第九章微波元器件与集成电路ppt课件.ppt

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1、主要内容:微波无源元器件微波有源元器件微波集成电路简介,第九章 微波元器件与集成电路,微波元器件,无源元器件,有源元器件,(重点),(了解),8.1 电抗元件,3、若传输线中的不均匀区域具有电容或电感的性质,可以等效为电感或电容,即电抗元件。,4、原理:在传输线的不均匀区域附近,电磁场比较复杂,可以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。若储存的主要是电场能量,则不均匀区域相当于一个储存电能的电容;若储存的主要是磁场能量,则不均匀区域相当于一个储存磁能的电感。,一、基本概念,2、传输线中的不均匀区域:传

2、输线中结构、尺寸、参数发生突变的区域。,1、终端短路或开路的传输线 电抗元件,等效,二、常见电抗元件,三、矩形波导中的金属膜片,1、容性膜片:,a,b,d,2、感性膜片:,a,d,b,d,俯视,横截面,3、谐振窗:,a,b,谐振波长:,谐振时,并联回路的电抗无穷大(相当于开路),无反射;失谐时,并联回路的电抗为容性或感性,反射较大;作用:一个谐振窗相当于带通滤波器,谐振的频率就是可通过的频率。,b,a,四、矩形波导中的金属销钉,1、容性销钉:,2、电纳可调螺钉:,为防止出现串联谐振和击穿现象,销钉一般旋进深度较小,工作于容性状态。销钉越粗,电容值越大。,d,四支节负载匹配装置,一个可调销钉相当

3、于一个并联电抗支节,五、传输线中的阶梯,1、矩形波导E面阶梯:,E面:与电场矢量平行的平面,2、矩形波导H面阶梯:,H面:与磁场矢量平行的平面,3、同轴线中的阶梯,六、微带电路中的电容、电感,1、串联电容:,2、串联电感:,一段无耗短传输线,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。,若Zc大,则L大,C小可忽略若Zc小,则C大,L小可忽略,当介质基片厚度一定时,微带宽度W,则Zc;,预备知识:,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。,l,用高阻抗微带短线实现串联电感,高阻抗段,3、串联在传输线上的谐振回路:,L,C,l,4、并联

4、电容、电感:,用低阻抗线实现并联电容:,低阻抗段,5、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。,6、微带线中的串联电阻:,R,高阻金属薄膜,吸收电磁能量,9.2 微 波 滤 波 器,一、低频滤波器设计,将所需其他滤波器的衰减特性通过频率变换,得到对应的低通滤波器衰减特性;设计该对应的低通滤波器的电路结构和元件值;应用频率变换,得到所需滤波器的电路结构和元件值。,(衰减),(频率),低通滤波器的设计已非常成熟;低通滤波器:最平坦式、切比雪夫式、椭圆函数式,二、微波滤波器设计,先按低频滤波器的常规设计方法,设计出低频集总元件滤波器,得到其电路结构

5、和每一个元件值;,然后,用微波频段的元件代替已设计电路中的集总元件,该过程称为集总参数电路的微波实现。,如,波导中,电感、电容就可以用波导膜片、销钉来实现,微带电路中也可用微带间隙、分支等来实现电感、电容。,三、微带滤波器,集总元件电路,1、低通滤波器1,微带电路实现方案,L,L,C,(电感),(交指电容),C1,C3,C5,L2,L4,L6,高阻抗短线(窄线)相当于 串联电感 低阻抗短线(宽线)相当于 并联电容 经过计算确定每段微带的长度、宽度,使其等效电抗值与集总元件电路中的对应电抗值的相等。,2、低通滤波器2,集总元件电路,C2,C4,L1,L3,椭圆函数式低通滤波器,L2,L4,L5,

