微波技術(shù)11-常用微波元.ppt

常用微波元件,微波元件的功能在于對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行各種變換，按其變換性質(zhì)可將微波元件分為如下三類(lèi)：,線(xiàn)性互易元件 線(xiàn)性非互易元件 非線(xiàn)性元件,線(xiàn)性互易元件,凡是元件中沒(méi)有非線(xiàn)性和非互易性物質(zhì)都屬于這一類(lèi)。常用的線(xiàn)性互易元件包括：匹配負(fù)載、衰減器、移相器、短路活塞、功分器、微波電橋、定向耦合器、阻抗變換器和濾波器等。,線(xiàn)性非互易元件,這類(lèi)元件中包含磁化鐵氧體等各向異性媒質(zhì)，具有非互易特性，其散射矩陣是不對(duì)稱(chēng)的。但仍工作于線(xiàn)性區(qū)域，屬于線(xiàn)性元件范圍。常用的線(xiàn)性非互易元件有隔離器、環(huán)行器等。,常用微波元件,非線(xiàn)性元件,這類(lèi)元件中含有非線(xiàn)性物質(zhì)，能對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行非線(xiàn)性變換，從而引起頻率的改變，并能通過(guò)電磁控制以改變?cè)奶匦詤⒘俊?常用的非線(xiàn)性元件有檢波器、混頻器、變頻器等。,常用微波元件,微波元件分類(lèi),近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)的小型化，通常采用由微帶和集中參數(shù)元件組成的微波集成電路，可以在一塊基片上做出大量的元件，組成復(fù)雜的微波系統(tǒng)，完成各種不同功能。,常用微波元件,應(yīng)用于, ,Microwave Division,一端口元件對(duì)外只有一個(gè)物理端口，其功能一般是對(duì)確定頻率微波信號(hào)產(chǎn)生諧振以及作為微波傳輸系統(tǒng)末端的負(fù)載。 三種負(fù)載類(lèi)型，其端口的反射系數(shù)分別表現(xiàn)為： 匹配負(fù)載= 0 短路負(fù)載= 失配負(fù)載| =常數(shù)。,常用微波元件,一端口元件,對(duì)短路活塞的主要要求是： 保證接觸處的損耗小，其反射系數(shù)模應(yīng)接近1； 當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)，接觸損耗的變化要??； 大功率運(yùn)用時(shí)，活塞與波導(dǎo)壁（或者同軸線(xiàn)的內(nèi)外導(dǎo)體壁）間不應(yīng)發(fā)生打火現(xiàn)象。 短路器的輸入阻抗為: 短路器的輸入端反射系數(shù)為:,常用微波元件,短路負(fù)載-短路活塞,這表明短路器的輸入端反射系數(shù)的模應(yīng)等于1，而相角是可變的。,常用微波元件,在結(jié)構(gòu)上，短路活塞可做成接觸式(左圖）和扼流式（右圖）兩種:,扼流活塞的優(yōu)點(diǎn)是損耗小，且損耗穩(wěn)定；缺點(diǎn)是活塞太長(zhǎng)。 為了減小長(zhǎng)度可以采用下圖所示山字形和S形扼流活塞。缺點(diǎn)是頻帶窄，一般只能做到1015%的帶寬。,常用微波元件,低功率波導(dǎo)匹配負(fù)載一般為一段終端短路的波導(dǎo)，在其里面沿電場(chǎng)方向放置一塊或者數(shù)塊劈形吸收片或者楔形吸收體，如圖所示：,匹配負(fù)載,波導(dǎo)型,常用微波元件,同軸線(xiàn)匹配負(fù)載是在內(nèi)外導(dǎo)體之間放入圓錐形或者階梯型吸收體，如圖所示：,同軸型,常用微波元件,高功率時(shí)需要考慮熱量的吸收和發(fā)散問(wèn)題。吸收物體可以是固體（如石墨和水泥混合物）或液體（通常用水）。,常用微波元件,高功率型,失配負(fù)載,實(shí)用中的失配負(fù)載都是做成標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載，具有某一固定的駐波比。失配負(fù)載常用于微波測(cè)量中作標(biāo)準(zhǔn)終端負(fù)載。,失配負(fù)載的結(jié)構(gòu)與匹配負(fù)載一樣，只是波導(dǎo)口徑的尺寸b不同而已。