電磁波第7章-2

1、第7章 微波元件7.4.1 定向耦合器結(jié)構(gòu)定向耦合器結(jié)構(gòu)所謂定向就是指信號(hào)的輸出口是指定的，理論上不會(huì)所謂定向就是指信號(hào)的輸出口是指定的，理論上不會(huì)從其他端口輸出。從其他端口輸出。7.4 7.4 定向耦合器與功率分配器定向耦合器與功率分配器圖圖7-4-1 定向耦合器的工作示意圖定向耦合器的工作示意圖同向定向耦合器、反向定向耦合器、雙向定向耦合器。同向定向耦合器、反向定向耦合器、雙向定向耦合器。第7章 微波元件u端口端口1為輸入端，端口為輸入端，端口2為直通端為直通端(信號(hào)直接輸出端信號(hào)直接輸出端)，端口，端口3為為耦合端耦合端(信號(hào)耦合輸出端信號(hào)耦合輸出端)，端口，端口4為隔離端（理想情況下輸

2、出為隔離端（理想情況下輸出功率為零）。功率為零）。第7章 微波元件7.4.2 波導(dǎo)雙孔定向耦合器波導(dǎo)雙孔定向耦合器雙孔定向耦合器由兩根波導(dǎo)組成，分別稱為主波導(dǎo)與雙孔定向耦合器由兩根波導(dǎo)組成，分別稱為主波導(dǎo)與輔波導(dǎo)。該型耦合器通過主、輔波導(dǎo)公共寬壁輔波導(dǎo)。該型耦合器通過主、輔波導(dǎo)公共寬壁(或窄壁或窄壁)上的上的兩個(gè)小孔實(shí)現(xiàn)定向耦合，工作原理如圖兩個(gè)小孔實(shí)現(xiàn)定向耦合，工作原理如圖7-4-2所示。所示。1、2為為主波導(dǎo)端口，主波導(dǎo)端口，3、4為輔波導(dǎo)端口，主、輔波導(dǎo)的尺寸相同。為輔波導(dǎo)端口，主、輔波導(dǎo)的尺寸相同。兩小孔間的距離為兩小孔間的距離為d=g/4，g為中心頻率為中心頻率f0的波導(dǎo)波長。的波導(dǎo)

3、波長。圖圖7-4-2 波導(dǎo)雙孔定向耦合器原理圖與照片波導(dǎo)雙孔定向耦合器原理圖與照片2第7章 微波元件其工作原理為：波程差為半波長奇數(shù)倍，好像好疊加其工作原理為：波程差為半波長奇數(shù)倍，好像好疊加相消；波程差為半波長偶數(shù)倍，好像好疊加相長。相消；波程差為半波長偶數(shù)倍，好像好疊加相長。如信號(hào)由如信號(hào)由1-2傳輸傳輸：口口4輸出信號(hào)：（輸出信號(hào)：（1）信號(hào)路徑：信號(hào)路徑：1-a1-b-4 （2）信號(hào)路徑：）信號(hào)路徑：1-a2-b-4口口3輸出信號(hào)：（輸出信號(hào)：（1）信號(hào)路徑：信號(hào)路徑：1-a1-b”-3 （2）信號(hào)路徑：）信號(hào)路徑：1-a1-a2-3波長差為半波長，信號(hào)疊加相消，口波長差為半波長，信號(hào)

4、疊加相消，口4無輸出。無輸出。波長差為零，信號(hào)疊加相長，口波長差為零，信號(hào)疊加相長，口3輸出兩信號(hào)和。輸出兩信號(hào)和。第7章 微波元件同理，如信號(hào)由同理，如信號(hào)由2-1傳輸傳輸：波長差為半波長，信號(hào)疊加相消，口波長差為半波長，信號(hào)疊加相消，口3無輸出。無輸出。波長差為零，信號(hào)疊加相長，口波長差為零，信號(hào)疊加相長，口4輸出兩信號(hào)和。輸出兩信號(hào)和。u所以：當(dāng)所以：當(dāng)1-2為入射波，口為入射波，口3只輸出入射波；只輸出入射波； 2-1為反射波，口為反射波，口4只輸出反射波，只輸出反射波，定向耦合器可用來測(cè)定反射系數(shù)。定向耦合器可用來測(cè)定反射系數(shù)。第7章 微波元件設(shè)在各端口均接匹配負(fù)載的情況下，定義下述

