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微波元器件与集成电路.ppt

微波元器件与集成电路.ppt

上传者: S-Stoney 2014-03-24 评分 4.5 0 90 12 410 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《微波元器件与集成电路ppt》,可适用于工程科技领域,主题内容包含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)(了符等。

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)电抗元件电抗元件、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。、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、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。、终端短路或开路的传输线电抗元件等效二、常见电抗元件二、常见电抗元件三、矩形波导中的金属膜片三、矩形波导中的金属膜片、容性膜片:abd、感性膜片:adbd俯视横截面、谐振窗:、谐振窗:ab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四、矩形波导中的金属销钉、容性销钉:、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、传输线中的阶梯五、传输线中的阶梯、矩形波导E面阶梯:E面:与电场矢量平行的平面、矩形波导H面阶梯:H面:与磁场矢量平行的平面、同轴线中的阶梯、同轴线中的阶梯六、微带电路中的电容、电感六、微带电路中的电容、电感、串联电容:、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、串联在传输线上的谐振回路:LCl、并联电容、电感:用低阻抗线实现并联电容:低阻抗段、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。、微带线中的串联电阻:R高阻金属薄膜吸收电磁能量微波滤波器微波滤波器一、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、微带滤波器三、微带滤波器集总元件电路、低通滤波器微带电路实现方案LLC(电感)(交指电容)CCCLLL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。、低通滤波器集总元件电路CCLL椭圆函数式低通滤波器LLLC、低通滤波器、带通滤波器输入输出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、带阻滤波器λg终端开路输入输出对于波导波长等于λg、λg、λg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、同轴线滤波器四、同轴线滤波器CCLLL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CCLLL销钉型四、波导滤波器终端元件(单端口元件)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左右~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。、波导式匹配负载片式吸收体体积式吸收体吸波材料、同轴线式匹配负载同轴匹配干负载、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、辐射终端三、辐射终端能量尽量辐射出去尽量减小终端反射接头(flange)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。衰减器和移相器衰减器和移相器一、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。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。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分支元件分支元件作用: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。、波导ET分支(三端口元件)等效电路在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等效能量分配功能臂自身有反射但若在该臂加入匹配装置可使臂的入射能量全部从、臂平分输出臂输入时从、臂等幅、反相输出臂输入时从、臂输出臂输入时从、臂输出求差信号的功能两信号分别从、臂输入且到达分支波导中轴T面时相位相同则臂输出两信号之差称为差信号。信号信号若两输入信号等幅则臂无输出T求和信号的功能两信号分别从、臂输入且到达分支波导中轴T面时相位相反则臂输出两信号之和称为和信号。信号信号T、波导HT分支(三端口元件)等效电路能量分配功能臂自身有反射但若在该分支波导加入匹配装置可使臂的入射能量全部从、臂平分输出臂输入时从、臂等幅、同相输出臂输入时从、臂输出臂输入时从、臂输出求和信号的功能信号信号信号+信号两信号分别从、臂输入且到达分支波导中轴T面时相位相同则臂输出两信号之和称为和信号。T求差信号的功能信号信号两信号分别从、臂输入且到达分支波导中轴T面时相位相反则臂输出两信号之差称为差信号。若此时两信号等幅则臂无输出T、波导双T分支(四端口元件)(E)(H)主要特性:、同相输入:输出差信号输出和信号输入:、等幅、反相输出无输出输入:、等幅、同相输出无输出、相互隔离(相互不可传送信号)“臂、臂隔离”的原因:T臂输入的TE模式关于中轴面T反对称而臂中TE模式关于中轴面T对称故相互不能激励。臂(臂)输入的TE模可以在臂(臂)中激励起高次模但高次模式不能传输不能输出。臂输入臂无输出、波导魔T(四端口元件)(E)(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、匹配之后、自动匹配输入:、等幅、反相输出无输出输入:、等幅、同相输出无输出、均有输入:输出差信号输出和信号、臂相互隔离、臂相互隔离在微波设备、雷达中应用广泛。二、微带分支:T形分支功分器实例一分二主要特性:臂输入:、等幅、反相输出臂无输出臂输入:、等幅、同相输出臂无输出、臂均有输入:臂输出差信号臂输出和信号、臂相互隔离、臂相互隔离微带环形电桥(微带魔T)波导环形电桥定向耦合器定向耦合器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、波导定向耦合器一、波导定向耦合器双孔定向耦合器(窄频带)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ABCD输入、输出相位差度为隔离端口无输出微带双分支定向耦合器实例微波谐振器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=ω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:LC回顾:低频集总元件谐振回路:短路短路、两端短路的传输线: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场分布情况:两端均为波腹点、一端短路另一端开路的传输线:lYY开路短路场分布情况:短路端为波节点开路端为波腹点、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:、圆波导谐振腔、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la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应采用两端短路的方式、空腔谐振腔的激励与耦合:、空腔谐振腔的激励与耦合:三、同轴腔谐振器: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、两端短路同轴谐振腔:、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。lll毫米波开腔谐振器五、微带谐振器五、微带谐振器lab线节谐振器环形谐振器圆盘形谐振器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、激励导带非互易元件非互易元件一、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MOFeO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AA’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微波有源元器件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)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: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

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