螺钉)，设其 阻抗分别为Z1、Z2、Z3、Z4、 Z5和Z6，RL是滤波器所接的负 载。如图。
二、利用高低阻抗线构成的滤波器