微波工程基础(上)

>(c )TE11
H e z
衰减系数：
kc2 k 2
2

2 , 1 c c
2
c
0 s l e
e l 0
L(l ) L(0) 8.68 l (dB)
截止衰减器通常有20～30dB的起始衰减， 最大衰减量可达120dB～160dB。频带宽， 量程大，精度高是其优点。
5.1 引言
本章无源微波电路研究的内容：
一端口到六端口的各种微波器件与电路的工作原理与基本性能， 并导出它们的散射参量——利用传输线理论、导波理论和微波网络 理论分析。

微波铁氧体器件对不同方向传输的导波呈现不同的衰减特性和相 移特性，在于器件中的铁氧体材料在外加恒定磁场时呈现各向异性， 研究铁氧体非互易器件。
12.4-18.0 18.0-26.5 26.5-40 2cm 1.4cm 9.5mm
0.2 微波的基本特点
为什么微波波段的电磁波要专门研究？
1、波长短，易实现窄波束定向辐射
•传播特点：与物体尺寸可比拟，甚至小的多 ，因而微波具有直线传播、 反射、折射等的似光性。 •发射接收：效率高，特性好，天线的尺寸小。若雷达要精确定位， 须使电磁波定向辐射。例抛物面天线的主波束角：
3. 穿透性强
微波可传透电离层（卫星通信、射电天文）遥感、全天候雷达
0.3 微波的应用
•
• •
•
雷达：远程警戒雷达 、火控雷达；导航雷达、气象雷 达、汽车防撞雷达、遥感雷达。 通信：有线电视；微波中继、卫星通信；移动通信 大规模、高密度、高速数字集成电路的发展，芯片内 部和集成电路的互联线的互耦串音、电磁兼容研究属 于微波领域。 其他：微波加热（微波高频介质损耗）, 微波炉、微波 理疗仪等。
cos 2 0
5.6 模式抑制器
被抑制模式：
TE01模式抑制 器
1 0 s 0 1
通过模式：
0 s jkz l e
TM01模式抑制 器
e jkz l 0
对被抑制的模式，该结构破坏 其边界条件，对能通过的模式， 该结构顺应其边界条件。
1400 D为抛物面直径 D/ 0 10m D 280m 5 3cm D 0.84m
2. 频率高、信号容量大
为传输信息，通信系统必定占用一定的频带。纯单频谐波不携带任何信息。
信道品质因数：Q f / f 0
相同的Q值，微波波段的ƒ要大的多，传输的信息量大（信道 多）
5.7 波导的T形分支
一、波导T型分支结构
E－T接头的分支波导平面与主波导TE10 波的电场E平行。 H－T接头的分支波导平面与主波导TE10 波的电场H平行。 波导T型分支可用来将功率进行分配与合成
2. E－T分支的场结构图及性质
等效电路
(a) 1、2等幅反相输出 s13= -s23 ，功率均分（3dB) (b) 1、2等幅反相激励，3有输出，功率合成 (c) 1、2等幅同相激励，3无输出
5.3 波导接头与同轴接头——连接 元件
(1) 波导接头——TE10模的矩形波导
0 / 2
(a )
波导平接头
(b )
波导轭流接头
无机械接触但有良好的电接触，另外可用于大功率系统，但工作频带较窄。
(2) 同轴接头 要求：低驻波比，高频下没有高阶模工作、在连接－拆开反复操作之后 的高重复性以及机械强度。接头有插头和插座之分。这里介绍N型和 SMA型。
对衰减器的要求：
衰减量适当、可调节、并保证足够的精度。
5.5 衰减器
1. 吸收式矩形波导衰减器 (a)横向可调：吸收片移向波导中央时衰减量加大； (b)垂直可调：吸收片从波导宽壁中央深入到波导中时衰减量加大； 吸收式衰减器指标：起始衰减量，最大衰减量、衰减器的输入驻波 系数和工作频带。
2.截至式衰减器 圆波导处于截至状态：

