電磁場(chǎng)課件-第四章微波元件及微波網(wǎng)絡(luò)理論概要

第 四 章 微 波 元 件 及 微 波 網(wǎng) 絡(luò) 理 論概 要 4.0 微 波 元 件 與 微 波 元 件 分 析 方 法 4.1 連 接 元 件 4.2 波 導(dǎo) 分 支 元 件 4.3 波 導(dǎo) RLC元 件 4.4 定 向 耦 合 器 4.5 阻 抗 調(diào) 配 元 件 4.6 微 波 諧 振 器 4.7 微 波 鐵 氧 體 元 件 4.8 微 波 網(wǎng) 絡(luò) 4.0 微 波 元 件 與 微 波 元 件 分 析 方 法1、 微 波 電 路 微 波 電 路 （ 微 波 系 統(tǒng) ） 由 微 波 傳 輸 線 、微 波 元 件 和 微 波 器 件 組 成 。 2 微 波 元 件 及 其 功 能 描 述 微 波 元 件 泛 指 能 夠 控 制 導(dǎo) 行 電 磁 波 的 模 式 、極 化 方 向 、 幅 值 、 相 位 及 頻 率 等 的 無(wú) 源 裝置 。 功 能 ： 對(duì) 其 導(dǎo) 行 波 模 式 、 極 化 、 振 幅 、 相位 頻 率 進(jìn) 行 調(diào) 控 。 微 波 元 器 件 按 其 變 換 性 質(zhì) 可 分 為 線 性 互 易元 器 件 、 線 性 非 互 易 元 器 件 以 及 非 線 性 元器 件 三 大 類 。 電 路 元 件 和 器 件 無(wú) 源 元 器 件 ： 電 容 、 電 感 、 電 阻 、 濾 波 器 、分 配 器 、 諧 振 回 路 等 ， 實(shí) 現(xiàn) 信 號(hào) 匹 配 、 分配 、 濾 波 等 ； 有 源 元 器 件 ： 晶 體 管 等 , 實(shí) 現(xiàn) 信 號(hào) 產(chǎn) 生 、放 大 、 調(diào) 制 、 變 頻 等 。 微 波 電 路 元 件 和 器 件 線 性 互 易 元 器 件 只 對(duì) 微 波 信 號(hào) 進(jìn) 行 線 性 變換 而 不 改 變 頻 率 特 性 ， 并 滿 足 互 易 定 理 , 它 主 要 包 括 各 種 微 波 連 接 匹 配 元 件 、 功 率分 配 元 器 件 、 微 波 濾 波 器 件 及 微 波 諧 振 器件 等 ; 線 性 非 互 易 元 器 件 主 要 是 指 鐵 氧 體 器 件 , 它 的 散 射 矩 陣 不 對(duì) 稱 ,但 仍 工 作 在 線 性 區(qū) 域 , 主 要 包 括 隔 離 器 、 環(huán) 行 器 等 ; 非 線 性 元 器 件 能 引 起 頻 率 的 改 變 , 從 而 實(shí)現(xiàn) 放 大 、 調(diào) 制 、 變 頻 等 , 主 要 包 括 微 波 電子 管 、 微 波 晶 體 管 、 微 波 固 態(tài) 諧 振 器 、 微 波 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 及 微 波 電 真 空 器 件 等 。 第 一 、 二 類 微 波 無(wú) 源 元 件 ， 第 二 類 微 波 有源 器 件 。 3 微 波 元 件 構(gòu) 成 原 理 在 微 波 段 ， 電 路 元 件 與 普 通 電 路 中 元 件 無(wú)論 在 形 體 上 和 構(gòu) 成 原 理 上 發(fā) 生 較 大 的 變 化 。 微 波 元 件 一 般 是 由 微 波 傳 輸 線 結(jié) 構(gòu) （ 形 狀 、尺 寸 及 填 充 介 質(zhì) ） 突 變 而 構(gòu) 成 。 