微波技术与天线 第3章 常用微波元件.pdf

Z第三幸、毋用微波无器件第三章常用微波元件A微波元件的分类,按元件性质分：微波元件的功能在于对微波信号进行 各种变换，接其变换性质可将微波元件分为如下三类。一、线性互易元件凡是不包含非线性非互易性物质的元件都属于这一 类，这类元件只对微波信号进行线性变换，不改变频率 满足互易定理。常用的线性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向Z第三幸、毋用微波无器件耦合器、阻抗变换器和滤波器等。二、线性非互易元件这类元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质，具有 非互易特性，其散射矩阵是不对称的。但仍工作于线性 区域，属于线性元件范围。常用的线性非互易元件有隔 离器、环行器等。三非线性元件这类元件中含有非线性物质，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。常用的非线性元件有检波器、混 频器、变频器以及微波控制元件等。Z第三幸、毋用微波无器件:/按传输线的类型分：分为波导型、同轴型和微带型等:类型。过去常用的波导型和同轴型元件大多做成单件分 立式，一般单独完成一种功能。这种分立元件可以根据:需要加以组合，以构成各种微波系统。近年来采用由微 带和集中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，组成复杂的微波系统，完成各种:不同功能。:/按端口数目分：单端口，双短口，n端口网络:/按功能分类：匹配元件，连接元件，定向耦合元件，:滤波元件，衰减与相移元件，谐振元件等 三 本章对常用的无源线性微波元件作一简要介绍。包.括这些元件的基本工作原理，基本结构和主要用途。第三章、库用微波无器件波导负载第三章、库用微波无器件各种同轴接头,.第三幸、母用燃波无器件同轴接头back抗流接头.第三幸、母用燃波无器件同轴一波导转化器.第三幸、母用燃波无器件同轴一波导转化器r-Z第三幸、毋用微波无器件E面弯波导二二；第三幸、母用燃波无器件第三章、库用微波无器件定向耦合器第三章、库用微波无器件隔离器滤波器.第三幸、母用燃波无器件第三章、库用微波无器件放大器back第三本、卒用微波无器件衰减器backZ第三幸、毋用微波无器件Z 传输线中的电抗元件A微波系统中的电抗元件：利用微波传输线中结构尺寸 的不连续性组成的。由于不连续性引起的损耗很小，故 不连续性的等效电路不外乎是电感、电容、理想变压器 和无耗传输线段以及它们的组合。A电抗元件：包括感性元件和容性元件。感性元件是指 能够集中磁场和存储磁能的元件；而容性元件是指能够 集中电场和存储电能的元件。Z第三幸、毋用微波无器件波导中的常用电抗元件。1、电容膜片/结构：在矩形波导的宽壁上横向放置一块金属膜片，并在其上对称或不对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同 的窄长窗口，如图2-21(a)所示。/工作原理：当波导宽壁上的轴向电流到达膜片时，要 流进膜片。而电流到达膜片窗口时，传导电流被截断，在窗口的边缘上积聚电荷而进行充放电，因此两膜片问 就有电场的变化而存储电能。这相当于在横截面处并接 一个电容器，故这种膜片称为电容膜片，从更本质的场 的角度解释。/等效电路：如图2-21(b)所示Z第三章、片用版设无器件iJLIT一；7-A“，八(O.图221电容胸片及其等效电路Z/等效电纳的近似计算公式为当t0时居）参见表2.4B=当t0时，要对归一化电纳修正，修正量的计算公式为 己 2E b d 匕一工）.一 儿 d bZ第三幸、毋用微波无器件:式中特性导纳丫0可选为波导的波导纳，入p为波导中TE10模的相波长:以上公式的精度为10%左右。:显然，当d越小，等效的归一化电纳越大，当d0时,:B 无穷大，相当于短路的情况。;2、电感膜片:矩形波导中的电感膜片结构及其等效电路：如图2-22 所示。/工作原理：当在波导窄壁上放置金属膜片后.会使波 导宽壁上的电流产生分流。于是在膜片的附近必然会产 生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜 片。Z第三幸、毋用微波无器件Z/电感膜片电纳的近颜计算公式为X t=o B.Yoctg2 傍）:too,=_4.氏2（_力-Q 2Q _Z以上公式的精度为10%左右。Z 显然，当d越小，等效的归一化电纳越大，当d0时,:B 无穷大，相当于短路的情况。