微波技術第五章

1、第五章 常用微波元件5-1 引引 言言 微波元件的功能在于對微波信號進行各種變換，按其變換性質(zhì)可將微波元件分為如下三類： 一、線性互易元件 凡是元件中沒有非線性和非互易性物質(zhì)都屬于這一類。常用的線性互易元件包括：匹配負載、衰減器、移相器、短路活塞、功分器、微波電橋、定向耦合器、阻抗變換器和濾波器等。二、線性非互易元件 這類元件中包含磁化鐵氧體等各向異性媒質(zhì)，具有非互易特性，其散射矩陣是不對稱的。但仍工作于線性區(qū)域，屬于線性元件范圍。常用的線性非互易元件有隔離器、環(huán)行器等。第五章 常用微波元件三、非線性元件 這類元件中含有非線性物質(zhì)，能對微波信號進行非線性變換，從而引起頻率的改變，并能通過電磁控

2、制以改變元件的特性參量。常用的非線性元件有檢波器、混頻器、變頻器以及電磁快控元件等。 波導型同軸型微帶型微波元件微波元件分類：近年來，為了實現(xiàn)微波系統(tǒng)的小型化，開始采用由微帶和集中參數(shù)元件組成的微波集成電路，可以在一塊基片上做出大量的元件，組成復雜的微波系統(tǒng)，完成各種不同功能。第五章 常用微波元件 5-2 波導中的電抗元件波導中的電抗元件 電抗元件包括電感器和電容器。電感器是指能夠集中磁場和存儲磁能的元件；而電容器是指能夠集中電場和存儲電能的元件。 一、電容膜片一、電容膜片在矩形波導的橫向放置一塊金屬膜片，在其上對稱或不對稱之處開一個與波導寬壁尺寸相同的窄長窗口，如圖所示。 電容膜片及其等效電

3、路電納的近似計算公式為 BbYdbp420ln csc第五章 常用微波元件矩形波導中的電感膜片及其等效電路如圖所示。當在波導窄壁上放置金屬膜片后，會使波導寬壁上的電流產(chǎn)生分流，于是在膜片的附近必然會產(chǎn)生磁場，并存儲一部分磁能，因此這種膜片稱為電感膜片。二、電感膜片電感膜片 BaYdap 022ctg電感膜片及其等效電路 電感膜片電納的近似計算公式為第五章 常用微波元件三、三、 諧振窗諧振窗 下圖給出了諧振窗的結構示意圖和等效電路。即在橫向金屬膜片上開設一個小窗，稱為諧振窗。 四、螺釘四、螺釘 螺釘插入波導的深度可以調(diào)節(jié)，電納的性質(zhì)和大小可隨之改變，使用方便，是小功率微波設備中常采用的調(diào)諧和匹配

4、元件。 諧振窗及其等效電路波導可調(diào)螺釘及其等效電路 第五章 常用微波元件 5-3 連接元件和終端負載連接元件和終端負載一、連接元件連接元件 在微波技術中，把相同類型傳輸線連接在一起的裝置統(tǒng)稱為接頭。常用的接頭有同軸接頭和波導接頭兩種。把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置稱為轉接元件，又稱作轉換接頭。常用的有同軸線與波導、同軸線與微帶線、波導與微帶線間的轉接元件。（一）接頭接頭 對接頭的基本要求是：連接點接觸可靠，不引起電磁的反射，輸入駐波比盡可能小，一般在1.2以下；工作頻帶要寬；電磁能量無泄漏；結構牢固，裝拆方便，易于加工等。 波導接頭 第五章 常用微波元件（二）（二）轉接元件轉接元件 在將不

5、同類型的傳輸線或元件連接時，不僅要考慮阻抗匹配，而且還應該考慮模式的變換。 1、同軸線波導轉換器 連接同軸線與波導的元件，稱為同軸線波導轉換器，其結構如圖所示。2、波導微帶轉接器 通常在波導與微帶線之間加一段脊波導過渡段來實現(xiàn)阻抗匹配。 同軸線波導 波導微帶 第五章 常用微波元件3、 同軸線微帶轉接器 同軸線微帶轉接器的結構如圖所示。與微帶連接處的同軸線內(nèi)導體直徑的選取與微帶線的特性阻抗有關，通常使內(nèi)導體直徑等于微帶線寬度。 4、矩形波導圓波導模式變換器 矩形波導圓波導模式變換器，大多采用波導橫截面的逐漸變化來達到模式的變換。 同軸線微帶 矩形波導圓波導模式變換器第五章 常用微波元件二、終端負

