无源微波元件课件.ppt

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1、1.无耗网络参数的关系？2.传输系数、插入衰减、回波损耗、插入相移与参数之间的关系？3.无耗、互易、对称网络特性？4.同轴线、矩形波导、圆波导的主模？5.矩形波导TE10、圆波导TE11、TM01横截面的模式分布图,复习,第四章 无源微波元件,4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,4.3 转换元件,4.2.1 膜片、谐振窗和销钉,4.3.1 同轴波导转换器,4.3.2 矩形圆波导转换器,4.3.3 波导微带转接器,4.3.4 同轴线微带转接器,接头、方向元件、转换元件,微波元件是微波系统的重要组成部分。了解各种微波元件的原理、结构和作用是十分必要的。本书

2、仅讨论无源元件，且只择其部分常用的元件如匹配、转换、分支、定向耦合及铁氧体元件等加以介绍。如果从元件的结构类型考虑，则主要是介绍同轴和波导元件，也涉及部分微带元件。,第四章 无源微波元件,4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载,在低频电路中可利用电阻这一消耗功率、吸收能量的元件构成分压器、分流器或电阻网络以控制沿线电压、电流的幅度；在微波波段欲实现类似的功能，如控制传输线内的传输功率，则需在传输线中接入衰减器。对波的吸收、反射或截止。根据构成衰减的机理不同可将衰减器分为吸收式和截止式二类。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,第一，衰减器为双端口器件，一般接在传输线的始端或中间某一位

3、置，而匹配负载为单端口器件，接在传输线终端。第二，衰减器只是部分吸收传输线中的功率以控制传输功率电平，而匹配负载要求无反射地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。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,至于匹配负载，本质上也属于吸收式衰减器，但两者又有区别：,补充,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减

4、器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。,对衰减器通常提出的要求有：一定的工作频带；较小的输入端驻波比；较小的起始衰减量以及确定的衰减频率特性。当衰减器作为测量仪器的一个构成部件时，还应具有可靠的衰减频率校正曲线。对匹配负载提出的主要要求有：宽工作频带、小输入驻波比及适当的功率容量。按其功率容量的大小可将匹配负载分为小功率和大功率两种。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,衰减器的主要应用有：1)“去耦”，即消除负载失配对信号源的影响，这是保证微波系统稳定工作的重要措

5、施；2)调节微波源输出功率电平。匹配负载主要用于建立传输系统中的行波状态。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,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衰减，这种衰减器称为吸收衰减器，如图所示。,(一)、吸收式,补充,4.1.1 吸收式衰减器,图4-1一种吸收式衰减器,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,图4-2 吸收片的支撑杆,补充,图4-3 另一种吸收式衰减器,以上所述的吸收片可用玻璃、陶瓷或胶本等介质材料做基片。表面涂敷金属粉末、石墨粉或蒸发上镍铬合金等电阻材料。表面电阻约200300cm2。

6、为使性能稳定，通常还要浸渍一层氧化硅或氟化镁做保护层。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,衰减器衰减量的大小用A表示，常以自然对数或常用对数来度量，单位分别为NP和dB。对于吸收式衰减器设Ei和E0分别为衰减器的输入和输出电场强度，则，其中,或,一般说来，吸收式衰减器的衰减量A与吸收片的位置及频率之间没有一个简单的数学关系，必须用功率计或标准衰减器进行点频定标，获得刻度-衰减量定标曲线以备查用。,(4-1a),(4-1b),4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,4.1.2 极化衰减器,当旋转衰减片“2”与两端衰减片的夹角=0时，

7、衰减最小；当=90时，衰减最大。即从090变化时，衰减量可从0dB变化。另外，这种衰减器的衰减量A与旋转角的余弦的对数成正比，而与三个吸收片本身的衰减量(当然要求各自的衰减量足够大)无关。因此这种衰减器可作为一种定标的标准衰减器。但由于这种衰减器结构复杂，体积大，价格贵，故一般只作为衰减量的标准用来校刻其他衰减器或用于衰减量的精密测量。,(4-2),4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,截止式,截止衰减器是在传输线中插入一小段横向尺寸较小的传输线段，使电磁波在这一小段传输线内处在截止状态下传输，即电磁波经过这段传输线后微波能量很快衰减，控制截止传