X 工程设计中往往是已知B值，求窗口大小，膜片的最:终尺寸必须通过试验确定 3、谐振窗二/结构：图2-23给出了谐振窗的结构示意图和等效电路。Z第三幸、毋用微波无器件CZZ=Z：9|1=3、y0 加rQE=3H*C=iZ5l(e)图2.22电感膜片及其等效电路图223 谐振窗及其等效电路Z第三幸、毋用微波无器件/工作原理：谐振窗可以看成是电感膜片和电容膜片的 组合，其等效电路近似为LC谐振回路。当工作频率等于 谐振频率时，存储的电能与磁能相等；并联电纳为零：电磁信号可以无反射地通过，即为匹配状态；当工作频 率低于谐振频率时，并联回路呈感性，即谐振窗具有感 性；当工作频率高于谐振频率时；谐振窗具有容性。如 果工作频率不变，谐振窗的尺寸发生变化。则也会引起 谐振窗电抗性质的变化。Z第三幸、毋用微波无器件4、螺钉及销钉/可调螺钉的结构示意图及其等效电路：如下图所示。/用途：膜片在波导中的位置和尺寸一旦确定就不容易 调整改变，所以只能作固定电抗元件使用。而螺钉插入 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。在矩形波导宽壁中心插入的螺钉可近似等效 为并联电抗，随着螺钉插入深度h的变化，其等效 电抗的大小和性质也随之改变。工作原理：当螺钉插入波导中时.一方面螺钉附近高:次模的电场较为集中；另一方面，宽壁上的轴向电流也,要进入螺钉产生附加磁场。当h较小（即h入/4）时，前 者影响较大，螺钉等效为一电容；当h增大时，高次模沙A匕ZXA台匕台匕法令匕;第三幸、毋用微波无器件大致相等；则螺钉可等效为一串聪谐振回路；当h继续 增大（即h入/4）附加磁场影响起主要作用，螺钉等效为 一电感。目前。螺钉的等效并联电纳还没有可供使用的 简单计算公式。实际中，螺钉主要用作可调电抗元件，其电纳值可根据需要来调整。披导可海螺打及其一电珞nrZ第三幸、毋用微波无器件电感销钉（等效为电感，结构为贯穿波导窄边的销钉）电容销钉（等效为电容，结构为贯穿波导宽边的销钉）5、波导阶梯E面阶梯等效为并联的电容H面阶梯等效为并联的电感同轴中的不连续性等效为电抗元件：同轴线中的阶梯和开路端以及间隙都等效为电容A微带线中的电抗元件在微波电子电路中，还常用微带结构来模拟集总元件 一般认为有限长度的微带线损耗很小，故仅用微带线结构来实现电感、分g左左用去台匕、Z第三幸、毋用微波无器件01、微带缝隙电容用微带结构来实现集总参数电容的一种重要形式是微 带的缝隙，其结构和等效电路如图所示0在计算中微带基板与上例一致，微带线宽w=0.25 mm,缝隙宽度取s=0.2mm,下图只显示了转移阻抗 A12的分析结果，可以看到其转移阻抗明显具有电容性,而且在X波段范围频率越高其电容量越小。第三*.年用微波无器件微带缝隙电容特性Z第三幸、毋用微波无器件微带“交叉手指”形电容（简称微带交指电容）是另一 种常用的微带形式电容，在微波电路中用做隔直流电容 等，下图表示了一种微带交指电容的结构和尺寸描述参 数，给出了其等效电路，以及其转移阻抗A12第三章、库用微波无器件Z第三幸、毋用微波无器件Z 2、微带的开路终端:在微带结构中，理想开路和理想短路都不可能实现，:尤其是开路端。Z 在微带线中心导带的中断处，导带末端将出现电场的:边缘效应，同时辐射能量。因此微带线的开路端可等效 为RC电路，R代表辐射损耗；C代表电场边缘效应。f0则抗流式短路活塞的等效电路图如上图，z Y Z”.乙如果取Z2Z则ZJ比Zs更一0,及更接近于短路。对于矩形波导抗流式短路活塞，两段/4阻抗变换器 的特性阻抗与bl、b2成正比。Z第三幸、毋用微波无器件如果取E尽可能小，b2在保证强度的情况下尽可能大,则可得到较好的短路性能。如，若b2bl十倍，则短路 性能比接触式改善100倍。为了增加强度，上面的短路活塞，可采用折叠形式。如下图(a)。同理可得同轴抗流短路活塞如下图(b)A抗流式短路活塞可看成%/4阻抗变换器的应用，&同理可分析有源电路中常用的高低阻抗线的馈电,Or3+6Zu有效/卜硒。坦路置、IZ第三幸、毋用微波无器件衰减器和移相器衰减器和移相器均属于二端口网络，但两者具有不同 的功能。衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减;而移楣器的作用是对通过它的微波信号产生一定的相移,微波能量可无衰减地通过。一、衰减器为了调节传输系统内传输功率的功率电平，传输系统 内必须接入衰减器，对微波能量产生定量的衰减。衰减 量固定不变的称为固定衰减器，衰减量在一定范围内可 以调节的称为可变衰减器。