大 體 分 類 微 波 元 器 件 品 種 繁 多 , 而 且 隨 著 技 術(shù) 的 進(jìn)步 不 斷 出 現(xiàn) 新 的 元 器 件 。 本 章 主 要 介 紹 無(wú)源 元 器 件 。 大 體 可 以 分 為 連 接 匹 配 元 件 、 功 率 分 配 元器 件 、 微 波 諧 振 元 件 和 微 波 鐵 氧 體 器 件 。 連 接 匹 配 元 件 微 波 連 接 匹 配 元 件 包 括 終 端 負(fù) 載 元 件 、 微波 連 接 元 件 以 及 阻 抗 匹 配 元 器 件 三 大 類 。 終 端 負(fù) 載 元 件 是 連 接 在 傳 輸 系 統(tǒng) 終 端 實(shí) 現(xiàn)終 端 短 路 、 匹 配 或 標(biāo) 準(zhǔn) 失 配 等 功 能 的 元 件 ; 微 波 連 接 元 件 用 以 將 作 用 不 同 的 兩 個(gè) 微 波系 統(tǒng) 按 一 定 要 求 連 接 起 來(lái) ,主 要 包 括 波 導(dǎo) 接頭 、 衰 減 器 、 相 移 器 及 轉(zhuǎn) 換 接 頭 等 ; 阻 抗 匹 配 元 器 件 是 用 于 調(diào) 整 傳 輸 系 統(tǒng) 與 終端 之 間 阻 抗 匹 配 的 器 件 , 主 要 包 括 螺 釘 調(diào)配 器 、 多 階 梯 阻 抗 變 換 器 及 漸 變 型 變 換 器等 。 功 率 分 配 元 器 件 在 微 波 系 統(tǒng) 中 , 往 往 需 將 一 路 微 波 功 率 按比 例 分 成 幾 路 , 這 就 是 功 率 分 配 問(wèn) 題 。 實(shí) 現(xiàn) 這 一 功 能 的 元 件 稱 為 功 率 分 配 元 器 件 , 主 要 包 括 : 定 向 耦 合 器 、 功 率 分 配 器 以 及各 種 微 波 分 支 器 件 。 微 波 諧 振 器 件 微 波 諧 振 器 一 般 有 傳 輸 線 型 諧 振 器 和 非 傳輸 線 諧 振 器 兩 大 類 , 傳 輸 線 型 諧 振 器 是 一 段 由 兩 端 短 路 或 開(kāi) 路的 微 波 導(dǎo) 行 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 的 , 如 金 屬 空 腔 諧 振器 、 同 軸 線 諧 振 器 和 微 帶 諧 振 器 等 , 在 實(shí)際 應(yīng) 用 中 大 部 分 采 用 此 類 諧 振 器 。 微 波 鐵 氧 體 器 件 在 許 多 情 況 下 , 微 波 系 統(tǒng) 需 要 具 有 非 互 易性 的 器 件 。 負(fù) 載 的 變 化 對(duì) 微 波 信 號(hào) 源 的 頻率 和 功 率 輸 出 會(huì) 產(chǎn) 生 不 良 影 響 , 使 振 蕩 器性 能 不 穩(wěn) 定 。 一 類 非 互 易 單 向 器 或 隔 離 器 ， 另 一 類 非 互易 器 件 是 環(huán) 行 器 。 4 微 波 元 件 的 分 析 方 法 分 析 微 波 元 件 的 工 作 原 理 及 確 定 其 參 數(shù) ，嚴(yán) 格 的 方 法 是 分 析 元 件 內(nèi) 部 的 場(chǎng) 結(jié) 構(gòu) ， 進(jìn)而 確 定 其 外 特 性 ， 這 是 典 型 的 邊 值 型 問(wèn) 題 。由 于 微 波 元 件 復(fù) 雜 和 不 規(guī) 則 的 邊 界 情 況 ，完 整 準(zhǔn) 確 地 求 解 電 磁 場(chǎng) 方 程 將 遇 到 極 大 的困 難 。 