微波技术课件第5章 微波元器件(有源无源 4次课)

微波谐振器-------简介
2a 圆波导 同轴线 2a 2b
在圆波导两端用导体短路可构 成微波圆柱谐振腔
在同轴线两端用抗流活塞或低通 滤波器短路可构成微波同轴谐振 腔
D = 4 mm， h = 3.5 mm f0 = 12 GHz，Ku 波段 D = 11 mm，h = 8 mm f0 = 4.2 GHz ，C 波段
小功率同轴线匹配负载 的 应 用 一、仪器、设备校准
匹配负载的应用
4
微波元器件的闲 置端口都必须配 置匹配负载。 右图为波导型定 向耦合器，其 4 端口配置了一个 小功率匹配负载。
3
1
2 4 1
微波元器件的闲置端 口都必须配置匹配负载。 右图为微带线型耦合 器，其 4 端口配置了一 个 50 欧姆的匹配负载。 尽管从理论上讲 4 端 口是没有输出的。
–
匹配元件
• 匹配负载的主要技术指标
– 功率容量
• 功率容量为数百毫瓦以下的匹配负载为小功率匹配 负载
– 工作带宽
• 相对带宽 > 10％ 的属于宽带匹配负载
– 带内驻波比
• 为1.05 ~ 1.20是比较好的匹配负载，相当于 99.998％ ~ 99.2％ 的入射功率被负载吸收
常用的匹配负载
抗流接头 真正短路
• 抗流法兰盘
转换接头（1）
• 转接元件-----将不同类 型传输线或元件连接
– 阻抗匹配 – 模式的变换
• 同轴线―波导转接器
– 内导体插入深度h – 偏心距d – 短路活塞位置l
19_15
转换接头（2）
• 波导―微带转接器
波导(Ze=400-500 Ω)
微带线(Z0=50 Ω) 中间加脊波导过渡段 实现阻抗匹配
转换接头（3）
同轴线―微带转接器
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中 心导带宽度
转换接头（4）
• 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
衰减器和移相器
• 二端口网络 • 衰减器
– 作用：对通过它的微波能量产生衰减
• 移相器
– 对电磁波只产生一定的相移的微波元件，是一个 无反射、无衰减的二端口网络 0 e j S j • 原理 0 e – 相移量
l 2 l p
改变相位的方法 改变 l 或改变 p
• 常用的移相器：介质移相器
阻抗调配器和阻抗变换器
• 在微波系统中经常会遇到反射问题
匹配元件
匹配元件
• 全匹配负载
– 作用------在传输系统中建立行波状态 – 要求
• 较宽的工作频带 • 输入驻波比小 • 一定的功率容量
匹配元件
• 匹配负载是由吸收材料和匹配段构成 • 根据吸收材料的几何形状
– 面吸收式：用于小功率微波系统 – 体吸收式：用于大功率微波系统
• 根据吸收材料的种类
– 固体：金属电阻膜，碳化硅，羟基铁 – 液体：水
• 测试实验表明，水负载的驻波比为 < 1.05 ~ 1.20，能承受数 百至几十千瓦的平均功率，是良好的微波匹配负载。
匹配元件
• 设计和评价微波匹配负载的基本原则
端口在尽量宽的频带内保持阻抗匹配，要求吸收材料的 边界缓慢过渡。 – 采用功率容量大的吸收材料，吸收材料尽量放置在强电 场区
第5章 微波元器件
微波元件分类 –传输线类型 波导型、同轴型、微带型 –功能 连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、 相移元件、功分元件、波型变换元件、滤波 元件等 –变换性质 互易元件、非互易元件和非线性元件等 分析方法-----网络-----等效电路
5.1 连接匹配元件
• 终端负载元件
– 短路负载 – 匹配负载 – 失陪负载
电容 串联谐振 电感，易击穿
2.定向耦合器
• 应用
– 监视功率、频率、频谱 – 功率分配、合成 – 混频器、测量电桥 – 测量反射波
• 分类
定向耦合器-----分类
按传输线类型
输出方向
波导
同轴线
带状线
微带线
同向耦合
反向耦合
输出相位
按耦合方式
单孔耦合
多孔耦合
