第九章 微波元器件与集成电路

1. 第九章 微波元器件与集成电路 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

2. 基本电抗元件 终端元件 连接元件 分支元件（功率分配元件） 衰减器和移相器 定向耦合器 滤波器 谐振器 隔离器 …… 微波振荡器 微波放大器 微波混频器 微波倍频器 微波控制器件 …… 无源元器件 （重点） 微波元器件 有源元器件 （了解）

3. 等效 传输线中的不均匀区域 电抗元件 8. 1 电抗元件 一、基本概念 等效 1、 终端短路或开路的传输线 电抗元件 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。 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。

4. 二、常见电抗元件

6. 膜片附近电场较集中，储存了电能，相当于电容。膜片附近电场较集中，储存了电能，相当于电容。 d 侧视 横截面 三、矩形波导中的金属膜片 1、容性膜片： a b d

7. 膜片附近磁场较集中，储存了磁能，相当于电感。膜片附近磁场较集中，储存了磁能，相当于电感。 2、感性膜片： a d b d 俯视 横截面

8. 谐振波长： 3、谐振窗： a b’ b a’ • 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。

9. 2、感性销钉： 2 r 四、矩形波导中的金属销钉 1、容性销钉：

10. 2、电纳可调螺钉： d <λg /4 串联谐振＝ 短路 d ≈λg /4 带阻滤波器 d >λg /4 d 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。

11. 一个可调销钉相当于一个并联电抗支节 四支节负载匹配装置

12. 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

13. 2、矩形波导H面阶梯： H面：与磁场矢量平行的平面

14. 3、同轴线中的阶梯

15. 间隙电容 叠层电容 交指电容 电容值更大 电容值较大 电容值较小 六、微带电路中的电容、电感 1、串联电容：

16. L / 2 L / 2 等效 C 2、串联电感： • 预备知识： 若Zc大，则L大， C小可忽略 若Zc小，则C大， L小可忽略 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。 • 当介质基片厚度一定时，微带宽度W↘，则Zc↗； • 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。

17. 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： 环形电感 方形螺旋电感 圆形螺旋电感 • 用高阻抗微带短线实现串联电感 高阻抗段 l

18. L C 3、串联在传输线上的谐振回路： L C

19. 用并联的终端开路支节实现并联电容或并联电感；用并联的终端开路支节实现并联电容或并联电感； 4、并联电容、电感： • 用低阻抗线实现并联电容： 低阻抗段 l

20. 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。

21. 6、微带线中的串联电阻： 高阻金属薄膜，吸收电磁能量 R

22. （衰减） 9. 2 微 波 滤 波 器 一、低频滤波器设计 • 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 （频率） • 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。

23. 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。

24. 三、微带滤波器 1、低通滤波器1 • 集总元件电路 • 微带电路实现方案 （电感） L L （交指电容） C

25. 微带电路实现方案 L2 L4 L6 C3 C 5 C1 2、低通滤波器2 L2 L4 L6 • 集总元件电路 C5 C3 C1 • 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。

26. 微带电路实现方案 3、低通滤波器3 L5 L1 L3 • 椭圆函数式低通滤波器 L2 L4 C6 C2 C4

27. 两端开路的微带段，长度均为λg / 2 4、带通滤波器 输入 输出 平行耦合微带型带通滤波器 • 微带段与微带段之间有能量耦合； • 微带段两端开路，波导波长等于 λg 的电磁波才可以在微带段上谐振并持续存在； • 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。

28. 某实际微带电路中的耦合带通滤波器

29. 屏蔽盒中的微带带通滤波器

30. 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 同轴线输出 同轴线输入

31. λg2 /4 λg3 /4 5、带阻滤波器 终端开路 λg1/4 输入 输出 对于波导波长等于 λg1、λg2 、λg3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。

32. 带阻滤波器实例

33. 四、同轴线滤波器 L1 L3 L5 • 低通滤波器 C2 C4 • 同轴线实现方案： L1 L3 L5 C2 C4 a：内导体半径 b：外导体内半径 用高、低阻抗同轴线实现低通滤波器 • 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

34. 膜片型 四、波导滤波器 • 销钉型

35. 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。

36. 1、波导式匹配负载 • 大功率匹配干负载 散热片 • 大功率匹配水负载 入 水 出 • 体积式吸收体 • 片式吸收体

37. 2、同轴线式匹配负载 吸波材料 • 同轴匹配干负载

38. 匹配阻抗式 开路 • 半圆式 3、微带线式匹配负载 • 渐变式 薄膜电阻 介质 导体带

39. 二、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； • 波导可移动短路器

40. 波导喇叭天线 金字塔形喇叭 圆形喇叭 H面喇叭 E面喇叭 三、辐射终端 • 能量尽量辐射出去，尽量减小终端反射；

41. 喇叭天线 波导喇叭 抛物面天线的喇叭馈源

42. 抗流式波导接头 9. 4 接头 (flange) • 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。

43. 可调波导衰减器 • 同轴线衰减器 吸波材料片 9. 5 衰减器和移相器 一、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。

44. 二、移相器： • 矩形波导TE10模式的相移常数 l • 经过距离 l 的相移量 低损耗介质片 • 作用：可以人为地改变传输电磁波的相位。 • 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。 • 相移量与媒质参数密切相关

45. 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。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。 天线阵元 移相器 移相器的相移量 功率分配网络 馈源

46. 相控阵天线

47. － ＋ 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。

48. 串联支路 3 等效 2 1 1、波导E-T分支（三端口元件） • 等效电路 3 2 等效 1 jX 2 1 • 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。

49. 能量分配功能 3 1 2 • 3臂输入时，从1、2臂等幅、反相输出； • 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；

50. 3 1 2 1臂输入时，从2、3臂输出； 3 1 2 2臂输入时，从1、3臂输出；