6、載終端負載 傳輸線終端所接元件稱為終端負載，常用的終端負載有匹配負載和短路負載兩種。匹配負載是將所有的電磁能量全部吸收而無反射；而短路負載是將所有的電磁能量全部反射回去，一點能量也不吸收 (一一) 匹配負載匹配負載 匹配負載能幾乎無反射地吸收入射波的全部功率。當需要在傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時，都要用到匹配負載。 對匹配負載的基本要求是：（1）有較寬的工作頻帶，（2) 輸入駐波比小和一定 的功率容量。 第五章 常用微波元件(二）短路負載短路負載 短路負載又稱為短路器，它的作用是將電磁能量全部反射回去。將同軸線和波導終端短路，即分別成為同軸線和波導固定短路器。 第五章 常用微波元件5-4 衰減器和

7、移相器衰減器和移相器衰減器和移相器均屬于二端口網(wǎng)絡。衰減器的作用是對通過它的微波能量產(chǎn)生衰減；移相器的作用是對通過它的微波信號產(chǎn)生一定的相移，微波能量可無衰減地通過。一、衰減器衰減器 理想的衰減器應是只有衰減而無相移的二端口網(wǎng)絡，其散射矩陣為 Seell00衰減器的衰減量表示為： APPio 10logdB第五章 常用微波元件衰減器在原理上可以分為吸收式和截止式兩種 在波導內(nèi)放入與電場方向平行的吸收片，當微波能量通過吸收片時，將吸收一部分能量而產(chǎn)生衰減，這種衰減器稱為吸收衰減器，如圖所示。 （一）、吸收式第五章 常用微波元件（二）、截止式截止衰減器是在傳輸線中插入一小段橫向尺寸較小的傳輸線段，

8、使電磁波在這一小段傳輸線內(nèi)處在截止狀態(tài)下傳輸，即電磁波經(jīng)過這段傳輸線后微波能量很快衰減，控制截止傳輸線的長度，就可以調(diào)節(jié)衰減量的大小，如圖所示。第五章 常用微波元件二、移相器移相器 移相器是對電磁波只產(chǎn)生一定的相移而不產(chǎn)生能量衰減的微波元件，它是一個無反射、無衰減的二端口網(wǎng)絡，其散射矩陣為 Seejj00其中移相器的相移量為 llp2因此，可變移相器與可變衰減器在結構形式上完全相似，所不同的是：前者是改變介質(zhì)片的位置，后者是改變吸收片的位置。第五章 常用微波元件5-5 阻抗變換器阻抗變換器 為了消除不良反射現(xiàn)象，可在其間接入一阻抗變換器，以獲得良好的匹配。 常用的阻抗變換器有兩種：一種是由四分

9、之一波長傳輸線段構成的階梯阻抗變換器(包括單節(jié)和多節(jié))；另一種是漸變線阻抗變換器。 一、單節(jié)一、單節(jié) /4阻抗變換器阻抗變換器 如右圖所示，若主傳輸線的特性阻抗為Z0，終端接一純電阻性負載ZL ，但ZL Z0，則可以在傳輸線與負載之間接入一特性阻抗為Z01、長度l=p0/4的傳輸線段來實現(xiàn)匹配。 第五章 常用微波元件設此時T0面上的反射系數(shù)為，則ZZZZj Z ZlLLL0002tg 上式取模為1120021 2Z ZZZLLsec在中心頻率附近，上式可近似為ZZZ ZLL002cos第五章 常用微波元件當 = 0時，此時反射系數(shù)的模達到最大值，由式(5-7)可以畫出 隨 變化的曲線，如圖所示

10、。 隨 (或頻率)作周期變化，周期為。如果設 為反射系數(shù)模的最大容許值，則由/4阻抗變換器提供的工作帶寬對應于圖中限定的頻率范圍。由于當 偏離時曲線急速下降，所以工作帶寬是很窄的。第五章 常用微波元件當 時 mmmLmLZ ZZZarccos21020通常用分數(shù)帶寬Wq表示頻帶寬度，Wq與 m有如下關系Wfffqmmm210210224當已知ZL 和Z0，且給定頻帶內(nèi)容許的 時，則由式可計算出相對帶寬Wq值；反之，若給定Wq值，也可求出變換器的 ，計算中 m取小于/2的值。mm對于單一頻率或窄頻帶的阻抗匹配來說，一般單節(jié)變換器提供的帶寬能夠滿足要求。但如果要求在寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配，那就必須采

