《微波技术基础》全册配套课件.ppt

1、微波技术基础全册微波技术基础全册配套课件配套课件常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件波导型同轴型微带型微波元件常用微波元件常用微波元件 一端口元件对外只有一个物理端口，其功能一般是一端口元件对外只有一个物理端口，其功能一般是对确定频率微波信号产生谐振以及作为微波传输系统末对确定频率微波信号产生谐振以及作为微波传输系统末端的负载。端的负载。三种负载类型，其端口的反射系数分别表现为：三种负载类型，其端口的反射系数分别表现为：l匹配负载匹配负载= 0 = 0 l短路负载短路负载=l失配负载失配负载| =| =常数。常数。 单端口元件单端口元件baba je常用微波元件常用微波元件对短路活

2、塞的主要要求是：对短路活塞的主要要求是：保证接触处的损耗小，其反射系数模应接近保证接触处的损耗小，其反射系数模应接近1 1；当活塞移动时，接触损耗的变化要小；当活塞移动时，接触损耗的变化要小；大功率运用时，活塞与波导壁（或者同轴线的内大功率运用时，活塞与波导壁（或者同轴线的内外导体壁）间不应发生打火现象。外导体壁）间不应发生打火现象。短路器的输入阻抗为短路器的输入阻抗为:短路器的输入端反射系数为短路器的输入端反射系数为:in00ZjZ tgjZ tg l20001100011jininZZjZ tgZjtgSeZZjZ tgZjtg 常用微波元件常用微波元件短路负载短路负载-短路活塞短路活塞

3、这表明短路器的输入端反射系数的模应等于这表明短路器的输入端反射系数的模应等于1 1，而相角是可变的。，而相角是可变的。 常用微波元件常用微波元件 在结构上，短路活塞可做成接触式在结构上，短路活塞可做成接触式(左图）和扼流式左图）和扼流式（右图）两种（右图）两种: 扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞太长。太长。 为了减小长度可以采用下图所示山字形和为了减小长度可以采用下图所示山字形和S S形扼流活形扼流活塞。缺点是频带窄，一般只能做到塞。缺点是频带窄，一般只能做到101015%15%的带宽。的带宽。 常用微波元件常用微波元件 低功率波导匹

4、配负载一般为一段终端短路的波导，低功率波导匹配负载一般为一段终端短路的波导，在其里面沿电场方向放置一块或者数块劈形吸收片或者在其里面沿电场方向放置一块或者数块劈形吸收片或者楔形吸收体，如图所示：楔形吸收体，如图所示：波导型波导型常用微波元件常用微波元件 同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥同轴线匹配负载是在内外导体之间放入圆锥形或者阶梯型吸收体，如图所示：形或者阶梯型吸收体，如图所示：同轴型同轴型常用微波元件常用微波元件 高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。高功率时需要考虑热量的吸收和发散问题。吸收物体可以是固体（如石墨和水泥混合物）或吸收物体可以是固体（如石墨和水泥混合物）或液体（通常用

5、水）。液体（通常用水）。常用微波元件常用微波元件高功率型高功率型常用微波元件常用微波元件大功率水冷匹配负载大功率水冷匹配负载00ZZZZ 常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件)b(000bbbZZS或二端口元件二端口元件b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2a1 端口端口1的电压入射波的电压入射波 S11 端口端口1的反射系数的反射系数a2 端口端口2的电压入射波的电压入射波 S22 端口端口2的反射系数的反射系数b1 端口端口1的电压出射波的电压出射波 S12 反向传输系数（增益）反向传输系数（增益）b2 端口端口2的电压出射波的电压出射波 S21 正向传输正向

6、传输系数（增益）系数（增益）a1b1a2b2S11S22S21 S12常用微波元件常用微波元件 22211211SSSSS常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件 其主要指标要求是接触损耗小、驻波比小、功其主要指标要求是接触损耗小、驻波比小、功率容量大、工作频带宽。率容量大、工作频带宽。 波导连接方法分波导连接方法分和和两种。它们两种。它们是借助于焊在待连接元件波导端口上的法兰盘来实现的。是借助于焊在待连接元件波导端口上的法兰盘来实现的。法兰盘结构形式分法兰盘结构形式分和和盘盘两种，如两种，如图所示。图所示。功率容量大功率容量大,频带窄频带窄平接头平接头扼流接头扼流接头扭波导扭波导常用