,設(shè)b0為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)窄邊尺寸，b為失配負(fù)載波導(dǎo)的窄邊尺寸，由于,常用微波元件,則： 可見(jiàn)對(duì)于不同的b可以得到不同的駐波比。,常用微波元件,二端口元件,b1=S11a1+S12a2 b2=S21a1+S22a2,a1 端口1的電壓入射波 S11 端口1的反射系數(shù) a2 端口2的電壓入射波 S22 端口2的反射系數(shù) b1 端口1的電壓出射波 S12 反向傳輸增益 b2 端口2的電壓出射波 S21 正向傳輸增益,常用微波元件,二端口元件可以等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為,常用微波元件,(1)波導(dǎo)接頭,常用微波元件,連接元件,其主要指標(biāo)要求是接觸損耗小、駐波比小、功率容量大、工作頻帶寬。,波導(dǎo)連接方法分接觸連接和扼流連接兩種。它們是借助于焊在待連接元件波導(dǎo)端口上的法蘭盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)形式分平法蘭盤(pán)和扼流法蘭盤(pán)兩種，如圖所示。,當(dāng)需要改變電磁波的極化方向而不改變其傳輸方向時(shí)， 則要用到扭轉(zhuǎn)元件。,常用微波元件,(2) 拐角、彎曲和扭轉(zhuǎn)元件,對(duì)這些元件的要求是：引入的反射盡可能小、工作頻帶寬、功率容量大。,(1) 膜片,常用微波元件,匹配元件,匹配元件的種類(lèi)很多，這里只介紹膜片，銷(xiāo)釘和螺釘匹配器。,波導(dǎo)中的膜片是垂直于波導(dǎo)管軸放置的薄金屬片，有對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)之分。 膜片是波導(dǎo)中常用的匹配元件，一般在調(diào)匹配時(shí)多用不對(duì)稱(chēng)膜片，而當(dāng)負(fù)載要求對(duì)稱(chēng)輸出時(shí)，則需用對(duì)稱(chēng)膜片。,利用膜片進(jìn)行匹配的原理便是利用膜片的產(chǎn)生的反射來(lái)抵消由于負(fù)載不匹配所產(chǎn)生的反射波。,常用微波元件,電抗元件包括電感器和電容器。電感器是指能夠集中磁場(chǎng)和存儲(chǔ)磁能的元件；而電容器是指能夠集中電場(chǎng)和存儲(chǔ)電能的元件。,電容膜片,常用微波元件,矩形波導(dǎo)中的電感膜片及其等效電路如圖所示。當(dāng)在波導(dǎo)窄壁上放置金屬膜片后，會(huì)使波導(dǎo)寬壁上的電流產(chǎn)生分流，于是在膜片的附近必然會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并存儲(chǔ)一部分磁能，因此這種膜片稱(chēng)為電感膜片。,電感膜片,常用微波元件,諧振窗 下圖給出了諧振窗的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。即在橫向金屬膜片上開(kāi)設(shè)一個(gè)小窗，稱(chēng)為諧振窗。,（3）銷(xiāo)釘 它在波導(dǎo)中起電感作用，可用作匹配元件和諧振元件， 常用于構(gòu)成波導(dǎo)濾波器。,常用微波元件,銷(xiāo)釘?shù)南鄬?duì)感納與棒的粗細(xì)有關(guān)，棒越細(xì)，電感量越大，其相對(duì)電納越??；同樣粗細(xì)的棒，根數(shù)越多，相對(duì)電納越大。 置于a/2處的單銷(xiāo)釘相對(duì)電納的近似式為,常用微波元件,螺釘調(diào)配器調(diào)整較為方便。螺釘是低功率微波裝置中普遍采用的調(diào)諧和匹配元件。,常用微波元件,螺釘調(diào)配器,實(shí)用時(shí)，為避免波導(dǎo)短路和擊穿，通常設(shè)計(jì)螺釘成容性，作可變電容用，螺釘旋入波導(dǎo)的深度應(yīng)小于3b/4,b為矩形波導(dǎo)窄邊的尺寸。,常用微波元件,衰減和相移元件分別用來(lái)改變導(dǎo)行系統(tǒng)中電磁場(chǎng)的幅度 和相位，衰減器和相移器聯(lián)合使用，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)行系統(tǒng) 中電磁波的傳播常數(shù)。 理想衰減器在衰減量連續(xù)可變時(shí)，相移量應(yīng)固定不變。 