Z第三幸、毋用微波无器件:/理想衰减器的s参数: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 e-里=|。1ml:式中a为衰减系数，1为衰减器长度，衰减器的衰减量表小为：:A=tOlog J dB X其中Pi和p。分别为衰减器的向入和输出功率。:/衰减器的工作原理 吸收式。（图3+6）截止式。（图3+7）第三章、库用微波无器件幽 3+6 波导吸收衰减器示意图横向可词衰戏界;。）纵向可两衰减邪接匹配负图3+6截止衰减器示意明Z第三幸、毋用微波无器件二、移相器移相器是对电磁波只产生一定的相移而不产生能量衰 减的微波元件，理想移相器是一个无反射、无衰减的二 端口网络/散射矩阵/改变相位的方法有两种：一种方法是改变传输线的长 度1,另一种方法是改变传输线的相移常数。可由这两 种方法构成移相器。移相器在微波相位测量和微波管的负载特性测量 中.以及微波系统中有着广泛的应用。Z第三幸、毋用微波无器件3.1 阻抗匹配与变换元件3.1.1 阻抗匹配与变换元件微波电路中常见的匹配方法电抗补偿法A阻抗变换法A反射吸收法1、电抗补偿法Z第三幸、毋用微波无器件：2、阻抗变换器当负载阻抗与传输线特性阻抗不相等或连接两段特性 阻抗不同的传输线时，由于阻抗不匹配会产生反射现象,为了消除这种不良反射现象。可在其间接入阻抗变换器,以获得良好的匹配。常用的阻抗变换器有两种：一种是由四分之一波长传 输线段构成的阶梯阻抗变换器(包括单节和多书)，另一 种是渐变线阻抗变换器。(1)阶梯阻抗变换器单节九/4阻抗变换器Z第三幸、毋用微波无器件单节九/4阻抗变换器在微波技术中得到广泛的应用，下 图为一应用实例。由于单节V4阻抗变换器的长度与波长 有关，因此它是窄带工作的器件，其工作原理在第一章 已经做了介绍，本节重点讨论它的工作带宽。I一定向福合器：2阻抗变换器；3一相移线段；4一混频二极管；5-高频旁路,&一半环电感及缝隙电容；7中频及直流通路；8一匹配负载.第三本、专用，I波无蠢件如图37(a)所示。若主传输线的特性阻抗为Z。，终;端接一纯电阻性负载ZL，但ZLWZ。，则可以在传输线与 负载之间接入特性阻抗为Z1长度为。/4的传输线段来实:现匹配。对于单工作频率f0时，当乙=,存,可实现完 全匹配，即ZiZo当工作频率偏离f0时，图37(a)中参:考面T。处的反射系数就不再等于零。设此时T。面上的反 射系数为，则图Z第三章、?用抵设无器件p_ zg一 ZQ ZM+ZoZ.ZL+R&H 7红匕&g四，；，4 ZL+JZL岬*z.=zz+jZjtg-二 za-jZcZ.312=ZZL+7z ZZ+oL tg:将z、=,存代人上式，得2.匕.士zZo_,(左：+Z).+2),，ZZL tgpl上式取模为lrl=1 I，L 一乙03-2(a)Z第三幸、毋用微波无器件在中心频率附近，690。，sec。无穷大，上式可近 似为1rg3-2(b)当。=0时,最大，为相当于阻抗变换器不存在，此时反射系数模注：此式不是由3-2(a)式令090。得到由式3-2(b)可以画出|口随0变化的曲线，即|口对频率的曲 线，如图3-7(b)所示。|随。(或频率)作周期变化，周期 为兀。如果设Im为反射系数模的最大容许值，则由九/4阻 抗变换器提供的工作带宽对应于图3-7(b)由A6限定的频 率范围。由于当。偏离兀/2，|口的曲线急速上升，即匹配出斗日,亚;第三幸、毋用微波无器件第三章库用微波无器件当时，0值为0m或兀一m,可以由3-2a式求出%为=arccos_2lriyZJI-ITKZL-Zo)3-2aA单节九/4阻抗变换器带宽通常用分数带宽Wq表示频带宽度W：=八二&=Q匚 8=:-4-.%02-4“*&8。司/E力以上式子仅对非色散波成立。3-4aZ第三幸、毋用微波无器件:因此：对于单节九/4阻抗变换器，当已知ZL和Z。，且给定:频带内容许的1rlm时。则由式(3-3)和(3-4)可计算出相对 带宽值；反之，若给定相对带宽值值，也可求出变换器Z 的 1rlm 0z对于单一频率或窄频带的阻抗匹配来说，一般单节变 一换器提供的带宽能够满足要求。但如果要求在宽频带 Z内实现阻抗匹配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。第三章、库用椒设完密件多节阶梯阻抗变换器多节阶梯阻抗变换器具有宽频带特性，现以图39 所示的两节a/4阶梯阻抗变换器为例进行分析。8 4c 寸R!假设Z/Z。每一节电长度相 同，在中心频率 处为九/4国：3-9两中A/4阶禅阻抗交换Z第三幸、毋用燃波无器件X A定义局部电压反射系数：To，Tp T2为各阶梯的参考 一：面。