微波技術(shù)與天線 第5章

第五章微波元器件

任何頻段工作的電子設(shè)備，都需要各種功能的元器件，既有如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路等無源元器件，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配、分配、濾波等功能；又有晶體管等有源元器件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生、放大、調(diào)制、變頻等功能。

在微波系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的產(chǎn)生、放大、變頻、匹配、分配、濾波等功能的部件，統(tǒng)稱為微波元器件。微波元器件按其變換性質(zhì)可分為三大類:線性互易元器件(linearreciprocaldevices)只對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性并滿足互易定理，主要包括：各種微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件等；線性非互易元器件(linearnonreciprocaldevices)主要是指鐵氧體器件，它的散射矩陣不對(duì)稱，但仍工作在線性區(qū)域，主要包括：隔離器、環(huán)行器等；非線性器件(nonlineardevices)能引起頻率的改變，從而實(shí)現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻等，主要包括微波電子管、微波晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場(chǎng)效應(yīng)管及微波電真空器件等。5.1連接匹配元件

微波連接匹配元件包括三大類:終端負(fù)載元件(terminalloaddevices)是連接在傳輸系統(tǒng)終端實(shí)現(xiàn)終端短路、匹配或失配等功能的元件；微波連接元件(microwaveconnector)是將作用不同的兩個(gè)微波系統(tǒng)按一定要求連接起來，主要包括：波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器及轉(zhuǎn)換接頭等；阻抗匹配元器件(impedancematcheddevices)是用于調(diào)整傳輸系統(tǒng)與終端之間阻抗匹配的器件，主要包括螺釘調(diào)配器、多階梯阻抗變換器及漸變型變換器等。1.

終端負(fù)載元件（單口元件）;

(1)

短路負(fù)載

(shortcircuitload)g/4g/4g/4波導(dǎo)短路活塞同軸線短路活塞有效短路面

短路負(fù)載又稱為短路器,它的作用是將電磁能量全部反射回去。對(duì)金屬波導(dǎo)最方便的短路負(fù)載是在波導(dǎo)終端接上一塊金屬片。實(shí)際中的短路器都是做成可以移動(dòng)的，這種短路負(fù)載又稱為可調(diào)短路活塞。

有效短路面匹配負(fù)載是一種幾乎能全部吸收輸入功率的元件。波導(dǎo)內(nèi)放置鍥形吸收體

或在波導(dǎo)外側(cè)加裝散熱片以利于散熱

對(duì)波導(dǎo)來說，小功率匹配負(fù)載一般在一段終端短路的波導(dǎo)內(nèi)放置一塊或幾塊劈形吸收片。當(dāng)吸收片平行地放置在波導(dǎo)中電場(chǎng)最強(qiáng)處，吸收片強(qiáng)烈吸收微波能量，其反射變小，劈尖的長(zhǎng)度越長(zhǎng)吸收效果越好，匹配性能越好，劈尖長(zhǎng)度一般取g/2的整數(shù)倍。劈形吸收片劈形玻璃容器當(dāng)功率很大時(shí)采用水負(fù)載

(2)匹配負(fù)載(matchedload)當(dāng)功率較大時(shí)微帶匹配負(fù)載用半圓形電阻作為吸收體,特點(diǎn)是頻帶寬而且功率容量也大

同軸線錐型匹配負(fù)載

同軸線梯形匹配負(fù)載

(3)失配負(fù)載(mismatchload)

失配負(fù)載既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率，而且一般制成一定大小駐波的標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載，主要用于微波測(cè)量。失配負(fù)載和匹配負(fù)載的制作相似，只是略微改變一下尺寸，使之和原傳輸系統(tǒng)失配。2.微波連接元件

微波連接元件是二端口互易元件，主要包括：波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器和轉(zhuǎn)換接頭。連接點(diǎn)接觸可靠;不引起電磁波的反射,輸入駐波比盡可能小,一般在1.2以下;工作頻帶要寬;電磁能量不會(huì)泄漏到接頭外面;而且結(jié)構(gòu)要牢靠,裝拆方便,容易加工等。

(1)波導(dǎo)接頭(waveguideconnector)