衰減量可變的二端口網(wǎng)絡(luò)，其散射矩陣為：,常用微波元件,衰減與相移元件,理想相移器應(yīng)該是一個(gè)具有單位振幅，即相位變化過(guò)程 中，其衰減量固定不變。相移量可變的二端口網(wǎng)絡(luò)，其 散射矩陣為： 吸收式衰減器結(jié)構(gòu)變移相器,常用微波元件,常用微波元件,波形變換元件,為了從一種導(dǎo)行系統(tǒng)元件過(guò)渡到另一種導(dǎo)行系統(tǒng)元件 或過(guò)渡到同種導(dǎo)行系統(tǒng)的另一種元件并要求產(chǎn)生所需要的工作模式，就需要采用波形變換元件。,波導(dǎo)激勵(lì)的一般方法與裝置 （1）探針激勵(lì),常用微波元件,（2）環(huán)激勵(lì) （3）孔或縫激勵(lì),常用微波元件,（4）直接過(guò)渡 通過(guò)波導(dǎo)截面形狀的逐漸變形，可將原波導(dǎo)中的模式轉(zhuǎn) 換成另一種波導(dǎo)中所需要的模式。 矩形波導(dǎo)TE10模轉(zhuǎn)換成圓波導(dǎo)TE11模的方 - 圓過(guò)渡,常用微波元件,在微波技術(shù)中常用作分路元件或功率分配器/合成器：,常用微波元件,三端口元件,任意三端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣為 若元件是互易的，有,常用微波元件,常用微波元件,性質(zhì)1：無(wú)耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能完全匹配，即三個(gè)端口不可能同時(shí)都匹配。,性質(zhì)3：無(wú)耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)的任意兩個(gè)端口可以實(shí)現(xiàn)匹配。,常用微波元件,T形接頭 對(duì)于無(wú)耗形接頭，可用傳輸線(xiàn)型來(lái)表示： 可以選擇輸出線(xiàn)的特性阻抗來(lái)獲得不同的功率分配比。,常用微波元件,三端口功率分配/合成元件,矩形波導(dǎo)T形接頭 矩形波導(dǎo)工作在主模工作TE10，分E-T和H-T接頭：,常用微波元件,左圖說(shuō)明： 信號(hào)從1臂輸入時(shí)，主波導(dǎo)2、3臂中距1臂等距離的T2、T3處為等幅反向輸出。 當(dāng)T2、T3處有等幅反相信號(hào)輸入時(shí)，則二者在1臂內(nèi)同向疊加輸出。,常用微波元件,E-T特性分析,右圖說(shuō)明： 當(dāng)在2、3臂的T2、T3處輸入等幅同相信號(hào)時(shí)，二者在1臂 中反向抵消而不能從1臂輸出，只能在2、3臂中形成駐波。,H-T特性分析,常用微波元件,左圖說(shuō)明： 如上圖當(dāng)信號(hào)從分支4臂輸入時(shí)， 2、3臂的T2、T3處信號(hào)等幅同相輸出； 2、3臂的T2、T3處輸入等幅同相信號(hào)時(shí)，二者在4臂同相疊加輸出。,右圖說(shuō)明： 當(dāng)2、3臂的T2、T3處輸入等幅反相信號(hào)時(shí)，二者在4臂反相抵消，4臂無(wú)輸出。,常用微波元件,H-T分支,總結(jié)： E-T特性：主臂 輸入，支臂臂 、臂等幅反相輸出； H-T特性：主臂輸入，支臂臂 、 臂等幅同相輸出。,常用微波元件,矩形波導(dǎo)對(duì)稱(chēng)Y分支結(jié)構(gòu)及其等效電路圖如圖所示，分為 E面分支和H面分支；前者為串聯(lián)分支，后者為并聯(lián)分支。,E-Y分支,H-Y分支,常用微波元件,對(duì)稱(chēng)Y分支,三種作為功率分配器的波導(dǎo)Y分支 分配給分支波導(dǎo)的功率與其高度成正比。因此，適當(dāng)?shù)?選擇高度和就可以得到任意的功率分配比。,常用微波元件,假如三端口分配器含有有耗元件，便可以做到所有端口 匹配，而二個(gè)輸出端口則不可能完全隔離。 威爾金森功率分配器,常用微波元件,電阻性功率分配器,設(shè)計(jì)公式 為功率分配比,常用微波元件,四端口元件,定向耦合器,四端口S參數(shù)性質(zhì) 性質(zhì)1:無(wú)耗互易四端口網(wǎng)絡(luò)可以完全匹配，而為一理 想定向耦合器。 