微波谐振腔——金属矩形腔、圆柱腔、同轴腔、微带谐振腔和介 质谐振腔，同时介绍微波中的一种近似方法微扰法。

微波滤波器——按功率衰减的频率特性有低通、高通、带通和带 阻；按传输线类型有波导型、同轴线型和微带型。

5.2 匹配负载
匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件。在理想情况下
s11 0, 1
各 种 匹 配 负 载
(a)(b)波导型、(e)(f)同轴型、(g)微带型宽带匹配负载、 (c) 大功率匹配干负载、 (d)大功率匹配水负载。
5.2 匹配负载
(a) 图结构与原理
结构：吸收片由薄片状介质(如玻璃)上面敷一薄层金属电阻膜( 常用钽或者镍-铬合金)，根据匹配条件确定膜的厚度；
原理：吸收片在平行于其表面的微波电场作用下，吸收微波功率，吸 收片作成尖劈形为了得到良好的匹配。劈面长度是几倍波导波长，入 射波进入匹配负载时，使波通过尖劈时逐渐被吸收而衰减。 要求：较宽的工作频带，输入驻波比小，有一定的功率容量 小功率匹配负载在10％－15％的频带内作到驻波比小于1.01到 1.05的匹配程度。 大功率水负载的驻波比小于1.05到1.20，能承受的平均功率为数 百瓦到几十千瓦。
0.1 微波的范围
0.1.1 微波的定义 f=300MHz—300GHz c=f =1m—1mm的电磁波 （分米波，厘米波和毫米波）
0.1 微波的范围
0.1.2 微波波段的划分
波长
1-10m 1-0.1m 1-10cm 1-10mm
频率
30-300MHz 0.3-3GHz 3-30GHz 30-300GHz
射频收发机
Up-Mixer Tx ANT PA
Coupler
IF BPF Base Processor Unit (BPU)
IF AMP
RF BPF
PreAMP
Gain Controller
Power Splitter VCO IF BPF RF BPF LNA
IF AMP
Rx ANT
Down-Mixer
网络无耗： [ s]H [ s] [1]
s13 1 0 0 s13 0 1 0 0 0 0 1
s11* * s12 s13*
s12* s11* s13*
s13* s11 s13* s12 0 s13
代号
VHF UHF SHF EHF
名称
甚高频 特高频 超高频 极高频 微波 （超高频） 普通RF到MW的过渡
0.1-1mm
0.3-3THz
亚毫米波
MW到红外的过渡
有时用特定的字母来代表微波中的某一波段，这些字母代 号起源于早期雷达研究保密的需要
字母 频率 波段 字母 频率 波段 UHF 0.3-1.12 m Ku L 1.12-1.7 23cm K Ls 1.7-2.6 15cm Ka S 2.6-3.95 10cm U 40-60 6.2mm C 3.955.85 6.5cm E 60-90 4.2mm Xc 5.85-8.2 4.5cm F 90-140 2.7mm X 8.2-12.4 3cm G、R 140-325 1.5mm
s23 s13
设在端口3上将网络本身调好匹配：s33 0
s11 则： s s12 s13
s11* * s12 s13*
s12 s11 s13
s12* s11* s13*
s13 s13 0
s13* s11 s13* s12 0 s13 s12 s11 s13
s12 s11 s13
s13 1 0 0 s13 0 1 0 0 0 0 1
2 s 2 1 （第3行 第3列） 13 2 2 2 s s s 1 （第1行 第1列） 11 12 13 * * s11 s13 s12 s13 0 （第3行 第1列）
N型接头 发展于1942年，以贝尔实验室P.Neil命名，插座的外直径大约0.625in (1in＝2.54cm)，使用的频率上限范围为11－18GHz，取决于同轴线尺寸 大小，结构结实但体积较大。