7、微波元件常用微波元件E弯弯H弯弯常用微波元件常用微波元件匹配元件匹配元件 匹配元件的种类很多，这里只介绍膜片，销钉和螺钉匹匹配元件的种类很多，这里只介绍膜片，销钉和螺钉匹配器。配器。 波导中的膜片是垂直于波导管轴放置的薄金属波导中的膜片是垂直于波导管轴放置的薄金属片，有对称和不对称之分。片，有对称和不对称之分。 膜片是波导中常用的匹配元件，一般在调匹配膜片是波导中常用的匹配元件，一般在调匹配时多用不对称膜片，而当负载要求对称输出时，则时多用不对称膜片，而当负载要求对称输出时，则需用对称膜片。需用对称膜片。 膜片匹配的原理是膜片匹配的原理是利用膜片产生的反射来利用膜片产生的反射来抵消由于负载不匹

8、配所产生的反射波抵消由于负载不匹配所产生的反射波常用微波元件常用微波元件 电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中电抗元件包括电感器和电容器。电感器是指能够集中磁场和存储磁能的元件；而电容器是指能够集中电场和存磁场和存储磁能的元件；而电容器是指能够集中电场和存储电能的元件。储电能的元件。 电容膜片及其等效电路电纳的近似计算公式为电纳的近似计算公式为 04ln csc2gbdBYb常用微波元件常用微波元件 矩形波导中的电感膜片及其等效电路如图所示。当在波导窄壁上矩形波导中的电感膜片及其等效电路如图所示。当在波导窄壁上放置金属膜片后，会使波导宽壁上的电流产生分流，于是在膜片的附放置金属膜片后

9、，会使波导宽壁上的电流产生分流，于是在膜片的附近必然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜片。近必然会产生磁场，并存储一部分磁能，因此这种膜片称为电感膜片。电感膜片电感膜片 20ctg2gdBYaa 电感膜片及其等效电路电感膜片及其等效电路 电感膜片电纳的近似计算公式为电感膜片电纳的近似计算公式为常用微波元件常用微波元件谐振窗谐振窗 矩形波导谐振膜片的应用矩形波导谐振膜片的应用波导滤波器波导滤波器常用微波元件常用微波元件阶梯阻抗变换器阶梯阻抗变换器矩形波导谐振膜片的应用矩形波导谐振膜片的应用常用微波元件常用微波元件 它在波导中起电感作用，可用作匹配元件和谐振元件，它在波导中起电感

10、作用，可用作匹配元件和谐振元件，常用于构成波导滤波器。常用于构成波导滤波器。 常用微波元件常用微波元件 销钉的相对感纳与棒的粗细有关，棒越细，销钉的相对感纳与棒的粗细有关，棒越细，电感量越大，其相对电纳越小；同样粗细的棒，电感量越大，其相对电纳越小；同样粗细的棒，根数越多，相对电纳越大。根数越多，相对电纳越大。 置于置于a a/2/2处的单销钉相对电纳的近似式为处的单销钉相对电纳的近似式为1022ln()2gBabYar 常用微波元件常用微波元件 螺钉调配器调整较为方便。螺钉是低螺钉调配器调整较为方便。螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件。件。常用

11、微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件 衰减和相移元件分别用来改变导行系统中电磁场的幅度衰减和相移元件分别用来改变导行系统中电磁场的幅度和相位，衰减器和相移器联合使用，可以调节导行系统和相位，衰减器和相移器联合使用，可以调节导行系统中电磁波的传播常数。中电磁波的传播常数。 理想衰减器在衰减量连续可变时，相移量应固定不变。理想衰减器在衰减量连续可变时，相移量应固定不变。衰减量可变的二端口网络，其散射矩阵为：衰减量可变的二端口网络，其散射矩阵为： 00alaleSe常用微波元件常用微波元件衰减与相移元件衰减与相移元件 理想相移器应该是一个具有单位振幅，即相位变化过程理想相移器应该是一个具有单