11、用下面要討論的多節(jié)階梯阻抗變換器或漸變線阻抗變換器。第五章 常用微波元件二、多節(jié)階梯阻抗變換器多節(jié)階梯阻抗變換器 多節(jié)階梯阻抗變換器具有寬頻帶特性，現(xiàn)以下圖所示的兩節(jié)/4階梯阻抗變換器為例進行分析。令變換器兩端所接傳輸線的特性阻抗分別為Z0和ZL，并假設ZL Z0。每一節(jié)具有同樣的長度l = p0/4，當工作于中心頻率f0時，電長度 = l = /2。T0、T1及T2為各階梯處的參考面，0、1及2分別為對應參考面上的局部電壓反射系數(shù)。設兩節(jié)/4傳輸線段的特性阻抗分別為Z1和Z2，且ZL Z1 Z2 Z0，則局部電壓反射系數(shù)分別為01010ZZZZ12121ZZZZ222ZZZZLL第五章 常用

12、微波元件T0參考面上， UUU eU eriijij01224T0面上總的電壓反射系數(shù)為UUeerijj01224然而在多節(jié)階梯的情況下，由于多節(jié)突變面數(shù)目增多，參與抵消作用的反射波數(shù)量也增多，從而在m相同的條件下，使工作頻帶增寬。對于N節(jié)階梯變換器 2201eNNjNcoscos 其模值為2201coscosNN 第五章 常用微波元件三、漸變線阻抗變換器三、漸變線阻抗變換器 所謂漸變線，是指其特性阻抗按一定規(guī)律平滑地由一條傳輸線的特性阻抗過渡到另一條傳輸線的特性阻抗。 只要增加/4階梯阻抗變換器的節(jié)數(shù)，就能增寬工作頻帶。然而，節(jié)數(shù)的增加，導致變換器的總長度也隨之增加。如果選用漸變線，則既可增

13、寬頻帶又不致使變換器尺寸過大。 漸變線可以看作是由階梯數(shù)目無限增多而每個階梯段長度無限縮短的階梯變換器演變而來，如圖所示。 漸變線輸入端總的反射系數(shù)in為inlinjzldedZ zdzdz02012 ln( )第五章 常用微波元件5-6 定向耦合器定向耦合器定向耦合器在微波技術中有著廣泛的應用 。波導同軸線帶狀線微帶線按傳輸線類型定向耦合器的種類很多。 單孔耦合多孔耦合連續(xù)耦合平行線耦合按耦合方式同向耦合反向耦合輸出方向90度定向180度定向輸出相位強耦合中等耦合弱耦合按耦合強弱第五章 常用微波元件下圖給出了幾種定向耦合器的結構示意圖，其中圖(a)為微帶分支定向耦合器，圖(b)為波導單孔定向

14、耦合器，圖(c)為平行耦合線定向耦合器，圖(d)為波導匹配雙T，圖(e)為波導多孔定向耦合器，圖(f)為微帶混合環(huán)。第五章 常用微波元件一、定向耦合器的技術指標定向耦合器的技術指標 定向耦合器一般屬于四端口網(wǎng)絡，它有輸入端、直通端、耦合端和隔離端，分別對應右圖所示的1、2、3和4端口。定向耦合器的主要技術指標有耦合度、隔離度(或方向性)、輸入駐波比和工作帶寬。 (一一) 耦合度耦合度C耦合度C定義為輸入端的輸入功率P1與耦合端的輸出功率P3之比的分貝數(shù)，即CPP 1013log（dB)第五章 常用微波元件由于定向耦合器是一個可逆四端口網(wǎng)絡，因此耦合度又可表示由此可見耦合度的分貝數(shù)愈大耦合愈弱。

15、通常把耦合度為010dB的定向耦合器稱為強耦合定向耦合器；把耦合度為1020dB的定向耦合器稱為中等耦合定向耦合器；把耦合度大于20dB的定向耦合器稱為弱耦合定向耦合器。CUS USii10222011213113loglog(dB)第五章 常用微波元件( (二）隔離度二）隔離度D 隔離度D定義為輸入端的輸入功率P1與隔離端的輸出功率P4之比的分貝數(shù)，即(dB)DPP 1014log若用散射參量來描述，則有DUS USii10222011214114loglog(dB)在理想情況下，隔離端應無輸出功率，即P4=0，此時隔離度為無限大。但實際上由于設計或加工制作的不完善，常有極小部分功率從隔離端

