大学物理大学-射频电路第09讲基本元件

ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology引言波导元件同轴元件微带元件集总元件高低阻抗线基于仿真的参数提取第9讲内容ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology射频电路设计和实现中，除了传输线以外，总还需要引入一些不连续性。有些不连续性是寄生的，不是我们所需要的，例如传输线的弯曲、不同传输线的连接所带来的不连续性等。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—等效电路或网络参数。9.1引言ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology低频电路基本元件：电感，电容，电阻以及理想变压器。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在传输线中添加不连续性实现的。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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology9.2波导元件电容膜片电力线xyzTTY0Y0jBTbaTxyzb’04lncsc2gbbBYbResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology力线分析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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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。模式分析ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology电感膜片'2cot()2gaBaaResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology谐振窗2ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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的缩小尺寸波导，只要它们相匹配，就不会有反射。baResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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匹配条件于是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。10212cTEbZaa10212cTEbZaa1010cTEcTEZZ22222244bbaa－双曲线方程ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology调节螺钉ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology波导阶梯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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyE面阶梯H面阶梯ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology短路活塞短路活塞实质上就是长度可调整的短路线段。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。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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0inZZc1Zc2abcdResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology9.3同轴元件同轴线的主模是TEM模，采用波导不连续性的分析方法，可以得到同轴线不连续性的等效电路。同轴线阶梯ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology同轴线缝隙ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology同轴线膜片ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology9.4微带不连续性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。ActgWAWAarcctglee222422ln2hAResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology微带间隙微带间隙处，电场相对集中，所以可以形成电容。当间隙较大或要求精确较高的情况下，间隙等效为型电路。SWh004ln22ln4gepeChSchYhChScthYhResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology为了获得较大的电容值，可以采用交指形间隙结构。通常能够提供高达5pF的串联电容。ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology微带阶梯21122[1]crscrZLhuHZ111112210.3/0.2641370(1)[][]0.258/0.8reresCreWWhChpFZWWhResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology微带拐角在微带电路中，为了改变电磁波传播方向通常采用拐角。直接的直角拐角由于存在不连续性电容，会产生较大反射。为了减小反射，可以把拐角做成圆滑的拐角，但这样会使得电路尺寸较大。直角拐角圆滑拐角ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology更有效的方法是把拐角的外部切成斜角，利用两次反射的相互抵销达到匹配，所谓“以毒攻毒”。微带拐角的切角ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology9.5集总元件在射频频段，传统工艺下的集总元件由于损耗和寄生效应的影响已无法使用。但是随着微电子与微机械工艺的发展，如今集总元件的尺寸已经可以制作得远远小于射频工作波长，因此，依然可以应用于射频电路中。射频电路中常用的集总元件主要是片式电阻、电容和电感。为了精确地设计射频电路，必须掌握集总元件在射频频段的准确特性，给出精确的等效电路。ResearchInstituteof