12、位振幅，即相位变化过程中，其衰减量固定不变。相移量可变的二端口网络，其中，其衰减量固定不变。相移量可变的二端口网络，其散射矩阵为：散射矩阵为：吸收式衰减器结构变移相器吸收式衰减器结构变移相器 00jjeeS常用微波元件常用微波元件 Seejj00常用微波元件常用微波元件波型变换元件波型变换元件 （1 1）探针激励探针激励常用微波元件常用微波元件（2 2）环激励）环激励（3 3）孔或缝激励）孔或缝激励常用微波元件常用微波元件 通过波导截面形状的逐渐变形，可将原波导中的模式转通过波导截面形状的逐渐变形，可将原波导中的模式转换成另一种波导中所需要的模式。换成另一种波导中所需要的模式。 矩形波导矩形波

13、导TETE1010模转换成圆波导模转换成圆波导TETE1111模的方模的方 - - 圆过渡圆过渡 常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件在微波技术中常用作分路元件或功率分配器在微波技术中常用作分路元件或功率分配器/ /合成器：合成器：常用微波元件常用微波元件任意三端口网络的散射矩阵为任意三端口网络的散射矩阵为若元件是互易的，有若元件是互易的，有 333231232121131211SSSSSSSSSSjiSSjiij常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件 性质性质1：无耗互易三端口网络不可能完全匹配，无耗互易三端口网络不可能完全匹配，即三个端口不可能同时都匹配。即三个端口不

14、可能同时都匹配。 T010001100SR001100010S和和 波导环形器波导环形器可以控制电磁波沿某一环形方可以控制电磁波沿某一环形方向传输，在微波系统中主要用于单向传输能量，向传输，在微波系统中主要用于单向传输能量，这种单向传输性能用于微波设备的级与级、级与这种单向传输性能用于微波设备的级与级、级与系统之间就能使它们各自独立工作、互相隔离。系统之间就能使它们各自独立工作、互相隔离。 常用微波元件常用微波元件性质性质3 3：无耗互易三端口网络的任意两个端口可无耗互易三端口网络的任意两个端口可以实现匹配以实现匹配。 常用微波元件常用微波元件03223 SST T形接头形接头 对于无耗形接头

15、，可用传输线型来表示：对于无耗形接头，可用传输线型来表示： 00201111ZZZjBYin常用微波元件常用微波元件矩形波导矩形波导T T形接头形接头 矩形波导工作在主模矩形波导工作在主模TETE1010，分，分E-TE-T和和H-TH-T接头：接头： H-TH-T接头接头E-TE-T接头接头常用微波元件常用微波元件左图说明：左图说明： 信号从信号从1 1臂输入时，主波导臂输入时，主波导2 2、3 3臂中距臂中距1 1臂等距离的臂等距离的T2T2、T3T3处为等幅处为等幅反向输出。反向输出。 当当T2T2、T3T3处有等幅反相信号输入时，则二者在处有等幅反相信号输入时，则二者在1 1臂内同向叠

16、加输出。臂内同向叠加输出。常用微波元件常用微波元件E-T特性分析特性分析 当在当在2 2、3 3臂的臂的T2T2、T3T3处输入等幅同相信号时，二者在处输入等幅同相信号时，二者在1 1臂臂中反向抵消而不能从中反向抵消而不能从1 1臂输出，只能在臂输出，只能在2 2、3 3臂中形成驻波。臂中形成驻波。常用微波元件常用微波元件E-T特性分析特性分析H-TH-T特性分析特性分析常用微波元件常用微波元件 如上图当信号从分支如上图当信号从分支4臂输入时，臂输入时， 2、3臂的臂的T2、T3处处信号等幅同相输出；信号等幅同相输出； 2、3臂的臂的T2、T3处输入等幅同相信号时，二者在处输入等幅同相信号时，

17、二者在4臂同臂同相叠加输出。相叠加输出。 当当2 2、3 3臂的臂的T2T2、T3T3处输入等幅反相信号时，处输入等幅反相信号时，二者在二者在4 4臂反相抵消，臂反相抵消，4 4臂无输出。臂无输出。常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件E-T特性：主臂特性：主臂 输入，支臂臂输入，支臂臂 、臂等幅反相输出；、臂等幅反相输出；H-T特性：主臂输入，支臂臂特性：主臂输入，支臂臂 、 臂等幅同相输出。臂等幅同相输出。常用微波元件常用微波元件H-T分支分支功率分配设计结构功率分配设计结构调节膜片位置调节膜片位置x得到不同的得到不同的功率分配功率分配矩形波导对称矩形波导对称Y Y分支结构及其等

