微波技術(shù)與天線第三章3.4

微波技術(shù)與天線編著曹祥玉高軍

曾越勝楊芳2024/1/141高等學(xué)校信息工程類專業(yè)規(guī)劃教材西安電子科技大學(xué)出版社Http://2024/1/142第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件微波系統(tǒng)中常用的的部件衰減器移相器定向耦合器微波濾波器微波諧振器2024/1/143第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.1衰減器和移相器衰減器和移相器分別是用來(lái)改變傳輸線路中電磁波的幅度和相位的部件

為了固定傳輸系統(tǒng)內(nèi)傳輸功率的功率電平,傳輸統(tǒng)內(nèi)必須接入衰減器,對(duì)微波產(chǎn)生一定量的衰減。衰減量固定不變的稱為固定衰減器,衰減量可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的稱為可變衰減器。

對(duì)衰減器的要求:輸入駐波比小,頻帶寬?？勺兯p器1.衰減器2024/1/144第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件2.移相器移相器是對(duì)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。對(duì)移相器主要要求是移相范圍要大,且符合一定的變化規(guī)律,精度要高,插入駐波比要小,工作頻帶和功率容量必須符合要求等。移相器可以分為固定移相器和可變移相器。2024/1/145第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.2定向耦合器

定向耦合器在微波技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用,如用來(lái)監(jiān)視功率、頻率和頻譜;把功率進(jìn)行分配和合成;構(gòu)成雷達(dá)天線的收發(fā)開關(guān)、平衡混頻器和測(cè)量電橋;又可以利用定向耦合器來(lái)測(cè)量反射系數(shù)和功率,等等。a)為微帶分支定向耦合器,圖(b)為波導(dǎo)單孔定向耦合器,圖(c)為平行耦合線定向耦合器,圖(d)為波導(dǎo)匹配雙T,圖(e)為波導(dǎo)多孔定向耦合器,圖(f)為微帶混合環(huán)。定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件。2024/1/146第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.2定向耦合器定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)：耦合度、定向性、輸入駐波比

和工作帶寬1.耦合度C耦合度C定義為輸入端口的輸入功率P1和耦合端口的輸出功率P3之比的分貝數(shù)。耦合度的分貝數(shù)愈大耦合愈弱。通常把耦合度為0~10dB的定向耦合器稱為強(qiáng)耦合定向耦合器;把耦合度為10~20dB的定向耦合器稱為中等耦合定向耦合器;把大于20dB的耦合度的定向耦合器稱為弱耦合定向耦合器。

2024/1/147第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.2定向耦合器2.定向度D在理想情況下,隔離端口應(yīng)沒有輸出功率,但由于受設(shè)計(jì)公式和制造的精度的限制,使隔離端口尚有一些功率輸出。通常采用耦合端口和隔離端口的輸出功率之比的分貝數(shù)來(lái)表示定向耦合器的定向傳輸性能,稱為定向性D。2024/1/148第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.2定向耦合器3.輸入駐波比ρ將定向耦合器除輸入端口外,其余各端口均接上匹配負(fù)載時(shí),輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比。4.工作頻帶寬度滿足定向耦合器以上三個(gè)指標(biāo)的頻率范圍,即為工作頻帶寬度,簡(jiǎn)稱工作帶寬。2024/1/149第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器微波濾波器是微波系統(tǒng)中的重要元件之一,它是用來(lái)分離或組合各種不同頻率信號(hào)的重要元件。在微波中繼通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)技術(shù)電子對(duì)抗及微波測(cè)量中,具有廣泛的應(yīng)用。按功能分：低通、高通、帶通和帶阻濾波器。按濾波器的頻率響應(yīng)來(lái)劃分：巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等；按濾波器的構(gòu)成元件來(lái)劃：有源型及無(wú)源型兩類；按濾波器的制作方法和材料：波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。2024/1/1410第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器1.微波濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)(1)截止頻率fc或頻率范圍f1~f2;(2)通帶內(nèi)允許的最大插入衰減LAr(dB);(3)阻帶內(nèi)最小衰減LAS(dB)及相應(yīng)的阻帶頻率fs。當(dāng)fs固定時(shí),LAS愈大表示阻帶的插入衰

減頻率特性曲線愈陡,性能愈好。

2024/1/1411第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器2.濾波器特性的表征方式濾波器是具有頻率選擇性的二端口網(wǎng)絡(luò)可用插入衰減的頻率特性來(lái)表示,簡(jiǎn)稱為衰減特性。(1)普通電路2024/1/1412第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器(2)微波低通濾波器同軸線型微波低通濾波器2024/1/1413第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器(3)微波高通濾波器同軸高通濾波器帶通2024/1/1414第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器(4)微波帶通濾波器波導(dǎo)帶通濾波器2024/1/1415第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器(5)微波帶阻濾波器微帶帶阻濾波器2024/1/1416第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器3.濾波器的微波實(shí)現(xiàn)微波濾波器的設(shè)計(jì)方法和低頻濾波器基本相同,但由于微波波長(zhǎng)短,頻率高,必須要用分布參數(shù)元件來(lái)代替低頻電路中的集總參數(shù)元件。(1)串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的微波實(shí)現(xiàn)

(一)串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的微波實(shí)現(xiàn)

長(zhǎng)度l＜λp/8的終端短路的傳輸線可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電感。

2024/1/1417第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器長(zhǎng)度l＜λp/8的終端開路的傳輸線可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容。