一 般 采 用 等 效 為 微 波 網(wǎng) 絡(luò) 的 方 法 ， 微 波 元件 特 性 用 微 波 網(wǎng) 絡(luò) 的 外 特 性 參 量 描 述 ， 而這 些 網(wǎng) 絡(luò) 外 特 性 參 量 可 以 用 網(wǎng) 絡(luò) 參 量 描 述 ，網(wǎng) 絡(luò) 參 量 可 以 由 實(shí) 驗(yàn) 測(cè) 定 。 5 微 波 元 件 分 類根 據(jù) 微 波 元 件 功 能 可 以 將 微 波 元 件 分 類 ：1） 連 接 元 件 功 能 ： 不 同 類 型 微 波 傳 輸 線 連 接 ， 實(shí) 質(zhì) 上是 完 成 導(dǎo) 行 電 磁 波 不 同 模 式 的 轉(zhuǎn) 換 。 技 術(shù) 要 求 ： 完 成 模 式 轉(zhuǎn) 換 的 同 時(shí) ， 引 入 衰耗 和 反 射 波 盡 可 能 小 。 波 導(dǎo) 之 間 轉(zhuǎn) 換 、 同 軸 線 和 波 導(dǎo) 、 同 軸 線 和微 帶 線 、 波 導(dǎo) 和 微 帶 線 和 矩 形 波 導(dǎo) 和 圓 波導(dǎo) 。 2） 分 支 元 件功 能 ： 元 件 接 入 ， 對(duì) 應(yīng) 普 通 電 路 并 聯(lián) 和 串 聯(lián) 。E-T分 支 （ 串 聯(lián) ） ， H-T分 支 （ 并 聯(lián) ） ， 雙 T功 率 分 配 器 。 3） RLC元 件 功 能 ： 電 阻 性 元 件 吸 收 電 磁 場(chǎng) 能 量 ， 電 感 、電 容 性 元 件 儲(chǔ) 存 電 磁 場(chǎng) 能 量 。 電 抗 元 件 ： 螺 釘 、 短 路 活 塞 ， 螺 釘 相 當(dāng) 于和 波 導(dǎo) 并 聯(lián) 的 可 變 電 容 ； 短 路 活 塞 相 當(dāng) 于和 波 導(dǎo) 與 同 軸 線 串 聯(lián) 的 可 變 電 抗 ， 廣 泛 地應(yīng) 用 于 系 統(tǒng) 的 調(diào) 配 及 微 波 測(cè) 量 中 。 4） 定 向 耦 合 器 功 能 ： 微 波 系 統(tǒng) 監(jiān) 控 的 重 要 元 件 ， 它 是 一個(gè) 四 端 口 元 件 ， 具 有 耦 合 信 號(hào) ， 定 向 傳 輸?shù)?特 點(diǎn) 。 5） 阻 抗 調(diào) 配 元 件 功 能 ： 實(shí) 現(xiàn) 微 波 線 路 的 阻 抗 匹 配 。 系 統(tǒng) 的匹 配 程 度 直 接 決 定 了 系 統(tǒng) 的 工 作 狀 態(tài) ， 直接 影 響 信 號(hào) 的 傳 輸 質(zhì) 量 。 6） 諧 振 元 件 功 能 ： 等 同 于 普 通 電 路 的 諧 振 回 路 ， 產(chǎn) 生電 磁 振 蕩 。 諧 振 器 件 ： 角 柱 腔 ， 圓 柱 腔 ， 可 以 用 場(chǎng) 的方 法 分 析 。 特 性 參 數(shù) ： 品 質(zhì) 因 數(shù) Q 7） 微 波 鐵 氧 體 元 件 是 一 類 具 有 不 可 逆 性 的 微 波 元 件 ， 利 用 不同 極 化 電 磁 波 在 鐵 氧 體 外 加 恒 定 電 磁 場(chǎng) 中表 現(xiàn) 出 的 不 同 電 磁 性 質(zhì) （ 磁 導(dǎo) 率 ） 實(shí) 現(xiàn) 不同 極 化 電 磁 波 的 分 離 。 具 有 代 表 性 的 微 波 鐵 氧 體 元 件 主 要 有 ： 隔離 器 和 環(huán) 流 器 。 隔 離 器 ： 傳 輸 單 向 性 。 環(huán)流 器 ： 傳 輸 端 口 順 序 性 。