18、效电路图如图所示，分为分支结构及其等效电路图如图所示，分为E E面分支和面分支和H H面分支；前者为串联分支，后者为并联分支。面分支；前者为串联分支，后者为并联分支。 E-YE-Y分支分支H-YH-Y分支分支常用微波元件常用微波元件对称对称Y分支分支 分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当的分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当的选择高度和就可以得到任意的功率分配比。选择高度和就可以得到任意的功率分配比。 常用微波元件常用微波元件 假如三端口分配器含有有耗元件，便可以做到所有端口假如三端口分配器含有有耗元件，便可以做到所有端口匹配，而二个输出端口则不可能完全隔离。匹配，而二个输

19、出端口则不可能完全隔离。威尔金森功率分配器威尔金森功率分配器常用微波元件常用微波元件电阻性功率分配器电阻性功率分配器设计公式设计公式 为功率分配比为功率分配比 2030322020300111KZZKZK ZZKKRZKK232PKP常用微波元件常用微波元件四端口元件四端口元件定向耦合器定向耦合器性质性质1:1:无耗互易四端口网络可以完全匹配，而为一理无耗互易四端口网络可以完全匹配，而为一理 想定向耦合器。想定向耦合器。性质性质2:2:有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四 个端口均匹配，即是说四个端口匹配是定向耦合的充个端口均匹配，即是说四个端口匹配

20、是定向耦合的充 分条件，而不是必要条件。分条件，而不是必要条件。性质性质3:3:有二个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口有二个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口 电路必然为一理想定向耦合器，且其余两个端口亦匹电路必然为一理想定向耦合器，且其余两个端口亦匹 配并相互隔离。配并相互隔离。常用微波元件常用微波元件 耦合度：耦合度： 定向性：定向性： 12313110lg10lgPCPS3410lgPDdBP常用微波元件常用微波元件隔离度：隔离度：有：有：（1 1）BetheBethe孔耦合器孔耦合器 BetheBethe孔耦合器是一种单孔耦合器。为获得定向性，该单孔耦合器是一种单孔耦合器。为获得定向

21、性，该单孔需开在两个矩形波导的公共宽壁上，如图所示孔需开在两个矩形波导的公共宽壁上，如图所示 114410lg20lgPISdBP IDC dB常用微波元件常用微波元件小孔可用电和磁偶极矩构成的等效源来代小孔可用电和磁偶极矩构成的等效源来代替，调节两个等效源的相对振幅可以消除在隔离端口方向替，调节两个等效源的相对振幅可以消除在隔离端口方向的辐射，而增强在耦合端口方向的辐射，从而获得理想的的辐射，而增强在耦合端口方向的辐射，从而获得理想的 定向性。定向性。 常用微波元件常用微波元件 单孔耦合器的缺点是频带窄。宽频带应用时可采用多单孔耦合器的缺点是频带窄。宽频带应用时可采用多孔耦合器。孔耦合器。

22、以双孔耦合器为例说明工作原理以双孔耦合器为例说明工作原理 设波导由端口输入，大部分波向端口传输，一部分波通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距/4，结果在端口方向的波相位同相而增强，在端口方向则因相位反相而相互抵消。常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件 分支线耦合器的特性是：分支线耦合器的特性是：当所有端口匹配时，由端口输入的当所有端口匹配时，由端口输入的功率在端口和之间平分且有功率在端口和之间平分且有9090相位差，端口无输出（隔离相位差，端口无输出（隔离端口）。其端口）。其S S矩阵为矩阵为 01000111002010jjSjj常用微波元件常用微波元件（5 5）180180混

23、合电桥混合电桥该图为混合环该图为混合环1.5TEM1.5TEM线（带状线或微带线）并联连接而成。线（带状线或微带线）并联连接而成。 信号由端口输入时，端口和等幅同相输出，信号由端口输入时，端口和等幅同相输出，端口无输出；信号由端口输入时，端口和端口无输出；信号由端口输入时，端口和等幅反相输出，端口无输出。当用作功率合等幅反相输出，端口无输出。当用作功率合成器时，信号同时加于端口和，则端口输成器时，信号同时加于端口和，则端口输出出“和和”信号，端口输出信号，端口输出“差差”信号。信号。 常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件波导匹配魔波导匹配魔T001100111 110021100S