(二)高低阻抗線一段長(zhǎng)度為l,特性阻抗為Z0的均勻無(wú)耗傳輸線可以等效為T型或Π型二端口網(wǎng)絡(luò),如圖(b)和(c)所示。等效電路元件參量與傳輸線參量之間的關(guān)系可以通過(guò)兩個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的［A］矩陣對(duì)應(yīng)相等而求得。

2024/1/1418第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器當(dāng)傳輸線的長(zhǎng)度l＜λp/8時(shí):由[A]θ=[A]T和[A]θ=[A]Ⅱ分別得到圖(b)和(c)等效電路中的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容為:

2024/1/1419第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器結(jié)論：若短線的特性阻抗Z0很大,長(zhǎng)度＜λp/8的高阻抗線可等效為一個(gè)串聯(lián)電感;若短線的特性阻抗Z0很小,長(zhǎng)度l＜λp/8的低阻抗線可以等效為一個(gè)并聯(lián)電容。2024/1/1420第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.3微波濾波器微帶線低通濾波器2024/1/1421第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.4微波諧振器低頻電路中：采用集中參數(shù)的LC諧振回路來(lái)儲(chǔ)能和選頻的。

集中參數(shù)的LC諧振回路不能用在微波波段作儲(chǔ)能和選頻元件。

隨著頻率的升高,輻射損耗、導(dǎo)體損耗以及介質(zhì)損耗都會(huì)急劇增加,使諧振回路的品質(zhì)因數(shù)大大降低,選頻特性變差;

隨著頻率的升高，電感量L和電容量C將愈來(lái)愈小,體積也愈來(lái)愈小,致使電感器和電容器的制作困難。為了克服上述缺點(diǎn),必須采用封閉形的微波諧振器(又稱諧振腔)來(lái)作儲(chǔ)能和選頻元件。2024/1/1422第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.4微波諧振器這種諧振器可以定性看成是由集中參數(shù)LC諧振回路演變而來(lái)的。2024/1/1423第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.4微波諧振器特點(diǎn)：——與LC電路的比較LC諧振腔（器）能量損耗諧振頻率

電能集中在電容器中，磁能集中在電感線圈中，電磁能量相互轉(zhuǎn)換，形成電磁振蕩；電能與磁能的時(shí)間相位差為

/2；電能時(shí)間平均值等于磁能時(shí)間平均值電磁能集中在同一腔體中，電磁能量相互轉(zhuǎn)換，形成電磁振蕩；電能與磁能的時(shí)間相位差為

/2；電能時(shí)間平均值等于磁能時(shí)間平均值輻射損耗，介質(zhì)損耗，導(dǎo)體損耗無(wú)輻射損耗和介質(zhì)損耗唯一多個(gè)諧振頻率2024/1/1424第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.4微波諧振器

1.微波諧振器的基本參量諧振頻率f0諧振回路的品質(zhì)因素Q0

諧振頻率是指諧振器中該模式的場(chǎng)發(fā)生諧振的頻率。它是描寫諧振器中電磁能量的振蕩規(guī)律的參量。在諧振時(shí),諧振器內(nèi)電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量自行彼此轉(zhuǎn)換,故諧振器內(nèi)總的電納為零。(1)諧振頻率f02024/1/1425第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.4微波諧振器(2)品質(zhì)因素Q0品質(zhì)因素Q0是微波諧振器的重要參量,它描寫諧振器的選擇性的優(yōu)劣和能量損耗的大小,其定義為:

諧振器內(nèi)儲(chǔ)存電磁能量一個(gè)周期內(nèi)損耗的電磁能量|諧振時(shí)

式中W0為諧振器中的儲(chǔ)能;PL為諧振器中的損耗功率。2024/1/1426第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.4微波諧振器

1.微波諧振器的種類

微波諧振器主要有兩大類:

傳輸線型諧振器：是一段兩端被開路或短路的傳輸線,例如:矩形諧振器圓柱諧振器非傳輸線型諧振器。同軸諧振器,帶狀線諧振器和微帶諧振器;

非傳輸線型諧振器：是一種特殊形狀諧振器,主要用來(lái)作各種微波電子管(如速調(diào)管、磁控管)的腔體。2024/1/1427第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.4微波諧振器（1）同軸線諧振器利用同軸線中的駐波振蕩構(gòu)成的諧振腔,稱為同軸諧振器。

同軸諧振器具有振蕩模式最簡(jiǎn)單工作穩(wěn)定工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用：微波三極管的振蕩回路,作為波長(zhǎng)計(jì)和混頻器的諧振回路。

常有的同軸諧振器有:λ/4同軸諧振器,λ/2同軸諧振器和電容加載同軸諧振器,分別如圖(a)(b)和(c)所示。第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.4微波諧振器(1)λ/4同軸諧振器將同軸線一端短路,另一端開路,則構(gòu)成了λ/4的同軸諧振器。

諧振時(shí)：第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.4微波諧振器

可見,當(dāng)腔的長(zhǎng)度一定時(shí),每對(duì)應(yīng)一個(gè)n值就有一個(gè)諧振波長(zhǎng),即對(duì)應(yīng)于一種模式,這就是諧振腔的多諧特性。下圖(a)和(b)分別給出了n=1和n=2兩種振蕩模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖。

第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3.4.4微波諧振器λ/4同軸諧振器的品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算公式為：

λ/4同軸諧振器的品質(zhì)因素是同軸線外內(nèi)直徑之比D/d的函數(shù)。第三章無(wú)源微波元件3.4微波系統(tǒng)中的部件3