平法蘭扼流法蘭

平法蘭特點(diǎn)：加工方便、體積小、頻帶寬，其駐波比可以做到1.002以下，但要求接觸表面光潔度較高。常用于低功率、寬頻帶場(chǎng)合。

扼流法蘭特點(diǎn)：功率容量大，接觸表面光潔度要求不高，但工作頻帶較窄，駐波比的典型值是1.02。一般用于高功率、窄頻帶場(chǎng)合。

波導(dǎo)連接頭除了法蘭接頭之外，還有各種扭轉(zhuǎn)(twist)和彎曲(bend)元件，從而改變電磁波方向。1、衰減器：

同軸線衰減器

可調(diào)波導(dǎo)衰減器吸波材料片

作用：根據(jù)需要，減小所傳輸信號(hào)的幅度。

原理：用吸波材料吸收一定的電磁能量來實(shí)現(xiàn)衰減。(2)衰減元件和相移元件2、移相器：

原理：電磁波在不同介質(zhì)中具有不同的相移常數(shù)。因此改變電磁波經(jīng)過的介質(zhì)就可以改變其相移量。

作用：可以人為地改變傳輸電磁波的相位。低損耗介質(zhì)片l

當(dāng)將衰減器的衰減片換成介電常數(shù)r>1的低耗介質(zhì)片時(shí)，就構(gòu)成了移相器功率分配網(wǎng)絡(luò)天線陣元移相器源

應(yīng)用舉例：用于相控陣天線中，要求每個(gè)天線陣元輻射相位不同的電磁波。移相器的相移量1.同軸線―波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器它將同軸線的一端加信號(hào),另一端的內(nèi)導(dǎo)體伸入矩形波導(dǎo)內(nèi),則同軸線中TEM模就會(huì)激勵(lì)起矩形波導(dǎo)中TE10模,反之亦然。這樣實(shí)現(xiàn)了模式變換。(3)轉(zhuǎn)換接頭(switchingconnector)

微波從一種傳輸系統(tǒng)過渡到另一種傳輸系統(tǒng)時(shí)需要用轉(zhuǎn)換器2.波導(dǎo)―微帶轉(zhuǎn)接器由于矩形波導(dǎo)的等效阻抗通常在300Ω400Ω之間,而微帶線特性阻抗一般為50Ω;而且矩形波導(dǎo)的高度b又比微帶線襯底高度h大得多,因此兩種傳輸線不能直接相接,常在波導(dǎo)和微帶線之間加一段脊波導(dǎo)過渡段來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。2023/2/43.同軸線―微帶轉(zhuǎn)接器將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體向外延伸一小段(長(zhǎng)度約為12mm)與微帶線中心導(dǎo)帶搭接,同軸線的外導(dǎo)體與微帶線的接地平面相連的外殼相連,這種接頭根據(jù)報(bào)導(dǎo),在10GHz以下的頻率范圍內(nèi),可得到小于1.15的駐波比,在一般工程中應(yīng)用得到滿意的結(jié)果。3.阻抗匹配元件

(1)螺釘調(diào)配器(bolttuner)

使用時(shí)為了避免波導(dǎo)短路擊穿，螺釘都設(shè)計(jì)成容性，即螺釘旋入波導(dǎo)中的深度應(yīng)小于3b/4。

螺釘不同的深度等效為不同的電抗元件

螺釘調(diào)配器可分為單螺釘、雙螺釘、三螺釘和四螺釘調(diào)配器。單螺釘調(diào)配器通過調(diào)整螺釘?shù)目v向位置和深度來實(shí)現(xiàn)匹配的。

（2）多階梯阻抗變換器(multi-ladderimpedancechanger)

在第1章中我們已經(jīng)知道用λ/4阻抗變換器可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但嚴(yán)格說來只有在特定頻率上才滿足匹配條件，若要使變換器在較寬的工作頻帶內(nèi)仍可實(shí)現(xiàn)匹配，必須用多階梯阻抗變換器。波導(dǎo)形同軸形微帶形（3）漸變型阻抗變換器(gradedmodelimpedancechanger)

增加階梯的級(jí)數(shù)就可以增加工作帶寬，但增加了階梯級(jí)數(shù)，變換器的總長(zhǎng)度也要增加，尺寸會(huì)過大，另一方面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越困難，因此提出用漸變線代替多階梯。

漸變線：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變換到另一條傳輸線的特性阻抗。Zl5.2功率分配元器件

在微波系統(tǒng)中，往往需將一路微波功率按比例分成幾路，這就是功率分配問題。實(shí)現(xiàn)上述功能的元件稱為功率分配元器件(powerdivider)，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各種微波分支器件。1、定向耦合器3412

同向耦合輸入端口隔離端口耦合端口直通端口3412

反向耦合直通端口耦合端口輸入端口隔離端口

作用：從主傳輸線中取出一些電磁能量并向設(shè)定的方向傳輸?？梢杂脕肀O(jiān)視功率、頻率和頻譜;把功率進(jìn)行分配和合成;又可以測(cè)量反射系數(shù)和功率,等等。①②是一條傳輸系統(tǒng)，稱為主線③④為一條傳輸系統(tǒng)，稱為副線（1）、波導(dǎo)定向耦合器