24、定义：用完全相同的电抗元件以周期性间隔加载的导行定义：用完全相同的电抗元件以周期性间隔加载的导行系统称为微波周期结构。系统称为微波周期结构。 所有的周期结构都具有如下共性：所有的周期结构都具有如下共性：类似于滤波器的带通和带阻特性；类似于滤波器的带通和带阻特性；周期结构上的导波为慢波，其相速度比未加载线的相周期结构上的导波为慢波，其相速度比未加载线的相 速度要慢。速度要慢。常用微波元件常用微波元件 将系统移动周期长度的整数倍时，它与移动前的结将系统移动周期长度的整数倍时，它与移动前的结构完全重合。此时，在给定的稳态频率下，对于系统沿构完全重合。此时，在给定的稳态频率下，对于系统沿其中某个特定传

25、输波型，它在某截面处的场与相隔周期长其中某个特定传输波型，它在某截面处的场与相隔周期长度整数倍处的场仅仅相差一个复数常数。度整数倍处的场仅仅相差一个复数常数。福罗奎定理可用电场矢量表示成：福罗奎定理可用电场矢量表示成： （1 1）其周期与周期结构的空间周期相同，记作其周期与周期结构的空间周期相同，记作L L，即有，即有 （2 2）00, , ,j tztE x y z tEx y e00, ,( , ,)Ex y zE x y zmL常用微波元件常用微波元件福罗奎（福罗奎（Floquet）定理）定理设设E1和和E2是相隔为是相隔为mL的两个截面上的场，的两个截面上的场，m为整数。则为整数。则0

26、10( , , )j tzEE x y z e位置位置1：0()20( , ,)j tz mLEE x y zmL e位置位置2：021mLEE e由（由（2）式，可得）式，可得E0(x,y,z)是空间周期函数，应用付氏级数按周期是空间周期函数，应用付氏级数按周期L展开，有展开，有2()00( , , )( , )j nzLnnEx y zEx y e根据正交性原理可求出级数的系数根据正交性原理可求出级数的系数E0n(x,y)为为112()001( , )( , , )z Lj nzLnzE x yE x y z edzL02()0( , , , )( , )j tjnzLnnE x y z

27、tEx y e因此因此考虑无耗，则考虑无耗，则02()0( , , , )( , )j tjnzLnnE x y z tEx y e这里这里02nnL上述分析结构表明：上述分析结构表明：在周期结构中所传播的不是一个振在周期结构中所传播的不是一个振幅沿幅沿z为常数的正弦行波，而是一个非正弦行波，或者为常数的正弦行波，而是一个非正弦行波，或者说是一个振幅沿说是一个振幅沿z周期性变化的行波。此行波可应用傅周期性变化的行波。此行波可应用傅立叶方法分解成一系列振幅沿立叶方法分解成一系列振幅沿z为常数的正弦行波。它为常数的正弦行波。它们各自以自己的振幅和相移常数沿系统传播，其总和则们各自以自己的振幅和相移

28、常数沿系统传播，其总和则构成周期结构系统中总的场分布。构成周期结构系统中总的场分布。每一个波我们称之为一个空间谐波，每一个波我们称之为一个空间谐波，n=0为基波，其余为基波，其余称为称为n次空间谐波。其场沿横截面的分布次空间谐波。其场沿横截面的分布E0n(x,y)与与z无无关；其相移常数为关；其相移常数为 。n相速度相速度02pnnnL（慢波）（慢波）微波周期结构的应用微波周期结构的应用(1) 电磁带隙结构电磁带隙结构(EBGs)(2) 电磁慢波结构电磁慢波结构(3) 左手材料左手材料自学内容自学内容常用微波元件常用微波元件 铁氧体是由金属氧化物混合烧结而成的磁性材料。铁氧体是由金属氧化物混合

29、烧结而成的磁性材料。其化学表示一般为其化学表示一般为MOFe2O3，其中，其中M代表二价金属如：代表二价金属如：锰、镁、锌、镍、镉等或者是它们的混合物。机械性能类锰、镁、锌、镍、镉等或者是它们的混合物。机械性能类似于陶瓷，其质硬而脆。似于陶瓷，其质硬而脆。铁氧体电阻率高铁氧体电阻率高106109 cmcm，比铁高，比铁高1212倍以上倍以上铁氧体电性能铁氧体电性能近似于绝缘体，有时称非金属磁性近似于绝缘体，有时称非金属磁性材料材料铁氧体的张量磁导率为铁氧体的张量磁导率为 式中式中00010010000100 xxxyyxyyjkIjk 00022011mxx 00220mxyjkj 常用微波元

