第五章常用微波元件课件.ppt

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1、第五章第五章 常用微波元件常用微波元件5-1引引言言 微波元件的功能在于对微波信号进行各种变换，按其变换性质可将微波元件的功能在于对微波信号进行各种变换，按其变换性质可将微波元件分为如下三类：微波元件分为如下三类：一一、线性互易元件、线性互易元件凡凡是是元元件件中中没没有有非非线线性性和和非非互互易易性性物物质质都都属属于于这这一一类类。常常用用的的线线性性互互易易元元件件包包括括：匹匹配配负负载载、衰衰减减器器、移移相相器器、短短路路活活塞塞、功功分分器器、微微波波电桥、定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。电桥、定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。二、线性非互易元件二、线性非互易元件这这类类元元

2、件件中中包包含含磁磁化化铁铁氧氧体体等等各各向向异异性性媒媒质质，具具有有非非互互易易特特性性，其其散散射射矩矩阵阵是是不不对对称称的的。但但仍仍工工作作于于线线性性区区域域，属属于于线线性性元元件件范范围围。常常用用的线性非互易元件有隔离器、环行器等。的线性非互易元件有隔离器、环行器等。1 1第五章第五章 常用微波元件常用微波元件三、非线性元件三、非线性元件 这类元件中这类元件中含有非线性物质含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换，从而引，能对微波信号进行非线性变换，从而引起频率的改变，并能通过电磁控制以改变元件的特性参量。常用的非起频率的改变，并能通过电磁控制以改变元件的特性参量。常用

3、的非线性元件有检波器、混频器、变频器等。线性元件有检波器、混频器、变频器等。微波元件分类：微波元件分类：近年来，为了实现微波系统的小型化，开始采用由微带和集总参近年来，为了实现微波系统的小型化，开始采用由微带和集总参数元件组成的微波集成电路，可以在一块基片上做出大量的元件，数元件组成的微波集成电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组成复杂的微波系统，完成各种不同功能。组成复杂的微波系统，完成各种不同功能。2 2第五章第五章 常用微波元件常用微波元件5-2波导中的电抗元件波导中的电抗元件 电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中磁场和存储磁电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中磁场

4、和存储磁能的元件；而电容器是指能够集中电场和存储电能的元件。能的元件；而电容器是指能够集中电场和存储电能的元件。一、电容膜片一、电容膜片在在矩矩形形波波导导的的横横向向放放置置一一块块金金属属膜膜片片，在在其其上上对对称称或或不不对对称称之之处处开开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，如图所示。一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，如图所示。电容膜片及其等效电路电容膜片及其等效电路电纳的近似计算公式为电纳的近似计算公式为 3 3第五章第五章 常用微波元件常用微波元件矩矩形形波波导导中中的的电电感感膜膜片片及及其其等等效效电电路路如如图图所所示示。当当在在波波导导窄窄壁壁上上放放置置金金属属膜膜片片后

5、后，会会使使波波导导宽宽壁壁上上的的电电流流产产生生分分流流，于于是是在在膜膜片片的的附附近近必必然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜片。然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜片。二、电感膜片电感膜片 电感膜片及其等效电路电感膜片及其等效电路 电感膜片电纳的近似计算公式为电感膜片电纳的近似计算公式为4 4第五章第五章 常用微波元件常用微波元件三、三、谐振窗谐振窗 下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。即在横向金属膜片上下图给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。即在横向金属膜片上开设一个小窗，称为谐振窗。开设一个小窗，称为谐振窗。四、螺钉四、螺钉 螺钉插入波导的

6、深度可以调节，电纳的性质和大小可随之改变，使螺钉插入波导的深度可以调节，电纳的性质和大小可随之改变，使用方便，是小功率微波设备中常采用的调谐和匹配元件。用方便，是小功率微波设备中常采用的调谐和匹配元件。谐振窗及其等效电路谐振窗及其等效电路波导可波导可调螺钉调螺钉及其等及其等效电路效电路5 5第五章第五章 常用微波元件常用微波元件5-3连接元件和终端负载连接元件和终端负载一、连接元件连接元件 在在微微波波技技术术中中，把把相相同同类类型型传传输输线线连连接接在在一一起起的的装装置置统统称称为为接接头头。常常用用的的接接头头有有同同轴轴接接头头和和波波导导接接头头两两种种。把把不不同同类类型型的的

7、传传输输线线连连接接在在一一起起的的装装置置称称为为转转接接元元件件，又又称称作作转转换换接接头头。常常用用的的有有同同轴轴线线与与波波导导、同同轴轴线线与微带线、波导与微带线间的转接元件。与微带线、波导与微带线间的转接元件。（一）接头接头 对接头的基本要求是：连接点接触可靠，不引起电磁的反射，输入驻对接头的基本要求是：连接点接触可靠，不引起电磁的反射，输入驻波比尽可能小，一般在波比尽可能小，一般在1.2以下；工作频带要宽；电磁能量无泄漏；结构以下；工作频带要宽；电磁能量无泄漏；结构牢固，装拆方便，易于加工等。牢固，装拆方便，易于加工等。波导波导接头接头 6 6第五章第五章 常用微波元件常用微