性質(zhì)2:有理想定向性的無(wú)耗互易四端口網(wǎng)絡(luò)不一定四 個(gè)端口均匹配，即是說(shuō)四個(gè)端口匹配是定向耦合的充 分條件，而不是必要條件。 性質(zhì)3:有二個(gè)端口匹配且相互隔離的無(wú)耗互易四端口 電路必然為一理想定向耦合器，且其余兩個(gè)端口亦匹 配并相互隔離。,常用微波元件,四端口元件,定向耦合器 耦合度： 定向性：,常用微波元件,四端口元件,隔離度： 有： 不同形式的定向耦合器 （1）Bethe孔耦合器 Bethe孔耦合器是一種單孔耦合器。為獲得定向性，該單 孔需開(kāi)在兩個(gè)矩形波導(dǎo)的公共寬壁上，如圖所示,常用微波元件,工作原理：小孔可用電和磁偶極矩構(gòu)成的等效源來(lái)代替，調(diào)節(jié)兩個(gè)等效源的相對(duì)振幅可以消除在隔離端口方向的輻射，而增強(qiáng)在耦合端口方向的輻射，從而獲得理想的 定向性。,常用微波元件,（2）波導(dǎo)多孔定向耦合器 單孔耦合器的缺點(diǎn)是頻帶窄。寬頻帶應(yīng)用時(shí)可采用多 孔耦合器。 以雙孔耦合器為例說(shuō)明工作原理 設(shè)波導(dǎo)由端口輸入，大部分波向端口傳輸，一部分波通過(guò)兩個(gè)孔耦合到副波導(dǎo)中。由于兩孔相距/4，結(jié)果在端口方向的波相位同向而增強(qiáng)，在端口方向則因相位反向而相互抵消。,常用微波元件,（3）耦合線(xiàn)定向耦合器 其特性是: 由端口輸入的信號(hào)一部分傳至端口，一部分耦合至副線(xiàn)由端口輸出，端口無(wú)輸出。 對(duì)耦合微帶線(xiàn)或其它非TEM線(xiàn)，奇，偶模速度不相同，耦合器的定向性就要變差。為改變性能，需要采取相應(yīng)的速度補(bǔ)償措施，如加介質(zhì)覆蓋層，采用各向異性基片，耦合段做成鋸齒形等。,常用微波元件,（4）正交混合電橋 分支線(xiàn)耦合器的特性是：當(dāng)所有端口匹配時(shí)，由端口輸入的功率在端口和之間平分且有90相位差，端口無(wú)輸出（隔離端口）。其S矩陣為,常用微波元件,（5）180混合電橋 該圖為混合環(huán)1.5lTEM線(xiàn)（帶狀線(xiàn)或微帶線(xiàn)）并聯(lián)連接而成。 信號(hào)由端口輸入時(shí)，端口和等幅同相輸出，端口無(wú)輸出；信號(hào)由端口輸入時(shí)，端口和等幅反相輸出，端口無(wú)輸出。當(dāng)用作功率合成器時(shí)，信號(hào)同時(shí)加于端口和，則端口輸出“和”信號(hào)，端口輸出“差”信號(hào)。,常用微波元件,魔T的重要特性： 1）四個(gè)端口完全匹配 2）臂和臂相互隔離，兩側(cè)臂 和相互隔離； 3）進(jìn)入一側(cè)臂的信號(hào)，由臂和臂等分輸出，而另一側(cè)壁無(wú)輸出； 4）進(jìn)入H臂的信號(hào)，由兩側(cè)臂等幅同相輸出，而E臂 無(wú)輸出； 5）進(jìn)入E臂的信號(hào)，由兩側(cè)臂等幅反相輸出，而H臂 無(wú)輸出； 6）兩側(cè)臂和同時(shí)輸入信號(hào)，臂為和口、臂為差口輸出。,常用微波元件,波導(dǎo)匹配魔T,定義：用完全相同的電抗元件以周期性間隔加載的導(dǎo)行 系統(tǒng)稱(chēng)為微波周期結(jié)構(gòu)。 所有的周期結(jié)構(gòu)都具有如下共性： 類(lèi)似于濾波器的帶通和帶阻特性； 周期結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)波為慢波，其相速度比未加載線(xiàn)的相 速度要慢。,微波周期結(jié)構(gòu)-電磁慢波,常用微波元件,將系統(tǒng)移動(dòng)周期長(zhǎng)度的整數(shù)倍時(shí)，它與移動(dòng)前的結(jié) 構(gòu)完全重合。此時(shí)，在給定的穩(wěn)態(tài)頻率下，對(duì)于系統(tǒng)沿 其中某個(gè)特定傳輸波型，它在某截面處的場(chǎng)與相隔周期長(zhǎng) 度整數(shù)倍處的場(chǎng)僅僅相差一個(gè)復(fù)數(shù)常數(shù)。 福羅奎定理可用電場(chǎng)矢量表示成： 其周期與周期結(jié)構(gòu)的空間周期相同，記作L，即有,常用微波元件,福羅奎（Floquet）定理,鐵氧體的一般性質(zhì),鐵氧體元件,常用微波元件,鐵氧體是由金屬氧化物混合燒結(jié)而成的磁性材料。