微波无源器件原理

1、矩形和圆柱形波导谐振腔

谐振腔也可用一段闭合的波导段来组成，因为波导也是一种传输线。由于波导的开路端有辐射损耗，因而通常采用两端短路的波导谐振腔，即形成一个封闭的空腔（盒子），电能和磁能储藏在腔内部。腔内金属壁及填充空腔的介质一般有功率损耗。可以通过小孔、小控针或小环实现与谐振腔的耦合。

腔体滤波器就是采用几个谐振腔通过不同大小的耦合窗串联而成。双工器则是由两个不同频段的滤波器通过内部阻抗匹配连接而成的。

2、滤波器基本参数

滤波器是无线电技术中许多设计环节的中心，它具有选频功能，抑制不需要的频率信号，选取被淹没的信号。主要有集总、微带、腔体、介质、悬置微带等各种形式的滤波器，目前由于微波频段的信号越来越密集，对信号选取工作的要求越来越高。在微波毫米波电路中，滤波器是用途极其广泛的一种微波无件，其主要性能有：通带插入损耗，通带纹波，带外抑制及通带驻波比等参数。

参数说明：

中心频率：给定相对最小插入损耗值（比如：-3dB）的对应两个截止频率的几何平均值。

带宽：给定相对最小插入损耗值的两个截止频率的间隔，即指从上限频率f2到下限频率f1的差值。常用1dB带宽和3dB带宽表示。（BW=f2-f1）相对带宽：带宽与中心频率的百分比值，即RBW=BW/f0*100%。

频率范围：给定相对最小插损值的两个截止频率范围，即指从下限频率f1到上限频率f2的频率范围，频率范围应包含的起始频率植f1和终止频率f2。

工作频率范围：需要滿足驻波、损耗、相位和损耗波动的频率范围。工作频率范围应小于频率范围。驻波、插入损耗和通带纹波在此范围才有意义。

插入损耗（或通带衰减）：即有用信号通过能力，由滤波器残存的反射及滤波器元件的损耗所引起，也受限于传输媒质的固有Q值，一般希望尽可能小。

通带纹波：即通带内信号幅度的起伏程度，通常规定起伏的最大值和最小值之差。带外抑制（或阻带衰减）：即对不需要信号的抑制能力，一般希望尽可能大，并在通带范围外陡峭的下降。通常取通带外与带宽为一定比值的某一频率的衰减值作为此项指标。

矩形系数：指规定频率带宽与给定相对插入损耗的通带带宽的比值。（fb-fa）/（f2-f1）矩形系数常用规定相对插入损耗为40dB或60dB，而通带带宽规定为

3dB带宽，必须有规定的说明，如：60dB/3dB矩形系数为N。

寄生通带：为滤波器特有的指标，由于分布参数具有频率相关的周期性，使得在设计通带一定距离处又产生了通带（各通带中心频率之间呈整倍数关系），即寄生通带，一般来说，寄生通带所产生的响应与主通带的相差甚远，无需特别考虑，但如果需抑制的频率正好落在寄生通带内，则需要特别考虑。

通带端口匹配：描述了器件端口的阻抗相对于特性阻抗的不匹配和度，电压驻波比和回波损耗所描述的技术内容相同，在技术指标中不可重复出现。除特殊说明，对滤波器的工作频率范围之外不定义端口驻波比。

电压驻波比（VSWR）：在给定端接负载下，由于端口反射所形成的驻波的峰值和谷值的电压比值；

回波损耗：在给定端接负载下，由于端口音反射的功率与输入功率的比值；回波损耗的单位为dB。

插入相移：信号通过滤波器所引起的相位滞后量。

群时延：滤波器的插入相移随频率的变化率，只有当群时延为常备数时，信号通过滤波器后，才不会产生相位失真。

功分器的内部结构、工作原理及应用：

功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器，一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。

功分器通常备为能量的等值分配，通过阻抗变换线的级联与隔离电阻的选择，具有很宽的频带特性。

参数说明：

插入损耗：器件直通损耗，其计算公式为所有的路数的输出功率之和与输入功率的比值，或单路的实际直通损耗减去理想的分配损耗，一般理想分配损耗由下式获得：理想分配损耗（dB）=10log（1/N）

N为功分器路数

N=3 3.0dB

N=3 4.8dB

N=4 6.0dB

N=8 9.0dB

N=16 12.0dB

隔离度：当主路接匹配负载时，各分配支路之间的衰减量。

幅度平衡：指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值。

相位平衡：指频带内各输出端口之间相对于输入端口相移量的起伏程度。

定向耦合器内部结构、工作原理及应用：

定向耦合器常用于对规定流向波信号进行取样，在无内负载时，定向耦合器往往是一四端口网络。

定向耦合器常有两种方法实现，一为耦合定向耦合器，其耦合区长度为四分之一波长的整数倍，其直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻，输出相位差往往是90度或180度。

参数说明：

耦合度：当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功率与主线输入功率之比。

耦合损耗：由于耦合能量的存在而导致输出功率的减小，它等于主线插入损耗的理论值，主线插入损耗的最小理论值与耦合度的关系如下：

耦合度主线理论损耗

3dB 3.0dB

6dB 1.26dB

10dB 0.46dB

15dB 0.14dB

20dB 0.04dB

30dB 0.004dB

主线损耗：当匹配负载接主线外各端口时，在传输系统中由于耦合器的插入而引起的负载获得功率的变化，主线插入损耗包括耦合损耗和端口反射损耗。

方向性：当功率在指定方向上传输时，耦合端口的输出功率与同样的功率在相反方向传输时同一耦合端口的输出功率之差，对双向定向耦合器而言，定义为两个耦合端输出功率之差。

双向定向耦合器：也叫做四端口耦合器，即没有内部负载的耦合器，它允许对主线上双向传输信号能量进行取样。