8、波元件（二）（二）转接元件转接元件 在将不同类型的传输线或元件连接时，不仅要考虑阻抗匹配，而且在将不同类型的传输线或元件连接时，不仅要考虑阻抗匹配，而且还应该考虑模式的变换。还应该考虑模式的变换。1、同轴线同轴线波导转换器波导转换器连接同轴线与波导的元件，称为同轴线连接同轴线与波导的元件，称为同轴线波导转换器，其结构如图所示。波导转换器，其结构如图所示。2、波导波导微带转接器微带转接器通常在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配通常在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。同轴线同轴线波导波导波导波导微带微带7 7第五章第五章 常用微波元件常用微波元件3、同轴线同轴线微带转

9、接器微带转接器 同轴线同轴线微带转接器的结构如图所示。与微带连接处的同轴线内导体微带转接器的结构如图所示。与微带连接处的同轴线内导体直径的选取与微带线的特性阻抗有关，通常使内导体直径等于微带线导直径的选取与微带线的特性阻抗有关，通常使内导体直径等于微带线导带的宽度。带的宽度。4、矩形波导矩形波导圆波导模式变换器圆波导模式变换器 矩形波导矩形波导圆波导模式变换器，大多采用波导横截面的逐渐变化来圆波导模式变换器，大多采用波导横截面的逐渐变化来达到模式的变换。达到模式的变换。同同轴轴线线微微带带 8 8第五章第五章 常用微波元件常用微波元件二、终端负载终端负载 传输线终端所接元件称为终端负载，常用的

10、终端负载有传输线终端所接元件称为终端负载，常用的终端负载有匹配负载匹配负载和和短短路负载路负载两种。匹配负载是将所有的电磁能量全部吸收而无反射；而短路两种。匹配负载是将所有的电磁能量全部吸收而无反射；而短路负载是将所有的电磁能量全部反射回去，一点能量也不吸收负载是将所有的电磁能量全部反射回去，一点能量也不吸收(一一)匹配负载匹配负载 匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在传输系匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在传输系统工作于行波状态时，都要用到匹配负载。统工作于行波状态时，都要用到匹配负载。对匹配负载的基本要求是：对匹配负载的基本要求是：（1 1）有较宽的工作频

11、带，）有较宽的工作频带，（2)2)输入驻波比小和一定输入驻波比小和一定 的功率容量。的功率容量。9 9第五章第五章 常用微波元件常用微波元件(二）短路负载短路负载 短路负载又称短路负载又称为短路器，它的为短路器，它的作用是将电磁能作用是将电磁能量全部反射回去。量全部反射回去。将同轴线和波导将同轴线和波导终端短路，即分终端短路，即分别成为同轴线和别成为同轴线和波导固定短路器。波导固定短路器。1010第五章第五章 常用微波元件常用微波元件5-4衰减器和移相器衰减器和移相器衰减器和移相器均属于二端口网络。衰减器和移相器均属于二端口网络。衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减；衰减器的作用是对通过它

12、的微波能量产生衰减；移移相相器器的的作作用用是是对对通通过过它它的的微微波波信信号号产产生生一一定定的的相相移移，微微波波能能量量可可无衰减地通过。无衰减地通过。一、衰减器衰减器 理想的衰减器应是只有衰减而无相移的二端口网络，其散射矩理想的衰减器应是只有衰减而无相移的二端口网络，其散射矩阵为阵为 衰减器的衰减量表示为：衰减器的衰减量表示为：dB1111第五章第五章 常用微波元件常用微波元件衰减器在原理上可以分为吸收式和截止式两种衰减器在原理上可以分为吸收式和截止式两种 在波导内放入与电场方向平行的吸收片，当微波能在波导内放入与电场方向平行的吸收片，当微波能量通过吸收片时，将吸收一部分能量而产生

13、衰减，量通过吸收片时，将吸收一部分能量而产生衰减，这种衰减器称为吸收衰减器，如图所示。这种衰减器称为吸收衰减器，如图所示。（一）、吸收式（一）、吸收式1212第五章第五章 常用微波元件常用微波元件（二）、截止式（二）、截止式截截止止衰衰减减器器是是在在传传输输线线中中插插入入一一小小段段横横向向尺尺寸寸较较小小的的传传输输线线段段，使使电电磁磁波波在在这这一一小小段段传传输输线线内内处处在在截截止止状状态态下下传传输输，即即电电磁磁波波经经过过这这段段传传输输线线后后微微波波能能量量很很快快衰衰减减，控控制制截截止止传传输输线线的的长长度度，就就可可以以调调节节衰衰减减量的大小，如图所示。量的