5、各項(xiàng)技設(shè)在各端口均接匹配負(fù)載的情況下，定義下述各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：術(shù)指標(biāo)：(1) 耦合度耦合度C：輸入端的輸入功率：輸入端的輸入功率P1與耦合端的輸出功與耦合端的輸出功率率P3之比的分貝數(shù)表示為之比的分貝數(shù)表示為 (2) 方向性方向性D：耦合端和隔離端輸出功率之比的分貝數(shù)：耦合端和隔離端輸出功率之比的分貝數(shù)表示為表示為131310lg20lgPCSP 334410lg20lgPDSP第7章 微波元件(3) 隔離度隔離度I：輸入端輸入的功率：輸入端輸入的功率P1與隔離端輸出功率與隔離端輸出功率P4之比的分貝數(shù)表示為之比的分貝數(shù)表示為上述三個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系為上述三個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系為D與與I都是描述定向耦

6、合器定向性能的量，但實(shí)際上更多使都是描述定向耦合器定向性能的量，但實(shí)際上更多使用方向性用方向性D而極少用隔離度而極少用隔離度I。方向性越高越好，理想情況。方向性越高越好，理想情況為為P4=0，D=。其他技術(shù)指標(biāo)例如駐波比、帶寬、插入損。其他技術(shù)指標(biāo)例如駐波比、帶寬、插入損耗與其他器件類似。耗與其他器件類似。141410lg=-20logPISP1331411410lg10lg10lgP PPPDICP PPP第7章 微波元件7.4.3 波導(dǎo)十字槽孔定向耦合器波導(dǎo)十字槽孔定向耦合器十字槽孔定向耦合器的優(yōu)點(diǎn)是具有理想方向性，且基十字槽孔定向耦合器的優(yōu)點(diǎn)是具有理想方向性，且基本上與頻率無關(guān)，耦合度的

7、頻率特性也較好，結(jié)構(gòu)緊湊，本上與頻率無關(guān)，耦合度的頻率特性也較好，結(jié)構(gòu)緊湊，連接方便，在微波通信系統(tǒng)中經(jīng)常采用。連接方便，在微波通信系統(tǒng)中經(jīng)常采用。圖7-4-3 十字槽孔定向耦合器結(jié)構(gòu)圖第7章 微波元件圖7-4-5 十字槽耦合器耦合波傳輸方向的判定第7章 微波元件7.4.4 平行耦合線耦合器平行耦合線耦合器上述兩種耦合器都是波導(dǎo)耦合器，傳播的是上述兩種耦合器都是波導(dǎo)耦合器，傳播的是TE波或波或TM波。波。TEM波耦合器多用平行耦合線實(shí)現(xiàn)，以帶狀線結(jié)構(gòu)波耦合器多用平行耦合線實(shí)現(xiàn)，以帶狀線結(jié)構(gòu)為主。通常，此類定向耦合器由主線和輔線構(gòu)成，兩條平為主。通常，此類定向耦合器由主線和輔線構(gòu)成，兩條平行帶線

8、的長度為行帶線的長度為/4，如圖，如圖7-4-6所示。所示。圖7-4-6 平行耦合線耦合器結(jié)構(gòu)第7章 微波元件圖7-4-9 平行耦合線耦合器第7章 微波元件7.4.5 功率分配器功率分配器在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要將信號(hào)源的功率分別饋送給在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要將信號(hào)源的功率分別饋送給若干個(gè)分支電路若干個(gè)分支電路(負(fù)載負(fù)載)，例如將發(fā)射機(jī)的功率分別饋送給天，例如將發(fā)射機(jī)的功率分別饋送給天線的很多個(gè)輻射單元，就需要功率分配器。線的很多個(gè)輻射單元，就需要功率分配器。功率分配器的主要指標(biāo)為輸入輸出間的分配損耗與插功率分配器的主要指標(biāo)為輸入輸出間的分配損耗與插入損耗、輸出支路間的隔離度、輸出功率比，其他指標(biāo)

