微波技术与天线微波元件.pptx

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1、2023/2/121引言微波元件按传输线类型分类波导型微波元件同轴型微波元件微带型微波元件微波元件按功能分类衰减器匹配元件波型变换元件相移元件功分元件滤波元件第1页/共69页2023/2/122引言基本电路元件电阻电感电容微波电阻性元件能吸收微波能量的装置相当于电阻的作用。微波电抗性元件能局部集中磁场能量的装置相当于电感的作用。能局部集中电场能量的装置相当于电容的作用。能实现电磁能量周期性变换的装置相当于振荡回路的作用。第2页/共69页2023/2/123主要内容微波电阻性元件微波电抗性元件波导元件的实现方法微带元件的实现方法衰减器匹配负载阻抗调配器和阻抗变换器 连接元件分支元件定向耦合器功率

2、分配器第3页/共69页2023/2/124衰减器用来控制微波传输线中传输功率的装置。通过对波的吸收、反射或截止来衰减微波能量。主要应用u去耦 消除负载失配对信号源的影响。u调节微波源输出的功率电平。匹配元件 无反射的吸收传输到终端的全部功率，以建立传输 系统中的行波状态。微波电阻性元件微波电阻性元件第4页/共69页2023/2/125微波电抗性元件集总参数电抗集总参数电感 在某一个区域中只含有磁能。集总参数电容 在某一个区域中只含有电能。微波频段微波信号的交变电磁场，电场和磁场是交链在一起，没有单独的电场区域或磁场区域，不存在集总参数的电感和电容。终端短路或开路的传输线等效为电抗元件（单端口网

3、络）。传输线中的不均匀区域等效为电抗元件。第5页/共69页2023/2/126微波电抗性元件传输线中的不均匀区域指传输线中的结构、尺寸、参数发生突变的区域。具有电容或电感的性质，可等效为电感或电容，即电抗元件。原理 在传输线的不均匀区域附近，电磁场比较复杂，可分解为主模和多个高次模式的叠加，其中主模可以传输、而高次模截止，只能分布在不均匀区附近。因此不均匀区附近储存了高次模式的电磁场能量。u若储存的主要是磁场能量（在某区域磁场储能电场储能不均匀区域相当于一个储存磁能的电感。u若储存的主要是电场能量（在某区域电场储能磁场储能）不均匀区域相当于一个储存电能的电容。第6页/共69页2023/2/12

4、7微波电抗性元件电抗元件微波传输线中传输模 传输模所携带的电能和磁能是相等的。微波传输线中截止模 截止模所含电能和磁能是不均衡的。u若截止模为TE模：磁能电能可等效为电感。u若截止模为TM模：电能磁能可等效为电容。在传输系统人为引入某些不均匀性，则在不均匀性区域将激发起高次截止模。在微波元件中，把具有容性电抗或感性电抗性质的最简单不均匀性结构叫基本电抗元件。第7页/共69页2023/2/128微波电抗性元件波导元件的实现方法电容膜片u为满足膜片处的边界条件，膜片处电场线将发生弯曲、产生电场的Ez分量，故产生的高次模是TM模。u此高次模是截止模，在膜片附近储存的电能大于磁能，相当于一个电容。u由

5、于膜片起分流作用，故该膜片为并联电容。第8页/共69页2023/2/129微波电抗性元件波导元件的实现方法电容膜片u电容膜片并联电纳的相对值：第9页/共69页2023/2/1210微波电抗性元件波导元件的实现方法电感膜片u主模在膜片处有平行于膜片的电场，为满足膜片的边界条件，需要反方向的电场来抵消，故产生的高次模是TE模。u此高次模是截止模，在膜片附近储存的磁能大于电能，相当于一个电感。u由于膜片起分流作用，故该膜片为并联电感。第10页/共69页2023/2/1211微波电抗性元件波导元件的实现方法电感膜片u电感膜片的相对并联电纳：第11页/共69页2023/2/1212微波电抗性元件波导元件