(2) 同轴接头
SMA接头(SubMiniature version A ) 对较小较轻的接头需求，SMA接头发展于20世纪60年代，插座的直 径为0.25in，它可以应用频率高至18～25GHz的范围，是目前应用最 广泛的微波连接器，一般生产商会给出其性能指标。
5.1 引言
无论在哪个频段工作的电子设备, 都需要各种功能的元器 件, 既有如电容、电感、电阻、滤波器、分配器、谐振回路等 无源元器件, 以实现信号匹配、 衰减、隔离、分路、吸收、 反射、 滤波等; 又有晶体管等有源元器件, 以实现信号产生、 放大、调制、变频等。
微波系统由馈线、无源微波电路、有源微波电路以及天线 组成。各种无源、有源元器件的功能是对微波信号进行必要的 处理或变换, 它们是微波系统的重要组成部分，需要研究其功 能，结构和特性。对微波元件共同考虑的问题是：工作频带、 驻波系数、功率容量、体积和成本等。
2. H－T分支的场结构图及性质
等效电路
(a) 1、2等幅同相输出 s13= -s23 ，功率均分（3dB) (b) 1、2等幅同相激励，3有输出，功率合成
(c) 1、2等幅反相激励，3无输出
4. E-T分支的[s]
对称性:s11 s22
互易性:sij s ji
性质:3端口激励，1、2端口反相输出
0.5 本课程学习内容
第一章：电磁场概述（2学时） 第二章：传输线理论——路的角度（10学时） 第三章：导波与波导——场的角度（12学时） 第四章：微波网络——网络的角度（8学时） 第五章：无源微波电路（16学时）
第六章：有源微波电路
第七章：天线——波辐射问题
第八章：电波传播——波在开放空间传播问题 第九章：微波工程系统
5.4 短路器
接触式短路活塞，短 路面是电压波节点， 电流波腹点，弹簧片 长去1/4波导波长， 使接触点位于高频电 流的节点，以减小损 耗，且不易打火。
扼流活塞及其等效电主要用途： (1)改变和控制沿微波系统中传输的功率；(2)在微波信号源与微 波系统间插入衰减器可消除系统变化对信号源的影响，起去偶的 作用；(3) 精度高的衰减器，可作微波衰减测量的标准。
课程说明
教材：《微波工程基础》 李宗谦，佘 京兆，高葆薪，清华大学出版社。
参考书目
1. 2. 3.
4.
D.M.Pozar，张肇仪等译，微波工程，电子 工业出版社，2006. 范寿康等，微波技术与微波电路，机械工业 出版社，2005. 李绪益，微波技术与微波电路，华南理工大 学出版社，2007. 水启刚， 微波与光波导技术， 浙江大学出 版社，1993. 等等……
3.旋转极化式衰减器
模片I：固定极化作用 模片II：衰减作用
E1 E cos
模片III：衰减、固定极化作用
E1 cos E cos2 E1
衰减量：L 10lg Pi Po
E 10lg 40lg cos E1
2
0 s 2 cos
5.4 短路器
不吸收入射波的任何能量而使其产生全反射。实用的短路 器都作成可调的，称为可调短路活塞。 要求： (1)保证接触处损耗小，其反射系数的模值应接近于1； (2)当活塞移动时，接触损耗的变化要小； (3)大功率运用时，活塞与波导(同轴线内外壁)间不应发生打火现 象。
Zin Z e jZ e tan l Z e S11 e j ( 2 l ) Zin Ze jZ e tan l Z e
卫星通信地球站天线系统
极轨卫星跟踪接收天线
0.4 微波问题的分析方法
低频电路只研究电压、电流信号随时间的变化，认为信 号是同时建立的；系统用集中参数表征；可用基尔霍夫定律 分析。 微波系统研究电磁场随时间、空间的变化（相位滞后）； 系统用分布参数表征（能量分布在整个空间）；用Maxwell’s 方程+边界条件分析；用功率、频率、驻波参数作为微波测 量的基本量。若只关心微波系统的端口特性，也可用“路” 的方法描述（微波网络、测量或近似得到）。