9、如入損耗、輸出支路間的隔離度、輸出功率比，其他指標(biāo)如端口駐波比、帶寬等與其他器件類似端口駐波比、帶寬等與其他器件類似。第7章 微波元件圖7-4-10 同軸線型功率分配器結(jié)構(gòu)示意圖第7章 微波元件圖7-4-11 多路輸出結(jié)構(gòu)第7章 微波元件圖7-4-13 多路功率分配器第7章 微波元件7.5 7.5 微波諧振器微波諧振器圖7-5-2 LC回路演變成微波諧振腔第7章 微波元件圖7-5-1 微波諧振腔第7章 微波元件假設(shè)波導(dǎo)長度為假設(shè)波導(dǎo)長度為l，要能產(chǎn)生諧振，則有，要能產(chǎn)生諧振，則有,1,2,3,.2glpp由此得到矩形波導(dǎo)諧振腔的諧振波長為由此得到矩形波導(dǎo)諧振腔的諧振波長為 (7-5-2)222

10、2mnpablu矩形波導(dǎo)：矩形波導(dǎo)：第7章 微波元件u圓柱形諧振腔圓柱形諧振腔圓柱形諧振腔由一段兩端封閉的圓波導(dǎo)構(gòu)成，和矩圓柱形諧振腔由一段兩端封閉的圓波導(dǎo)構(gòu)成，和矩形諧振腔一樣，圓柱形諧振腔也有形諧振腔一樣，圓柱形諧振腔也有TEmnp和和TMmnp型場(chǎng)，型場(chǎng)，其中其中m表示場(chǎng)沿半圓周分布的最大值個(gè)數(shù)，表示場(chǎng)沿半圓周分布的最大值個(gè)數(shù)，n表示沿半徑表示沿半徑分布的最大值個(gè)數(shù)，分布的最大值個(gè)數(shù)，p表示場(chǎng)沿軸向分布的最大值個(gè)數(shù)。表示場(chǎng)沿軸向分布的最大值個(gè)數(shù)。在許多振蕩型式中，最有用的是在許多振蕩型式中，最有用的是TE111型和型和TE011型。型。第7章 微波元件圖7-5-6 TE111模中等精度波

11、長計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖TE111模的諧振波長為模的諧振波長為 (7-5-4)2211123.41la第7章 微波元件圖7-5-8 TE011模高精度波長計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖TE011模的諧振波長為模的諧振波長為 (7-5-5)2211121.64la第7章 微波元件u同軸諧振腔同軸諧振腔圖7-5-9 三種結(jié)構(gòu)的同軸諧振腔/2同軸線諧振腔；稱為同軸線諧振腔；稱為/4同軸線諧振腔；電容加載同軸諧振腔同軸線諧振腔；電容加載同軸諧振腔第7章 微波元件濾波器是用來分離不同頻率信號(hào)的一種器件。它的主濾波器是用來分離不同頻率信號(hào)的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號(hào)，使其不能通過濾波器，而只要作用是抑制不需要的信號(hào)，使