6、的实现方法谐振窗 将电容膜片和电感膜片组合在一起得到的具有矩形窗 口形状的膜片。等效电路是一个并联谐振回路。u当信号频率=其谐振频率时：并联回路的电抗为（相当于开路），信号无反射的通过谐振窗。u当信号频率其谐振频率时：并联回路的电抗为容抗或感抗，反射较大。n当f f 0时，谐振窗附近电场储能占优势，回路呈容性电抗。n当f f 0时，谐振窗附近磁场储能占优势，回路呈感性电抗。一个谐振窗相当于带通滤波器，谐振器的频率就是可通过的频率。第12页/共69页2023/2/1213微波电抗性元件波导元件的实现方法谐振窗 u谐振频率的求法：从阻抗匹配的角度进行求解。u谐振窗小波导：长a，宽b，厚t，特性阻抗

7、Ze。u谐振窗谐振的条件：Ze=Ze（主波导特性阻抗）。第13页/共69页2023/2/1214微波电抗性元件波导元件的实现方法谐振窗 u0是大、小波导特性阻抗相等（即谐振窗谐振）时对应的波长，也就是谐振窗的谐振波长。u当工作波长=0时：谐振窗对通过的波没有反射。u当工作波长0时：产生反射。第14页/共69页2023/2/1215微波电抗性元件波导元件的实现方法对穿电感销钉对穿电感销钉上流过电流，在它的周围激起额外的磁场，具有电感的性质，可以等效为并联电感。对穿电感销钉的相对电纳与棒的粗细有关:u棒越粗，电感量越小，其相对电纳就越大。u同样粗细的棒，根数越多，电感量越小，相对电纳就越大。第15

8、页/共69页2023/2/1216微波电抗性元件波导元件的实现方法对穿电感销钉u单电感销钉的相对电纳：u三电感销钉的相对电纳：第16页/共69页2023/2/1217微波电抗性元件波导元件的实现方法可调销钉（可调螺钉）u波导宽壁上的纵向电流进入螺钉要产生附加磁场，故具有电感特性。u螺钉末端积累电荷，其附近电场集中，故具有电容特性。u可等效为并联在主传输线上的LC串联谐振电路。u改变螺钉旋入波导的深度h，即可改变螺钉电纳的大小和性质。实践中常用作调谐和匹配元件。第17页/共69页2023/2/1218微波电抗性元件波导元件的实现方法可调销钉（可调螺钉）uh/4时，电容的影响较小，电感起主要作用，

9、可等效成并联电感。uh/4时，电容和电感的影响彼此相当，可等效成并联在主传输线上的LC串联谐振电路。谐振时可等效为短路电阻滤波器。第18页/共69页2023/2/1219微波电抗性元件波导元件的实现方法矩形波导E面阶梯矩形波导H面阶梯 第19页/共69页2023/2/1220微波电抗性元件微带元件的实现方法预备知识u一段Zc大的短传输线可等效为串联电感；一段Zc小的短传输线可等效为并联电容。u当介质基片厚度一定时，微带宽度W，则Zc。一段窄的短微带线可等效为串联电感；一段宽的短微带线可等效为并联电容。u用高阻抗线实现串联电感。第20页/共69页2023/2/1221微波电抗性元件微带元件的实现

10、方法预备知识u为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数。u串联在传输线上的谐振回路第21页/共69页2023/2/1222微波电抗性元件微带元件的实现方法预备知识u用低阻抗线实现并联电容。u用并联的终端电路支节实现并联电容或并联电感。第22页/共69页2023/2/1223微波电抗性元件微带元件的实现方法预备知识u并联在传输线上的谐振回路 在传输线上并联一个或多个支节，这些支节等效于串联或并联谐振回路。u微带线中的串联电阻第23页/共69页2023/2/1224微波电抗性元件微带元件的实现方法串联电感和并联电容的实现原则Iu微带线带条宽度变窄（特性阻抗增高），可等效成一个串联电感。u微带线

11、带条宽度变宽（特性阻抗降低），可等效成一个并联电容。u注意 等效的前提是变窄或变宽的微带线长度工作波长，这样等效电感或电纳才能与频率成线性关系。第24页/共69页2023/2/1225微波电抗性元件微带元件的实现方法串联电感和并联电容的实现（方法I）可证明：图（a）所示的一段传输线可等效为图（b）所示的T型电路或图（c）所示的型电路。uT型电路等效关系：u型电路等效关系：结论：当l邻接微带线特性阻抗Z0：u其型等效电路中的两个并联电容可略去不计，等效电路中只剩下一个串联电感。u实际工作中为了获得较大的电感，可将高阻抗的微带线段弯成环形。n做成“蚊香形”平面螺旋电感可进一步增大电感量。n螺旋电感