其化學(xué)表示一般為MOFe2O3，其中M代表二價(jià)金屬如：錳、鎂、鋅、鎳、鎘等或者是它們的混合物。機(jī)械性能類(lèi)似于陶瓷，其質(zhì)硬而脆。,鐵氧體的張量磁導(dǎo)率為 式中,常用微波元件,1.在鐵氧體中沿恒定磁場(chǎng)方向傳播的平面波，是圓極化 TEM波； 2.對(duì)于圓極化波，鐵氧體的導(dǎo)磁率不再為張量而為標(biāo)量， 這意味著磁化鐵氧體媒質(zhì)對(duì)圓極化波表現(xiàn)為各向同性， 但導(dǎo)磁率的大小與圓極化波的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。 旋磁效應(yīng) 1.鐵磁諧振效應(yīng),常用微波元件,注意：左旋波的旋轉(zhuǎn)方向與進(jìn)動(dòng)方向相反，在任何頻率上都無(wú)法同步，故不發(fā)生諧振。因此，鐵磁諧振僅對(duì)右旋波而言。,常用微波元件,正旋圓極化波的相速為零，波不傳播，這種現(xiàn)象稱(chēng)為鐵磁諧振。,定義：線(xiàn)性極化波在縱向磁化鐵氧體內(nèi)傳播過(guò)程中極化 而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)。 產(chǎn)生機(jī)理：一個(gè)線(xiàn)性極化波可以分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相 反的圓極化波，而這兩個(gè)圓極化波在縱向磁化的鐵氧體 媒質(zhì)中傳播的相速不同(相位常數(shù)不同)，因此，傳播途 中不同距離上兩圓極化波合成的線(xiàn)極化波的極化方向不 同，即極化面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。如下圖所示：,常用微波元件,法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng),由于線(xiàn)性極化波是恒定磁場(chǎng)(順著磁場(chǎng)方向)分為右旋和左旋圓極化波，因此，只要恒定磁場(chǎng)方向不變，無(wú)論波沿+z方向或沿-z方向傳播，極化面旋轉(zhuǎn)方向是不變。這一特性稱(chēng)為法拉第旋轉(zhuǎn)的非互易性。,常用微波元件,常用微波元件,場(chǎng)移效應(yīng),定義：場(chǎng)移效應(yīng)是對(duì)放入導(dǎo)波系統(tǒng)中的鐵氧體，外加橫向橫磁場(chǎng)(垂直于波的傳播方向)時(shí)，使導(dǎo)波場(chǎng)的分布產(chǎn)生橫向移動(dòng)的效應(yīng)。,非線(xiàn)性各向異性磁性材料 磁導(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)而變（非線(xiàn)性） 電磁波從不同角度通過(guò)磁化鐵氧體，呈現(xiàn)出鐵磁諧振、諧振吸收和法拉第極化旋轉(zhuǎn)效應(yīng)等非互易特性 可構(gòu)成隔離器、環(huán)形器、移相器等,微波鐵氧體元件 隔離器常用于微波源與負(fù)載之間，使全部功率傳至負(fù)載而反射功率不到微波源。,常用微波元件,場(chǎng)移式隔離器 諧振式隔離器 法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器,鐵氧體側(cè)面上貼一薄電阻片(或電阻膜層)，電阻片可將 反向波吸收掉而只傳輸正向波，從而構(gòu)成了一個(gè)隔離器， 如圖： 缺點(diǎn)：因靠電阻片吸收反射波，故僅適用于低功率。,常用微波元件,場(chǎng)移式隔離器,利用鐵氧體對(duì)右旋圓極化波產(chǎn)生諧振吸收的特性可作成 諧振式隔離器。 可用于高功率系統(tǒng)。,常用微波元件,諧振式隔離器,它由一段扭轉(zhuǎn)45的矩形波導(dǎo)和一段45法拉第旋轉(zhuǎn)圓波 導(dǎo)相連，圓波導(dǎo)的另一端為圓到矩形變換器。,常用微波元件,法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器,正向波：電場(chǎng)始終與電阻片垂直，電阻片不吸收 反向波：輸出端口與電阻片平行，吸收,環(huán)形器、移相器（略）,常用微波元件,作業(yè),8.4,