14、大小，如图所示。1313第五章第五章 常用微波元件常用微波元件二、移相器移相器 移移相相器器是是对对电电磁磁波波只只产产生生一一定定的的相相移移而而不不产产生生能能量量衰衰减减的的微微波波元元件件，它它是是一一个个无无反反射射、无无衰衰减减的的二二端端口口网网络，其散射矩阵为络，其散射矩阵为其中移相器的相移量为其中移相器的相移量为 因因此此，可可变变移移相相器器与与可可变变衰衰减减器器在在结结构构形形式式上上完完全全相相似似，所所不不同同的是：前者是改变介质片的位置，后者是改变吸收片的位置。的是：前者是改变介质片的位置，后者是改变吸收片的位置。1414第五章第五章 常用微波元件常用微波元件5-

15、5阻抗变换器阻抗变换器 为了消除不良反射现象，可在其间接入一阻抗变换器，以获得良好的匹为了消除不良反射现象，可在其间接入一阻抗变换器，以获得良好的匹配。配。常用的阻抗变换器有两种：一种是由四分之一波长传输线段构成的阶常用的阻抗变换器有两种：一种是由四分之一波长传输线段构成的阶梯阻抗变换器梯阻抗变换器(包括单节和多节包括单节和多节)；另一种是渐变线阻抗变换器。；另一种是渐变线阻抗变换器。一、单节一、单节/4阻抗变换器阻抗变换器 如右图所示，若主传输线的特性如右图所示，若主传输线的特性阻抗为阻抗为Z0，终端接一纯电阻性负终端接一纯电阻性负载载ZL，但，但ZL Z0，则可以在传输则可以在传输线与负载

16、之间接入一特性阻抗为线与负载之间接入一特性阻抗为Z1、长度长度l=p0/4的传输线段来实的传输线段来实现匹配。现匹配。1515第五章第五章 常用微波元件常用微波元件设此时设此时T0面上的反射系数为面上的反射系数为，则，则上式取模为上式取模为在中心频率附近，上式可近似为在中心频率附近，上式可近似为1616第五章第五章 常用微波元件常用微波元件当当=0时时，此此时时反反射射系系数数的的模模达达到到最最大大值值，反反射射系系数数随随(或或频频率率)作作周周期期变变化化，周周期期为为。如如果果设设为为反反射射系系数数模模的的最最大大容容许许值值，则则由由/4阻阻抗抗变变换换器器提提供供的的工工作作带带

17、宽宽对对应应于于图图中中限限定定的的频频率率范范围围。由由于于当当 偏偏离离时时曲曲线线急急速速下下降，所以工作带宽是很窄的。降，所以工作带宽是很窄的。1717第五章第五章 常用微波元件常用微波元件当当 时时通常用分数带宽通常用分数带宽Wq表示频带宽度，表示频带宽度，Wq与与 m有如下关系有如下关系当当已已知知ZL 和和Z0，且且给给定定频频带带内内容容许许的的时时，则则由由式式可可计计算算出出相相对对带带宽宽Wq值值；反反之之，若若给给定定Wq值值，也也可可求求出出变变换换器器的的，计计算算中中 m取取小小于于/2的值。的值。对对于于单单一一频频率率或或窄窄频频带带的的阻阻抗抗匹匹配配来来说

18、说，一一般般单单节节变变换换器器提提供供的的带带宽宽能能够够满满足足要要求求。但但如如果果要要求求在在宽宽频频带带内内实实现现阻阻抗抗匹匹配配，那那就就必须采用下面要讨论的多节阶梯阻抗变换器或渐变线阻抗变换器。必须采用下面要讨论的多节阶梯阻抗变换器或渐变线阻抗变换器。1818第五章第五章 常用微波元件常用微波元件二、多节阶梯阻抗变换器多节阶梯阻抗变换器 多多节节阶阶梯梯阻阻抗抗变变换换器器具具有有宽宽频频带带特特性性，现现以以下下图图所所示示的的两两节节/4阶阶梯梯阻阻抗抗变变换换器器为为例例进进行行分分析析。令令变变换换器器两两端端所所接接传传输输线线的的特特性性阻阻抗抗分分别别为为Z0和和

19、ZL，并并假假设设ZL Z0。每每一一节节具具有有同同样样的的长长度度l=p0/4，当当工工作作于于中中心心频频率率f0时时，电电长长度度=l=/2。T0、T1及及T2为为各各阶阶梯梯处处的的参参考考面面，0、1及及 2分分别别为为对对应应参参考考面面上上的的局局部部电电压压反反射射系系数数。设设两两节节/4传传输输线线段段的的特特性性阻阻抗抗分分别别为为Z1和和Z2，且且ZLZ1Z2 Z0，则局部电压反射系数分别为则局部电压反射系数分别为1919第五章第五章 常用微波元件常用微波元件T0参考面上，参考面上，T0面上总的电压反射系数为面上总的电压反射系数为然然而而在在多多节节阶阶梯梯的的情情况