雙孔定向耦合器（窄頻帶）341212343412123N

多孔定向耦合器（頻帶較寬）耦合端口3微波同相疊加，隔離口4反向抵消

單孔定向耦合器

理想狀態(tài)下，隔離端口應(yīng)當(dāng)沒有輸出，但實(shí)際上仍有一定輸出，因此應(yīng)在隔離端口接匹配負(fù)載，吸收這一部分功率。吸波材料

定向耦合器實(shí)例（2）微帶定向耦合器

平行耦合線定向耦合器距離較近的微帶線之間都有能量耦合。鋸齒形定向耦合器提高性能主線副線鋸齒形定向耦合器實(shí)例

微帶雙分支定向耦合器3214ABCD1輸入，2、3輸出，相位差90度；

4為隔離端口，無輸出；微帶雙分支定向耦合器實(shí)例2.功率分配器(powerdivider)

將一路微波功率按一定比例分成n路輸出的功率元件稱為功率分配器。按輸出功率比例不同，可分為等功率分配器和不等功率分配器。在結(jié)構(gòu)上，大功率往往采用同軸線，而中小功率常采用微帶線。

（1）微帶功率分配器：Y形分支T形分支微帶天線陣微帶天線陣元微帶線功分器實(shí)例一分二一分三主要特性：

3端口輸入：1、2等幅、反相輸出，4端口無輸出；

4端口輸入：1、2等幅、同相輸出，3端口無輸出；

1、2端口均有輸入：3端口輸出差信號(hào)，4端口輸出和信號(hào)；

3、4端口相互隔離；1、2端口相互隔離；

（2）微帶環(huán)形電橋（微帶魔T）1243微帶環(huán)形電橋?qū)嵗?.波導(dǎo)分支器(waveguidebranchcircuit)

將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的元件稱為波導(dǎo)分支器。1)E面T型分支當(dāng)微波信號(hào)從端口③輸入時(shí)，平均地分給端口①②，但兩端口是等幅反相的；當(dāng)信號(hào)從端口①②反相激勵(lì)時(shí)，則在端口③合成輸出最大；而當(dāng)同相激勵(lì)端口①②時(shí)，端口③將無輸出。結(jié)構(gòu)

等效電路

2)H面T型分支

當(dāng)微波信號(hào)從端口③輸入時(shí)，平均地分給端口①②，這兩端口得到是等幅同相的波；當(dāng)在端口①②同相激勵(lì)時(shí)，則在端口③合成輸出最大，而當(dāng)反相激勵(lì)時(shí)端口③將無輸出。3)匹配雙T或魔T(magic-Tcircuit)

將E―T分支和H―T分支合并，并在接頭內(nèi)加匹配以消除各路的反射，則構(gòu)成匹配雙T，也稱為魔T。H臂或和臂E臂或差臂

魔T具有對(duì)口隔離，鄰口3dB耦合及完全匹配的關(guān)系，因此它在微波領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，尤其用在雷達(dá)收發(fā)開關(guān)、混頻器及移相器等場(chǎng)合。

十字定向耦合器定向耦合器

魔T雙Ｔ

5.3微波諧振器件

在低頻電路中，諧振回路是一種基本元件，它是由電感L和電容C串聯(lián)或并聯(lián)而成，在振蕩器中作為振蕩回路用以控制振蕩器的頻率；在放大器中用作諧振回路；在帶通或帶阻濾波器中作為選頻元件等。在微波頻率上，也有上述功能的器件，這就是微波諧振器件(microwaveresonators)。

相當(dāng)于低頻中的諧振回路，具有儲(chǔ)能、選頻、穩(wěn)頻的功能；

用途：微波源、濾波器、選頻器等等；基本概念：

特點(diǎn)：理論上說，有無窮多個(gè)諧振頻率（多諧性）；品質(zhì)因素Q值很高（幾萬～幾十萬）； Q＝ω×諧振系統(tǒng)諧振時(shí)的平均儲(chǔ)能系統(tǒng)中每秒的能量消耗對(duì)于諧振腔而言，已經(jīng)無法分出哪里是電感、哪里是電容，腔體內(nèi)充滿電磁場(chǎng)，因此只能用場(chǎng)的方法進(jìn)行分析。

1、矩形波導(dǎo)諧振腔

三個(gè)整數(shù)m、n、l

的每一種組合都對(duì)應(yīng)腔內(nèi)的一種諧振模式，因此：有無窮多個(gè)諧振模式；（1）波導(dǎo)型諧振器：abl

應(yīng)采用兩端短路的方式；2、圓波導(dǎo)諧振腔la

品質(zhì)因數(shù)正比于腔體積，反比于腔內(nèi)壁面積，故在同樣體積情況下，圓波導(dǎo)諧振腔比矩形諧振腔品質(zhì)因數(shù)高，性能好，加工也容易，是最常用的諧振腔。