I。、和、心分别为各参考面上的局部电压反射系 数。设两节浦4阻抗变换器的特性阻抗分别为Z1、Z2,且.p-Zi-Z,p _ Za Zi p.至Z&2 1二五不Z4一为+ZJ Z?:A假定这些局部反射系数的模都很小、T。参考面上总的 Z反射波可取各参考面上一次电压反射波的总和即：吠工国八小-用+nub3-9a问题：以上只取一次反射电压相加合理吗？Z第三幸、毋用燃波无器件上述等式的合理性可以用小反射定理证明。A小反射定理及其证明当|1|、|21。.2时，以上总反射波表达式的精度4%。有了总反射波表达式可以得到T。上，总的电压反射系数 为r=目=r.+晨川+r2bM 3-9aZ第三幸、毋用微波无器件多节阶梯阻抗变化器增加带宽的原理：单节变换器只 有两个阶梯突变面，反射系数的表达式中只有前两项,若取o=i，在中心频率处（6=兀/2）,这两项的和为 零，即两突变处的反射波在输入端相互抵消，从而获得 匹配；但偏离中心频率时，因6彳兀/2。则两个反射波不 能完全抵消。然而在多节阶梯的情况下，由于多节突变 一面数目增多，参与抵消作用的反射波数量也增多，例如两节阶梯变换器有三个部分反射波参与抵消，这样有可 能在多个频率点上使总反射系数为0。从而在1rlm相同的 条件下；使工作频带增宽。对于N节阶梯变换器，突变而为T。、TN共N+1个。如果对称选取局部反射系数仿照两节情况，不 难得出多节阶梯变换器输入端的总反射系数为Z第三幸、毋用微波无器件r=2-叫小0峭丸皿倒二2)0叱上式取模irl82卜功0刖+riCos(N-2)8+7若令|口=0,上式有多个解满足，即表明有不止一个 频率满足|口=0,从而可以展宽频带。A只要合理选取各阶梯段的阻抗ZZ2.ZN,就可得 所需的反射系数的频率特性。表示反射系数的多项式，如果采用二项式的展开，可以获得最平坦的通带特性；如果采用切比雪夫多项式，则可以得到等波纹的通带特 性。Z第三幸、毋用微波无器件(2)渐变线阻抗变换器A渐变线阻抗变换器：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。A阶梯阻抗变化器演化为渐变线阻抗变换器：只要增加 九/4阶梯阻抗变换器的节数，就能增宽工作频带，当节 数增加时，每两节间的特性阻抗变化就变得很小，节数 无限增加时，就变成连续的渐变线。只要变换器的尺寸 远远大于波长，就可以使输入驻波比很小。Z第三幸、毋用微波无器件3 渐变线分析 假定渐变线的长度为/，输入端所接传输线的特性阻抗为Z。，输出端所接传输线的特性阻抗为负载阻抗ZL X且ZLZO。渐变线特性阻抗Z(z)是传输方向坐标z的函数。可以认为渐变线由无限多个微分长度为dz的线段组成。:经过dz段.阻抗变化量为dZ(z)。在z处，阻抗阶跃变化 dZ(z)产生一个微分反射系数di。jp=次幻+d2(z)；一()】工杀心.【2(。+d2(空)+Z(/)l 2Z(z)+dZ(z)，.,.厂/.一.Z第三幸、毋用微波无器件do反映在渐变线输入端。即在Z=0%则为din：drfa=dr0e如=枭毋渐变线输入端总的反射系数上为=d1=1朋好尹云 3-24Jo Ju Oc若式中归一化阻抗Z(Z)的变化规律已知，则可求出市。因此.式(3-24)是分析渐变线的基本关系式。综合问题，即给出具有所需频带特性的in要求确定 Z(z),以设计出渐变线截面尺寸。A根据渐变线特性阻抗Z(z)随Z的变化规律不同。有多种 类型的渐变线。例如：指数式、三角函数式及切比雪夫 式等。Z第三幸、毋用微波无器件3.2定向耦合器3.2.1 定向耦合器的基本概念1、定向耦合器的分类/按传输线类型来分有波导、同轴线、带状线和微带线定向耦合器;/按耦合方式来分有单孔耦合、多孔耦合、连续耦合和平行线耦合 形式的定向耦合器；/按耦合器的输出方向来分有同向耦合器和反向耦合器；/按输出的相位来分有90。定向耦合器和180。定向耦合器；/按耦合的强弱来分有强耦合、中等耦合和弱耦合定向耦合器。Z第三幸、毋用微波无器件:图3-21给出了几种定向耦合器结构示意图。图3-21几种典型定向耦合器其中图(a)为微带分支定向耦合器，图(b)为波导单孔定 向耦畚器。图c为平行耦合线定向耦合器。图(d)为波导匹 配双T,图(e)为波导多孔定向耦合器.图(f)为微带混合3 dB分支线电桥平衡混频器信号与本振传输通路Z第三本、多用於演完器件RF输入 bl匹配负栽90相移3 dB无反射PIN管限幅器或衰减器4、50 c电阻 高频短路块VD/接地VD2i3 dB定向耦合器型电调衰减器Z第三幸、毋用微波无器件2、定向耦合器的技术指标。