16、輸出，使隔離度不再為無限大。有時用方向性 (dB)來表示耦合器的隔離性能，它是耦合端輸出功率P3與隔離端的輸出功率P4之比。也可用散射參量來表示方向性，即 DPPSSSSDC101020341321421314logloglog第五章 常用微波元件( (三）、輸入駐波比三）、輸入駐波比 將定向耦合器除輸入端外，其余各端均接上匹配負載時，輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比。此時，網(wǎng)絡輸入端的反射系數(shù)即為網(wǎng)絡的散射參量S11，故有111111SS（四）（四）、頻帶寬度頻帶寬度 頻帶寬度是指耦合度、隔離度(或方向性)及輸入駐波比都滿足指標要求時，定向耦合器的工作頻帶寬度，簡稱工作帶寬。第五章

17、常用微波元件二、二、波導型定向耦合器波導型定向耦合器 大多數(shù)波導定向耦合器的耦合都是通過在主、副波導間公共壁上的耦合孔來實現(xiàn)的。通過耦合孔將主波導中的電磁能量耦合到副波導中，并具有一定的方向性。副波導各端口輸出功率的大小，決定于耦合孔的大小、形狀和位置。 波導定向耦合器的種類很多，最常用的波導定向耦合器有：單孔、多孔和十字孔定向耦合器。下圖給出了三種常用波導定向耦合器的結構示意圖，其中圖(a)為寬壁斜交單孔耦合器，圖(b)為多孔定向耦合器，圖(c)為十字孔定向耦合器。 第五章 常用微波元件 最簡單的雙孔定向耦合器，是在兩個波導的公共窄壁上開有形狀、尺寸完全相同、相距d為p0/4的兩個耦合孔，如

18、下圖 (a)所示。在波導窄壁b/2處，取一個水平縱截面，如圖(b)所示。 這種定向耦合器的定向性是由各孔耦合波相互干涉而得到的，只要控制耦合孔的大小，形狀以及兩耦合孔的距離，使耦合波在一個方向上同相疊加而有輸出，在另一個方向上反相疊加而無輸出或減小輸出，從而獲得定向性。第五章 常用微波元件三、三、 平行耦合線定向耦合器平行耦合線定向耦合器 平行耦合線定向耦合器是TEM波傳輸線定向耦合器的一種主要形式。這種平行耦合線定向耦合器通常用微帶線或帶狀線來實現(xiàn)。 平行耦合線定向耦合器第五章 常用微波元件 耦合帶狀線定向耦合器的橫截面如圖，主、副線的中心導帶均放置在兩塊平行接地板之間。 奇、偶模二端口網(wǎng)絡

19、的歸一化轉移參量如下cossinsincosAjZjZeee00cossinsincosAjZjZooo00第五章 常用微波元件可求得相應的e 、Te及o 、To的表達式： eeeeeeeeeeeeeAAAAAAAAjZZjZZsincossin11221221112212210000121 eeeeeeeAAAAjZZ22211122122100cossinooooojZZjZZsincossin0000121ooojZZ22100cossin各端口輸出電壓與耦合線參量之間的關系為cossinsincossinUUTjZZUjZZjZZUrreeereeeeer120030000402111

20、0 第五章 常用微波元件由以上分析可得到以下幾點結論： (1)不論耦合區(qū)電長度 為何值，要獲得理想匹配及理想隔離特性，必須滿足條件： 或 Z Zeo001Z ZZeo0002(2）耦合端口3的輸出電壓及直通端口2的輸出電壓，都是頻率的函數(shù)。當工作在中心頻率時， = /2，這時耦合端輸出為最大 ，且與 同相，即()maxUr3Ui1()maxUZZZZZZZZZZZZreeeeeoeoeoeo300000000000011令上式中 ZZZZkeoeo0000k稱為中心頻率的電壓耦合系數(shù)。第五章 常用微波元件（3）不論為何值，耦合端輸出電壓的相位比直通端輸出電壓的相位超前/2。當 = /2時，定向

21、耦合器的耦合度由下式確定： CPPSk()logloglogmaxdB 10101101131322一旦給定中心頻率時的耦合度C(dB)，便可由解得kC1101log()dBZZkkeo0011耦合帶狀線奇、偶模特性阻抗分別為由ZZkke0011ZZkko0011第五章 常用微波元件當電長度 = /2時，耦合器各端口輸出的電壓可由簡化為Ur10Ujkr221 Ukr3Ur40平行耦合線定向耦合器的等效四端口網(wǎng)絡具有可逆、無耗、對稱的特性，由此可寫出網(wǎng)絡的散射參量矩陣S為 Sjkkjkkkjkkjk0101000010102222第五章 常用微波元件對于耦合微帶線定向耦合器，由于耦合微帶線的奇偶

