10第九章微波元器件与集成电路.ppt

主要内容： 微波无源元器件 微波有源元器件 微波集成电路简介,第九章 微波元器件与集成电路,微波元器件,无源元器件,有源元器件,（重点）,（了解）,8. 1 电抗元件,3、 若传输线中的不均匀区域具有电容或电感的性质，可以等效为电感或电容，即电抗元件 。,4、原理： 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模式的叠加，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。因此不均匀区附近储存了高次模式的电磁场能量。 若储存的主要是电场能量，则不均匀区域相当于一个储存电能的电容；若储存的主要是磁场能量，则不均匀区域相当于一个储存磁能的电感。,一、基本概念,2、 传输线中的不均匀区域：传输线中结构、尺寸、参数发生突变的区域。,1、 终端短路或开路的传输线 电抗元件,等效,二、常见电抗元件,三、矩形波导中的金属膜片,1、容性膜片：,a,b,d,2、感性膜片：,a,d,b,d,俯视,横截面,3、谐振窗：,a,b,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； 失谐时，并联回路的电抗为容性或感性，反射较大； 作用：一个谐振窗相当于带通滤波器，谐振的频率就是可通过的频率。,b,a,四、矩形波导中的金属销钉,1、容性销钉：,2、电纳可调螺钉：,为防止出现串联谐振和击穿现象，销钉一般旋进深度较小，工作于容性状态。销钉越粗，电容值越大。,d,四支节负载匹配装置,一个可调销钉相当于一个并联电抗支节,五、传输线中的阶梯,1、矩形波导E面阶梯：,E面：与电场矢量平行的平面,2、矩形波导H面阶梯：,H面：与磁场矢量平行的平面,3、同轴线中的阶梯,六、微带电路中的电容、电感,1、串联电容：,2、串联电感：,一段无耗短传输线,一段Zc大的短传输线可等效为串联电感； 一段Zc小的短传输线可等效为并联电容。,若Zc大，则L大， C小可忽略 若Zc小，则C大， L小可忽略,当介质基片厚度一定时，微带宽度W，则Zc；,预备知识：,一段窄的短微带线可等效为串联电感； 一段宽的短微带线可等效为并联电容。,l,用高阻抗微带短线实现串联电感,高阻抗段,3、串联在传输线上的谐振回路：,L,C,l,4、并联电容、电感：,用低阻抗线实现并联电容：,低阻抗段,5、并联在传输线上的谐振回路：,在传输线上并联一个或多个支节，这些支节等效于串联或并联谐振回路。,6、微带线中的串联电阻：,R,高阻金属薄膜，吸收电磁能量,9. 2 微 波 滤 波 器,一、低频滤波器设计,将所需其他滤波器的衰减特性通过频率变换，得到对应的低通滤波器衰减特性； 设计该对应的低通滤波器的电路结构和元件值； 应用频率变换，得到所需滤波器的电路结构和元件值。,（衰减）,（频率）,低通滤波器的设计已非常成熟； 低通滤波器：最平坦式、切比雪夫式、椭圆函数式,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总元件，该过程称为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。,三、微带滤波器,集总元件电路,1、低通滤波器1,微带电路实现方案,L,L,C,（电感）,（交指电容）,C1,C3,C5,L2,L4,L6,高阻抗短线（窄线） 相当于 串联电感 低阻抗短线 （宽线）相当于 并联电容 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。,2、低通滤波器2,集总元件电路,C2,C4,L1,L3,椭圆函数式低通滤波器,L2,L4,L5,C6,3、低通滤波器3,微带电路实现方案,4、带通滤波器,输入,输出,微带段两端开路，波导波长等于 g 的电磁波才可以在微带段上谐振并持续存在；,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级一级耦合到输出口，故为带通滤波器。,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,屏蔽盒中的微带带通滤波器,将 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,同轴线输入,同轴线输出,5、带阻滤波器,g1 /4,终端开路,输入,输出,对于波导波长等于 g1 、g2 、g3 的电磁波而言，并联的终端开路 四分之一支节实现了对地短路的功能，这些频率的信号 不能通过，故为带阻滤波器。,带阻滤波器实例,四、同轴线滤波器,C2,C4,L1,L3,L5,用高、低阻抗同轴线实现低通滤波器,低通滤波器,同轴线实现方案：,a：内导体半径 b：外导体内半径,高阻抗短线（内导体细） 相当于 串联电感 低阻抗短线 （内导体粗）相当于 并联电容,C2,C4,L1,L3,L5,销钉型,四、波导滤波器,9. 