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1、微波器件基本知识微波器件基本知识一、无源器件原理介绍微微波波元元器器件件无源器件无源器件有源器件有源器件基本电抗元件基本电抗元件 终端元件终端元件 连接元件连接元件分支元件（功分器）分支元件（功分器）衰减器和移相器衰减器和移相器定向耦合器定向耦合器 滤波器滤波器 谐振器谐振器 隔离器隔离器 微波振荡器微波振荡器微波放大器微波放大器微波混频器微波混频器微波倍频器微波倍频器微波控制器件微波控制器件电抗元件电抗元件v原理：原理：在传输线的不均匀区域附近，电磁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，而高次模式的
2、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不均匀区附近储存了高次模式的电磁场能量。量。v 若储存的主要是若储存的主要是电场能量电场能量，则不均匀，则不均匀区域相当于一个储存电能的区域相当于一个储存电能的电容电容；若储存；若储存的主要是的主要是磁场能量磁场能量，则不均匀区域相当于，则不均匀区域相当于一个储存磁能的一个储存磁能的电感电感。波导电抗元件波导电抗元件3、谐振窗：、谐振窗：ab谐振波长谐振波长：谐振时，并联回路的电抗无穷大（相当于开路），无反射；谐振时，并联回路的电抗无穷大（相当于开路），无反
3、射；失谐时，并联回路的电抗为容性或感性，反射较大；失谐时，并联回路的电抗为容性或感性，反射较大；作用：一个谐振窗相当于作用：一个谐振窗相当于带通滤波器带通滤波器，谐振的频率就是可通，谐振的频率就是可通过的频率。过的频率。ba谐振窗：谐振窗：微带电路中的电容、电感间隙电容间隙电容交指电容交指电容叠层电容叠层电容2、串联电感：、串联电感：一段无耗一段无耗短短传输线传输线 一段一段Zc大大的短传输线可等效为的短传输线可等效为串联电感串联电感；一段一段Zc小小的短传输线可等效为的短传输线可等效为并联电容。并联电容。若若Zc大，则大，则L大，大，C小可忽略小可忽略若若Zc小，则小，则C大，大，L小可忽略
4、小可忽略 当介质基片厚度一定时，微带宽度当介质基片厚度一定时，微带宽度W，则，则Zc；预备知识：预备知识：CL/2等效等效L/2 一段一段窄窄的短微带线可等效为的短微带线可等效为串联电感串联电感；一段一段宽宽的短微带线可等效为的短微带线可等效为并联电容。并联电容。l用高阻抗微带短线实现串联电感用高阻抗微带短线实现串联电感高阻抗段高阻抗段环形电感环形电感圆形螺旋电感圆形螺旋电感方形螺旋电感方形螺旋电感为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数：为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数：串联在传输线上的谐振回路：串联在传输线上的谐振回路：LCCLl并联电容、电感：并联电容、电感：用低阻抗线实
5、现并联电容：用低阻抗线实现并联电容：低阻抗段低阻抗段 用并联的终端开路支节实现用并联的终端开路支节实现并联电容并联电容或或并联电感并联电感；微微 波波 滤滤 波波 器器一、低频滤波器设计一、低频滤波器设计 将所需其他滤波器的衰减将所需其他滤波器的衰减特性通过特性通过频率变换频率变换，得到对，得到对应的低通滤波器衰减特性；应的低通滤波器衰减特性；设计该对应的低通滤波器的设计该对应的低通滤波器的电路结构和元件值；电路结构和元件值；应用频率变换，得到所需滤应用频率变换，得到所需滤波器的电路结构和元件值。波器的电路结构和元件值。（衰减）（衰减）（频率）（频率）低通滤波器低通滤波器的设计已非常的设计已非
6、常成熟；成熟；低通滤波器：最平坦式、低通滤波器：最平坦式、切比雪夫式、椭圆函数式切比雪夫式、椭圆函数式二、微波滤波器设计二、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，得到其电路结构和每一个元件值；总元件滤波器，得到其电路结构和每一个元件值；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，该过程称为总元件，该过程称为集总参数电路的微波实现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