12、其不能通過濾波器，而只讓需要的信號(hào)通過。讓需要的信號(hào)通過。 在通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)等微波系統(tǒng)中，濾波器是必在通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)等微波系統(tǒng)中，濾波器是必不可少的設(shè)備，同時(shí)濾波器還是構(gòu)成多工器的基礎(chǔ)。濾波不可少的設(shè)備，同時(shí)濾波器還是構(gòu)成多工器的基礎(chǔ)。濾波器按頻率的通帶范圍可分為低通、高通、帶通和帶阻四個(gè)器按頻率的通帶范圍可分為低通、高通、帶通和帶阻四個(gè)類型。類型。7.6 7.6 微波濾波器微波濾波器第7章 微波元件圖7-6-1 濾波器的響應(yīng)特性第7章 微波元件濾波器主要技術(shù)指標(biāo)為：濾波器主要技術(shù)指標(biāo)為：(1) 截止頻率與帶寬即通帶的上下限頻率截止頻率與帶寬即通帶的上下限頻率f1和和f2，截止頻，

13、截止頻率之差即為濾波器帶寬。率之差即為濾波器帶寬。(2) 通帶衰減即通帶內(nèi)允許的最大衰減，要求越小越好。通帶衰減即通帶內(nèi)允許的最大衰減，要求越小越好。 (3) 帶外抑制即阻帶衰減，要求越大越好。帶外抑制即阻帶衰減，要求越大越好。(4) 寄生通帶是濾波器的特有指標(biāo)，寄生通帶是濾波器的特有指標(biāo)，這是由于傳輸線是這是由于傳輸線是分布參數(shù)，對(duì)頻率響應(yīng)具有周期性的原因，分布參數(shù)，對(duì)頻率響應(yīng)具有周期性的原因，其結(jié)果使離開其結(jié)果使離開設(shè)計(jì)通帶一定距離又產(chǎn)生了通帶，一般各通帶的中心頻率設(shè)計(jì)通帶一定距離又產(chǎn)生了通帶，一般各通帶的中心頻率成倍數(shù)關(guān)系。濾波器的截止頻率一定不能落在寄生通帶內(nèi)。成倍數(shù)關(guān)系。濾波器的截止

14、頻率一定不能落在寄生通帶內(nèi)。第7章 微波元件(5) 時(shí)延特性，信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間取決于群時(shí)延表示時(shí)延特性，信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間取決于群時(shí)延表示為為其中，其中，為濾波器的插入相移即該網(wǎng)絡(luò)的散射參量的相角為濾波器的插入相移即該網(wǎng)絡(luò)的散射參量的相角21。當(dāng)插入當(dāng)插入與與為線性關(guān)系時(shí)，為線性關(guān)系時(shí)，td為常數(shù)，信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生失真；為常數(shù)，信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生失真；當(dāng)不是線性關(guān)系時(shí)，信號(hào)會(huì)失真。當(dāng)不是線性關(guān)系時(shí)，信號(hào)會(huì)失真。dddt第7章 微波元件1. 低通濾波器低通濾波器圖7-6-2 15階同軸結(jié)構(gòu)低通濾波器使用高阻抗傳輸線實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電感，使用高阻抗傳輸線實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電感， 用低阻抗線實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容。用低阻抗線實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電

15、容。第7章 微波元件2. 高通濾波器高通濾波器高通濾波器的結(jié)構(gòu)通常用同軸短截線來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電感同軸短截線來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電感，用墊有聚四氟乙稀的內(nèi)導(dǎo)體圓盤實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電容墊有聚四氟乙稀的內(nèi)導(dǎo)體圓盤實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電容，從而構(gòu)成梯形高通濾波器圖7-6-3 高通濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路第7章 微波元件3. 帶通濾波器帶通濾波器一般相對(duì)帶寬小于一般相對(duì)帶寬小于20%稱為窄帶帶通濾波器，相對(duì)帶稱為窄帶帶通濾波器，相對(duì)帶寬大于寬大于40%稱為寬帶帶通濾波器。稱為寬帶帶通濾波器。其基本原理都可以歸結(jié)其基本原理都可以歸結(jié)為耦合腔的級(jí)聯(lián)為耦合腔的級(jí)聯(lián)(串聯(lián)或并聯(lián)串聯(lián)或并聯(lián))。圖7-6-4 帶通濾波器工作原理第7章 微波元件圖7