8、输线的长度，就可以调节衰减量的大小，如图所示。,补充,4.1.3 截止式衰减器,截止式衰减器是利用波导的截止特性做成的。图中是一种截止式衰减器的结构示意图。这种截止式衰减器的主体是一段处于截止状态的圆波导，选择圆波导的半径满足截止条件,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,这种截止场的磁场H沿圆波导纵向(z方向)呈指数律衰减，即，其中衰减系数为,输出同轴线通过一个小环与圆波导作磁耦合，圆波导中的TE11模截止场激励小环，使得一部分功率进入输出同轴线中，这部分功率正比于小环所在处的磁场强度的平方，即。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,设小环位于z=0处的起始位置时耦合到输出

9、同轴线中的功率为P(0)=P0，则当输出同轴线被拉出到使小环处于z=l时的耦合功率为,这也即为此时的输出功率，它相对于输入功率P1的衰减量为,其中,为z=0时的起始衰减量。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,这种截止衰减器具有如下特点：,1)衰减量(dB数)与移动距离l之间成线性关系，如图所示；因此这种衰减器也可作为标准衰减器。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,截止衰减器结构示意图,补充,2)当c时，衰减系数很大，移动不太长的一段距离，就可得到很大的衰减量，例如最大可达120dB。,3)由于截止圆波导中不存在吸收性材料，故其衰减不是由于损耗而是由于反射所引起，所以截止式衰减

10、器属于反射式衰减器一类。由于圆波导输入、输出端反射都很大，因此无论对输入同轴线还是输出同轴线而言都是严重失配的。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,终端负载,传输线终端所接元件称为终端负载，常用的终端负载有匹配负载和短路负载两种。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,这里着重讨论三种：匹配负载 短路负载 失配负载L为反射系数,补充,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率。当需要在传输系统工作于行波状态时，都要用到匹配负载。,对匹配负载

11、的基本要求是：(1)有较宽的工作频带，(2)输入驻波比小和一定 的功率容量。,4.1.4 匹配负载,补充,匹配负载解决波反射和吸收两者之间的矛盾；,4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载,尖劈是一种缓变过渡结构，实践表明，由此引起的对波的反射远小于突变结构，且尖劈劈角越小，即斜面拉得越长，匹配性能愈好。这种小功率匹配负载允许耗散的平均功率达瓦级，一般可在1015频带内达到驻波比1.05的近于理想的匹配程度。,图4-6匹配负载,补充,4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载,补充,4.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载,补充,同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥形或者阶梯型吸收体，如图所示：,4

12、.1 微波电阻性元件衰减器和匹配负载,补充,高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。吸收物体可以是固体（如石墨和水泥混合物）或液体（通常用水）。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,短路负载,短路负载又称为短路器，它的作用是将电磁能量全部反射回去。将同轴线和波导终端短路，即分别成为同轴线和波导固定短路器。,补充,短路负载解决理想短路和活动间隙之间的矛盾；失配负载=1.2，解决宽带和反射系数变化之间的矛盾。,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,短路活塞要移动，太紧的配合会使移动不方便，间隙又会造成不理想短路。因此，间隙和理想短路构成了设计的主要矛盾。,平板活塞,4.1 微波电阻性元件

13、衰减器和终端负载,补充,扼流活塞 糖葫芦活塞,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,短路负载-短路器对短路活塞的主要要求是：保证接触处的损耗小，其反射系数模应接近1；当活塞移动时，接触损耗的变化要小；大功率运用时，活塞与波导壁（或者同轴线的内外导体 壁）间不应发生打火现象。短路器的输入阻抗为:短路器的输入端反射系数为:,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,这表明短路器的输入端反射系数的模应等于1，而相角是可变的。在结构上，短路活塞可做成接触式(左图）和扼流式（右图）两种:,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,上图所示的扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞太