應(yīng)采用兩端短路的方式；（2）同軸腔諧振器：

諧振模式為TEM模式，場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定、頻帶寬，應(yīng)用廣泛；1、兩端短路同軸諧振腔：l

短路活塞可改變腔長(zhǎng)，從而改變諧振頻率短路活塞可調(diào)l()為自然數(shù)諧振頻率nlnfem2

=2、一端短路另一端開路同軸諧振腔：金屬蓋板防輻射l

內(nèi)導(dǎo)體可移動(dòng)，用于改變諧振頻率

實(shí)際結(jié)構(gòu)可調(diào)l

()為自然數(shù)諧振頻率nlnfem412-=微帶諧振器lab線節(jié)諧振器環(huán)形諧振器圓盤形諧振器諧振條件：1、線節(jié)諧振器、縫隙諧振器：2、環(huán)形諧振器：平均周長(zhǎng)＝5.4微波鐵氧體器件

許多情況下，我們需要具有非互易性的器件。例如，在微波系統(tǒng)中，負(fù)載的變化對(duì)微波信號(hào)源的頻率和功率輸出會(huì)產(chǎn)生不良影響，使振蕩器性能不穩(wěn)定。為了解決這樣的問題，最好在負(fù)載和信號(hào)源之間接入一個(gè)具有不可逆?zhèn)鬏斕匦缘钠骷＿@種器件具有單向通行、反向隔離的功能，稱為隔離器(isolators)。另一類非互易器件是環(huán)行器(circulators)，它具有單向循環(huán)流通功能。

在非互易器件中，非互易材料是必不可少的，微波技術(shù)中應(yīng)用很廣泛的非互易材料是鐵氧體。鐵氧體是一種黑褐色的陶瓷，最初由于其中含有鐵的氧化物而得名。實(shí)際上隨著材料研究的進(jìn)步，后來發(fā)展的某些鐵氧體并不一定含有鐵元素。目前常用的有鎳-鋅、鎳-鎂、錳-鎂鐵氧體和釔鐵石榴石（YIG）等。

特性：微波鐵氧體(ferrite)的電阻率很高，比鐵的電阻率大1012~1016倍，當(dāng)微波頻率的電磁波通過鐵氧體時(shí)，導(dǎo)電損耗是很小的。鐵氧體的相對(duì)介電常數(shù)為10-20，更重要的是，它的磁導(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)而變，即具有非線性；再加上恒定磁場(chǎng)以后，它在各方向上對(duì)微波磁場(chǎng)的磁導(dǎo)率是不同的，就是說各向異性的。由于這種各向異性，當(dāng)電磁波從不同的方向通過磁化鐵氧體時(shí)，便呈現(xiàn)一種非互易性(nonreciprocalproperties)

。利用這種效應(yīng)，便可以做成各種非互易微波鐵氧體元件。最常用的有隔離器和環(huán)行器。隔離器入射波入射波反射波AA’入射波可通過，反射波不可通過隔離器也叫反向器，它的基本特性是電磁波正向通過時(shí)幾乎無衰減，反向通過時(shí)衰減很大。常用于阻抗匹配一、隔離器二、Y型結(jié)環(huán)形器鐵氧體外加恒定磁場(chǎng)波導(dǎo)環(huán)形器實(shí)例

入射波到達(dá)分支口分為兩路。對(duì)恒定磁場(chǎng)而言，一路為左旋，一路為右旋，由于鐵氧體對(duì)不同旋向的波表現(xiàn)出不同的磁導(dǎo)率，電磁波將偏向磁導(dǎo)率高的一邊，即：能量向磁導(dǎo)率高的一邊集中。環(huán)形器用于天線收發(fā)開關(guān)：天線接收機(jī)發(fā)射機(jī)發(fā)射通路接收通路發(fā)射機(jī)、接收機(jī)之間良好隔離微波濾波器C1C3C5L2L4L6

高阻抗短線（窄線）相當(dāng)于串聯(lián)電感

低阻抗短線（寬線）相當(dāng)于并聯(lián)電容C1C3C5L2L4L6

微帶電路實(shí)現(xiàn)方案微帶低通濾波器

集總元件電路微帶帶通濾波器輸入輸出兩端開路的微帶段，長(zhǎng)度均為λg/2

微帶段兩端開路，波導(dǎo)波長(zhǎng)等于λg

的電磁波才可以在微帶段上諧振并持續(xù)存在；

微帶段與微帶段之間有能量耦合；

輸入信號(hào)中，只有諧振頻率及其附近頻率的信號(hào)才可以一級(jí)