20、况下下，由由于于多多节节突突变变面面数数目目增增多多，参参与与抵抵消消作作用用的的反反射射波波数数量量也也增增多多，从从而而在在 m相相同同的的条条件件下下，使使工工作作频频带增宽。带增宽。对于对于N节阶梯变换器节阶梯变换器 其模值为其模值为2020第五章第五章 常用微波元件常用微波元件三、渐变线阻抗变换器三、渐变线阻抗变换器 所谓渐变线，是指其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线所谓渐变线，是指其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线的特性阻抗过渡到另一条传输线的特性阻抗。的特性阻抗过渡到另一条传输线的特性阻抗。只要增加只要增加/4/4阶梯阻抗变换器的节数，就能增宽工作频带。然而，阶梯阻抗变换

21、器的节数，就能增宽工作频带。然而，节数的增加，导致变换器的总长度也随之增加。如果选用渐变线，节数的增加，导致变换器的总长度也随之增加。如果选用渐变线，则既可增宽频带又不致使变换器尺寸过大。则既可增宽频带又不致使变换器尺寸过大。渐变线可以看作是由阶梯数目无限增多而每个阶梯段长度无限渐变线可以看作是由阶梯数目无限增多而每个阶梯段长度无限缩短的阶梯变换器演变而来，如图所示。缩短的阶梯变换器演变而来，如图所示。渐渐变变线线输输入入端端总总的的反反射射系系数数 in为为2121第五章第五章 常用微波元件常用微波元件5-6定向耦合器定向耦合器定向耦合器分类定向耦合器分类:2222第五章第五章 常用微波元件

22、常用微波元件下下图图给给出出了了几几种种定定向向耦耦合合器器的的结结构构示示意意图图，其其中中图图(a)为为微微带带分分支支定定向向耦耦合合器器，图图(b)为为波波导导单单孔孔定定向向耦耦合合器器，图图(c)为为平平行行耦耦合合线线定定向向耦耦合合器器，图图(d)为为波波导导匹匹配配双双T，图图(e)为为波波导导多多孔孔定定向向耦耦合合器器，图图(f)为为微带混合环微带混合环。2323第五章第五章 常用微波元件常用微波元件一、定向耦合器的技术指标定向耦合器的技术指标 定定向向耦耦合合器器一一般般属属于于四四端端口口网网络络，它它有有输输入入端端、直直通通端端、耦耦合合端端和和隔隔离离端端，分分

23、别别对对应应右右图图所示的所示的1、2、3和和4端口。端口。定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度(或方向性或方向性)、输入、输入驻波比和工作带宽。驻波比和工作带宽。(一一)耦合度耦合度C耦耦合合度度C定定义义为为输输入入端端的的输输入入功功率率P1与与耦耦合合端端的的输输出出功功率率P3之之比比的的分贝数，即分贝数，即（dB)2424第五章第五章 常用微波元件常用微波元件由由于于定定向向耦耦合合器器是是一一个个可可逆逆四四端端口口网网络络，因因此此耦耦合合度度又又可可表示表示由由此此可可见见耦耦合合度度的的分分贝贝数数愈愈大大耦耦合合愈愈弱弱。通通常

24、常把把耦耦合合度度为为010dB的的定定向向耦耦合合器器称称为为强强耦耦合合定定向向耦耦合合器器；把把耦耦合合度度为为1020dB的的定定向向耦耦合合器器称称为为中中等等耦耦合合定定向向耦耦合合器器；把把耦耦合合度大于度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。(dB)2525第五章第五章 常用微波元件常用微波元件(二）隔离度二）隔离度D 隔隔离离度度D定定义义为为输输入入端端的的输输入入功功率率P1与与隔隔离离端端的的输输出出功功率率P4之之比比的的分分贝贝数数，即即(dB)若用散射参量来描述，则有若用散射参量来描述，则有(dB)在在理理想想情情况况下下

25、，隔隔离离端端应应无无输输出出功功率率，即即P4=0，此此时时隔隔离离度度为为无无限限大大。但但实实际际上上由由于于设设计计或或加加工工制制作作的的不不完完善善，常常有有极极小小部部分分功功率率从从隔隔离离端端输输出，使隔离度不再为无限大。出，使隔离度不再为无限大。有有时时用用方方向向性性D(dB)来来表表示示耦耦合合器器的的隔隔离离性性能能，它它是是耦耦合合端端输输出出功功率率P3与与隔隔离离端端的的输输出出功功率率P4之之比比的的分分贝贝数数。也也可可用用散散射射参参量量来来表表示示方方向向性性，即即2626第五章第五章 常用微波元件常用微波元件(三）、输入驻波比三）、输入驻波比 将将定定