12、可增加电感量的原理与低频电感增加线圈匝数可增大电感量的原理是一样的。第26页/共69页2023/2/1227微波电抗性元件微带元件的实现方法串联电容的实现u实现方法 微带间隙。u微带间隙可等效成一型电容网络。微带间隙越小，串联电容C12就越大，并联电容C1就越小。u导体带条的宽带不可能太大。为了获得大的串联电容，可将导体带条切断处做成对插形。第27页/共69页2023/2/1228微波电抗性元件微带元件的实现方法并联电容的实现（方法I）u图（a）中，带条宽度为W较宽微带线段是特性阻抗为Z0的低阻抗线段，Z0 邻接微带线特性阻抗Z0：u其T型等效电路中的两个串联电感可略去不计，等效电路中只剩下一

13、个并联电容。第28页/共69页2023/2/1229微波电抗性元件微带元件的实现方法并联电感的实现长度为l的终端短路传输线的输入阻抗为：u当l/4时，输入阻抗为感性。u当/4 l/2时，输入阻抗为容性。n无论传输线的输入端是呈感性还是容性，其电抗与频率的关系都是非线性的。n低频时电感和电容的电抗与频率是成正比的。二者之间区别的主要原因就是微波传输线为分布参数元件，低频时为集中参数元件。第29页/共69页2023/2/1230微波电抗性元件微带元件的实现方法并联电感的实现u当l时，输入阻抗表达式可近似为：结论：当满足l时，终端短路线的输入阻抗与频率呈正比关系，可近似等效为一个并联的集中电感。u当

14、l=/8/10时，可认为l。第30页/共69页2023/2/1231微波电抗性元件微带元件的实现方法并联电容的实现（方法II）长度为l的终端开路传输线的输入阻抗为：u当l时，输入电纳表达式可近似为：结论：当满足l 10带内驻波比 =1.05 1.20是比较好的匹配负载相当于 99.998 99.2 的入射功率被负载吸收。第40页/共69页2023/2/1241123414匹配负载应用微波元器件的闲置端口都必须配置匹配负载。波导型定向耦合器 4端口配置了一个小功率匹配负载。微带线型耦合器 4 端口配置了一个 50 欧姆的匹配负载（尽管从理论上讲 4 端口是没有输出的）。第41页/共69页2023

15、/2/1242阻抗调配器和阻抗变换器 在微波系统中经常会遇到反射问题负载阻抗与传输线的特性阻抗不相等相同类型而不同特性阻抗的传输线相连接不同类型的传输线相连接传输线中接入一些必要的器件反射波的影响使负载得不到最大功率功率容量和效率都会降低在大功率时还会出现打火现象在微波测量系统中又会影响测量精度消除反射波消除反射波第42页/共69页2023/2/1243阻抗调配器和阻抗变换器匹配方法插入可调的电抗元件或阻抗变换元件，产生新的反射波来抵消原来的反射波，达到匹配。阻抗匹配网络阻抗调配器 元件参数可调，采用Smith圆图来确定阻抗调配网络中各个电抗元件的参数。阻抗变换器u利用网络综合法设计出满足一定

16、技术指标的阻抗匹配网络。u一旦根据需要设计好以后不能任意改变。第43页/共69页2023/2/1244阻抗调配器和阻抗变换器阻抗调配器分支调配器u电纳调节范围：-+u单支节调配器、双支节调配器、三支节调配器u用于双线、同轴线螺钉调配器u电纳调节范围：0+u单螺钉、双螺钉、三螺钉、四螺钉u用于波导第44页/共69页2023/2/1245阻抗调配器和阻抗变换器单节/4阻抗变换器缺点u频带窄uZC1、ZC3差距大时，尺寸突变大，不连续电容大第45页/共69页2023/2/1246多节/4阶梯阻抗变换器n节有（n+1）个阶梯，产生（n+1）个反射波到输入端，产生叠加效果，在某些频率上全部（部分）抵消，

17、形成匹配。在较宽的频带内有较小的反射系数。阻抗调配器和阻抗变换器第46页/共69页2023/2/1247渐变线阻抗变换器只要增加阶梯的级数就可以增加工作带宽。但增加了阶梯级数变换器的总长度也要增加、尺寸会过大,结构设计就更加困难，产生了渐变线代替多阶梯。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。阻抗调配器和阻抗变换器第47页/共69页2023/2/1248连接元件接头：把相同传输线连接在一起的装置。转换元件：把不同类型传输线连接在一起的装置。接头连接点电接触可靠，不引起电磁波的反射。输入驻波比尽可能小（1.2）。工作频带要宽。电磁能量无泄漏。结构