16、-6-5 波導(dǎo)帶通濾波器第7章 微波元件圖7-6-6 同軸帶通濾波器第7章 微波元件4. 帶阻濾波器帶阻濾波器帶阻濾波器可對(duì)某些特殊頻率進(jìn)行衰減，帶阻濾波器可對(duì)某些特殊頻率進(jìn)行衰減，其LC原型電路如圖7-6-7所示。圖7-6-7 帶阻濾波電路LC原型第7章 微波元件圖7-6-9 帶阻濾波器結(jié)構(gòu)第7章 微波元件圖7-6-10 9級(jí)帶阻濾波器響應(yīng)第7章 微波元件7.7.1 鐵氧體對(duì)圓極化波的導(dǎo)磁率鐵氧體對(duì)圓極化波的導(dǎo)磁率7.7 7.7 微波鐵氧體元件微波鐵氧體元件圖7-7-1 鐵氧體對(duì)正負(fù)圓極化波呈現(xiàn)的相對(duì)導(dǎo)磁率第7章 微波元件7.7.2 微波鐵氧體元件微波鐵氧體元件1. 場(chǎng)移式隔離器場(chǎng)移式隔離器

17、場(chǎng)移式隔離器是利用鐵氧體在外加恒定磁場(chǎng)作用下，對(duì)正負(fù)圓極化波所具有的不同特性而構(gòu)成的一種微波元件。它使正向傳輸?shù)牟o衰減(實(shí)際上是衰減很小)地通過，而對(duì)于反向傳輸?shù)牟▌t有較大的衰減。圖7-7-2 場(chǎng)移式隔離器第7章 微波元件圖7-7-3 場(chǎng)移式隔離器工作原理第7章 微波元件2. 共振式隔離器共振式隔離器 共振式隔離器的特點(diǎn)是恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度正好等于磁共振所需要的數(shù)值，即鐵氧體工作于圖7-7-1的諧振吸收區(qū)。鐵磁共振時(shí)，正圓極化磁場(chǎng)通過鐵氧體衰減很大，負(fù)圓極化磁場(chǎng)則衰減很小。電磁波由1向2端傳播時(shí)，因右側(cè)TE10波的磁場(chǎng)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，相對(duì)于H0為負(fù)圓極化磁場(chǎng)，電磁波的衰減很小，順利傳播；反之，電磁波

18、由2端向1端傳播時(shí)，鐵氧體處TE10波的磁場(chǎng)變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，相對(duì)于H0為正圓極化磁場(chǎng)，電磁波的衰減很大，無法傳播。因此， 共振式隔離器也可以起到隔離作用。第7章 微波元件圖7-7-4 共振式隔離器第7章 微波元件這兩種隔離器各有優(yōu)缺點(diǎn)，如下所述：(1) 場(chǎng)移式隔離器所需的恒定磁場(chǎng)比較小，但是所用的衰減片既要衰減量大，使反向傳輸?shù)墓β十a(chǎn)生極大的衰減，又要占的地方小，以免正向傳輸?shù)墓β食霎a(chǎn)生較大的衰臧，因此工藝上不易實(shí)現(xiàn)，制造不易。此外，衰減片裝在波導(dǎo)里，散熱也不容易。(2) 共振式隔離器的結(jié)構(gòu)簡單，功率容量大，但所需的恒定磁場(chǎng)比較大。第7章 微波元件3. 環(huán)行器環(huán)行器環(huán)行器是一種具有環(huán)行作用的微波器件。環(huán)行器原理如圖7-7-5所示。當(dāng)電磁波從臂輸入時(shí)，則由臂輸出，而臂無輸出。依次類推， 如從臂輸入，則輸出，無輸出。因?yàn)槭茄h(huán)置換，故取名為環(huán)行器。環(huán)行器用得最多的是結(jié)環(huán)行器，下面以Y結(jié)環(huán)行器為例進(jìn)行介紹。第7章 微波元件圖7-7-5 環(huán)形器原理圖第7章 微波元件圖7-7-6 Y形帶