26、向向耦耦合合器器除除输输入入端端外外，其其余余各各端端均均接接上上匹匹配配负负载载时时，输输入入端端的的驻驻波波比比即即为为定定向向耦耦合合器器的的输输入入驻驻波波比比。此此时时，网网络络输输入入端端的的反反射射系系数即为网络的散射参量数即为网络的散射参量S11，故有故有（四）四）、频带宽度频带宽度 频频带带宽宽度度是是指指耦耦合合度度、隔隔离离度度(或或方方向向性性)及及输输入入驻驻波波比比都都满满足足指指标标要要求时，定向耦合器的工作频带宽度，简称工作带宽。求时，定向耦合器的工作频带宽度，简称工作带宽。2727第五章第五章 常用微波元件常用微波元件二、二、波导型定向耦合器波导型定向耦合器

27、大大多多数数波波导导定定向向耦耦合合器器的的耦耦合合都都是是通通过过在在主主、副副波波导导间间公公共共壁壁上上的的耦耦合合孔孔来来实实现现的的。通通过过耦耦合合孔孔将将主主波波导导中中的的电电磁磁能能量量耦耦合合到到副副波波导导中中，并并具具有有一一定定的的方方向向性性。副副波波导导各各端端口口输输出出功功率率的的大大小小，决决定定于于耦耦合合孔孔的的大大小小、形状和位置。形状和位置。波导定向耦合器的种类很多，最常用的波导定向耦合器有：单孔、多波导定向耦合器的种类很多，最常用的波导定向耦合器有：单孔、多孔和十字孔定向耦合器。下图给出了三种常用波导定向耦合器的结构示孔和十字孔定向耦合器。下图给出

28、了三种常用波导定向耦合器的结构示意图，其中图意图，其中图(a)为宽壁斜交单孔耦合器，图为宽壁斜交单孔耦合器，图(b)为多孔定向耦合器，图为多孔定向耦合器，图(c)为十字孔定向耦合器。为十字孔定向耦合器。2828第五章第五章 常用微波元件常用微波元件 最简单的双孔定向耦合器，是在两个波导的公共窄壁上开有形最简单的双孔定向耦合器，是在两个波导的公共窄壁上开有形状、尺寸完全相同、相距状、尺寸完全相同、相距d为为 p0/4的两个耦合孔，如下图的两个耦合孔，如下图(a)所所示。在波导窄壁示。在波导窄壁b/2处，取一个水平纵截面，如图处，取一个水平纵截面，如图(b)所示。所示。这这种种定定向向耦耦合合器器

29、的的定定向向性性是是由由各各孔孔耦耦合合波波相相互互干干涉涉而而得得到到的的，只只要要控控制制耦耦合合孔孔的的大大小小，形形状状以以及及两两耦耦合合孔孔的的距距离离，使使耦耦合合波波在在一一个个方方向向上上同同相相叠叠加加而而有有输输出出，在在另另一一个个方方向向上上反反相相叠叠加加而而无无输输出出或或减减小小输输出出，从而获得定向性。从而获得定向性。2929第五章第五章 常用微波元件常用微波元件三、三、平行耦合线定向耦合器平行耦合线定向耦合器*平行耦合线定向耦合器是平行耦合线定向耦合器是TEM波传输线定向耦合器的一种主波传输线定向耦合器的一种主要形式。要形式。这种平行耦合线定向耦合器通常用微

30、带线或带状线来这种平行耦合线定向耦合器通常用微带线或带状线来实现。实现。平行耦合线定向耦合器平行耦合线定向耦合器3030第五章第五章 常用微波元件常用微波元件 耦合带状线定向耦合器的横截面如图，主、副线的中心导带均放置在两耦合带状线定向耦合器的横截面如图，主、副线的中心导带均放置在两块平行接地板之间。块平行接地板之间。奇、偶模二端口网络的归一化转移参量如下奇、偶模二端口网络的归一化转移参量如下3131第五章第五章 常用微波元件常用微波元件可求得相应的可求得相应的 e、Te及及 o、To的表达式：的表达式：各各端端口口输输出出电电压压与与耦耦合合线线参参量量之之间间的的关系为关系为3232第五章

31、第五章 常用微波元件常用微波元件由以上分析可得到以下由以上分析可得到以下几点结论：几点结论：l不论耦合区电长度不论耦合区电长度 为何值，要获得理想匹配及理想隔离特性，即为何值，要获得理想匹配及理想隔离特性，即 ，必须满足条件：必须满足条件：或或 l耦耦合合端端口口3的的输输出出电电压压及及直直通通端端口口2的的输输出出电电压压,都都是是频频率率的的函函数数。当当工工作作在在中中心心频频率率时时，=/2，这这时时耦耦合合端端输输出出为为最最大大，且与且与同相，即同相，即令上式中 k称为中心频率的电压耦合系数称为中心频率的电压耦合系数。3333第五章第五章 常用微波元件常用微波元件l不论不论 为何