3 终端元件（单端口元件）,一、匹配负载：,作用：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 1.05 左右 1.1 左右；,工作原理：元件中采用高阻衰减材料、吸波材料，吸收入射的电磁波；,特点：吸波材料与空气的界面应做成渐变式过渡，减小反射； 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。,1、波导式匹配负载,片式吸收体,体积式吸收体,吸波材料,2、同轴线式匹配负载,同轴匹配干负载,3、微带线式匹配负载,介质,薄膜电阻,导体带,渐变式,二、短路器：,波导可移动短路器,提供尽量大的反射系数； 最好可自由移动； 可移动短路活塞：接触式：物理接触 非接触式：非物理接触，电接触；,三、辐射终端,能量尽量辐射出去，尽量减小终端反射；,喇叭天线,抛物面天线的喇叭馈源,波导喇叭,9. 4 接头 (flange),抗流式波导接头,作用：连接各段传输线。,要求：电接触可靠，引起的反射尽量小，电磁能量不会外漏。,9. 5 衰减器和移相器,一、衰减器：,同轴线衰减器,作用：根据需要，减小所传输信号的幅度。 原理：用吸波材料吸收一定的电磁能量来实现衰减。,二、移相器：,原理：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。,作用：可以人为地改变传输电磁波的相位。,矩形波导TE10模式的相移常数,经过距离 l 的相移量,相移量与媒质参数密切相关,功率分配网络,天线阵元,移相器,馈源,应用举例：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。,移相器的相移量,相控阵天线,9. 6 分支元件,作用：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。,1、波导E-T分支（三端口元件）,2,1,3,等效电路,在3臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调节串联支路的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为电抗元件使用。,jX,1,2,等效,能量分配功能,2,1,3,3臂自身有反射，但若在该臂加入匹配装置，可使3臂的入射能量全部从1、2臂平分输出；,3臂输入时，从1、2臂等幅、反相输出；,1臂输入时，从2、3臂输出；,1,2,3,1,2,3,2臂输入时，从1、3臂输出；,求差信号的功能,1,2,3,两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相同，则3臂输出两信号之差，称为差信号。,信号1,信号2,若两输入信号等幅，则3臂无输出；,T,求和信号的功能,1,2,3,两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相反，则3臂输出两信号之和，称为和信号。,信号1,信号2,T,2、波导H-T分支（三端口元件）,等效电路,1,2,3,能量分配功能,1,2,3,3臂自身有反射，但若在该分支波导加入匹配装置，可使3臂的入射能量全部从1、2臂平分输出；,3臂输入时，从1、2臂等幅、同相输出；,1臂输入时，从2、3臂输出；,2臂输入时，从1、3臂输出；,1,2,3,1,2,3,求和信号的功能,1,2,3,信号1,信号2,信号1信号2,两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相同，则3臂输出两信号之和，称为和信号。,T,求差信号的功能,1,2,3,信号1,信号2,两信号分别从1、2臂输入，且到达分支波导中轴T面时相位相反，则3臂输出两信号之差，称为差信号。,若此时两信号等幅，则3臂无输出；,T,3、波导双-T分支（四端口元件）,1,2,3（E）,4（H）,主要特性： 1、2同相输入：3输出差信号，4输出和信号； 3输入：1、2等幅、反相输出，4无输出； 4输入：1、2等幅、同相输出，3无输出； 3、4相互隔离（相互不可传送信号）,1,3,2,“3臂、4臂隔离”的原因：,T,3臂输入的TE10 模式关于中轴面T反对称，而4臂中TE10模式关于中轴面T对称，故相互不能激励。,3臂（4臂）输入的TE10 模可以在4臂（3臂）中激励起高次模，但高次模式不能传输，不能输出。,3臂输入，4臂无输出,4、波导魔T（四端口元件）,1,2,3（E）,4（H）,调匹配的装置,主要特性： 任何端口都与外接传输线相匹配；3、4匹配之后，1、2自动匹配； 3输入：1、2等幅、反相输出，4无输出； 4输入：1、2等幅、同相输出，3无输出； 1、2均有输入：3输出差信号，4输出和信号； 3、4臂相互隔离；1、2臂相互隔离； 在微波设备、雷达中应用广泛。,二、 微带分支：,Y形分支,T形分支,功分器实例,一分二,主要特性： 3臂输入：1、2等幅、反相输出，4臂无输出； 4臂输入：1、2等幅、同相输出，3臂无输出； 1、2臂均有输入：3臂输出差信号，4臂输出和信号； 3、4臂相互隔离；1、2臂相互隔离；,微带环形电桥（微带魔T）,微带环形电桥实例,波导环形电桥,9. 7 定向耦合器,3,2,1,4,同向耦合,输入端口,隔离端口,耦合端口,直通端口,作用：,从主传输线中取出一些电磁能量并向设定的方向传输。