定向辆合器一般属于四端口网络，它有输入端、直通 端、耦合端和隔离端，分别对应图3-22所示的1、2、3、4端口。ffl 3-22定向辆合泰Z第三幸、毋用微波无器件定向耦合器的主要技术指标有耦合度，隔离度(或方向 性)输入驻波比和工作带宽等。(1)耦合度c耦合度c定义为输入端的输入功率Pj与耦合端的输出功率P3之比的分贝数。即C=lOlog.(dB)由于定向耦合器是一个可逆四专口网络.固此耦合度又可表示为C=20106 Tir(dB)z第三幸、毋用燃波无器件:耦合度的分贝数愈大耦合愈弱。通常把耦合度为。二10dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器；把耦合度为.1020dB的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器；把耦 二合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。二(2)隔离度D:隔离度D定义为输入端的输入功率Pj与隔离端的输 二出功率P4之比的分贝数。即.:D Wlog pJ(dB)若用散射参量来描述，则有D=lOlogr 1172 i=201ogyy(dB)；|sM因2二第三章、?用燃波无器件一：A在理想情况下，隔离端应无输出功率。即PF。，此时隔离度为无限大。但实际上由于设计或加工制作的不完 善。常有极小部分功率从隔离端输出，使隔离度不再为 二无限大。A方向性D，(dB)：来表示耦合器的隔离性能。它是耦合 一：端输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比的分贝数。也:可用散射参量来表示方向性。即:Dz=lOlog 寻=lOlog|卜20log =D-C二 输入驻波比p M 二 将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载-时，输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。此:时，网络输入端的反射系数即为网络的散射参量Sw故Z第三幸、毋用燃波无器件-1+Su1;（4）频带宽度Z 频带宽度是指耦合度、隔离度（或方向性）及输入驻波 z比都满足指标要求时，定向耦合器的工作频带宽度。简 称工作带宽。Z第三幸、毋用微波无器件:3、定向耦合器的网络分析A分析理论：多端口网络理论A分析方法：充分利用网络S参数的性质A任何一个完全对称，完全匹配的可逆，无耗4端口网 络都可以构成定向耦合器。Z第三序,停用版波无器件 322平行耦合线定向耦台器:平行耦合线定向耦合器是TEM波传输线定向耦合器的:一种主要形式。:A结构：由两个等宽的耦合线段组成，其耦合线的长度:是中心波长的四分之一，各端口均接匹配负载Z。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。dr主线e7 7Z，.O 1线 z：/Z+d:，8 彼 BUE dlr图平行耦合线定向3IIZ第三幸、年用微波无器件：1、工作原理：利用电场耦合与磁场耦合形成的电压在3:端口同向叠加，而在4端口反相抵消形成方向性。二A性能特点：90。反向定向耦合器。;2、耦合带状线定向耦合器性能分析/耦合带状线定向耦合器的横截面图及电路参数如下图/奇偶模分析方法/奇偶模等效电路3斗7 寸“a】a a a/求出各端口输出电压U/由此得到定向耦合器性能Z第三幸、毋用微波无器件cos。1八Z eCOS。1cZ（）oJZoe sin 0COS。A z sin o二COS。1 4=邛+*=（Sne+S。）乙1=b；+a=5（S2e+S）乙14=居+优=（）%乙瓦=珞+愎=；（SI2eSi?。）。乙 Hsin。Z（）Zoe2 cos 0+Z Zoe-sin 0SAheSil。S12e2 cos/9+/%Hsin。Z（）Z0。22cos 9+-sin。Z（）Zoes=_?_520 7 72cos 9+j-sin 0Z（）Ze。第三本、帝用微波无器件-若ZoX=1Ui=o，丫 cosff+jsin02oe+1/备万一.n costf+l/Zoe 立=0;:/结论：X(1)不论耦合区电长度0为何值，要获得理想匹配及理 一想隔离特性，即比L0,工=0,必须满足条件为2.=1X ZoeZ()o=Z02 o;第三幸、毋用微波无器件(2)耦合端口的输出电压口”及直通端口的输出电 压。2,都是频率的函数。当工作在中心频率时，这时 耦合端输出为最大为(。3)丽，且与0同相，即 e.).Zg+ZQOk称为中心频率的电压耦合系数。