32、值，耦合端输出电压的相位比直通端输出电压的相位超前为何值，耦合端输出电压的相位比直通端输出电压的相位超前/2。当。当 =/2时，定向耦合器的耦合度由下式确定：时，定向耦合器的耦合度由下式确定：一旦给定中心频率时的耦合度一旦给定中心频率时的耦合度C(dB)，便可由解得便可由解得耦合带状线偶、奇模特性阻抗分别为耦合带状线偶、奇模特性阻抗分别为由由3434第五章第五章 常用微波元件常用微波元件l当电长度当电长度 =/2时，耦合器各端口输出的电压可由简化为时，耦合器各端口输出的电压可由简化为平平行行耦耦合合线线定定向向耦耦合合器器的的等等效效四四端端口口网网络络具具有有可可逆逆、无无耗耗、对对称称的特

33、性，由此可写出网络的散射参量矩阵的特性，由此可写出网络的散射参量矩阵S为为3535第五章第五章 常用微波元件常用微波元件对对于于耦耦合合微微带带线线定定向向耦耦合合器器，由由于于耦耦合合微微带带线线的的奇奇偶偶模模相相速速不不相相等等，导导致致定定向向性性变变坏坏。为为了了提提高高方方向向性性，可可采采用用如如下下图图中中(a)和和(b)两两种种形形式。式。图图(a)为为锯锯齿齿形形定定向向耦耦合合器器，由由于于耦耦合合缝缝隙隙采采用用锯锯齿齿形形可可增增加加奇奇模模电电容、降低奇模相速，从而提高方向性。容、降低奇模相速，从而提高方向性。图图(b)为为介介质质覆覆盖盖定定向向耦耦合合器器，在在

34、耦耦合合区区带带线线的的上上方方再再覆覆盖盖一一块块与与基基片片材材料料相相同同的的介介质质块块，块块的的厚厚度度大大致致与与基基片片厚厚度度相相等等，以以减减小小奇奇、偶偶模相速的差异，从而提高定向性。模相速的差异，从而提高定向性。改善微带线定向耦合器性能措施改善微带线定向耦合器性能措施*3636第五章第五章 常用微波元件常用微波元件单单节节耦耦合合线线定定向向耦耦合合器器的的频频带带比比较较窄窄，为为了了增增宽宽频频带带可可采采用用多多节节定定向向耦耦合合器器相相级级联联，如如下下图图(a)所所示示。平平行行耦耦合合线线定定向向耦耦合合器器的的耦耦合合强强弱弱与与两两线线间间距距有有关关，

35、间间距距愈愈小小，耦耦合合愈愈强强。但但耦耦合合太太强强，工工艺艺上上又又无无法法实实现现，因因此此常常采采用用两两只只弱弱耦耦合合定定向向耦耦合合器器相相串串接接的的办办法法得得到到强强耦耦合合定定向向耦耦合合器器。图图(b)为为两两只只8.34dB的的定定向向耦耦合合器器串串接接即即可可得得到到一一只只3dB定定向耦合器。向耦合器。平行耦合线定向耦合器的组合平行耦合线定向耦合器的组合*3737第五章第五章 常用微波元件常用微波元件四、四、分支定向耦合器分支定向耦合器 分支定向耦合器是由两根平行的主传输线和若干耦合分支线组成。分分支定向耦合器是由两根平行的主传输线和若干耦合分支线组成。分支线

36、的长度及相邻分支线之间的距离均为支线的长度及相邻分支线之间的距离均为 p0/4。这种分支定向耦合器可这种分支定向耦合器可以用矩形波导、同轴线、带状线和微带线来实现。以用矩形波导、同轴线、带状线和微带线来实现。波导型分支定向耦合器是由波导型分支定向耦合器是由E-T分支构成，根据分支构成，根据E-T分支的性质，分分支的性质，分支线是串联在主线上的，为串联结构；而同轴型、带状型和微带型分支支线是串联在主线上的，为串联结构；而同轴型、带状型和微带型分支是与主线相并联的，为并联结构是与主线相并联的，为并联结构。微带型双分支定向耦合器的结构示意图微带型双分支定向耦合器的结构示意图等等效效为为一一个个四四端

37、端口口网网络络。它它是是一一个个对对称称、可可逆逆、无无耗耗的的四端口网络。四端口网络。3838第五章第五章 常用微波元件常用微波元件(一一)双分支定向耦合器的工作原理双分支定向耦合器的工作原理 这种定向耦合器是通过两个耦合波的路程差引起的相位差来达到定向这种定向耦合器是通过两个耦合波的路程差引起的相位差来达到定向的。当信号由的。当信号由1端口输入时，经过端口输入时，经过A点分点分ABC和和ADC两路到达两路到达C点，点，由于两路路程相同，故两路在由于两路路程相同，故两路在C点同相相加，使点同相相加，使3端口有输出；端口有输出；1 1端口的输端口的输入信号经过入信号经过A点分点分AD和和ABC