连续耦合
平行线耦合
90度定向
180度定向
短路负载
• 可调短路器：短路活塞
– 分类：接触式和抗流式
• 接触式
– 短路活塞与传输线内 壁有良好的电接触并 能平滑移动 弹性材料-----铍青铜，磷青铜 接触过紧——活塞移动困难 接触过松——增加辐射损耗甚至造成接触点打火
短路活塞-----扼流式
优点： 损耗小 驻波比可以大于100
短路活塞-----扼流式
3.功率分配器
将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件
称为功率分配器。
等功率分配器和不等功率分配器
大功率往往采用同轴线，中小功率常采用微带线
功率分配器
(1) 两路微带功率分配器的平面结构如图 5 - 19
所示, 其中输入端口特性阻抗为Z0, 分成的两段微带线
电长度为λg/4, 特性阻抗分别是Z02和Z03, 终端分别接
短路负载
• 短路负载------短路器
– 作用----将电磁能量全部反射回去
• 产生驻波分布的元件
– 终端开路 – 终端短路 – 纯电抗元件
向外辐射能量，不能形成纯驻波 最容易实现 无损耗的纯电抗负载几乎没有
短路负载
• 短路器分类
– 固定短路器 – 可调短路器
• 固定短路器
– 将传输线完全短路 – 特点
率分配器性能, 又可增加隔离度。于是实际功率分配 器平面结构如图 5 - 20 所示, 其中Z04、Z05及 Rj 由 以下公式确定:
Z 04 R2 Z 0 Z 0 k
Z0 Z 05 R3 Z 0 k 1 k2 R j z0 k
图 5-20
实际功率分配器平面结构图
5.3 微波谐振器
有电阻R2和R3。功率分配器的基本要求如下:
图 5 – 19
两路微带功率分配器的平面结构
① 端口“①”无反射; ② 端口“②、 ③”输出电压相等且同相;
1 ③ 端口“②、 ③”输出功率比值为任意指定值, 设为 k2
根据以上三条有
1 1 1 Z in 2 Z in3 Z 0
2 1 U2 2 R 2
• 对于任何频率的电磁波，反射系数 都恒等于 1 • 短路面的位置不能移动
短路负载
• 可调短路器-----短路活塞
– 特点
• 在特定的微波频率范围内，反射系数 约等于 1 • 短路面的位置可以移动
– 设计短路活塞的基本原则
• • • • • 尽可能多地反射微波功率 辐射损耗，吸收损耗都应尽量小 工作频带尽量宽 电接触良好，移动平滑，磨损小 传输大功率时保证接触处不发生打火现象
1 U 32 1 2 R k2 3
U 2 U3
由传输线理论有
Z in 2
z R2
2 02
ห้องสมุดไป่ตู้
Z in3
z R3
2 03
Z 02 Z k (1 k )
2
Z 03 Z 0 (1 k 2 ) / k 3
Z0 R3 k
实际， 在“②、③”端跨接电阻Rj, 既不影响功
按耦合强弱
强耦合
中等耦合
弱耦合
（a）微带分支定向耦合器
（b）波导单孔定向耦合器
（d）波导匹配双T （f） 微带混合环
（c）平行耦合线定向耦合器 （e）波导多孔定向耦合器
4 端口 隔离端口
3端口 耦合端口
1 端口 输入端口
2端口 直通端口
• 定向耦合器的技术指标
– 耦合度C
• 输入端口的输入功率 P1 和耦合端口的输出功率 P3之 比的分贝数 P
可逆四端口网络
U 2 i1 C 10 lg 2 2 S13U i1 2
C 10lg
1
P3
(dB)
20 lg 1 (dB) S13
耦合度越大 耦合越弱
• 定向性D
– 耦合端口和隔离端口的输出功率之比的分贝数 来表示定向耦合器的定向传输性能，称为定向 性D
– 作用：对通过它的微波信号产生一定的相移， 但能量无衰减
衰减器
• 分类
– 按是否可调分
• 固定衰减器 • 可变衰减器
– 按工作原理分
• 吸收衰减器 • 截止衰减器 • 极化衰减器
0 [ S a ] l e
e
l
0
• 吸收式衰减器
– 工作原理
• 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
