微波元件學習教案

1、會計學1微波微波(wib)元件元件第一頁，共55頁。ab第2頁/共55頁第二頁，共55頁。同軸線波導(b do)轉接器如圖，這是一種連接同軸線和波導(b do)的元件。通過它可以實現同軸線中TEM與矩形波導的TE10模轉換，它把同軸線內的導體與波導 壁可靠連接探針遠端在波導內形成近似TE10模的電磁場。由于波導可以抑制高次模，這樣(zhyng)就可實現兩種傳輸線的導行波的轉換。為使其傳播，應將距探針處的波導短截。調整探針的長度和位置，可以減少傳輸線的反射。第3頁/共55頁第三頁，共55頁。同軸線微帶線轉接器同軸線與微帶線之間的轉換(zhunhun)如圖所示。它實現了同軸線中的模與微帶中的模之間

2、 轉化，分為兩種方式(fngsh)，同軸線的內導體直徑要根據微帶線的波阻抗來選擇，同軸線外導體要與微帶的金屬接地板可靠的連接。接地板介質導體帶同軸線第4頁/共55頁第四頁，共55頁。右圖為波導(b do)和微帶的轉接器的實物它實現了波導中TE10模與微帶中準TEM模的轉換采用脊波導過度，來彌補波阻抗的差異，其實質上可以理解為連續(xù)變化的阻抗變換。連接處取波導脊與相對寬壁的間隙為微帶介質基片厚度，寬度等于微帶線寬高度可以階梯改變(gibin)，為了更完善的匹配可在脊波導與微帶之間加入一段空氣微帶線過度。第5頁/共55頁第五頁，共55頁。矩形圓形截面(jimin)波導轉接器因矩形和圓截面波導的主模的

3、場結構很相似，所以可以采用波導截面漸變的結構來實現模式(msh)轉接。如圖所示圓截面波導中的TM01模和TE01模因其結構的旋轉對稱性可以由矩形波導的TE10模構造由此形成矩形截面波導TE10模轉換成圓波導TM01和TE01模的轉接器因是高次模式而且簡并，所以在轉化時候(sh hou)還要考慮如何抑制TE11等模.第6頁/共55頁第六頁，共55頁。4.2 波導分支(fnzh)接頭ET分支(fnzh)Z0Z0123T形接頭是一種將一路信號分成(fn chn)兩路的三端口元件，圖示的是E-T分支接頭和其等效電路第7頁/共55頁第七頁，共55頁。E-T分支分支(fnzh)的場分布圖的場分布圖第8頁/

4、共55頁第八頁，共55頁。第9頁/共55頁第九頁，共55頁。E-T分支的分支波導延伸方向與主波導中的TE10模。電場平行為了使用方便，它總是(zn sh)作成對稱的由矩形波導中導行TE10模時的電場在各臂的關系，可以看出它有如下特性。當TE10模從端口3輸入(shr)時，1和2口輸出等幅反相波當TE10模從端口1和2等幅同相輸入時，3口無輸出主波導內為駐波。對稱(duchn)面為電場的波腹位置當TE10模從端口1和2等幅反相輸入時，3口有最大輸出，對稱面為電場的波節(jié)位置由波導臂上的電流分布可以看出E-T分支相當于串接在主波導上波導分支接頭第10頁/共55頁第十頁，共55頁。H-T分支(fnzh

5、)124H-T分支波導延伸(ynshn)方向與主波導的TE10模的磁場平行，如圖所示仍把兩臂端口令為1和2分支為4口同樣可以分析得出(d ch)H-T的工作特性當TE10模從端口4輸入時，1和2口輸出等幅同相波當TE10模從端口1和2等幅同相輸入時，4口有最大輸出，主波導內為駐波。對稱面為電場的波腹位置當TE10模從端口1和2等幅反相輸入時，4口無輸出，對稱面為電場的波節(jié)位置。第11頁/共55頁第十一頁，共55頁。H-T分支分支(fnzh)的場分布圖的場分布圖第12頁/共55頁第十二頁，共55頁。雙T分支(fnzh)雙T為E-T分支和H-T分支的組合，由前面(qin mian)的分析可以得出雙