38、D两路到达两路到达D点，由于两路的路程差点，由于两路的路程差为为 p0/2，即相位差为即相位差为，故两路信号在，故两路信号在D点相抵消，使点相抵消，使4 4端口无输出。故端口无输出。故这种定向耦合器称为同向定向耦合器，由于这种定向耦合器称为同向定向耦合器，由于2 2和和3 3端口输出信号的相位差端口输出信号的相位差为为90，故又称为，故又称为90 同向定向耦合器。同向定向耦合器。（二二)双分支定向耦合器的特性分析双分支定向耦合器的特性分析双双分分支支定定向向耦耦合合器器是是一一个个四四端端口口网网络络，左左右右对对称称的的双双分分支支定定向向耦耦合合器器各各线线段段的的归归一一化化导导纳纳的的

39、设计公式设计公式3939第五章第五章 常用微波元件常用微波元件*5-7微带功分器微带功分器 定向耦合器的结构较复杂，成本也较高，在单纯进行功率分配的情定向耦合器的结构较复杂，成本也较高，在单纯进行功率分配的情况下，用得并不多，通常用功分器来完成。大功率微波功分器采用况下，用得并不多，通常用功分器来完成。大功率微波功分器采用波导波导或或同轴线同轴线结构，中小功率则采用结构，中小功率则采用带状线带状线或或微带线微带线结构。结构。右图是微带三端口功分器原理图。右图是微带三端口功分器原理图。信号由信号由1端口端口(所接传输线的特性所接传输线的特性阻抗为阻抗为Z Z0 0)输入，分别经过特性阻输入，分别

40、经过特性阻抗为抗为Z Z0202、Z Z0303的两段微带线从的两段微带线从2和和3端口输出，负载电阻分别为端口输出，负载电阻分别为R R2 2及及R R3 3。两段传输线在中心频率时电两段传输线在中心频率时电长度均为长度均为 =/2/2，它们之间没有，它们之间没有耦合。耦合。微带三端口功分器原理图微带三端口功分器原理图4040第五章第五章 常用微波元件常用微波元件功分器应满足下列条件：功分器应满足下列条件：(1)2端口与端口与3 3端口的输出功率比可为任意指定值；端口的输出功率比可为任意指定值；(2)1端口无反射；端口无反射；(3)2端口与端口与3 3端口的输出电压等幅、同相。端口的输出电压

41、等幅、同相。由于由于2端口、端口、3端口的输出功率与输出电压的关系分别为端口的输出功率与输出电压的关系分别为如由条件如由条件(1)要求输出功率比为要求输出功率比为则则4141第五章第五章 常用微波元件常用微波元件按条件按条件(3)(3)，由上式可得，由上式可得 若取若取 ，则，则 由由条条件件(2)(2)，即即1端端口口无无反反射射，所所以以要要求求由由Z Zinin2 2与与Z Zinin3 3并并联联而而成成的的总总输输入入阻阻抗抗等等于于Z Z0 0。由由于于在在中中心心频频率率 =/2/2，Z Zinin2 2=Z Z02022 2/R R2 2，Z Zinin3 3=Z Z03032

42、 2/R R3 3为纯电阻，则为纯电阻，则如以输入电阻表示功率比，则如以输入电阻表示功率比，则可解得可解得 4242第五章第五章 常用微波元件常用微波元件5-8波导匹配双波导匹配双T一、波导的一、波导的T T形接头形接头 矩形波导的矩形波导的T T形接头有形接头有E-TE-T接头和接头和H-TH-T接头两种，如图所示。其中接头两种，如图所示。其中E-TE-T接头的分支波导宽面与主波导中接头的分支波导宽面与主波导中TETE1010模的电场所在平面平行；模的电场所在平面平行；H-TH-T接头接头的分支波导的宽面与主波导中的分支波导的宽面与主波导中TETE1010模的磁场所在的平面平行。模的磁场所在

43、的平面平行。4343第五章第五章 常用微波元件常用微波元件对对于于波波导导的的T T形形接接头头，我我们们把把主主波波导导的的两两臂臂分分别别称称为为1和和2端端口口，分分支支臂臂称称为为3端端口口。分分析析波波导导的的T T形形接接头头的的工工作作特特性性，可可利利用用波波导导中中TETE1010模模的的电电场场分分布布来来分分析析。E-TE-T接接头头和和H-TH-T接接头头中中TETE1010模模的的电电场场分分布布分分别如图所示。别如图所示。4444第五章第五章 常用微波元件常用微波元件E-TE-T接头具有下列特性：接头具有下列特性：由于由于1和和2端口在结构上对称，故有：端口在结构上

44、对称，故有：S S11 11=S S2222；当当信信号号从从3端端口口输输入入时时，则则1和和2端端口口有有等等幅幅反反相相输输出出，用散射参量表示则有：用散射参量表示则有：S S13 13=-=-S S2323；当当信信号号由由1和和2端端口口等等幅幅同同相相输输入入时时，3端端口口无无输输出出，此此时时对对称称面面为为电电场场的的波波腹腹点点；反反过过来来，当当信信号号由由1和和2端端口口等等幅幅反反相相输输入入时时，3端端口口输输出出最最大大，此此时时对对称称面面为电场的波节点。为电场的波节点。4545H-TH-T接头具有下列特性接头具有下列特性：当当信信号号从从3端端口口输输入入时时

