微波元器件与集成电路

主要内容：微波无源元器件微波有源元器件微波集成电路简介第九章微波元器件与集成电路微波元器件无源元器件有源元器件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……微波振荡器微波放大器微波混频器微波倍频器微波控制器件……（重点）（了解）8.1电抗元件3、若传输线中的不均匀区域具有电容或电感的性质，可以等效为电感或电容，即电抗元件。4、原理：在传输线的不均匀区域附近，电磁场比较复杂，可以分解为主模和多个高次模式的叠加，其中主模可以传输，而高次模截止，只能分布在不均匀区附近。因此不均匀区附近储存了高次模式的电磁场能量。若储存的主要是电场能量，则不均匀区域相当于一个储存电能的电容；若储存的主要是磁场能量，则不均匀区域相当于一个储存磁能的电感。一、基本概念2、传输线中的不均匀区域：传输线中结构、尺寸、参数发生突变的区域。1、终端短路或开路的传输线电抗元件等效传输线中的不均匀区域电抗元件等效二、常见电抗元件三、矩形波导中的金属膜片1、容性膜片：bdbYBgc2cscln4侧视横截面dabdjBY膜片附近电场较集中，储存了电能，相当于电容。bdbYBgc2cscln8jBY2、感性膜片：adbd膜片附近磁场较集中，储存了磁能，相当于电感。俯视横截面adaYBgc2ctg2jBY3、谐振窗：ab2212bbbabaar谐振波长：•谐振时，并联回路的电抗无穷大（相当于开路），无反射；•失谐时，并联回路的电抗为容性或感性，反射较大；•作用：一个谐振窗相当于带通滤波器，谐振的频率就是可通过的频率。b’a’四、矩形波导中的金属销钉1、容性销钉：2、感性销钉：jBY2rjBY2cos2lnsec22araaaYBgc2、电纳可调螺钉：为防止出现串联谐振和击穿现象，销钉一般旋进深度较小，工作于容性状态。销钉越粗，电容值越大。ddλg/4dλg/4d≈λg/4串联谐振＝短路带阻滤波器四支节负载匹配装置一个可调销钉相当于一个并联电抗支节五、传输线中的阶梯1、矩形波导E面阶梯：E面：与电场矢量平行的平面2、矩形波导H面阶梯：H面：与磁场矢量平行的平面3、同轴线中的阶梯六、微带电路中的电容、电感1、串联电容：交指电容电容值较大叠层电容电容值更大间隙电容电容值较小2、串联电感：l一段无耗短传输线cZ•一段Zc大的短传输线可等效为串联电感；一段Zc小的短传输线可等效为并联电容。若Zc大，则L大，C小可忽略若Zc小，则C大，L小可忽略•当介质基片厚度一定时，微带宽度W↘，则Zc↗；•预备知识：CpcvlZL22pcvlYCL/2等效L/2•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cZcZccZZcZ•用高阻抗微带短线实现串联电感高阻抗段cZcZ环形电感圆形螺旋电感方形螺旋电感•为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数：3、串联在传输线上的谐振回路：LCCLl4、并联电容、电感：cZcZcZccZZ•用低阻抗线实现并联电容：低阻抗段•用并联的终端开路支节实现并联电容或并联电感；5、并联在传输线上的谐振回路：•在传输线上并联一个或多个支节，这些支节等效于串联或并联谐振回路。6、微带线中的串联电阻：R高阻金属薄膜，吸收电磁能量9.2微波滤波器一、低频滤波器设计•将所需其他滤波器的衰减特性通过频率变换，得到对应的低通滤波器衰减特性；•设计该对应的低通滤波器的电路结构和元件值；•应用频率变换，得到所需滤波器的电路结构和元件值。（衰减）（频率）•低通滤波器的设计已非常成熟；•低通滤波器：最平坦式、切比雪夫式、椭圆函数式二、微波滤波器设计先按低频滤波器的常规设计方法，设计出低频集总元件滤波器，得到其电路结构和每一个元件值；然后，用微波频段的元件代替已设计电路中的集总元件，该过程称为集总参数电路的微波实现。如，波导中，电感、电容就可以用波导膜片、销钉来实现，微带电路中也可用微带间隙、分支等来实现电感、电容。三、微带滤波器•集总元件电路1、低通滤波器1•微带电路实现方案LLC（电感）（交指电容）C1C3C5L2L4L6•高阻抗短线（窄线）相当于串联电感•低阻抗短线（宽线）相当于并联电容•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。C1C3C5L2L4L6cZcZ•微带电路实现方案2、低通滤波器2•集总元件电路C2C4L1L3•椭圆函数式低通滤波器L2L4L5C63、低通滤波器3•微带电路实现方案4、带通滤波器输入输出两端开路的微带段，长度均为λg/2•微带段两端开路，波导波长等于λg的电磁波才可以在微带段上谐振并持续存在；•微带段与微带段之间有能量耦合；•输入信号中，只有谐振频率及其附近频率的信号才可以一级一级耦合到输出口，故为带通滤波器。平行耦合微带型带通滤波器某实际微带电路中的耦合带通滤波器屏蔽盒中的微带带通滤波器将微带段折弯，以减小体积2g平行耦合微带型带通滤波器的变形同轴线输入同轴线输出5、带阻滤波器λg1/4终端开路输入输出对于波导波长等于λg1、λg2、λg3的电磁波而言，并联的终端开路四分之一支节实现了对地短路的功能，这些频率的信号不能通过，故为带阻滤波器。λg2/4λg3/4带阻滤波器实例四、同轴线滤波器C2C4L1L3L5用高、低阻抗同轴线实现低通滤波器•低通滤波器•同轴线实现方案：abZcln2a：内导体半径b：外导体内半径•高阻抗短线（内导体细）相当于串联电感•低阻抗短线（内导体粗）相当于并联电容C2C4L1L3L5•销钉型四、波导滤波器•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•片式吸收体•体积式吸收体散热片•大功率匹配干负载出•大功率匹配水负载水入吸波材料2、同轴线式匹配负载•同轴匹配干负载3、微带线式匹配负载介质薄膜电阻导体带•渐变式4g开路•匹配阻抗式•半圆式二、短路器：•波导可移动短路器•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：物理接触非接触式：非物理接触，电接触；三、辐射终端•能量尽量辐射出去，尽量减小终端反射；•波导喇叭天线E面喇叭H面喇叭金字塔形喇叭圆形喇叭喇叭天线抛物面天线的喇叭馈源波导喇叭9.4接头(flange)•抗流式波导接头•作用：连接各段传输线。