6、C6,3、低通滤波器3,微带电路实现方案,4、带通滤波器,输入,输出,微带段两端开路,波导波长等于 g 的电磁波才可以在微带段上谐振并持续存在;,微带段与微带段之间有能量耦合;,输入信号中,只有谐振频率及其附近频率的信号才可以一级一级耦合到输出口,故为带通滤波器。,平行耦合微带型带通滤波器,某实际微带电路中的耦合带通滤波器,屏蔽盒中的微带带通滤波器,将 微带段折弯,以减小体积,平行耦合微带型带通滤波器的变形,同轴线输入,同轴线输出,5、带阻滤波器,g1/4,终端开路,输入,输出,对于波导波长等于 g1、g2、g3 的电磁波而言,并联的终端开路 四分之一支节实现了对地短路的功能,这些频率的信号

7、不能通过,故为带阻滤波器。,带阻滤波器实例,四、同轴线滤波器,C2,C4,L1,L3,L5,用高、低阻抗同轴线实现低通滤波器,低通滤波器,同轴线实现方案:,a:内导体半径b:外导体内半径,高阻抗短线(内导体细)相当于 串联电感 低阻抗短线(内导体粗)相当于 并联电容,C2,C4,L1,L3,L5,销钉型,四、波导滤波器,9.3 终端元件(单端口元件),一、匹配负载:,作用:接在传输线的终端,尽量吸收全部入射功率,保证传输线的终端无反射,其驻波比在 1.05 左右 1.1 左右;,工作原理:元件中采用高阻衰减材料、吸波材料,吸收入射的电磁波;,特点:吸波材料与空气的界面应做成渐变式过渡,减小反射

8、;高功率匹配负载需要散热装置,将吸收的电磁能转化成的热能散发出去。,1、波导式匹配负载,片式吸收体,体积式吸收体,吸波材料,2、同轴线式匹配负载,同轴匹配干负载,3、微带线式匹配负载,介质,薄膜电阻,导体带,渐变式,二、短路器:,波导可移动短路器,提供尽量大的反射系数;最好可自由移动;可移动短路活塞:接触式:物理接触 非接触式:非物理接触,电接触;,三、辐射终端,能量尽量辐射出去,尽量减小终端反射;,喇叭天线,抛物面天线的喇叭馈源,波导喇叭,9.4 接头(flange),抗流式波导接头,作用:连接各段传输线。,要求:电接触可靠,引起的反射尽量小,电磁能量不会外漏。,9.5 衰减器和移相器,一、

9、衰减器:,同轴线衰减器,作用:根据需要,减小所传输信号的幅度。原理:用吸波材料吸收一定的电磁能量来实现衰减。,二、移相器:,原理:电磁波在不同介质中具有不同的相移常数。因此改变电磁波经过的介质就可以改变其相移量。,作用:可以人为地改变传输电磁波的相位。,矩形波导TE10模式的相移常数,经过距离 l 的相移量,相移量与媒质参数密切相关,功率分配网络,天线阵元,移相器,馈源,应用举例:用于相控阵天线中,要求每个天线阵元辐射相位不同的电磁波。,移相器的相移量,相控阵天线,9.6 分支元件,作用:把一路电磁能量分为两路或多路;或者,将多路电磁能量相加或相减。,1、波导E-T分支(三端口元件),2,1,

10、3,等效电路,在3臂加终端短路活塞,就可以移动短路活塞,调节串联支路的输入阻抗值(近似为纯电抗),作为电抗元件使用。,jX,1,2,等效,能量分配功能,2,1,3,3臂自身有反射,但若在该臂加入匹配装置,可使3臂的入射能量全部从1、2臂平分输出;,3臂输入时,从1、2臂等幅、反相输出;,1臂输入时,从2、3臂输出;,1,2,3,1,2,3,2臂输入时,从1、3臂输出;,求差信号的功能,1,2,3,两信号分别从1、2臂输入,且到达分支波导中轴T面时相位相同,则3臂输出两信号之差,称为差信号。,信号1,信号2,若两输入信号等幅,则3臂无输出;,T,求和信号的功能,1,2,3,两信号分别从1、2臂输