7、支等来实钉来实现，微带电路中也可用微带间隙、分支等来实现电感、电容。现电感、电容。三、微带滤波器三、微带滤波器集总元件电路集总元件电路1、低通滤波器、低通滤波器1 微带电路实现方案微带电路实现方案LLC（电感）（电感）（交指电容）（交指电容）C1C3C5L2L4L6 高阻抗短线高阻抗短线（窄线）（窄线）相当于相当于 串联电感串联电感 低阻抗短线低阻抗短线（宽线）相当于（宽线）相当于 并联电容并联电容 经过计算确定每段微带的长度、宽度，使其等效电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。抗值与集总元件电路中的对应电抗值的相等。C1C3C 5L2L4L6微
8、带电路实现方案微带电路实现方案2、低通滤波器、低通滤波器2集总元件电路集总元件电路C2C4L1L3椭圆函数式低椭圆函数式低通滤波器通滤波器L2L4L5C63、低通滤波器、低通滤波器3微带电路实现方案微带电路实现方案4、带通滤波器、带通滤波器输入输入输出输出两端开路的微带段，两端开路的微带段，长度均为长度均为g/2 微带段两端开路，波导波长等于微带段两端开路，波导波长等于 g 的电磁波才可以在微带的电磁波才可以在微带段上谐振并持续存在；段上谐振并持续存在；微带段与微带段之间有能量耦合；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输入信号中，只有谐振频率及其附近
9、频率的信号才可以一级一级耦合到输出口，故为级一级耦合到输出口，故为带通滤波器带通滤波器。平行耦合微带型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屏蔽盒中的微带带通滤波器将将 微带段折弯，以减小体积微带段折弯，以减小体积平行耦合微带型带通滤波器的变形平行耦合微带型带通滤波器的变形同轴线输入同轴线输入同轴线输出同轴线输出5、带阻滤波器、带阻滤波器g1/4终端开路终端开路输入输入输出输出 对于波导波长等于对于波导波长等于 g1、g2、g3 的电磁波而言，并联的电磁波而言，并联的终端开路的终端开路 四分之一支节实现了对
10、地短路的功能，这些四分之一支节实现了对地短路的功能，这些频率的信号频率的信号 不能通过，故为不能通过，故为带阻滤波器带阻滤波器。g2/4g3/4带阻滤波器实例带阻滤波器实例终端元件（单端口元件）终端元件（单端口元件）一、匹配负载：一、匹配负载：作用作用：接在传输线的终端，尽量吸收全部入射功率，保证：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，其驻波比在传输线的终端无反射，其驻波比在 1.05 左右左右 1.1 左右；左右；工作原理工作原理：元件中采用高阻衰减材料、吸波材料，吸：元件中采用高阻衰减材料、吸波材料，吸收入射的电磁波；收入射的电磁波；特点特点：吸波材料与空气的界面
11、应做成渐变式过渡，减：吸波材料与空气的界面应做成渐变式过渡，减小反射；小反射；高功率匹配负载需要散热装置，将吸收的电磁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。能转化成的热能散发出去。1、波导式匹配负载、波导式匹配负载片式吸收体片式吸收体体积式吸收体体积式吸收体散热片散热片 大功率匹配干负载大功率匹配干负载出出 大功率匹配水负载大功率匹配水负载水水入入吸波材料吸波材料2、同轴线式匹配负载、同轴线式匹配负载 同轴匹配干负载同轴匹配干负载3、微带线式匹配负载、微带线式匹配负载介质介质薄膜电阻薄膜电阻导体带导体带 渐变式渐变式开路开路 匹配阻抗式匹配阻抗式 半圆式半圆式二、辐射
12、终端二、辐射终端 能量尽量辐射出去，尽量减小能量尽量辐射出去，尽量减小终端终端反射；反射；波导喇叭天线波导喇叭天线E面喇叭面喇叭H面喇叭面喇叭金字塔形喇叭金字塔形喇叭圆形喇叭圆形喇叭喇叭天线喇叭天线抛物面天线的喇叭馈源抛物面天线的喇叭馈源波导喇叭波导喇叭衰减器和移相器衰减器和移相器 一、衰减器：一、衰减器：同轴线衰减器同轴线衰减器 可调波导衰减器可调波导衰减器吸波材料片吸波材料片 作用作用：根据需要，减小所传输信号的幅度。：根据需要，减小所传输信号的幅度。原理原理：用吸波材料吸收一定的电磁能量来实现衰减。：用吸波材料吸收一定的电磁能量来实现衰减。二、移相器：二、移相器：原理原理：电磁波在不同介
13、质中具有不同的相移常数。因：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。此改变电磁波经过的介质就可以改变其相移量。作用作用：可以人为地改变传输电磁波的相位。：可以人为地改变传输电磁波的相位。矩形波导矩形波导TE10模式的相移常数模式的相移常数 经过距离经过距离 l 的相移量的相移量 相移量与媒质参数密切相关相移量与媒质参数密切相关低损耗介质片低损耗介质片l微带线移相器电路功率分配网络功率分配网络天线阵元天线阵元移相器移相器馈源馈源 应用举例：应用举例：用于相控阵天线中，要求每个天线阵元用于相控阵天线中，要求每个天线阵元辐射相位不同的电磁波。辐射相位不同的电