22、模相速不相等，即，導致定向性變壞。為了提高方向性，可采用如下圖中(a)和(b)兩種形式，來提高定向性。其中圖(a)為鋸齒形定向耦合器，由于耦合縫隙采用鋸齒形可增加奇模電容、降低奇模相速，從而提高方向性。圖(b)為介質(zhì)覆蓋定向耦合器，在耦合區(qū)帶線的上方再覆蓋一塊與基片材料相同的介質(zhì)塊，塊的厚度大致與基片厚度相等，以減小奇、偶模相速的差異，從而提高定向性。 第五章 常用微波元件單節(jié)耦合線定向耦合器的頻帶比較窄，為了增寬頻帶可采用多節(jié)定向耦合器相級聯(lián)，如下圖 (a)所示。平行耦合線定向耦合器的耦合強弱與兩線間距有關，間距愈小，耦合愈強。但耦合太強，工藝上又無法實現(xiàn)，因此常采用兩只弱耦合定向耦合器相串

23、接的辦法得到強耦合定向耦合器。圖 (b)為兩只8.34dB的定向耦合器串接即可得到一只3dB定向耦合器。 第五章 常用微波元件四、四、分支定向耦合器分支定向耦合器 分支定向耦合器是由兩根平行的主傳輸線和若干耦合分支線組成。分支線的長度及相鄰分支線之間的距離均為p0/4。這種分支定向耦合器可以用矩形波導、同軸線、帶狀線和微帶線來實現(xiàn)。 波導型分支定向耦合器是由E-T分支構成，根據(jù)E-T分支的性質(zhì)，分支線是串聯(lián)在主線上的，因此是串聯(lián)結構；而同軸型、帶狀型和微帶型分支是與主線相并聯(lián)的，因此是并聯(lián)結構。 上圖表示微帶型雙分支定向耦合器的結構示意圖，它可等效為一個四端口網(wǎng)絡。它是一個對稱、可逆、無耗的四

24、端口網(wǎng)絡。第五章 常用微波元件 雙分支定向耦合器的工作原理雙分支定向耦合器的工作原理 這種定向耦合器是通過兩個耦合波的路程差引起的相位差來達到定向的。當信號由1端口輸入時，經(jīng)過A點分ABC和ADC兩路到達C點，由于兩路路程相同，故兩路在C點同相相加，使3端口有輸出；1端口的輸入信號經(jīng)過A點分AD和ABCD兩路到達D點，由于兩路的路程差為p0/2，即相位差為，故兩路信號在D點相抵消，使4端口無輸出。故這種定向耦合器稱為同向定向耦合器，由于2和3端口輸出信號的相位差為90，故又稱為90同向定向耦合器。 （一）（一）（二（二)雙分支定向耦合器的特性分析雙分支定向耦合器的特性分析 雙分支定向耦合器是一

25、個四端口網(wǎng)絡，左右對稱的雙分支定向耦合器各線段的歸一化導納的設計公式UCbUabUrrr3132311011lg()dB 第五章 常用微波元件5-7 微帶功分器微帶功分器 定向耦合器的結構較復雜，成本也較高，在單純進行功率分配的情況下，用得并不多，通常用功分器來完成。大功率微波功分器采用波導或同軸線結構，中小功率則采用帶狀線或微帶線結構。 右圖是微帶三端口功分器原理圖。信號由1端口(所接傳輸線的特性阻抗為Z0)輸入，分別經(jīng)過特性阻抗為Z02、Z03的兩段微帶線從2和3端口輸出，負載電阻分別為R2及R3。兩段傳輸線在中心頻率時電長度均為 = /2，它們之間沒有耦合。微帶三端口功分器原理圖第五章

26、常用微波元件功分器應滿足下列條件：2端口與3端口的輸出功率比可為任意指定值； 1端口無反射；(1) 2端口與3端口的輸出電壓等幅、同相。 由于2端口、3端口的輸出功率與輸出電壓的關系分別為PUR22222PUR33232如由條件(1)要求輸出功率比為PPk2321則 URkUR222232322第五章 常用微波元件按條件(3)，由上式可得 Rk R223若取 ，則 RkZ20RZk30由條件(2)，即1端口無反射，所以要求由Zin2與Zin3并聯(lián)而成的總輸入阻抗等于Z0。由于在中心頻率 = /2，Zin2= Z022/R2 ，Zin3= Z032/R3為純電阻，則YZRZRZ002022303