11、入,且到达分支波导中轴T面时相位相反,则3臂输出两信号之和,称为和信号。,信号1,信号2,T,2、波导H-T分支(三端口元件),等效电路,1,2,3,能量分配功能,1,2,3,3臂自身有反射,但若在该分支波导加入匹配装置,可使3臂的入射能量全部从1、2臂平分输出;,3臂输入时,从1、2臂等幅、同相输出;,1臂输入时,从2、3臂输出;,2臂输入时,从1、3臂输出;,1,2,3,1,2,3,求和信号的功能,1,2,3,信号1,信号2,信号1信号2,两信号分别从1、2臂输入,且到达分支波导中轴T面时相位相同,则3臂输出两信号之和,称为和信号。,T,求差信号的功能,1,2,3,信号1,信号2,两信号分

12、别从1、2臂输入,且到达分支波导中轴T面时相位相反,则3臂输出两信号之差,称为差信号。,若此时两信号等幅,则3臂无输出;,T,3、波导双-T分支(四端口元件),1,2,3(E),4(H),主要特性:1、2同相输入:3输出差信号,4输出和信号;3输入:1、2等幅、反相输出,4无输出;4输入:1、2等幅、同相输出,3无输出;3、4相互隔离(相互不可传送信号),1,3,2,“3臂、4臂隔离”的原因:,T,3臂输入的TE10 模式关于中轴面T反对称,而4臂中TE10模式关于中轴面T对称,故相互不能激励。,3臂(4臂)输入的TE10 模可以在4臂(3臂)中激励起高次模,但高次模式不能传输,不能输出。,3

13、臂输入,4臂无输出,4、波导魔T(四端口元件),1,2,3(E),4(H),调匹配的装置,主要特性:任何端口都与外接传输线相匹配;3、4匹配之后,1、2自动匹配;3输入:1、2等幅、反相输出,4无输出;4输入:1、2等幅、同相输出,3无输出;1、2均有输入:3输出差信号,4输出和信号;3、4臂相互隔离;1、2臂相互隔离;在微波设备、雷达中应用广泛。,二、微带分支:,Y形分支,T形分支,功分器实例,一分二,主要特性:3臂输入:1、2等幅、反相输出,4臂无输出;4臂输入:1、2等幅、同相输出,3臂无输出;1、2臂均有输入:3臂输出差信号,4臂输出和信号;3、4臂相互隔离;1、2臂相互隔离;,微带环

14、形电桥(微带魔T),微带环形电桥实例,波导环形电桥,9.7 定向耦合器,3,2,1,4,同向耦合,输入端口,隔离端口,耦合端口,直通端口,作用:,从主传输线中取出一些电磁能量并向设定的方向传输。,一、波导定向耦合器,双孔定向耦合器(窄频带),3,2,1,4,1,4,3,2,单孔定向耦合器,定向耦合器实例,二、微带定向耦合器,平行耦合线定向耦合器,距离较近的微带线之间都有能量耦合。,主线,副线,锯齿形定向耦合器实例,微带双分支定向耦合器,3,2,1,4,A,B,C,D,1输入,2、3输出,相位差90度;4为隔离端口,无输出;,微带双分支定向耦合器实例,相当于低频中的谐振回路,具有储能、选频、稳频

15、的功能;用途:微波源、滤波器、选频器等等;,9.8 微波谐振器,一、基本概念:,特点:理论上说,有无穷多个谐振频率(多谐性);品质因素Q值很高(几万几十万);,Q,谐振系统谐振时的平均储能,系统中每秒的能量消耗,二、传输线型谐振器的原理:,L,C,谐振时:,回顾:低频集总元件谐振回路:,短路,短路,1、两端短路的传输线:,结论:两端短路的传输线段可以当作微波谐振器,谐振频率有无数个,波导波长 的频率均是谐振频率。,两端短路传输线中的场分布情况:,驻波分布,两端均为波节点,结论:两端开路的传输线段可以当作微波谐振器,谐振频率有无数个,波导波长 的频率均是谐振频率。,场分布情况:,两端均为波腹点,

