射频电路与天线9_基本元件

同轴线缝隙
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同轴线膜片
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9.4 微带不连续性
短路活塞
短路活塞实质上就是长度可调整的短路线段。
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为了实现良好的短路特性，短路活塞应该与 波导壁保持紧密接触。 但紧密接触会造成滑动困难。所以简单的短 路活塞难以在电气性能与机械性能同时得到 理想的特性。
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E-T接头
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H-T接头
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波导T 形接头是一种常用的元件，主要用 作分支接头，起着功率分配或合成作用。 矩形波导T形接头有E面T 形接头和H面T 形接头两种结构形式。 根据奇偶模两种激励情况下场的传输特 性，可以发现，E-T接头相当于一个串联 分支， H-T接头相当于一个并联分支。
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波导阶梯
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波导阶梯是两种不同截面尺寸的波导相连 接时所形成的不连续性。对于矩形波导最 常见的阶梯是E面阶梯和H面阶梯。 E面阶梯沿电场方向（y方向）构成阶梯， 类似于电容膜片，沿纵向可以近似看作电 容膜片的一半，故在连接处可以等效为一 个并联电容。 H面阶梯沿磁场方向（x方向）构成阶梯， 类似于电感膜片，沿纵向可以近似看作电 感膜片的一半，故在连接处可以等效为一 个并联电感。
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应当注意，上述分析是近似的，忽略了谐振 窗的边缘效应以及膜片非常薄的影响，因 此，只能用于谐振窗的初步设计。 在微波系统中，为了使某些电真空器件与波 导相耦合，或者将波导冲气或密封，并保证 不影响微波功率的传输，广泛采用谐振窗。 谐振窗也常用作波导滤波器的谐振元件。
9.1 引言
在射频电路中，除了传输线以外，根据电路
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的设计或实际电路实现的需要，总是要引入 各种不连续性。 有些不连续性是我们所不需要的，例如传输 线的弯曲、不同传输线的连接等。 有些不连续性是作为实现某种功能的电路元 件，人为引入的，是电路设计所必须的，例 如电抗元件等。 无论怎样，为了精确设计电路，必须给出这 些不连续性的分析模型—等效电路。
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电感膜片
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B
g
a
cot (
2
a'
2a
)
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2
匹配条件 于是
10 Z cTE10 Z cTE
2 2 4 a 2 2 4a 2 b －双曲线方程 b2
在固定波长的情况下，满足这个关系式的谐 振窗尺寸有很多组值 。
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谐振窗
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2
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对于空气填充的矩形波导，设波导中只传输 TE10模。主波导的特性阻抗和谐振窗波导的 特性阻抗分别为
Z cTE 10 b a

1 2a
2
10 Z cTE
b a

1 2 a
射频电路与天线
RF Circuits and Antennas
第9讲 射频电路元件
— 不连续性的等效电路
褚庆昕
华南理工大学电子与信息学院 射频与无线技术研究所 TEL: 22236201-601 Email:qxchu@scut.edu.cn
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调节螺钉
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第9讲内容
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引言 波导元件 同轴元件 微带元件 集总元件 高低阻抗线 倒置变换器
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P152-162 P186-187
9.3 同轴元件
同轴线的主模是TEM模，采用波导不连续性
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的分析方法，可以得到同轴线不连续性的等 效电路。
同轴线阶梯
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模式分析
模式展开理论告诉我们，膜片处的场可以 展开为矩形波导所有TE和TM模的组合。 当入射波TE10模遇到膜片后，一部分入射 波被反射，另一部分穿透膜片进入另一段 波导，同时在膜片上产生了许多高次模。 这些高次模的场同TE10模的场叠加满足膜 片的边界条件。 高次模在满足单模传输条件的矩形波导中 是截止的，所以，离开膜片不远就会很快 衰减掉，于是在膜片附近形成了一个电磁 储能区。
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微带开路 因为在微带中心导带突然终断处，导带末端将 出现剩余电荷，引起边缘电场效应，所以，微 带开路端并不是理想开路，而是存在缩短电容 效应。
4 A 2W e 2 l arcctg ctg A e 2 A 2W
谐振窗可以理解为电感膜片和电容膜片的组 合，因此，可以等效为一并联谐振回路。 显然，当它的电场储能和磁场储能相等时发 生谐振，并联导纳为零，这时反射最小。 根据波导理论，可以把谐振窗看成在主波导 中级联一小段横截面为 a b 的缩小尺寸波 导，只要它们相匹配，就不会有反射。
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在矩形波导中央插入螺钉时，该处场受扰 动和发生变化。当插入深度小于/4时，一 方面增强电场，另一方面，宽面纵电流流 入螺钉产生磁场，但前者占优势，所以并 联电纳呈容性 随着螺钉旋入深度的增加，电感量和电容 量都增加，约/4 时，容抗和感抗相等，形 成串联谐振， 当深度进一步增加，感抗大于容抗，形成 电感。
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E面阶梯
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H面阶梯
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波导T形接头
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分析方法与对电容膜片的分析方法相同。 只是电感膜片只在x方向上不连续，在y方 向上是连续的。 当传输TE10模时，电感膜片处只有磁力线 变形、压缩，因此，磁场能量相对集中。 或者说，在膜片上产生的高次模只有TE模 且沿y方向不变化，因而，高次模为TEm0 模，而TEm0模中磁场储能大于电场储能。 因此，电感膜片处，磁场能量占优势，故 等效为并联电感。
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由于电容膜片的不连续性只在y方向，而 TE10模在y方向只有电场分量，所以产生的 高次模只有TM模，而没有TE模。 截止的TM模中，电场能量占优势。 因此，如果电容膜片极薄且无损耗的话， 就可以等效为一个并联电容。 电容膜片的口径附近电场比较集中，容易 发生击穿，所以功率容量低。而且电容膜 片不易得到较大的等效电纳，所以在实际 应用中很少采用。
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因此，一般多采用扼流结构的短路活塞。 活塞在机械上与波导壁并不接触，但在电 气性能上却保持了良好的短路特性。 扼流槽尺寸因为与工作波长有关，所以带 宽受到限制。
/4
R
/4
Z in 0
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9.2 波导元件
电容膜片
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T 电力线 x y z y b a T z

b’
T x Y0
T jB Y0

b B Y0 ln csc g 2 b
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低频电路基本元件：电感，电容，电阻以及
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理想变压器。 低频元件都是集总元件，元件参数与频率几 乎无关。但在射频电路中，元件成为分布参 数元件，参数是频率的函数。 射频元件的基本结构一般都是利用传输线中 的不连续性实现的。 按传输线结构划分，基本元件通常分为波导 元件、同轴元件、带状线元件、微带元件、 共面波导元件和集总元件等 。
4b
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力线分析
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当矩形波导中传输的主模TE10 模遇到电容 膜片时，由于它的场分量不满足膜片的边 界条件，所以必然产生出新的场分量，或 者说感应出新的场分布。 电容膜片只在y方向引入不连续性，而x方 向是连续的。而TE10模只有Ey、Hx 和Hz分 量，所以在电容膜片处只有电力线发生弯 曲、压缩，而磁力线形状不变。 于是，在电容膜片处，电场能量相对集 中，可以等效为一个并联电容。