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

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……

（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

传输线中的不均匀区域 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：

b

dbYB

gc 2

cscln4

侧视 横截面

d

a

b d jBY

膜片附近电场较集中，储存了电能，相当于电容。

b

dbYB

gc 2

cscln8

jBY

2 、感性膜片：a

db

d

膜片附近磁场较集中，储存了磁能，相当于电感。

俯视 横截面

a

d

aYB

gc 2

ctg2

jBY

3 、谐振窗：a

b

2

2

12

bb

baba

ar

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 、感性销钉：

jBY

2 r

jBY

2cos2

lnsec

2

2

ar

a

aa

YB

gc

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

d <λg /4

d >λg /4

d ≈λg /4 串联谐振＝ 短路带阻滤波器

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：

交指电容电容值较大

叠层电容电容值更大

间隙电容电容值较小

2 、串联电感：

l

一段无耗短传输线

cZ

• 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：

C

p

c

v

lZL

22

p

c

v

lYC

L / 2等效 L / 2

• 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

cZ cZ

cc ZZ

cZ

•用高阻抗微带短线实现串联电感高阻抗段

cZ cZ

环形电感 圆形螺旋电感 方形螺旋电感

•为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数：

3 、串联在传输线上的谐振回路：

L

C

C

L

l

4 、并联电容、电感：

cZ cZcZ

cc ZZ

• 用低阻抗线实现并联电容：低阻抗段

• 用并联的终端开路支节实现并联电容或并联电感；

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。

C1 C3 C 5L2 L4 L6

cZ cZ

• 微带电路实现方案

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

两端开路的微带段，长度均为 λg / 2

• 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

将 微带段折弯，以减小体积2g

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

λg1 /4

终端开路

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。

λg2 /4 λg3 /4

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

bZc ln

2

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 C4L1 L3 L5

• 销钉型四、波导滤波器

• 膜片型

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

散热片

• 大功率匹配干负载

出

• 大功率匹配水负载

水

入

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

4g

开路

• 匹配阻抗式

• 半圆式

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；

• 波导喇叭天线

E 面喇叭 H 面喇叭 金字塔形喇叭 圆形喇叭

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

• 可调波导衰减器

吸波材料片

• 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。

4g

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2

222

akk c

• 经过距离 l 的相移量2

2

all

• 相移量与媒质参数密切相关 低损耗介质片

l

功率分配网络

~

0 2 )1( N

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

321

3

串联支路

等效• 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。

jX1 2

等效

• 能量分配功能

21

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

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

信号 1 信号 2

T

2 、波导 H-T 分支（三端口元件） 21

3

等效

并联支路

• 等效电路 1

23

• 在 3臂加终端短路活塞，就可以移动短路活塞，调节并联支路的输入阻抗值（近似为纯电抗），作为电抗元件使用。

21

等效

jX

• 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

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

1

3

2

T4臂输入，3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

微带天线阵

微带天线阵元微带线

功分器实例

一分二一分三

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 ）

1

24

3

微带环形电桥实例

• 波导环形电桥

9. 7 定向耦合器

32

1 4• 同向耦合

输入端口

隔离端口 耦合端口

直通端口

32

1 4

• 反向耦合直通端口

耦合端口

输入端口

隔离端口

• 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

4g

• 双孔定向耦合器（窄频带）

3 2

141

43

2

3 2

141 2 3 N

• 多孔定向耦合器（频带较宽）

• 单孔定向耦合器

• 理想状态下，隔离端口应当没有输出，但实际上仍有一定输出，因此应在隔离端口接匹配负载，吸收这一部分功率。

吸波材料

• 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。

锯齿形定向耦合器提高定向性

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

21

4

4g

4g

A B

CD

• 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：

• 等效电路

存在电导，意味着谐振时有能量损耗。

• 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

• 种类传输线型谐振器非传输线型谐振器

二、传输线型谐振器的原理：

Y1

Y2

L C LC

f2

1 0 谐振频率

LCjCfjCjY 001 2

LCjLfjLj

Y 00

2 2

11

021 YY

谐振时：

• 回顾：低频集总元件谐振回路：

l1

Y1

Y2

11 tan

1

ljZY

c

12 tan

1

lljZY

c

021 YY

为自然数nnl g 20

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。 为自然数n

n

lg

20

Ulg 20 若

U

U

lg 0若

320 lg 若

U20 lg 若

为自然数nn

lg

20

• 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

l1

Y1

Y2

11 cot

1

ljZY

c

12 cot

1

lljZY

c

021 YY

为自然数nnl g 20

开路开路

2 、两端开路的传输线：

•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。 为自然数n

n

lg

20

• 场分布情况：

U

U

U

lg 20 若

lg 0若

320 lg 若

U20 lg 若

两端均为波腹点

为自然数nn

lg

20

3 、一端短路另一端开路的传输线：

l1

Y1

Y2

开路短路

11 cot

1

ljZY

c

12 tan

1

lljZY

c

021 YY

为自然数nn

lg

4

12

0

•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。 为自然数nn

lg 12

40

• 场分布情况：短路端为波节点，开路端为波腹点

为自然数nn

lg 12

40

U

U

U

lg 4若

34lg 若

54lg 若

U74lg 若

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：

ab l

• 应采用两端短路的方式；

222

02

1

l

p

b

n

a

mf

为自然数pp

l

b

n

a

mf

kk c

g 2

4

22222

20

222

0

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；

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；

S

VQ 0

• 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：

探针激励或耦合 环激励、环耦合

圆形谐振腔与波导的孔耦合

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： 为自然数nnlg

2

l 短路活塞可改变腔长，从而改变谐振频率

短路活塞 可调 l

为自然数谐振频率 nl

nf

ff

v

n

lg

2

12

2 、一端短路另一端开路同轴谐振腔：

一段截止圆波导，防止电磁辐射

为自然数nnlg

412

金属盖板防辐射

l 为自然数谐振频率 n

l

nf

ff

v

n

lg

4

12

1

12

4

内导体可移动，用于改变谐振频率

• 实际结构

可调 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 ll

n

lnnl

2

2

为自然数谐振条件：

波导喇叭激励

毫米波开腔谐振器

五、微带谐振器

la

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＝

2/gnl

2/gn

接地板缝隙谐振器

可构成带阻滤波器

接地板导带

谐振的缝隙将谐振频率的能量储存，不能继续传输。

l

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

0H 铁氧体衰减片 反向传输波 正向传输波

• 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”。

0ZcZ 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：

天线

接收机发射机

发射通路 接收通路

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

IFs fff 0

sIF fff 0

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 0f

IFf

IFf

天线