14、长。为了减小长度可以采用下图所示山字形和S形扼流活塞。缺点是频带窄，一般只能做到1015%的带宽,4.1 微波电阻性元件衰减器和终端负载,补充,失配负载 实用中的失配负载都是做成标准失配负载，具有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测量中作标准终端负载。失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导口径的尺寸b不同而已。设b0为标准波导窄边尺寸，b为失配负载波导的窄边尺寸，由于则：可见对于不同的b可以特到不同的驻波比。,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,4.2.1 矩形波导中的膜片、谐振窗和销钉,一、电容膜片在矩形波导的横向放置一块金属膜片，在其上对称或不对称

15、之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口，如图所示。,电纳的近似计算公式为,容性膜片一压缩电场,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,二、电感膜片,电感膜片及其等效电路,电感膜片电纳的近似计算公式为,感性膜片一压缩磁性,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,三、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开设一个小窗，称为谐振窗。,谐振窗及其等效电路,谐振窗可以看作是感性膜片和容性膜片的结合，构成无反射元件。(窗的特性阻抗等于波导主模的特性阻抗，它在概念上有力地说明：有障碍未必有反射)。,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,图 含有谐振窗的雷达天线收、发开关,图 给出了谐

16、振窗在雷达设备中的应用。当发射机发射的大功率信号经过单向器到达由介质封闭的谐振窗 I 时，大功率信号将使两封闭谐振窗之间的高频放电气体放电，在谐振窗附近形成导电层而封闭谐振窗，使之成为短路面,大功率信号在谐振窗表面将被全反射，只能通过波导到达天线而发射出去。,补充,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,由此可见，两介质填充的谐振窗之间的空间起到了开关的作用，故称为天线收、发开关，简称 TR 管。,图 含有谐振窗的雷达天线收、发开关,当天线接收小功率信号时，由于单向器的作用，信号不能进入发射机，只进入接接收机通道。这时信号功率较小，不会使高频放电气体放电。因此，当接收信号波长等于 0 时，两介质

17、填充谐振窗之间隔成的空间对接收信号没有影响，使接收信号能顺利地进入接收机而被接收。,补充,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,四、螺钉 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。,波导可调螺钉及其等效电路,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,(一)膜片 在工作于主模的矩形波导横截面内放入图 4.1(a)所示的金属薄片，称为膜片。,图4.1,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,膜片的引入改变了波导均匀的边界条件，膜片处的场分布如图4.1(b)所示。将膜片处的电场实行模式展开，容易看出它是由TEn0(n为奇数)各模迭加而成。其

18、中，高次模TE30，TE50对于只传输主模的矩形波导来说，均属于截止模。,图4.1,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,它们不能沿波导传输，只存在于膜片附近，由于TE模截止场磁能占优势，因此，这样的膜片呈电感性，称为感性膜片。其等效电路是与波导等效传输线相并联的电感，如图4.1(c)所示。,图4.1,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,波导模横截面内的膜片也可按图 4.2(a)所示的方式引入。,图4.2,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,这种情况下，新的边界条件使件使场变为如图 4.2(b)所示。由膜片处的场与TE10模相比较可见，此时出现的高次模是以TM12模为主的TM模，这些TM模

19、对于只传输主模的矩形波导仍属截止模。根据TM模截止场电能占优势的特性，可知这种膜片呈电容性，称为容性膜片。,图4.2,TM11,TM12,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,其等效电路如图 4.2(c)所示。,图4.2,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,上述膜片等效电抗的大小只能通过场解或实验得出，场解得到的近似计算公式有：,1对称感性膜片、零厚度情况下归一化电纳,T(膜片的厚度)不为零时可近似修正为,(4.1a),(4.1b),4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,2.对称容性膜片、零厚度归一化电纳为,t不为零时可近似修正为,(4.2a),(4.2b),4.2 几种简单不均匀性场的电抗