6、T有如下特性當TE10模從端口4輸入(shr)時，1和2口輸出等幅反相波，3口無輸出當TE10模從端3口輸入時，1和2口有等幅同相波輸出，4口沒有輸出當TE10模從端口1和2等幅同相輸入時，3口有輸出，4口沒有輸出，若端口1和2等幅反相輸入時， 4口有輸出，3口沒有輸出。1234第13頁/共55頁第十三頁，共55頁。雙T相當于在主波導的同一位置處同時開了一個(y )串口和并口，它可以等效為普通的平衡電路。雙T分支可以作為(zuwi)功率分配器或是功率合成器，其兩個相互隔離的分支，當每一個接通一個信號源時，在主波導的兩個端口可以分別得到兩信號的和或差，而且互不影響。31241234第14頁/共5

7、5頁第十四頁，共55頁。4.3 波導(b do)R,L,C元件匹配負載用于吸收全部(qunb)的入射功率，通常接于系統(tǒng)的終端。它由一段波導和吸收微波功率的材料構成。圖示的是低功率的匹配負載示意圖，尖劈吸收片由特殊材料制成，置于波導內電場幅值最大的地方，且與波導內模電場方向平行。第15頁/共55頁第十五頁，共55頁。在同軸微帶的傳輸系統(tǒng)中一般用圖示的匹配負載，它有多種形式。它將吸收材料填充于內外導體之間，終端短路以防止(fngzh)信號功勞泄露。在微帶匹配負載中，在距離開路終端四分之一波長處是電阻性薄膜，后面是四分之一開路線。吸收材料的末端相當于與接地板短路，防止(fngzh)微波信號功率泄露。

8、導帶介質基片電阻薄膜波導(b do)R,L,C元件第16頁/共55頁第十六頁，共55頁。衰減器衰減器用于在一定范圍內調整微波信號的幅值，通過對未必信號產生一定的衰減實現。按工作原理可以分為分為吸收式衰減器截止波導衰減器和極化(j hu)衰減器三種類型。吸收式衰減器是在一段波導內放置吸收吸收片，用以吸收部分信號功率而實現(shxin)衰減。移動吸收片的位置對信號的衰減是不同的，因此可以作為可變衰減器。內置吸收片可以作成尖劈或緩變曲線的邊界形狀。截止波導衰減器是利用波導內的截止場量沿波導縱向(zn xin)呈指數衰減的特性。對于圓截面波導的截止衰減器其截面半徑滿足截止條件：Rc41. 3在滿足上式

9、的條件下圓波導中的所有高次模都被截止。第17頁/共55頁第十七頁，共55頁。在截止圓截面波導始端激勵(jl)起的TE11模幅值沿縱向按指數衰減分布zerzrFF.為衰減常數，設波導信號輸入功率(gngl)為P1，耦合到輸出端的信號功率(gngl)為P0，在同軸線中信號功率(gngl)為Pl則相對于P1的衰減量以分貝表示為 dBlLeLerFrFPPPPPPPPlLlll68. 80lg200.lg10lg10lg10lg1020110011第18頁/共55頁第十八頁，共55頁。截止波導衰減器衰減分貝數與移動(ydng)距離l之間呈線形關系，由于衰減常數比較大這樣只要移動(ydng)很小的距離就

10、可獲得很大的衰減，但是輸入輸出端反射很大，在應用中還要采取匹配措施。極化式衰減(shui jin)器由兩個矩形截面波導圓截面波導轉接器和一段同軸波導構成。在輸入矩形截面的TE10模，經過轉接器變?yōu)閳A波導的TE11模，電場不產生衰減(shui jin)，進入圓截面波導后，若圓截面波導右旋一角度則電場垂直于網2平面的分量無衰減(shui jin)通過，其值為cos1EE 當經過(jnggu)輸出端的轉接器后，轉化為TE10模輸出，其量值為212coscosEEE第19頁/共55頁第十九頁，共55頁。這樣，衰減器衰減量與圓截面波導(b do)的旋轉角度有關，其衰減量分貝為dBEEPPLcoslg40

11、cos1lg10lg10lg10422121第20頁/共55頁第二十頁，共55頁。電抗(dinkng)元件膜片，銷釘(xiodng)和螺釘在一段波導上下對稱(duchn)放置金屬膜片，當波導寬臂上縱向電流到達膜片時被截斷，在膜片端口聚集電荷，隨著導行波的傳輸電荷量也隨之變化。因此上下膜片相當于構成了一個并聯的電容，稱為電容膜片cz0z0第21頁/共55頁第二十一頁，共55頁。當膜片在波導窄臂上時則等效為一個(y )電感，這樣放置的膜片又稱為電感膜片。Lz0z0第22頁/共55頁第二十二頁，共55頁。如果在波導的橫截面上同時放上電容和電感膜片，這樣就形成(xngchng)了一個諧振腔，波導傳輸信