27、21如以輸入電阻表示功率比，則PPZZRZZRkinin23322022032321可解得 ZZkk02021ZZkk030231第五章 常用微波元件5-8 波導匹配雙波導匹配雙T一、波導的一、波導的T T形接頭形接頭 矩形波導的T形接頭有E-T接頭和H-T接頭兩種，如圖所示。其中E-T接頭的分支波導寬面與主波導中TE10模的電場所在平面平行；H-T接頭的分支波導的寬面與主波導中TE10模的磁場所在的平面平行。 第五章 常用微波元件對于波導的T形接頭，我們把主波導的兩臂分別稱為1和2端口，分支臂稱為3端口。分析波導的T形接頭的工作特性，可利用波導中TE10模的電場分布來分析。E-T接頭和H-T

28、接頭中TE10模的電場分布分別如圖所示。 第五章 常用微波元件E-T接頭具有下列特性：(1) 當信號從3端口輸入時，則1和2端口有等幅反相輸出，用散射參量表示則有： S13 = -S23；(2) 由于1和2端口在結構上對稱，故有：S11 = S22；(3) 當信號由1和2端口等幅同相輸入時，3端口無輸出，此時對稱面為電場的波腹點；反過來，當信號由1和2端口等幅反相輸入時，3端口輸出最大，此時對稱面為電場的波節(jié)點。H-T接頭具有下列特性：(1) 當信號從3端口輸入時，則1和2端口有等幅同相相輸出，用散射參量表示則有： S13 = S23；(2) 由于1和2端口在結構上對稱，故有：S11 = S2

29、2；(3) 當信號由1和2端口等幅同相輸入時，3端口輸出最大，此時，3端口對稱面處為電場波腹點；反之，當信號由1和2端口等幅反相輸入時，3端口無輸出，3端口對稱面處為電場波節(jié)點。第五章 常用微波元件二、二、 普通雙普通雙T T和匹配雙和匹配雙T T 將具有共同對稱面的E-T接頭和H-T接頭組合起來，即構成普通雙T接頭，如右圖所示。 雙T接頭可等效為一個可逆無耗四端口網(wǎng)絡，其散射參量矩陣為 SSSSSSSSSSSSSSS111213141211131413133314144400第五章 常用微波元件對于普通的雙T接頭，由于連接處結構突變，即使雙T各臂均接匹配負載，接頭處也會產(chǎn)生反射，為了消除反射

30、，通常在接頭處加入匹配元件(如螺釘、膜片或錐體等)，就可以得到匹配的雙T，它具有下列重要性質(zhì)：(1) 匹配特性：在理想情況下，它的四個端口是完全匹配的，只要1和2端口能調(diào)到匹配，3和4端口一定匹配，即S11=S22=S33=S44=0 ；(2) 隔離特性：當3和4端口具有隔離特性時，即S34=S43=0，則1和2端口也具有隔離特性，即S12=S21=0；(3) 平分特性：當信號由3端口輸入時，則反相等分給1和2端口，即S13 = -S23；當信號由4端口輸入時，同相等分給1和2端口，即S14 = S24；當信號由1端口輸入時，則同相等分給3和4端口，即S31 = S41；當信號由2端口輸入時，

31、則反相等分給3和4端口，即S32 = -S42。故匹配雙T的散射參量矩陣為 S 120011001111001100第五章 常用微波元件5-9 5-9 微波濾波器微波濾波器 微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。 微波濾波器按作用分類，可劃分為低通、高通、帶通和帶阻等四種類型的濾波器，如下圖所示。 第五章 常用微波元件為了描述濾波器的濾波特性，一般常用的是插入衰減隨頻率變化的曲線。插入衰減的定義為LPPAiL 10log 式中Pi為濾波器所接信號源的最大輸出功率，PL為濾波器的負載吸收功率。 微波濾波器的主要技術指標有：工作頻帶的中心頻率、帶寬、通帶內(nèi)允許的最大衰減、阻帶內(nèi)允許的最小