20、性质,(二)谐振窗,在矩形波导的横截面内引入图4.3(a)的窗口形金属薄片可视为感性膜片与容性膜片的组合。,图4.3,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,(三)销钉,在矩形波导或其他微波结构中，插入的金属圆柱体，称为销钉。,图 4.4所示为对穿销钉。采用与分析膜片相同的方法，可分别得电感销钉和电容销钉。,图4.4,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,图 4.5所示为可调销钉，又称可调螺钉。它从矩形波导宽边中心处插入，深度可调，其电抗性质随插入深度而定。插入深度较小时，销钉呈容性，因为销钉主要起集中电场的作用，如图 4.5(a)所示；,图4.5,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,图4.5

21、,波导短路的实现,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,4.2.2 导波系统中的阶跃不均匀性,(一)同轴线、矩形波导横向尺寸的跃变,图 4.6(a)为同轴线横向尺寸的跃变。图 4.6(b)为矩形波导窄边尺寸的跃变。显然，这类结构的等效电路在阶跃面两边表示为特性阻抗或等效特性阻抗不等的传输线，台阶的作用类似于容性膜片，故等效为跨接在传输线间的电容，如图 4.6(c)所示。,图4.6,4.2 几种简单不均匀性场的电抗性质,(二)两条不同特性阻抗微带线的连接,在连接点必然发生导带宽度跃变，如图 4.7(a)所示。微带尺寸跃变的等效性质，可用对偶波导模拟法进行分析。,图4.7,4.3 转换元件,4.3

22、 转换元件,连接元件,在微波技术中，把相同类型传输线连接在一起的装置统称为接头。常用的接头有同轴接头和波导接头两种。把不同类型的传输线连接在一起的装置称为转接元件，又称作转换接头。常用的有同轴线与波导、同轴线与微带线、波导与微带线间的转接元件。,(一)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；结构牢固，装拆方便，易于加工等。,(a)平接头(b)扼流接头,4.3 转换元件,4.3 转换元件,(二)拐角、弯曲和扭转元件。当需要改变电磁波的极化方向而不改变其传输方向时，则要用到扭转元件。对这些元件的要求是：引入的反

23、射尽可能小、工作频带宽、功率容量大。,(a)波导拐弯(b)扭波导(c)E面弯曲(d)H面弯曲,4.3 转换元件,(三)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，而且还应该考虑模式的变换。,1、同轴线波导转换器,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。为了提高转换效率，可调节探针深度和短路活塞位置。,2、波导微带转接器,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。,同轴线波导,波导微带,4.3 转换元件,3、同轴线微带转接器,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

24、线宽度。,4、矩形波导圆波导模式变换器,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达到模式的变换。,矩形波导圆波导模式变换器,同轴线微带,4.3 转换元件,图4.29,4.3 转换元件,a 同轴波导b 波导微带线c 矩形波导圆波导b 同轴带状线d 同轴微带线,4.3 转换元件,4.3 转换元件,工作于TEM模的同轴线与工作于TE10模的矩形波导之间的转换装置有多种结构形式。如图 4.29(a)所示的探针和耦合环是常用的两种。这里以探针为例进行分析。,4.3.1 同轴波导转换器,图4.29,4.3 转换元件,探针电激励,“电激励”的方法之一是将一根探针平行放置在波导中所需激模式电场

25、强度最强处，靠探针顶端的交变电荷产生时变电场，从而在波导中激起电磁波。矩形波导中TE10模就可由这种方法来激励，其激励装置如图所示。,4.3 转换元件,图4.30,宽带模模互易定理,4.3 转换元件,设同轴线的特性阻抗为Zc1，波导的等效特性阻抗为Zc2，波导输出端接匹配负载。探针附近的高次模引起的电抗为jX，短路波导段等效电抗为jX2。同轴线与波导的耦合作用可用理想变压器代表，于是，转换器的等效电路如图4.31所示。,图4.31,4.3 转换元件,小环磁激励,图4.29,4.3 转换元件,4.3 转换元件,4.3.2 矩形圆波导转换器,这里仅介绍两种常用的矩形圆形波导转换器。,(一)转换器,图4.29(c),4.3 转换元件,4.3.2 矩形圆波导转换器,这里仅介绍两种常用的矩形圆形波导转换器。,(一)转换器,4.3 转换元件,(二)转换器,图4.32,4.3 转换元件,(二)转换器,图4.32,作业18课本P335，4.11、4.16,作业,