12、號的頻率等效為諧振頻率，諧振頻率決定于窗口的尺寸。在矩形波導中置放與波導上下(shngxi)寬臂連接的金屬棒，稱為電感銷釘或電感棒，它可以看作是電感膜片的變形，其電感量與棒的粗細有關。L第23頁/共55頁第二十三頁，共55頁。以上元件(yunjin)只能作為固定的電抗元件(yunjin)使用，是小功率微波系統(tǒng)中常用的調諧和匹配元件(yunjin)。還可以用螺釘鉆入波導的深淺構成一個與波導傳輸線并聯的可變電容.cz0z0第24頁/共55頁第二十四頁，共55頁。波導和同軸短路(dunl)活塞終端短路或開路的傳輸線，終端全反射，且距終端任意遠處看去的輸入阻抗總是純電抗(dinkng)。而波導終端開路

13、時，不是全反射，而短路時，相當于普通的傳輸線，若短路面可移動，這種可移動的短路器在微波系統(tǒng)中應用很廣泛。對短路活塞的要求是保證短路片與波導臂面或同軸線內外導體良好的接觸。左圖為波導型右圖為同軸線型的活塞結構，機械點與短路面間距為四分之一波長，這樣(zhyng)接觸損耗小第25頁/共55頁第二十五頁，共55頁。目前廣泛使用的是同軸型和波導型抗流短路活塞，它們利用四分之一波長(bchng)線的阻抗變換作用，使活塞形成短路面，這種結構損耗小，壽命長，但是工作頻帶較窄。第26頁/共55頁第二十六頁，共55頁。4.4 定向(dn xin)耦合器定向耦合器是利用小孔耦合.分支耦合及平行線耦合等方式,把主傳

14、輸線中的一部分信號(xnho)取出,用于微波系統(tǒng)的監(jiān)測,信號(xnho)功率的分配或合成.第27頁/共55頁第二十七頁，共55頁。定向(dn xin)耦合器的基本指標1432定向耦合器耦合度,定義為1口輸入(shr)功率P1與3口輸出P3功率之比的分貝數dBPPC31lg10隔離度,定義(dngy)為1口輸入功率P1與4口輸出功率P4之比的分貝數dBPPI41lg10第28頁/共55頁第二十八頁，共55頁。方向性,定義(dngy)為3口輸出功率P3與4口輸出功率P4之比的分貝數dBPPD43lg10此外,定向耦合器還有輸入駐波比這一指標.與其它(qt)的微波元件一樣定向耦合器也有工作頻帶寬度的

15、指標,它是指上述各項指標都滿足要求時的頻率范圍.第29頁/共55頁第二十九頁，共55頁。波導(b do)窄壁雙孔定向耦合器lABAB4132如圖,主副矩形截面波導窄壁為公共壁,上有兩個形狀相同的間距為l的小孔.信號由主波導口1輸入(shr),并令波幅為1.令小孔的耦合系數(xsh)為C,C+.C- 分別為向3口和4口傳輸的部分,假定輸入波經過小孔a,b后幅值不變.第30頁/共55頁第三十頁，共55頁。在副波導中向端口3傳輸的耦合波,由小孔a和b兩部分(b fen)組成他們到達BB時耦合波為ljljljeCeCeCA23在向4口傳輸(chun sh)的波在AA處的耦合疊加波為ljljleCeCC

16、Acos224耦合度為4lg101lg101lg10223CAC隔離度為4lg10cos1lg101lg10224lCAI第31頁/共55頁第三十一頁，共55頁。定向(dn xin)性為2222423cos1lg10lg10lg10lCCAAD若小孔無方向性,則有l(wèi)Dcoslg20實際應用中端口4都要接匹配負載,用來吸收傳來的信號(xnho)功率.為了展寬工作頻帶,可以采用多孔耦合方式.第32頁/共55頁第三十二頁，共55頁。4.5 微波(wib)諧振器諧振系統(tǒng)(xtng)的基本功能是實現頻率的選擇，它是選頻放大器?；祛l器倍頻器等多功能電路中的重要組成部分。在微波頻段諧振系統(tǒng)不能用集總參數的電