14、磁波。移相器的移相器的相移量相移量相控阵天线相控阵天线分支元件分支元件 作用作用：把一路电磁能量分为两路或多路；或者，将：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。多路电磁能量相加或相减。1、波导、波导E-T分支（三端口元件分支（三端口元件）213213串联支路串联支路等效等效等效电路等效电路 在在3臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调节臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调节串串联支路联支路的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为电抗元件的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为电抗元件使用。使用。jX12等效等效能量分配功能能量分配功能213 3臂自身有反射，但若在该臂加入匹配
15、装置，臂自身有反射，但若在该臂加入匹配装置，可使可使3臂的入射能量全部从臂的入射能量全部从1、2臂平分输出；臂平分输出；3臂输入时，从臂输入时，从1、2臂等幅、反相输出；臂等幅、反相输出；1臂输入时，从臂输入时，从2、3臂输出；臂输出；123123 2臂输入时，从臂输入时，从1、3臂输出；臂输出；求差信号的功能求差信号的功能123 两信号分别从两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴臂输入，且到达分支波导中轴T面时面时相位相同相位相同，则，则3臂输出臂输出两信号之差两信号之差，称为，称为差差信号信号。信号信号1信号信号2信号信号1信号信号2 若两输入信号等幅，则若两输入信号等幅，则3臂无输
16、出；臂无输出；T求和信号的功能求和信号的功能123 两信号分别从两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中臂输入，且到达分支波导中轴轴T面时面时相位相反相位相反，则，则3臂输出臂输出两信号之和两信号之和，称，称为为和信号和信号。信号信号1信号信号2信号信号1信号信号2T2、波导、波导H-T分支（三端口元件）分支（三端口元件）213等效等效并联支路并联支路 等效电路等效电路 123 在在3臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调节节并联支路并联支路的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为电的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为电抗元件使用。抗元件使用。21等效等效j
17、X能量分配功能能量分配功能123 3臂自身有反射，但若在该分支波导加入匹臂自身有反射，但若在该分支波导加入匹配装置，可使配装置，可使3臂的入射能量全部从臂的入射能量全部从1、2臂平臂平分输出；分输出；3臂输入时，从臂输入时，从1、2臂等幅、同相输出；臂等幅、同相输出；1臂输入时，从臂输入时，从2、3臂输出；臂输出；2臂输入时，从臂输入时，从1、3臂输出；臂输出；123123 求和信号的功能求和信号的功能123信号信号1信号信号2信号信号1信号信号2 两信号分别从两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴臂输入，且到达分支波导中轴T面时面时相位相同相位相同，则，则3臂输出臂输出两信号之和两信号
18、之和，称为，称为和和信号信号。T求差信号的功能求差信号的功能123信号信号1信号信号2信号信号1信号信号2 两信号分别从两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴臂输入，且到达分支波导中轴T面时面时相位相反相位相反，则，则3臂输出臂输出两信号之差两信号之差，称为，称为差差信号信号。若此时两信号等幅，则若此时两信号等幅，则3臂无输出；臂无输出；T3、波导双、波导双-T分支（四端口元件）分支（四端口元件）123（E）4（H）主要特性：主要特性：1、2同相输入：同相输入：3输出输出差信号差信号，4输出输出和信号和信号；3输入：输入：1、2等幅、反相输出，等幅、反相输出，4无输出；无输出；4输入：输
