微波技术与天线3

第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:531微波元件的功能：通过对导波结构的边界形状、填充介质等的控制，改变的电磁波的模式、极化方向等，实现对微波信号的幅度、相位的各种变换。一、线性互易元件元件中无非线性和非互易性物质，包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。第四章微波元件与微波网络理论按变换性质可将微波元件分为：第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:532三、非线性元件元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换，从而引起频率的改变。包括：检波器、混频器、变频器以及电磁快控元件等。波导型同轴型微带型微波元件按结构形式微波元件分类：二、线性非互易元件元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质包括：隔离器、环行器等。第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5334.1连接元件和终端负载4.1.1波导接头对接头的基本要求是：1）连接点接触可靠，不引起电磁的反射；2）输入驻波比尽可能小，一般在1.2以下；3）工作频带要宽；4）电磁能量无泄漏；5）结构牢固，装拆方便，易于加工等。一、扼流法兰盘短路面5:短路面34:开路面12:短路面第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:534工作原理：扼流槽可看作长为λ/2的终端短路线，在输入口处输入阻抗为0，此时电磁信号可以无损耗地通过连接端口，而不会受到连接口处缝隙的影响。优点：对加工精度和装配精度要求较低；缺点：工作频带窄二、平法兰盘优点：工作频带宽缺点：对加工和装配精度要求高第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5354.1.2同轴线波导转换器同轴线波导作用：将TEM波转换为TE10工作原理：1、通过调整探针插入深度h，使在波导内激励场最大；2、通过调整插入位置d，使波导内反射、传输波同相；3、利用波导高通特性过滤调所激励的高次模。第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5364.1.3同轴线微带转换器工作原理：同轴线中心导体电流在微带线上激励场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宽度。第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5374.1.4波导微带转换器工作原理：在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段，使微带线与波导间结构渐变，减小不连续性带来的反射，实现阻抗匹配第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5384.1.5矩形波导圆波导转换器工作原理：通过矩形截面向圆口径渐变，实现矩形波导——圆波导转换。由于结构渐变，引起的反射极小。第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5394.2波导分支接头4.2.1E-T分支接头一、结构主波导E臂分支(1)当信号从3端口输入时，则1和2端口有等幅反相输出；(2)当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口无输出；(3)当信号由1和2端口等幅反相输入时，3端口输出最大。二、工作特性第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:53104.2.2E-T分支接头一、结构主波导E臂分支(1)当信号从3端口输入时，则1和2端口有等幅同相输出；(2)当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口输出最大；(3)当信号由1和2端口等幅反相输入时，3端口无输出。二、工作特性第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:531112344.2.3双T分支（匹配双T）将具有共同对称面的E-T接头和H-T接头组合起来，即构成普通双T接头一、结构二、工作特性(1)当信号从3端口输入时，则1和2端口有等幅反相输出，而4端口无输出（隔离）；(2)当信号从4端口输入时，则1和2端口有等幅同相输出，而3端口无输出（隔离）；第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:53121234(3)当信号由1和2端口等幅同相输入时，3端口无输出，4端口输出最大；(4)当信号由1和2端口等幅反相输入时，3端口输出最大，4端口无输出。匹配双T特性：对口隔离，邻口3dB耦合，4个端口完全匹配匹配双T可用作3dB功分器或功率合成器。第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:53134.3波导中的阻抗元件电阻元件包括匹配负载和衰减器等（吸收能量）；电抗元件包括电感元件和电容元件。电感器：能够集中磁场和存储磁能的元件；电容器：能够集中电场和存储电能的元件。4.3.1终端负载及衰减器传输线终端所接元件称为终端负载，常用的终端负载有匹配负载和短路负载两种：匹配负载：将所有的电磁能量全部吸收而无反射；短路负载：将所有的电磁能量全部反射回去，一点能量也不吸收；一、终端负载第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:53141、匹配负载功能：吸收绝大部分入射波功率，使传输线无反射。当需让传输系统工作于行波状态时，可使用匹配负载。1）结构l吸收片通常由介质片（如陶瓷、胶木片等）涂以金属碎末或炭木制成吸收片放置在波导中电场最强处2）工作原理设输入功率，吸收材料幅度衰减系数为，则inPlinrePP4当较大时，可极小。rPl,第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5315说明：劈尖的长度越长吸收效果越好,匹配性能越好,劈尖长度一般取λg/2的整数倍；当功率较大时，可以在短路波导内放置锲形吸收体,或在波导外侧加装散热片以利于散热；当功率很大时,还可采用水负载。