18、要牢靠，装拆方便，容易加工。微波连接元件第48页/共69页2023/2/1249转换元件的功能 阻抗匹配模式变换同轴线波导转接器作用 将TEM波转换为TE10波。原理u通过调整探针插入深度h，使在波导内激励场最大。u通过调整插入位置d，使波导内反射、传输波同相。u利用波导的高通特性过滤掉所激励的高次模。微波转换元件第49页/共69页2023/2/1250波导微带转接器作用 将TE10 波转换为准TEM波。原理u波导：Ze=400-500，微带线：Z0=50 u在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段，使微带线与波导间结构渐变，减小不连续性带来的反射，实现阻抗匹配。微波转换元件第50页/共69页20

19、23/2/1251微波分支元件分支元件分支元件作用作用作用作用uu功率分配：将一路能量分为多路。功率分配：将一路能量分为多路。功率分配：将一路能量分为多路。功率分配：将一路能量分为多路。uu功率合成：将多路能量合为一路。功率合成：将多路能量合为一路。功率合成：将多路能量合为一路。功率合成：将多路能量合为一路。要求要求要求要求uu不损耗功率。不损耗功率。不损耗功率。不损耗功率。uu引起反射小。引起反射小。引起反射小。引起反射小。uu有一定的工作频带。有一定的工作频带。有一定的工作频带。有一定的工作频带。第51页/共69页2023/2/1252波导分支元件波导的单波导的单T分支分支E-TE-T分支

20、分支分支分支 分支波导宽面与分支波导宽面与分支波导宽面与分支波导宽面与E E面（面（面（面（TETE1010模的电场所在的平面）一致。模的电场所在的平面）一致。模的电场所在的平面）一致。模的电场所在的平面）一致。H-TH-T分支分支分支分支 分支波导宽面与分支波导宽面与分支波导宽面与分支波导宽面与HH面（面（面（面（TETE1010模的磁场所在的平面）一模的磁场所在的平面）一模的磁场所在的平面）一模的磁场所在的平面）一致。致。致。致。第52页/共69页2023/2/1253波导分支元件ET分支（总与反相联系）口输入，、均有输出口输入，、均有输出口输入，、等幅反相输出（分路，S13=-S23）、

21、等幅同相输入，口无输出、等幅反相输入，口输出最大（合成）第53页/共69页2023/2/1254波导分支元件HT分支（总与同相联系）口输入，、均有输出口输入，、均有输出口输入，、等幅同相输出（分路，S14=S24）、等幅同相输入，口输出最大（合成）、等幅反相输入，口无输出第54页/共69页2023/2/1255波导分支元件双T（可逆、无耗、对称四端口网络）将具有共同对称面的ET和HT组合起来。口输入，、等幅反相输出，口输出为0（S13=-S23，S43=0）口输入，、等幅同相输出，口输出为0（S14=S24，S34=0）、等幅同相输入，口无输出，口有输出、等幅反相输入，口有输出，口无输出、平分

22、臂，、隔离臂。第55页/共69页2023/2/1256波导分支元件魔T（匹配双T）-理想的3dB定向耦合器匹配特性 在理想情况下，四个端口完全匹配。只要、口匹配（S11=S22=0），、口一定匹配（S33=S44=0）。隔离特性 当、口具有隔离特性时（S34=S43=0），则、口也具有 隔离特性（S12=S21=0）。平分特性u 当信号由口输入时，则反相等分给、口（S13=-S23）。u当信号由口输入时，则同相等分给、口（S14=S24）。u当信号由口输入时，则同相等分给、口（S31=S41）。u当信号由口输入时，则反相等分给、口（S32=-S42）。第56页/共69页2023/2/12574

23、端口：端口：隔离端口隔离端口2端口：端口：直通端口直通端口1端口：端口：输入端口输入端口3端口：端口：耦合端口耦合端口定向耦合器定义一种具有定向传输特性的四端口元件，由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的。主线：“、”是一条传输系统。副线：“、”为另一条传输系统。第57页/共69页2023/2/1258按传输线类型按传输线类型（a a）微带分支）微带分支）微带分支）微带分支定向耦合器定向耦合器（b）波导单孔定向耦合器）波导单孔定向耦合器（c）平行耦合线定向耦合器）平行耦合线定向耦合器（d）波导匹配双）波导匹配双T（e）波导多孔定向耦合器）波导多孔定向耦合器（f）微带混合环微带混合环定向耦合器