19、入：1、2等幅、同相输出，等幅、同相输出，3无输出；无输出；3、4相互隔离（相互不可传送信号）相互隔离（相互不可传送信号）132“3臂、臂、4臂隔离臂隔离”的原因：的原因：T 3臂输入的臂输入的TE10 模式模式关于中轴面关于中轴面T反对称反对称，而而4臂中臂中TE10模式关于模式关于中轴面中轴面T对称对称，故相互，故相互不能激励。不能激励。3臂（臂（4臂）输入的臂）输入的TE10 模可以在模可以在4臂（臂（3臂）中激励起高次模，臂）中激励起高次模，但高次模式不能传输，但高次模式不能传输，不能输出。不能输出。3臂输入，臂输入，4臂无输出臂无输出132T4臂输入，臂输入，3臂无输出臂无输出4、波
20、导魔、波导魔T（四端口元件）（四端口元件）123（E）4（H）调匹配的装置调匹配的装置 主要特性：主要特性：任何端口都与外接传输线相匹配；任何端口都与外接传输线相匹配；3、4匹配之后，匹配之后，1、2自动匹配；自动匹配；3输入：输入：1、2等幅、反相输出，等幅、反相输出，4无输出；无输出；4输入：输入：1、2等幅、同相输出，等幅、同相输出，3无输出；无输出；1、2均有输入：均有输入：3输出差信号，输出差信号，4输出和信号；输出和信号；3、4臂相互隔离；臂相互隔离；1、2臂相互隔离；臂相互隔离；在微波设备、雷达中应用广泛。在微波设备、雷达中应用广泛。二、二、微带分支：微带分支：Y形分支形分支 T
21、形分支形分支微带天线阵微带天线阵微带天线阵元微带天线阵元微带线微带线主要特性：主要特性：3臂输入：臂输入：1、2等幅、反相输出，等幅、反相输出，4臂无输出；臂无输出；4臂输入：臂输入：1、2等幅、同相输出，等幅、同相输出，3臂无输出；臂无输出；1、2臂均有输入：臂均有输入：3臂输出差信号，臂输出差信号，4臂输出和信号；臂输出和信号；3、4臂相互隔离；臂相互隔离；1、2臂相互隔离；臂相互隔离；微带环形电桥（微带魔微带环形电桥（微带魔T）1243微带环形电桥实例微带环形电桥实例功分器功分器 典型的功分器有微带和腔体两种。腔体功分器：腔体功分器：腔体功分器是同轴结构，它将输入的50阻抗变换为25（使
22、用内外导体的不同比率），25阻抗可以良好的与两个输出50的并联阻抗匹配。微带功分器微带功分器Wilkinson功率分配器是在T分支上加隔离电阻形成的。它可以进行任意比率的功率分配。工作原理：当信号从端口1输入时，功率从端口2和端口3输出，只要设计恰当，输出可按一定比例分配，并保持电压同相，电阻R上无电流，不吸收功率。123 若端口2（或端口3）失配，则有信号反射。反射信号通过两条线路到达端口3（或端口2）。路径差为半波长，因此只要控制好R，就可以实现两路反射信号大小相等、相位相反，因此反射信号不会流入端口3（或端口2），从而保证两输出端有良好的隔离。定向耦合器定向耦合器3 32 21 14 4
23、 同向耦合同向耦合输入端口输入端口隔离端口隔离端口耦合端口耦合端口直通端口直通端口3 32 21 14 4 反向耦合反向耦合直通端口直通端口耦合端口耦合端口输入端口输入端口隔离端口隔离端口 作用：作用：从主传输线中取出一些电磁能量并向设定从主传输线中取出一些电磁能量并向设定的方向传输。的方向传输。一、波导定向耦合器一、波导定向耦合器 双孔定向耦合器（窄频带）双孔定向耦合器（窄频带）3 32 21 14 41 12 23 32 21 14 4123N多孔定向耦合器（频带较宽）多孔定向耦合器（频带较宽）3412 单孔定向耦合器单孔定向耦合器 理想状态下，隔离端口应当没有输出，但实际上仍有一定输出，
24、因此应在隔离端口接匹配负载，吸收这一部分功率。吸波材料吸波材料 定向耦合器实例定向耦合器实例二、微带定向耦合器二、微带定向耦合器 平行耦合线定向耦合器平行耦合线定向耦合器距离较近的微带线之间都有能量耦合距离较近的微带线之间都有能量耦合。锯齿形定向耦合器锯齿形定向耦合器提高定向性提高定向性主线主线副线副线锯齿形定向耦合器实例锯齿形定向耦合器实例 微带双分支定向耦合器微带双分支定向耦合器3 32 21 14 4ABCD 1输入，输入，2、3输出，相位差输出，相位差90度；度；4为隔离端口，无输出；为隔离端口，无输出；环形器 使信号单方向传输的器件。所有射频信号以同样的环形方向传输，但是只能从一个端口出去，所有射频信号必须从它遇到的第一个端口出来。它是结合磁铁和一种特殊类型的材料即铁氧体来完成。频率范围：1.891.92GHz 最大正向损耗：0.4 dB 最小反向损耗：20dB 最大电压驻波系数：1.2。一.微波放大器（功放和低噪放）有源元件二.微波混频器单平衡混频器单端混频器