45、，则则1和和2端端口口有有等等幅幅同同相相相相输出，用散射参量表示则有：输出，用散射参量表示则有：S S13 13=S S2323；由于由于1和和2端口在结构上对称，故有：端口在结构上对称，故有：S S11 11=S S2222；当当信信号号由由1和和2端端口口等等幅幅同同相相输输入入时时，3端端口口输输出出最最大大，此此时时，3端端口口对对称称面面处处为为电电场场波波腹腹点点；反反之之，当当信信号号由由1和和2端端口口等等幅幅反反相相输输入入时时，3端端口口无无输输出出，3端端口口对对称面处为电场波节点。称面处为电场波节点。4646第五章第五章 常用微波元件常用微波元件二、二、普通双普通双T

46、 T和匹配双和匹配双T T 将具有共同对称面的将具有共同对称面的E-TE-T接头接头和和H-TH-T接头组合起来，即构成接头组合起来，即构成普通双普通双T T接头，如右图所示。接头，如右图所示。双双T T接接头头可可等等效效为为一一个个可可逆逆无无耗耗四四端端口口网网络络，其其散散射射参参量量矩矩阵为阵为4747第五章第五章 常用微波元件常用微波元件对对于于普普通通的的双双T T接接头头，由由于于连连接接处处结结构构突突变变，即即使使双双T T各各臂臂均均接接匹匹配配负负载载，接接头头处处也也会会产产生生反反射射，为为了了消消除除反反射射，通通常常在在接接头头处处加加入入匹匹配配元元件件(如如

47、螺钉、膜片或锥体等螺钉、膜片或锥体等)，就可以得到匹配的双，就可以得到匹配的双T T，它具有下列重要性质：它具有下列重要性质：u匹匹配配特特性性：在在理理想想情情况况下下，它它的的四四个个端端口口是是完完全全匹匹配配的的，只只要要1和和2端端口口能能调调到匹配，到匹配，3和和4端口一定匹配，即端口一定匹配，即S S1111=S=S2222=S=S3333=S=S4444=0 0；u隔隔离离特特性性：当当3和和4端端口口具具有有隔隔离离特特性性时时，即即S S3434=S=S4343=0 0，则则1和和2端端口口也也具具有有隔隔离离特性，即特性，即S S1212=S=S2121=0 0；u平平分

48、分特特性性：当当信信号号由由3端端口口输输入入时时，则则反反相相等等分分给给1和和2端端口口，即即S S13 13=-S S2323；当当信信号号由由4端端口口输输入入时时，同同相相等等分分给给1和和2端端口口，即即S S14 14=S S2424；当当信信号号由由1端端口口输输入入时时，则则同同相相等等分分给给3和和4端端口口，即即S S31 31=S S4141；当当信信号号由由2端端口口输输入入时时，则则反反相相等等分分给给3和和4端口，即端口，即S S32 32=-=-S S4242。故匹配双故匹配双T T的散射参量矩阵为的散射参量矩阵为4848第五章第五章 常用微波元件常用微波元件5

49、-9 5-9 微波滤波器微波滤波器 微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。微波滤波器按作用分类，可划分为低通、高通、带通和带阻等四微波滤波器按作用分类，可划分为低通、高通、带通和带阻等四种类型的滤波器，如下图所示。种类型的滤波器，如下图所示。4949第五章第五章 常用微波元件常用微波元件为为了了描描述述滤滤波波器器的的滤滤波波特特性性，一一般般常常用用的的是是插插入入衰衰减随频率变化的曲线。插入衰减的定义为减随频率变化的曲线。插入衰减的定义为 式式中中P Pi i为为滤滤波波器器所所接接信信号号源源的的最最大大输输出出功功率率，P PL

50、 L为为滤滤波波器的负载吸收功率。器的负载吸收功率。微波滤波器的主要技术指标有：工作频带的中心频率、微波滤波器的主要技术指标有：工作频带的中心频率、带宽、通带内允许的最大衰减、阻带内允许的最小衰减、带宽、通带内允许的最大衰减、阻带内允许的最小衰减、阻带向通带过渡时的陡度和通带内群时延的变化等。阻带向通带过渡时的陡度和通带内群时延的变化等。5050第五章第五章 常用微波元件常用微波元件一、利用四分之一波长传输线并联电抗元件的滤波器一、利用四分之一波长传输线并联电抗元件的滤波器 滤波器的结构是：滤波器的结构是：在一特性阻抗为在一特性阻抗为Z Z0 0的传输的传输线上，每隔线上，每隔 p p/4/4