第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:53162、短路负载功能：将电磁能量全部反射回去。结构及工作原理：在金属波导终端接上一块金属片即可实现短路。在实际微波系统中往往需要改变终端短路面的位置——短路活塞。扼流式短路活塞结构及工作原理：fg短路—cd开路—ab短路优点：无接触，损耗小，寿命长缺点：带宽窄波导结构同轴结构第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5317二、衰减器衰减器的功能：对通过的微波能量产生衰减，从而有控制地减小信号幅度（相当于电路中的可变电阻器）。理想的衰减器具有如下特性：1、输入端和输出端完全匹配，无反射；2、信号经过衰减器只存在幅度衰减而无相位改变。衰减器在原理上可以分为吸收式（有能量损耗）和截止式（无能量损耗）。支撑杆(b)吸收片(a)支撑杆(b)吸收片(a)固定衰减器可变衰减器第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5318一、电容膜片在矩形波导的横向放置一块金属膜片，在其上对称或不对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，在该位置处形成电场聚集——电容。电容膜片工作原理：利用结构的形状、介质等引起的不连续性，使得导波系统中的电场或磁场聚集，从而实现电感和电容。4.3.2电抗元件等效电路第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5319二、电感膜片波导窄壁上放置金属膜片后，会使波导宽壁上的电流产生分流，于是在膜片的附近必然会产生磁场聚集——电感。电容膜片等效电路三、谐振窗谐振窗等效电路第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5320四、螺钉通过调节螺钉插入波导的深度，电纳的性质和大小可随之改变。根据插入深度的不同，可实现可变电容、可变电感和谐振器功能。波导可调螺钉及其等效电路第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:53214.4定向耦合器定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件,它由主传输线、耦合传输线、耦合装置构成。耦合装置①④②③P1P2P4P3主传输线耦合传输线四个端口：①：输入端②：直通端③：耦合端④：隔离端第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:53224.4.1定向耦合器的技术指标定向耦合器的主要技术指标有：耦合度、隔离度(或方向性)、输入驻波比和工作带宽。一、耦合度C定义：输入端的输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比的分贝数，即CPP1013log（dB)说明：1）耦合度的愈大，耦合愈弱；2）C10dB:强耦合定向耦合器；C=10~20dB:中等耦合定向耦合器；C20dB:弱耦合定向耦合器。第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5323定义：输入端的输入功率P1与隔离端的输出功率P4之比的分贝数，即(dB)41log10PPI定义：耦合端输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比，即CIPPPPPPD411343log10log10二、隔离度I说明：在理想情况下，隔离端应无输出功率，即P4=0，此时隔离度I为无限大。但实际上由于设计或加工制作的不完善，常有极小部分功率从隔离端输出，使隔离度不再为无限大。三、方向性D第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5324四、输入驻波比定义：将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载时，输入端的驻波比。五、频带宽度定义：在耦合度、隔离度(或方向性)及输入驻波比都满足指标要求时，定向耦合器的工作频带宽度，简称工作带宽。4.4.2波导双孔定向耦合器一、结构在两个波导的公共窄壁上，开两个有形状、尺寸完全相同、相距d为(2n＋1)g0/4的耦合孔形成。第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5325通过控制耦合孔的大小，形状以及两耦合孔的距离，使耦合波在耦合端同相叠加而有输出，在隔离端反相叠加而无输出或减小输出，从而获得定向性。二、工作原理三、性能参数设输入信号幅度为1，小孔正向耦合系数为，反向耦合系数为C利用耦合波相互干涉而实现波的定向耦合：C第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:53261、耦合度C耦合端信号幅度为：ljljljeCeCeCA2323311lg10lg10APPC)(6lg20lg204lg10dBCC2、隔离度I隔离端信号幅度为：ljeCCA24ljelCcos2)(cos2lg20lg1041dBlCPPI第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:53273、定向度D4343lg20lg10AAPPD)(coslg20lg20dBlCC若耦合无方向性，即，则CC)(coslg20dBlD)0lg(2042coslg20gg)0lg(20I说明：1、双孔定向耦合器为窄带耦合器；2、为提高耦合度，一般采用多孔耦合器；3、为降低隔离端反射的影响，隔离端一般端接匹配负载第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5328分支定向耦合器是由两根平行的主传输线和两个耦合分支线组成。分支线的长度及相邻分支线之间的距离均为g0/4。4.4.3（补充内容）分支定向耦合器一、结构二、工作原理当信号由1端口输入时：同相相加——耦合ABCADC路程相等到C点：反相相加——隔离ABCDAD路程相差半波长到D点：第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:5329三、3dB定向耦合器4Z3Z1Z2Z1tZopZ2tZopZ当：04321ZZZZZ021ZZZtt02ZZop2、3端口输出信号功率各占1端口输入功率的一半，即耦合度时：)(3dBC第四章微波元件与微波网络理论微波技术与天线电子科技大学电子工程学院18:53304-5阻抗变换器一、传输线的三种匹配状态1、负载阻抗匹配负载阻抗匹配：负