16、3、一端短路另一端开路的传输线:,l1,Y1,Y2,开路,短路,结论:上述传输线段可以当作微波谐振器,谐振频率有无数个,波导波长 的频率均是谐振频率。,场分布情况:,短路端为波节点,开路端为波腹点,1、矩形波导谐振腔,波导腔中沿 x、y、z 三个方向都是驻波分布。,三个整数 m、n、l 的每一种组合都对应腔内的一种谐振模式,因此:有无穷多个谐振模式;,三、波导型谐振器:,2、圆波导谐振腔,有无穷多个TE、TM谐振模式,谐振频率可用公式计算;,l,a,有三种常用谐振模式,场结构各不相同,各有其优点;可通过合理选择尺寸,得到需要的谐振模式,抑制其他模式;,品质因数正比于腔体积,反比于腔内壁面积,故

17、在同样体积情况下,圆波导谐振腔比矩形谐振腔品质因数高,性能好,加工也容易,是最常用的谐振腔。,应采用两端短路的方式;,3、空腔谐振腔的激励与耦合:,三、同轴腔谐振器:,谐振模式为TEM模式,场结构简单稳定、频带宽,应用广泛;,1、两端短路同轴谐振腔:,2、一端短路另一端开路同轴谐振腔:,l,四、高频段的开腔谐振器,球面开腔,平板开腔,平板球面开腔,在高频段,传输线型谐振腔的损耗增加,Q值降低;开腔谐振器工作稳定、Q值高,调谐、使用方便、易于加工,在毫米波、亚毫米波段应用前景广阔。,l,l,l,谐振条件:,毫米波开腔谐振器,五、微带谐振器,l,a,b,线节谐振器,环形谐振器,圆盘形谐振器,谐振条

18、件:1、线节谐振器、缝隙谐振器:2、环形谐振器:平均周长,谐振器,谐振器,谐振器,导带,导带,谐振器,导带,导带,微带谐振器的耦合、激励,导带,9.9 非互易元件,一、场移式隔离器,衰减片:大量衰减反向传输波,对正向传输波影响不大。,铁氧体:各向异性媒质,分子式为MOFe2O3的一类铁磁物质的总称,M:代表Mg、Ni、Zn等二价金属。,特性:给铁氧体加上恒定磁场后,它对某个旋向的圆极化波(反向传输波)表现高的磁导率,有“吸收”作用(使场集中在铁氧体内),对相反旋向的圆极化波(正向传输波)表现低磁导率,有“排斥”作用(使场不能进入铁氧体内),此即为“场移作用”。,隔离器,入射波,入射波,反射波,

19、A,A,隔离器用于阻抗匹配,入射波可通过,反射波不可通过,二、Y型结环形器,铁氧体外加恒定磁场,波导环形器实例,入射波到达分支口分为两路。对恒定磁场而言,一路为左旋,一路为右旋,由于铁氧体对不同旋向的波表现出不同的磁导率,电磁波将偏向磁导率高的一边,即:能量向磁导率高的一边集中。,环形器用于天线收发开关:,发射机、接收机之间良好隔离,9.10 微波有源元器件,微波电真空管:(高功率)振荡型、放大型,表面势垒二极管(即肖特基二极管)变容二极管(包括阶跃二极管)隧道二极管(包括反向二极管)PIN二极管雪崩二极管转移电子器件(即体效应管)微波晶体管(双极晶体管和场效应晶体管),微波半导体器件(固态器

20、件):(中小功率),一、微波有源元件:,二、微波有源器件:(无源元件+有源元件),微波固态放大器:放大信号、功率 微波混频器:下变频:微波 中频 上变频:中频 微波 微波倍频器:获得倍频信号 微波固态振荡器:产生振荡信号,微波源 电真空管放大器:高功率、高增益放大 电真空管振荡器:产生高功率振荡信号,三、微波电路:立体电路:波导、同轴线有源器件 混合微波集成电路:平面传输线半导体器件 单片微波集成电路:半导体器件与传输线一起集成在 一块半导体基片上。,平面电路,(微波高端、毫米波、亚毫米波),(HMIC),(MMIC),四、微波系统简介:,功率放大器,发信混频器,本地振荡器,中、低频输入信号,微波输出信号,天线,发射机简化框图,上变频,微波低噪声放大器,收信混频器,本地振荡器,输入微波信号,天线,接收机简化框图,中、低频输出信号,下变频,脉冲雷达系统,功放,上变频,低噪放,下变频,中频放大,检波,放大,显示,收发开关,天线,

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