17、路實現，而是采用傳輸線來實現。駐波狀態(tài)的傳輸線也是諧振系統(tǒng)其電磁能量的轉換頻率也是諧振頻率，它傳輸的電磁能量是沿空間分布的。對于微波傳輸線的駐波狀態(tài)同軸線特別是金屬波導只能用短路(dunl)條件來實現，因為開路時存在輻射不能形成所要求的駐波。第33頁/共55頁第三十三頁，共55頁。abc0czTE10同軸線或波導(b do)短截后就形成了封閉的腔。以矩形波導(b do)角柱腔為例。如圖所示。截面內口尺寸為a和b，長為c的矩形截面波導(b do)，導行TE10模，其場分量的表達式為：zjziexaHHcos0zjxiexaHajHsin0第34頁/共55頁第三十四頁，共55頁。zjyiexaHu

18、ajEsin0以Hz為例，入射波抵達終端短路截面時，由理想(lxing)倒替的邊界條件，短截位置處是Hz波節(jié)位置 zjcjzizreexaHcHcH20cosHz 反射波Hzr 到達(dod)始端截面與入射波疊加形成波節(jié)。這要求C為半波長的整數倍 cjzizrexaHcHcHcos0反射(fnsh)波Hzr是以z=c為起點，向-z方向傳播的波第35頁/共55頁第三十五頁，共55頁。2 . 1 . 0,2ppcp122pjcjee所以 Hz的反射(fnsh)波表達式可以寫成 cjzrexaHcHcos0同樣(tngyng)的步驟可以求出 TE10模的Hx及Ey的反射表達式zjxrexaHajHs

19、in0zjyrexaHuajEsin0第36頁/共55頁第三十六頁，共55頁。波導短截后的任意z處的電場(din chng)和磁場是入射波和反射波的疊加取cpcppp,22, 1則zcxajHeexaHHHHzjzjzrzizsincos2cos00zcxaHajHxcossin20zcxaHuaEysinsin20第37頁/共55頁第三十七頁，共55頁。這就是(jish)長為的矩形波導，短截為角拄腔來傳輸(chun sh)TE10模2p反射疊加后形成的場，它是一個在腔內空間(kngjin)場量幅值分布確定的諧振模式。由TE10模反射疊加形成的p為1的諧振模為TE101模，模式標數為m,n,p

20、的取值，表示在腔的x,y和z方向上場幅分布規(guī)律的半駐波數通過分析可以看出，由于邊界條件的變化，腔體中的場相比矩形截面波導中TE10模發(fā)生了變化。電場和磁場在腔體中的變化與LC諧振回路中電磁儲能和相互轉換是很相似的。第38頁/共55頁第三十八頁，共55頁。諧振(xizhn)波長經分析，波導z方向(fngxing)短截后的諧振角頻率為22201cpbnam用波長(bchng)表示，角拄腔波長(bchng)為22202cpbnam在尺寸a,b,c確定的諧振腔中，不同的標數m,n和p就會確定一個諧振模式，對于TE101模式的諧振波長為220112ca第39頁/共55頁第三十九頁，共55頁。對于確定的模

21、式有一定的諧振波長(bchng)，改變腔體尺寸即可調諧確定模式的波長(bchng)。還要看到在腔體尺寸(ch cun)確定的情況下，還會出現模式的簡并現象，用于通信的諧振腔，一般要求單模工作，而用于工業(yè)和家電系統(tǒng)則要求多模工作。為了減少簡并的出現，角拄腔的尺寸(ch cun)要防止a=b=c的情況。第40頁/共55頁第四十頁，共55頁。諧振腔的品質因數品質因數是諧振系統(tǒng)的基本(jbn)特性參數，它與諧振系統(tǒng)的損耗直接有關系，對品質因數的定義是：諧振時系統(tǒng)中存儲的電能或磁能與一周期內系統(tǒng)損耗的能量之比的2倍0002RRPWTPWQ其中(qzhng)VVVVVVdVHdVdVdVEdVdVW220

22、22212221HHHBEEED諧振腔的損耗只有因腔壁電流(dinli)引起的熱損耗，則SSlRdSRJP221第41頁/共55頁第四十一頁，共55頁。R S 為 腔 壁 表 面(biomin)電阻率210SR由此可以(ky)計算出品質因數SStVSStVSSVdSRHdVHdSRHdVHdSRJdVHQ222020220221212對于角柱腔中TE101模，帶入上式，可得到內輪廓(lnku)尺寸為a,b和c的腔的品質因數2223220112112211cbcabacaQ第42頁/共55頁第四十二頁，共55頁。通過分析可以知道(zh do)，腔的容積V與內壁面積S之比越大，腔壁導體材料的透入深