24、第58页/共69页2023/2/1259定向耦合器第59页/共69页2023/2/1260定向耦合器技术指标耦合度C 指输入端口“”的输入功率P1和耦合端口“”的输出功率P3之比。u耦合度越大，耦合越弱。隔离度I 指输入端口“”的输入功率P1和隔离端“”的输出功率P4之比。第60页/共69页2023/2/1261定向耦合器技术指标定向度D(D=1-C)u指耦合端口“”和隔离端口“”的输出功率之比。u表示定向耦合器的定向传输性能（D愈大，隔离端口输出愈小，定向性愈好）。输入驻波比 端口“、”都接匹配负载时的输入端口“”的驻波 比。工作频带宽度 指定向耦合器的上述C、I、D、等参数均满足要求时的工

25、作频率范围。第61页/共69页2023/2/1262双分支定向耦合器若和端口反向，称为反向定向耦合器。因为和端口的输出信号相位差90，又称为90反向定向耦合器。若和端口同向，称为同向定向耦合器。u输入：ABC（波行程为g/2），ADC（波行程为g/2），路程相同，C点相加，有输出端口“”为耦合端。u输入：AD（波行程为g/4），ABCD（波行程为3g/4），两路路程差为g/2，相位差为，口无输出端口“”为隔离端。定向耦合器第62页/共69页2023/2/1263定义定义 将一路微波功率按一定比例分成将一路微波功率按一定比例分成n n路输出的功率元件。路输出的功率元件。等功率分配器等功率分配器不

26、等功率分配器不等功率分配器大功率往往采用同轴线大功率往往采用同轴线中小功率常采用微带线中小功率常采用微带线功率分配器第63页/共69页2023/2/1264两路微带功率分配器两路微带功率分配器 功率分配器的基本要求功率分配器的基本要求:端口端口“”无反射无反射端口端口“、”输出电压相等且同相输出电压相等且同相端口端口“、”输出功率比值为任意指定值输出功率比值为任意指定值1/k1/k2 2 功率分配器第64页/共69页2023/2/1265功率分配器两路微带功率分配器两路微带功率分配器 第65页/共69页2023/2/1266两路微带功率分配器两路微带功率分配器实际的功率分配器终端负载往往是特性

27、阻抗为实际的功率分配器终端负载往往是特性阻抗为Z0的传的传输线、而不是纯电阻输线、而不是纯电阻,此时可用此时可用g/4阻抗变换器将其变阻抗变换器将其变为所需电阻。为所需电阻。在在“、”端跨接电阻端跨接电阻Rj,既不影响功率分配器性能既不影响功率分配器性能,又可增加隔离度。又可增加隔离度。功率分配器第66页/共69页2023/2/1267功率分配器微带环形电桥微带环形电桥微带环形电桥是在波导环形电桥基础上发展起来的一微带环形电桥是在波导环形电桥基础上发展起来的一种功率分配元件种功率分配元件，也具有魔，也具有魔T的性质。的性质。由全长为由全长为3g/2的环及与它相连的四个分支组成的环及与它相连的四

28、个分支组成,分支分支与环并联。与环并联。u端口端口“”输入，端口输入，端口“、”反相输出，端口反相输出，端口“”无输出。无输出。u端口端口“”输入，端口输入，端口“、”同相输出，端口同相输出，端口“”无输出。无输出。端口端口“、”是隔离的。是隔离的。端口端口“、”也也是隔离的。是隔离的。第67页/共69页2023/2/1268功率分配器威尔金森功分器威尔金森功分器当信号从端口当信号从端口输入时，它可分输入时，它可分 和和 R 两路到达端口两路到达端口，R取值合适将使得这两路信号在取值合适将使得这两路信号在端口端口反相相消，从而反相相消，从而端口没有输出。端口没有输出。当信号从端口当信号从端口输入时，输入时，R起着同样的起着同样的隔离电阻隔离电阻的作的作用，这样，用，这样，、端口隔离。端口隔离。第68页/共69页2023/2/1269感谢您的观看！第69页/共69页