不论e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TT/2。当0二TT/2时，定向耦合器 的耦合度由下式确定：P 1 C(dB)=lOlogp-1-=lOlog y p=lOlogpZ第三幸、毋用微波无器件2 由此可得带状线定向耦合器结构尺寸的计算公式：:首先，根据要求的耦合度c,求出kI 八片霄 然后根据k的定义式求出-z“_ 1+左,1-AZ 然后将理想隔离条件代入上式,得出带状线奇、偶 模特性阻抗第三章、库用微波无器件当电长度e二TT/2时，耦合器各端口输出的电压可 简化为Url=0,也=_ j/1 一7,区一，6,4=0平行耦合线定向耦合器的等效四端口网络具有可逆、无耗、对称的特性，由此可写出网络的散射参量矩阵SA耦合带状线定向耦合器的S0 _ jn-讣 k 0 1s -j，1 一 1 0 0 kk 0 0-j J -L o k、-，1 一 o Z第三幸、毋用燃波无器件X A性能改善8。i/y-，二二：温 口”一t-Z 3 27ir|Z*i Zth，Z.Mt/采用多节定向耦合器相级联增加频带宽度/定向耦合器相串接，增强耦合第三章、库用微波无器件Z第三幸、毋用燃波无器件因此，将上面两只定向耦合器串连为一只定向耦合器,1为输入端，4为隔离端，2为直通端，3为耦合端。耦合度为:p 1C=101g=101g-P3 4 左 2（1左 2）;若单只定向耦合器的耦合度为8.34dB,可以计算出串连定向耦合器的耦合度为3dB耦合微带线定向耦合器/匹配奇、偶相速以提高方向性介质覆盖法锯齿形定向耦合器国5-24改善微带线定向概合器性能的措施Z第三幸、毋用微波无器件Z 3.2.3分支定向耦合器和混合环2 1、分支定向耦合器的结构和理论分析5 A结构：由两根平行的主传输线和若干耦合分支线组成。分支线的长度及相邻分支线之间的距离均为九/4。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 Q线来实现。:由于微带型分支定向耦合器在微带电路中得到广泛:应用。故以微带型分支定向耦合器为例分析分支定向耦 合器的工作原理和性能。微带型分支定向耦合器的结构:如下图所示。可以等效为一个对称、可逆、无耗的四端 一 口网络。Z第三幸、毋用燃波无器件(a)A工作原理：通过两个耦合波的路程差引起的相位差来:达到定向的。:A性能特点：90。同向定向耦合器。Z第三幸、毋用微波无器件X双分支线定向耦合器性能分析:/由于它的结构上下对称于00,面，所以采用奇偶:模分析方法。2 设心、心、为1、2、3、4端口的入射波:乙1、力、心、心为1、2、3、4端口的反射波:1端口接信号源，=1X 其他端口接匹配负载，Ui2=t/z.3=Ui4=0三 偶模工作时：尸口=1/2z 此时分支线对称面上电流为零，相当于开路Z 奇偶工作时：=1/2,-4=-1/27 此时分支线对称面上电压为零，相当于短路Z第三幸、毋用微波无器件:/奇、偶模等效电路Z 晨。/4-jHJoi-jH1Y01jH1Y01jH1Y01Z第三幸、毋用微波无器件:/分析结论当满足/Hl=RH2*R=Y01/Y02:1g-比也/=1Z 时，有Z ur=0I 1 1Z”,:4=0Z第三幸、毋用燃波无器件/变阻分支定向耦合器设计由指定的耦合度C,求出U31 C=lOlog ur32nK=可以*式解出:2JR（I-UW）田=京4收Z第三幸、毋用燃波无器件，3dB分支定向耦合器的S参数矩阵：0-，-1=-/,，:v2Hl 0 0Z to-i-j0 1 T-j0.第三章、库用微波无器件2、混合环用途：雷达收发开关和功分器2/2LiZ第三幸、毋用微波无器件工作原理：1端口输入，3端口无输出，2、同相输出；3端口输入，1端口无输出2,反相输出。理想混合环条件：1、端口 1无反射2、端口3无输出3、端口2,4有等幅同相输出H=H2=K=/4端口有等幅4端口有等幅Z第三幸、毋用微波无器件:理想混合环的s参数2 00-jj 00-j-j 0 j注：实际混合环必须考虑对分支线连接处T形结电抗效 应的修正。Z第三幸、毋用微波无器件：3.2.4微带功分器前一节讨论的定向耦合器都可以作为功率分配器使用。但是它们的结构较复杂。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。功；分器的类型很多，通常大功率微波功分器采用波导或同 轴线结构.中小功率则采用带状线或微带线结构。本节 简单介绍微带三端口功分器。最简单的微带三端口功分器：微带T形接头。