•要求：电接触可靠，引起的反射尽量小，电磁能量不会外漏。9.5衰减器和移相器一、衰减器：•同轴线衰减器•可调波导衰减器吸波材料片•作用：根据需要，减小所传输信号的幅度。•原理：用吸波材料吸收一定的电磁能量来实现衰减。4g二、移相器：•原理：电磁波在不同介质中具有不同的相移常数。因此改变电磁波经过的介质就可以改变其相移量。•作用：可以人为地改变传输电磁波的相位。•矩形波导TE10模式的相移常数2222akkc•经过距离l的相移量22all•相移量与媒质参数密切相关低损耗介质片l功率分配网络~02)1(N天线阵元移相器馈源•应用举例：用于相控阵天线中，要求每个天线阵元辐射相位不同的电磁波。移相器的相移量相控阵天线9.6分支元件•作用：把一路电磁能量分为两路或多路；或者，将多路电磁能量相加或相减。＋－1、波导E-T分支（三端口元件）213213串联支路等效•等效电路•在3臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调节串联支路的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为电抗元件使用。jX12等效•能量分配功能213•3臂自身有反射，但若在该臂加入匹配装置，可使3臂的入射能量全部从1、2臂平分输出；•3臂输入时，从1、2臂等幅、反相输出；1臂输入时，从2、3臂输出；1231232臂输入时，从1、3臂输出；•求差信号的功能123•两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相同，则3臂输出两信号之差，称为差信号。信号1－信号2信号1信号2•若两输入信号等幅，则3臂无输出；T•求和信号的功能123•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臂输出两信号之和，称为和信号。信号1＋信号2信号1信号2T2、波导H-T分支（三端口元件）213等效并联支路•等效电路123•在3臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调节并联支路的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为电抗元件使用。21等效jX•能量分配功能123•3臂自身有反射，但若在该分支波导加入匹配装置，可使3臂的入射能量全部从1、2臂平分输出；•3臂输入时，从1、2臂等幅、同相输出；1臂输入时，从2、3臂输出；2臂输入时，从1、3臂输出；123123•求和信号的功能123信号1信号2信号1＋信号2•两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相同，则3臂输出两信号之和，称为和信号。T•求差信号的功能123信号1信号2信号1－信号2•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。•若此时两信号等幅，则3臂无输出；T3、波导双-T分支（四端口元件）123（E）4（H）•主要特性：1、2同相输入：3输出差信号，4输出和信号；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；3、4相互隔离（相互不可传送信号）132“3臂、4臂隔离”的原因：T3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臂输入，4臂无输出132T4臂输入，3臂无输出4、波导魔T（四端口元件）123（E）4（H）调匹配的装置•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；•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；•1、2均有输入：3输出差信号，4输出和信号；•3、4臂相互隔离；1、2臂相互隔离；•在微波设备、雷达中应用广泛。二、微带分支：•Y形分支•T形分支微带天线阵微带天线阵元微带线功分器实例一分二一分三主要特性：•3臂输入：1、2等幅、反相输出，4臂无输出；•4臂输入：1、2等幅、同相输出，3臂无输出；•1、2臂均有输入：3臂输出差信号，4臂输出和信号；•3、4臂相互隔离；1、2臂相互隔离；•微带环形电桥（微带魔T）1243微带环形电桥实例•波导环形电桥9.7定向耦合器3214•同向耦合输入端口隔离端口耦合端口直通端口3214•反向耦合直通端口耦合端口输入端口隔离端口•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。一、波导定向耦合器4g•双孔定向耦合器（窄频带）321414323214123N•多孔定向耦合器（频带较宽）•单孔定向耦合器•理想状态下，隔离端口应当没有输出，但实际上仍有一定输出，因此应在隔离端口接匹配负载，吸收这一部分功率。吸波材料•定向耦合器实例二、微带定向耦合器•平行耦合线定向耦合器距离较近的微带线之间都有能量耦合。锯齿形定向耦合器提高定向性主线副线锯齿形定向耦合器实例•微带双分支定向耦合器32144g4gABCD•1输入，2、3输出，相位差90度；•4为隔离端口，无输出；微带双分支定向耦合器实例•相当于低频中的谐振回路，具有储能、选频、稳频的功能；•用途：微波源、滤波器、选频器等等；9.8微波谐振器一、基本概念：•等效电路存在电导，意味着谐振时有能量损耗。•特点：理论上说，有无穷多个谐振频率（多