32、衰減、阻帶向通帶過渡時的陡度和通帶內(nèi)群時延的變化等。 第五章 常用微波元件一、利用四分之一波長傳輸線并聯(lián)電抗元件的濾波器一、利用四分之一波長傳輸線并聯(lián)電抗元件的濾波器 濾波器的結構是：在一特性阻抗為Z0的傳輸線上，每隔p/4的距離就并接一個電抗性元件(它的實際結構可以是短路支線、膜片或螺釘)，設其阻抗分別為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6，RL是濾波器所接的負載。如圖。 第五章 常用微波元件二、二、利用高低阻抗線構成的濾波器利用高低阻抗線構成的濾波器 下圖是利用高低阻抗線構成的微波濾波器的原理性示意圖及其等效電路。適當選取每段傳輸線的長度和它的特性阻抗，并按一定順序把它們級聯(lián)在一起，就構成了

33、這種型式的濾波器。 第五章 常用微波元件高低阻抗線的結構示意圖及其等效電路實際中應用的濾波器遠不止上面講的這些，例如，利用耦合傳輸線之間的相互作用，利用諧振腔或許多諧振腔的級聯(lián)等，都可以構成微波濾波器。第五章 常用微波元件5-10 微波諧振器微波諧振器微波諧振器又稱作微波諧振腔，它廣泛應用于微波信號源、微波濾波器及波長計中。它相當于低頻集中參數(shù)的LC諧振回路，是一種基本的微波元件。諧振腔是速調(diào)管、磁控管等微波電子管的重要組成部分。 微波諧振器可由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段組成，電磁波在其上呈駐波分布，即電磁能量不能傳輸，只能來回振蕩。因此，微波諧振器是具有儲能與選頻特性的微波元件。 微波

34、諧振器可以定性地看作是由集中參數(shù)LC諧振回路過渡而來的，如圖所示。 第五章 常用微波元件 一、諧振器的電磁能量關系及品質(zhì)因數(shù)一、諧振器的電磁能量關系及品質(zhì)因數(shù)Q Q 微波諧振器中電磁能量關系和集中參數(shù)LC諧振回路中能量關系有許多相似之處，如圖。第五章 常用微波元件但微波諧振器和LC諧振回路也有許多不同之處。1、LC諧振回路的電場能量集中在電容器中，磁場能量集中在電感器，而微波諧振器是分布參數(shù)回路，電場能量和磁場能量是空間分布的； 2、LC諧振回路只有一個諧振頻率，而微波諧振器一般有無限多個諧振頻率；微波諧振器可以集中較多的能量，且損耗較小，因此它的品質(zhì)因數(shù)遠大于LC集中參數(shù)回路的品質(zhì)因數(shù)，另外

35、，微波諧振器有不同的諧振模式(即諧振波型)。微波諧振器有兩個基本參量：諧振頻率f0 (或諧振波長0 )和品質(zhì)因數(shù)Q。第五章 常用微波元件（一）諧振頻率（一）諧振頻率f f0 0 諧振頻率f0是指諧振器中該模式的場量發(fā)生諧振時的頻率，也經(jīng)常用諧振波長0表示。它是描述諧振器中電磁能量振蕩規(guī)律的參量。諧振頻率可采用電納法分析。在諧振時，諧振器內(nèi)電場能量和磁場能量彼此相互轉換，其諧振器內(nèi)總的電納為零。如果采用某種方法得到諧振器的等效電路，并將所有的等效電納歸算到同一個參考面上，則諧振時，此參考面上總的電納為零，即B f00利用上式便可以求得諧振頻率。第五章 常用微波元件（二）、品質(zhì)因數(shù)（二）、品質(zhì)因數(shù)

36、Q Q 品質(zhì)因數(shù)Q是微波諧振器的一個主要參量，它描述了諧振器選擇性的優(yōu)劣和能量損耗的大小，其定義為Q 2諧振器內(nèi)儲存電磁能量一個周期內(nèi)損耗的電磁能量諧振時00WPL式中W0為諧振器中的儲能，PL為諧振器中的損耗功率。QRH dVHdSSVtS022QH dVHdSVtS222其它計算公式第五章 常用微波元件二、同軸諧振腔二、同軸諧振腔 同軸諧振腔通常分為/2型、/4型及電容加載型三種。其工作特點簡要介紹如下。( (一一) ) /2/2型同軸諧振腔型同軸諧振腔/2型同軸諧振腔由兩端短路的一段同軸線構成，如下圖所示。諧振條件為BB120BB12 第五章 常用微波元件由上式可導出諧振波長0與腔體長度