– 满足定向耦合器指标要求的频率范围
• 双分支定向耦合器
–①和③端口反向，反向定向耦合器 – ②和③端口的输出信号相位差90°,故又称为90°反向定 向耦合器
①输入, A→B→C A→D→C，路程相同 C点相加,③有输出 ①输入，A→D A→B→C→D 两路路程差为λp0/2 相位差为π,④口无输出
缺点： 频带较窄, 一般只有10%~15%
的带宽
同轴S型扼流短路活塞，它具 有宽带特性。
• 可调短路器-----短路活塞
– 优点
• 无机械接触，无磨损 • 电性能稳定 • 交流短路，直流开路，可以通过它来为微波腔体内 的有源器件提供直流偏置
– 缺点
• 工作频带窄 • 机械加工难度较大，不适于在微波高频段使用
S31 S31 P3 D 10lg 10lg 20lg (dB) 2 P4 S41 S41
– D愈大,隔离端口输出愈小,定向性愈好
2
• 输入驻波比ρ
– 将定向耦合器除输入端口外,其余各端口均接上 匹配负载时,输入端的驻波比即为定向耦合器的 输入驻波比。

• 工作频带宽度
1 S11 1 S11
• 分类
– 传输线型谐振器----两端被开路或短路的传输线
• • • • • • 矩形谐振器 圆柱谐振器 同轴谐振器 带状线谐振器 微带谐振器 开放式谐振腔
导体板的尺度 远大于微波波长
r
r
– 非传输线型谐振器----特殊形状谐振器
• 速调管 • 磁控管 • 行波管
微波源
• LC谐振回路在高频的局限性
• 微波连接元件
– 波导接头 – 衰减器、移相器、转换接头
• 匹配元件
– 螺钉调配器 – 多阶梯阻抗变换器 – 渐变型阻抗变换器
• 终接元件----传输线终端所接的元件
– 单端口网络 – 匹配负载
• 将所有的电磁能量全部吸收而无反射 ρ=1,Γ=0
– 短路器
• 将所有的电磁能量全部反射 ρ=∞,Γ=1
微波连接元件
• 连接元件
– 接头：把相同传输线连接在一起的装置 – 转接元件：把不同类型传输线连接在一起的装置
• 接头
– 连接点接触可靠; – 输入驻波比尽可能小 <1.2; – 工作频带要宽; – 无泄漏 – 结构要牢靠，装拆方便，容易加工等
常用射频/微波接头
波导接头
• 接头（法兰盘）
平接头 机械加工要求高
– 谐振频率
• LC谐振回路：唯一谐振频率 f0 • 微波谐振器：无限多个谐振频率 f0
– 品质因数
• 微波谐振器集中较多的能量，损耗较小，因此它的 品质因数远大于LC集中参数回路的品质因数
一、微波谐振器的基本参量
• 三个基本参量
– 谐振频率f0 (或谐振波长0 ) – 品质因数Q0 – 等效电导G0
• 截止式衰减器的工作原理
– 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
A A0 10lg e2l A0 8.68l

2
c
移相器
• 移相器
• 微波谐振器
– 微波系统中常用的重要元件 – 具有储能与选频特性的微波元件 – 应用
• 微波信号源、微波滤波器及波长计、 速调管、磁控 管等微波电子管的重要组成部分 • 微波加热器--------微波炉
– 构成
• 由一段两端短路或两端开路的传输线段组成 • 低损耗介质块
图 5 – 25 各种微波谐振器
– 频率升高，损耗急剧增加，品质因数大大降低，选频特 性变差； – 频率升高，电感器和电容器制作困难
1 f0 2π LC
图 5 – 26
微波谐振器的演化过程
• 与LC谐振回路的相似之处
• 与LC谐振回路的区别
– 能量分布
• LC 谐振回路：电场能量 C ，磁场能量 L 微波谐振器： 电场能量和磁场能量是空间分布的
– – – –
– – – –
负载阻抗与传输线的特性阻抗不相等 相同类型而不同特性阻抗的传输线相连接 不同类型的传输线相连接 传输线中接入一些必要的器件
• 反射波的影响
消除反射波
使负载得不到最大功率 功率容量和效率都会降低 在大功率时还会出现打火现象 在微波测量系统中又会影响测量精度
螺钉
λp d< 4 λp d= 4 λp d> 4