,一、波导定向耦合器,双孔定向耦合器（窄频带）,3,2,1,4,1,4,3,2,单孔定向耦合器,定向耦合器实例,二、微带定向耦合器,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。,主线,副线,锯齿形定向耦合器实例,微带双分支定向耦合器,3,2,1,4,A,B,C,D,1输入，2、3输出，相位差90度； 4为隔离端口，无输出；,微带双分支定向耦合器实例,相当于低频中的谐振回路，具有储能、选频、稳频的功能； 用途：微波源、滤波器、选频器等等；,9.8 微波谐振器,一、基本概念：,特点： 理论上说，有无穷多个谐振频率（多谐性）； 品质因素Q值很高（几万几十万）；,Q×,谐振系统谐振时的平均储能,系统中每秒的能量消耗,二、传输线型谐振器的原理：,L,C,谐振时：,回顾：低频集总元件谐振回路：,短路,短路,1、 两端短路的传输线：,结论：两端短路的传输线段可以当作微波谐振器，谐振频率有无数个，波导波长 的频率均是谐振频率。,两端短路传输线中的场分布情况：,驻波分布，两端均为波节点,结论：两端开路的传输线段可以当作微波谐振器，谐振频率有无数个，波导波长 的频率均是谐振频率。,场分布情况：,两端均为波腹点,3、一端短路另一端开路的传输线：,l1,Y1,Y2,开路,短路,结论：上述传输线段可以当作微波谐振器，谐振频率有无数个，波导波长 的频率均是谐振频率。,场分布情况：,短路端为波节点，开路端为波腹点,1、矩形波导谐振腔,波导腔中沿 x、y、z 三个方向都是驻波分布。,三个整数 m、n、l 的每一种组合都对应腔内的一种谐振模式，因此：有无穷多个谐振模式；,三、波导型谐振器：,2、圆波导谐振腔,有无穷多个TE、TM谐振模式，谐振频率可用公式计算；,l,a,有三种常用谐振模式，场结构各不相同，各有其优点；可通过合理选择尺寸，得到需要的谐振模式，抑制其他模式；,品质因数正比于腔体积，反比于腔内壁面积，故在同样体积情况下，圆波导谐振腔比矩形谐振腔品质因数高，性能好，加工也容易，是最常用的谐振腔。,应采用两端短路的方式；,3、空腔谐振腔的激励与耦合：,三、同轴腔谐振器：,谐振模式为TEM模式，场结构简单稳定、频带宽，应用广泛；,1、两端短路同轴谐振腔：,2、一端短路另一端开路同轴谐振腔：,l,四、高频段的开腔谐振器,球面开腔,平板开腔,平板球面开腔,在高频段，传输线型谐振腔的损耗增加，Q值降低； 开腔谐振器工作稳定、Q值高，调谐、使用方便、易于加工，在毫米波、亚毫米波段应用前景广阔。,l,l,l,谐振条件：,毫米波开腔谐振器,五、微带谐振器,l,a,b,线节谐振器,环形谐振器,圆盘形谐振器,谐振条件： 1、线节谐振器、缝隙谐振器： 2、环形谐振器：平均周长,谐振器,谐振器,谐振器,导带,导带,谐振器,导带,导带,微带谐振器的耦合、激励,导带,9.9 非互易元件,一、场移式隔离器,衰减片：大量衰减反向传输波，对正向传输波影响不大。,铁氧体：各向异性媒质，分子式为MOFe2O3的一类铁磁物质的总称，M：代表Mg、Ni、Zn等二价金属。,特性：给铁氧体加上恒定磁场后，它对某个旋向的圆极化波（反向传输波）表现高的磁导率，有“吸收”作用（使场集中在铁氧体内），对相反旋向的圆极化波（正向传输波）表现低磁导率，有“排斥”作用（使场不能进入铁氧体内），此即为“场移作用”。,隔离器,入射波,入射波,反射波,A,A,隔离器用于阻抗匹配,入射波可通过，反射波不可通过,二、Y型结环形器,铁氧体 外加恒定磁场,波导环形器实例,入射波到达分支口分为两路。对恒定磁场而言，一路为左旋，一路为右旋，由于铁氧体对不同旋向的波表现出不同的磁导率，电磁波将偏向磁导率高的一边，即：能量向磁导率高的一边集中。,环形器用于天线收发开关：,发射机、接收机之间良好隔离,9.10 微波有源元器件,微波电真空管：（高功率） 振荡型、放大型,表面势垒二极管（即肖特基二极管） 变容二极管（包括阶跃二极管） 隧道二极管（包括反向二极管） PIN二极管 雪崩二极管 转移电子器件（即体效应管） 微波晶体管（双极晶体管和场效应晶体管）,微波半导体器件（固态器件）：（中小功率）,一、微波有源元件：,二、微波有源器件：（无源元件+有源元件）,微波固态放大器： 放大信号、功率 微波混频器：下变频：微波 中频 上变频：中频 微波 微波倍频器：获得倍频信号 微波固态振荡器：产生振荡信号，微波源 电真空管放大器：高功率、高增益放大 电真空管振荡器：产生高功率振荡信号,三、微波电路： 立体电路：波导、同轴线有源器件 混合微波集成电路：平面传输线半导体器件 单片微波集成电路： 半导体器件与传输线一起集成在 一块半导体基片上。,平面 电路,（微波高端、毫米波、亚毫米波）,（HMIC）,（MMIC）,四、微波系统简介：,功率 放大器,发信 混频器,本地 振荡器,中、低频 输入信号,微波 输出信号,天线,发射机简化框图,上变频,微波低噪声 放大器,收信 混频器,本地 振荡器,输入 微波信号,天线,接收机简化框图,中、低频 输出信号,下变频,脉冲雷达系统,功放,上变频,低噪放,下变频,中频 放大,检波,放大,显示,收发 开关,天线,