它可以对微带传输线中传输的信号和能量进行简单分 配和合成，影响其功率分配比的主要是三个臂的微带线 宽所决定的微带线特性阻抗。结构如下图.第三本、帝用假汶无蠢件,这种功率分配器，即使端口 1经过了匹配设计(即zZcl=Zc2Zc3/(Zc2+Zc3),反射系数很低，近似于匹配。但端口2和端口3的匹配较差，而且端口2和端口3之间的;隔离也较差。.A Wilkinson功分耦合器:为了克服这两方面的缺陷，实现比较理想的功率分配:与合成，在T形接头的基础之上又提出了三端口功分Z第三幸、毋用微波无器件,耦合器，也称为Wilkinson功分耦合器。X/基本结构：如下图所示Z 与T形接头结构相比较其最大变化是在两分支臂距分 支点九/4处港接一个阻值为R的电阻，用以实现端口 Z 2和端口 3的隔离。图3-37微带三嫡口功分器原理图Z第三幸、毋用微波无器件/工作原理当信号由主臂即端口 1输入时，在电阻R的两端电位相 等，电阻中无电流流过，即相当于R不存在，不会影响 两臂的功率分配；当信号自端口2（或端口3）输入时，一 部分能量经R到达端口3（端口2）,另一部分除经21线路 （31线路）流出端口 1外，还会有一部分经13路径（12 路径）到达端口3（端口2）,由于这两部分信号路程差为九/2,导致两路信号相位差为兀而互相抵消，理论上就不 会有能量进入端口3（端口2）。在用微带结构实现时，经 过精确设计，可实现端口2与3的较好隔离以及端口 1、2 和3的良好匹配。Z第三幸、毋用燃波无器件按条件(3),由上式可得&若取 R2=kZ0,贝lj R3=ZQ/k由条件(2),即1端口无反射，所以要求由4力2与4力3并联而成的总输入阻抗等于4。由于在中心频率。4)32/4为纯电阻，则 y=，=旦+旦,0 Z Z；2 Z：3:如以输入电阻表示功率比，则_ 2,4力2一 z。/1%，4刀3一R Z o_2_ _ m3Pa z o3 m21_，2 Z1 _ _Z；2&k2可解得 Z02 Z0Jk(l+k2.第三幸、辱用抵波无器件阻抗变换的考虑:分析：利用网 络并联.第三幸、片用微波无器件 A3dB功率分配器（对输入波仍具有无耗的特性）s=0.1.1 一，万.1.1一，石飞0 00 0AN路等功分器R?=z0R3=z0A带宽扩展：采用多级级联的方式第三章、库用微波无器件Z第三幸、毋用微波无器件,3.2.5波导匹配双T1、波导的T形接头在微波系统中，经常要把一路的电磁能量变为二路或:更多路。需要使用波导的T形接头。矩形波导的T形接头 有E-T接头和HT接头两种。结构：ET接头的分支波导宽面与主波导中TEio模 的电场所在平面平行；HT接头的分支波导的宽面与主 波导中TEio模的磁场所在的平面平行。如下图等效电路Z第三幸、毋用微波无器件图5-28波导的T形接头及等效电路(a)E-T接头;C)H-T接头A工作原理：用波导中电场的分布说明。Z第三幸、毋用微波无器件:特性:/ET分支Z(1)当信号从端口输人时，则和端口有等幅反:相输出。即S23=-S13:(2)由于和端口在结构上对称，故有SU=S22；:(3)当信号由和端口等幅同相输入时，端口无 输出.此时对称面为电场的波腹点；反过来，当 Z 信号由和端口等幅反相输入时，端口输出:最大，此时对称面为电场的波节点。*/HT分支Z第三幸、毋用燃波无器件X(1)当信号从端口输入时，则和端口有等幅同:相输出，用散射参量表示则有：s13=s23；Z(2)由于和端口在结构上对称.故有：Sn=S22；:(3)当信号由和端口等幅同相输入时：端口输:出最大，此时，端口对称面处为电场波腹点；反之。当信号由和端口等幅反相输入时.端口无输出,T端口对称面处为电场波节点。2普通双T/结构：将具有共同对称面的ET接头和HT接头 组合起来即构成普通双T接头。如图所示。Z第三幸、毋用微波无器件413图 普通双丁接头把E臂称为4端口，H臂称为3端口；1和2端口又称为平 分臂；和端口又称为隔离臂；，性质(1)当信号由4端口输入时：则和端口等幅反 相输出，3端口输出为零Z第三幸、毋用燃波无器件(2)当信号从3端口输入时：则、端口等幅同相:输出，而4端口输出为零；(3)如果和端口均接匹配负载，当信号从和:端口等幅同相输入时，则3端口有输出而4端口输出 为零；反之当信号从和端口等幅反相输入时，则4:端口有输出而3端口输出为零。可见和端口互为隔 一离，和端口互为平分。