23、度越小，腔的品質因數越高。銅材料(cilio)的諧振腔一般在工作模式下的Q值達到10000并不困難，這遠遠超過LC諧振回路的品質因數第43頁/共55頁第四十三頁，共55頁。諧振腔的激勵(jl)諧振腔作為選頻系統(tǒng)(xtng)總要與外界電路連接。通常要求在一定的頻率范圍內諧振腔都是單模工作，模式不同，其諧振頻率也不同。在諧振腔內除了所選定的模式之外還有干擾(gnro)模式存在，必須加以抑制，對腔體激勵的基本考慮是，激勵耦合裝置必須能夠在腔內產生與選定諧振模式相近似的的場結構。同時還要考慮抑制干擾(gnro)。腔在與外電路連接后相當于增加了負載而使損耗增加，品質因數要下降。，在空載時候的品質因數又叫

24、固有品質。第44頁/共55頁第四十四頁，共55頁。圓柱(yunzh)腔l2RZ截面內直徑為2R的圓截面波導，取其長度(chngd)為L并使端面短截即構成圓柱諧振腔。它的體積與面積比值越大，在相同材料時品質因數越高圓柱腔越容易制作。在圓柱(yunzh)腔的應用中了解各種諧振模式的場結構對于計算品質因數，決定耦合孔的位置都是必須的。圓柱腔中各模式諧振波長計算公式為220221lpRPTMmnmnp第45頁/共55頁第四十五頁，共55頁。220221lpRPTEmnmnp圓柱腔中最常用的諧振模式是TE111,TE011和TM010，它們可以看作是有圓截面波導中相對應的TE11,TE01,TM01三個

25、傳輸(chun sh)模式在軸向反射疊加而成的。TE111模的諧振(xizhn)波長為2211102141. 311lRTE第46頁/共55頁第四十六頁，共55頁。當腔的長度大于2R時，該模式是圓柱腔中諧振波長最長的模式，有利于避免干擾模。在相同(xin tn)的諧振波長的情況下，其體積最小，調諧范圍較寬。但是它具有極化簡并，固有品質因數較低。TE011模的諧振(xizhn)波長為2201102164. 111lRTE該模式特點是場結構穩(wěn)定，不存在極化(j hu)簡并。側壁和端壁上只有角向壁電流，固有品質因數高，因側壁和端壁沒有壁電流，可以使用非接觸式活塞進行調諧，這樣有利于抑制某些干擾模。第

26、47頁/共55頁第四十七頁，共55頁。TM010模的諧振(xizhn)波長為RTM62. 20100該模式的諧振波長與腔體的長度l無關，故不能通過改變l的長度來實現調諧，圓柱腔中模式結構很簡單。諧振腔中此種模式的電場和磁場的集中空間區(qū)域(qy)特別明顯。常用做參量放大器的振蕩腔和諧振式波長計。第48頁/共55頁第四十八頁，共55頁。模式圖為了直觀的表示圓柱腔中的各諧振頻率和腔體尺寸(ch cun)的關系，我們可以作出模式圖。將諧振模式波長表示為22220022mnPlDpvDfTMmnp模22220022mnPlDpvDfTEmnp模由上式可以作出一組直線(zhxin)方程圖，稱為圓柱腔的模式

27、圖。它是和的 函 數(hnsh)2lD200vDf模式圖中每一條直線表示一種諧振模在D確定的情況下，諧振頻率和長度l的關系。第49頁/共55頁第四十九頁，共55頁。在微波通信技術中，一般要求諧振腔單模工作，設計(shj)時避免干擾是一個很重要的問題，可以借助模式圖來實現。圓柱腔中工作模式的激勵和前面一樣，要在圓柱腔中建立所要求的工作模式，激勵裝置必須要建立起與所要求模式場結構相近的模式。同時(tngsh)要盡可能的抑制干擾模的出現。第50頁/共55頁第五十頁，共55頁。4.6 微波(wib)鐵氧體元件微波鐵氧體元件的物理(wl)特性鐵氧體是鐵和其他的元素構成的具有鐵磁性的復合氧化物。是在電信技術中廣泛應用的材料。鐵氧體呈黑褐色，其機械性能類似于陶瓷。具有很高