37、l的關系為01222nlllnln02或/2型同軸諧振腔的品質(zhì)因數(shù)為 當(b/a)=3.6時，同軸腔的品質(zhì)因數(shù)Q0達最大。Qb abab a002118lnln第五章 常用微波元件( (二二) ) /4/4型同軸諧振腔型同軸諧振腔 諧振時應滿足： BB12 或諧振波長0與腔體長度l的關系為0421lnln2140由于這類同軸腔內(nèi)導體長度為0/4的奇數(shù)倍，故稱為四分之一波長型同軸諧振腔。/4型同軸諧振腔第五章 常用微波元件 ( (三三) ) 電容加載型同軸諧振腔電容加載型同軸諧振腔 電容加載型同軸諧振腔如右圖所示。諧振條件：滿足諧振條件的C值由右式確定 BB120000CYlctg2 如果將縫隙

38、電場近似看作均勻分布，則式中C可按平板電容公式計算CSdad 002 0為空氣的介電常數(shù)，a為同軸腔內(nèi)導體半徑，d為縫隙寬度。第五章 常用微波元件四、矩形諧振腔矩形諧振腔 矩形諧振腔是由一段兩端短路的矩形波導構成，它的橫截面尺寸為ab，長度為l，如下圖所示。 ( (一一) ) 諧振模式及其場分布諧振模式及其場分布矩形波導中傳輸?shù)碾姶挪Ｊ接蠺E模和TM模，相應諧振腔中同樣有TE諧振模和TM諧振模，分別以TEmnp和TMmnp表示，其中下標m、n和p分別表示場分量沿波導寬壁、窄壁和腔長度方向上分布的駐波數(shù)。在眾多諧振模中，TE101為最低諧振模。第五章 常用微波元件( (二二) ) 諧振波長諧振

39、波長諧振條件與/2型同軸諧振腔相同，波導中傳輸?shù)牟ㄊ巧⒉?。矩形諧振腔諧振波長計算公式 022112 cpl式中c為波導中相應模式的截止波長。此式也適用于圓柱諧振腔。對于矩形腔有02222manbplTE101模的諧振波長為 它為最低諧振模。 0222alal第五章 常用微波元件四、圓柱諧振腔四、圓柱諧振腔 圓柱諧振腔是由一段長度為l，兩端短路的圓波導構成，其圓柱腔半徑為R。圓柱腔中場分布分析方法和諧振波長的計算與矩形腔相同。022122TEmnpmnplR 022122TMmnpmnplvR式中m、n和p分別表示場分量沿沿圓周、半徑和腔長度方向分布的駐波數(shù)。第五章 常用微波元件( (一一)

40、) 三種常用諧振模式三種常用諧振模式圓柱腔中最常用的三個諧振模式為TM010模、TE111模和TE011模。下面分別說明這三種諧振模式的特點和應用。1、 TM010模圓波導TM01模的截止波長c = 2.62R和p = 0圓柱腔TM010模的諧振波長0的計算公式為0262TM010 .R2、TE111模 圓柱腔TE111模的諧振波長0的計算公式為 0221134112TE111.Rl3、TE011模 圓柱腔TE011模的諧振波長0的計算公式為0221116412TE011.Rl第五章 常用微波元件( (二二) ) 模式圖模式圖對于圓柱腔TEmnp諧振模，有f DccpDlmn022222對于圓

41、柱腔TMmnp諧振模，有 f DcvcpDlmn022222 若取不同的m、n和p值，將上面兩式畫在橫坐標為(D/l)2，縱坐標為(f0D)2的坐標系內(nèi)，則可得到一系列的直線，這些直線構成了右圖所示的模式圖。 即使同一個腔長，對于不同的模式都會同時諧振于同一個頻率上，這就是圓柱腔存在的干擾模問題。 第五章 常用微波元件為了使諧振腔正常工作，就必須合理選擇工作方框，使工作方框內(nèi)不出現(xiàn)或少出現(xiàn)不需要的干擾模式。工作方框是以工作模式的調(diào)諧直線為對角線，由最大和最小的(f0D)2和相對應(D/l)2所確定的區(qū)域。設計諧振腔時，對所選的工作模式都可確定其相應的工作方框，方框的中心位置由固有品質(zhì)因數(shù)來確定，一般取D/l=1。因該處Q值較高。方框的高度由工作頻帶來確定，在工作方框中任何非對角線模式，都是不需要的干擾模式。這些干擾模會影響諧振腔正常工作。因此，選擇工作方框時，應盡量避免干擾模進入工作方框。 在設計圓柱諧振腔