/散射参量矩阵(根据可逆无耗四端口网络的性质写出)S|2s=S|S|3S|3.S3301S|3 S40Z第三幸、毋用燃波无器件匹配双T/结构：通常在普通接头双T处加入匹配元件(如螺钉、膜片或锥体等)，构成匹配双T,如图344所示/性质(1)匹配特性：在理想情况下，它的四个端口是完全 匹配的，只要和端口能调到匹配，和端口 一定自动匹配，即Sn=S22=$33=044=0；(2)隔离特性：当和端口具有隔离特性时，即 S34=S43=0,则和端口也具有隔离特性，即S12二21=0；(3)平分特性：当信号由端口输入时，则反相等分 给和端口，即S13二一 S23；当信号由端口输入时.同相等分给和端口，即SM=S24；当信号由 端口输入时。则同相等分给和端口，即 S31=S41；当信号由2端口输入时。则反相等分给和 冷端口，即$32 二一$42noo1oo-1万11o00匹配双T又叫魔T(MagicT)。它是一只理想的3dB 定向耦合器，应用非常广泛。例如：在平衡混频器中利 用E和H臂的隔离特性。将本振信号与接收信号分别接入 E和H臂，从而使本振信号与接收信号达到良好隔离。另 外匹配双T接头可用来作平衡电桥测量阻抗。还可作雷达 天线的收发隔土忍小Z第三幸、毋用微波无器件 3.3微波谐振器3.3.1微波谐振器的一般概念1、微波谐振器的一般概念A微波谐振器及其结构：微波谐振器又称作微波谐振腔,可分为传输线型谐振器和非传输线型谐振器。传输线型 谐振器可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成，电磁波在其上呈驻波分布，电磁能量不能传输，结构形 式大体与微波传输线的类型一致，即可分为矩形谐振 器、圆柱谐振器，同轴谐振器，带状线谐振器和微带线 谐振器等。（如下页图）Z第三幸、毋用微波无器件介质 谐振腔0)A微波谐振器由LC振荡回路的演化：如下图BZ第三幸、毋用微波无器件A微波谐振器中的能量关系：与LC振荡电路相同，振荡 过程就是电磁能量的转换过程。但微波谐振器与LC振荡 电路也有许多不同之处：分布参数与集中参数电路不同;谐振频率的数目不同；Q值不同A微波谐振器中的主要参数：谐振频率电、品质因数Q和 等效电导G。Z第三幸、毋用微波无器件2、特性参数/谐振频率：谐振频率f0是指谐振器中某模式的场量 发生谐振时的频率，也经常用谐振波长表示。它是谐 振器中最主要的参数。谐振频率可采用电纳法分析。在谐振时，谐振器内电场能量和磁场能量彼此相互转 换，其谐振器内总的电纳为零。如果采用某种方法得 到谐振器的等效电路，并将所有的等效电纳归算到同 一个参考面上，则谐振时，此参考面上总的电纳为零。谐振频率由振荡模式、腔体尺寸以及腔中填充介质（内。所确定,而且在谐振器尺寸一定的情况下,与振荡模式 相对应有无穷多个谐振频率。Z第三幸、毋用微波无器件Z 品质因数Qo是表征微波谐振器频率选择性的重要参:量，它的定义为：Q0=2n醯器红L膏式中 0为增摄器中的储能;PL为谐振器中的损耗功率。Z第三幸、毋用燃波无器件,r r2 W。=利7 E，dV=食产PL=珞J.RsdS=御$|H/S f|H|2dVQr30 盒 S|H,I 2ds3。卷 7ojJjZ*jH|2ds为粗略估计谐振器内的Qo值,近似认为|H|=|HJ=C,这样 上式可写成Z第三幸、毋用微波无器件。啜式中，s、V分别表示谐振器的内表面积和体积。可见：Qo 8 V/S,应选择谐振器形状使其V/S大；因Q。8 1他由于3仅为几微米,对厘米波段的谐振 器，其Qo值将在1伊105量级。上述讨论的品质因数Qo是未考虑外接激励与耦合 的情况,因此称之为无载品质因数或固有品质因数。(3)等效电导：GLRZ第三幸、毋用微波无器件3.3.3几种实用的微波谐振腔(器)1、同轴谐振腔：同轴谐振腔通常分为人/2型、入/4型 及电容加载型三种。(1)A/2型同轴谐振腔/谐振波长A/2型同轴谐振腔由两端短路的一段同轴线构成.如 图3-54(a)所示。从参考面T向两边看去的导纳分别为纯 电纳jBi和jBz。谐振条件为瓦+头=0或面=-瓦由上式(利用圆图)可导出谐振波长入与腔体长度/的关 系为Z第三幸、毋用微波无器件Ao=?(/|0)=匕或/=k*n.：.r.JI/03 3-54 1/2到同轴谐振腔上式表明:腔长度/固定时，对应有无穷多个谐振波长，反过来，当谐振波长八。固定时，对应有无穷多个谐振长 度。这表明谐振腔具有多谐性。由于同轴谐振腔的长度 为入。/2的整数倍，故称为二分之一波长型同轴谐振腔。第三章、母用微波无器件(2)A/2型同轴谐振腔/结构：图5-391/4型同轴谐振腔/谐振波长入。=禺或/=(2+D与第三章、库用微波无器件(3)电容加载同轴谐振腔/结构T/瓦一 ti图5-40电容加载型同轴谐振腔/谐振波长(频率)CYoctgBQS oxaC=d第三本、卒用檄波无器件3、微带谐振器由微带线构成的具有谐振特性