30、件常用微波元件1.1.在铁氧体中沿恒定磁场方向传播的平面波，是圆极化在铁氧体中沿恒定磁场方向传播的平面波，是圆极化 TEMTEM波；波；2.2.对于圆极化波，铁氧体的导磁率不再为张量而为标量，对于圆极化波，铁氧体的导磁率不再为张量而为标量， 这意味着磁化铁氧体媒质对圆极化波表现为各向同性，这意味着磁化铁氧体媒质对圆极化波表现为各向同性， 但导磁率的大小与圆极化波的旋转方向有关。但导磁率的大小与圆极化波的旋转方向有关。l旋磁效应旋磁效应 1.1.铁磁谐振效应铁磁谐振效应常用微波元件常用微波元件注意：注意：左旋波的旋转方向与进动方向相反，在任左旋波的旋转方向与进动方向相反，在任何频率上都无法同步，

31、故不发生谐振。因此，铁何频率上都无法同步，故不发生谐振。因此，铁磁谐振仅对右旋波而言。磁谐振仅对右旋波而言。 常用微波元件常用微波元件正旋圆极化波的相速为零，波不传播，这种现象称为铁磁谐振。正旋圆极化波的相速为零，波不传播，这种现象称为铁磁谐振。定义：线性极化波在纵向磁化铁氧体内传播过程中定义：线性极化波在纵向磁化铁氧体内传播过程中极化方极化方向向发生发生旋转旋转的效应。的效应。 产生机理：一个线性极化波可以分解为两个旋转方向相产生机理：一个线性极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波，而这两个圆极化波在纵向磁化的铁氧体反的圆极化波，而这两个圆极化波在纵向磁化的铁氧体媒质中传播的相速不同媒质

32、中传播的相速不同( (相位常数不同相位常数不同) )，因此，传播途，因此，传播途中不同距离上两圆极化波合成的线极化波的极化方向不中不同距离上两圆极化波合成的线极化波的极化方向不同，即极化面发生了旋转。如下图所示：同，即极化面发生了旋转。如下图所示： 常用微波元件常用微波元件 由于线性极化波是恒定磁场由于线性极化波是恒定磁场( (顺着磁场方向顺着磁场方向) )分为右旋和左旋圆极化波，因此，只要恒定磁场分为右旋和左旋圆极化波，因此，只要恒定磁场方向不变，无论波沿方向不变，无论波沿+z+z方向或沿方向或沿-z-z方向传播，极方向传播，极化面旋转方向是不变。这一特性称为法拉第旋转化面旋转方向是不变。这

33、一特性称为法拉第旋转的的非互易性非互易性。 常用微波元件常用微波元件常用微波元件常用微波元件定义：定义：场移效应是对放入导波系统中的铁氧体，外加横向场移效应是对放入导波系统中的铁氧体，外加横向横磁场横磁场(垂直于波的传播方向垂直于波的传播方向)时，使导波场的分布产生横向时，使导波场的分布产生横向移动的效应。移动的效应。非线性各向异性磁性材料非线性各向异性磁性材料磁导率随外加磁场而变（非线性）磁导率随外加磁场而变（非线性）电磁波从不同角度通过磁化铁氧体，呈现出电磁波从不同角度通过磁化铁氧体，呈现出铁磁谐振、谐振吸收和法拉第极化旋转效应铁磁谐振、谐振吸收和法拉第极化旋转效应等非互易特性等非互易特性

34、可构成隔离器、环形器、移相器等可构成隔离器、环形器、移相器等铁氧体铁氧体常用于微波源与负载之间，使全部功率传常用于微波源与负载之间，使全部功率传至负载而反射功率不反射至微波源。至负载而反射功率不反射至微波源。常用微波元件常用微波元件铁氧体侧面上贴一薄电阻片铁氧体侧面上贴一薄电阻片( (或电阻膜层或电阻膜层) )，电阻片可将，电阻片可将反向波吸收掉而只传输正向波，从而构成了一个隔离器，反向波吸收掉而只传输正向波，从而构成了一个隔离器，如图：如图：缺点：因靠电阻片吸收反射波，故仅适用于低功率。缺点：因靠电阻片吸收反射波，故仅适用于低功率。 常用微波元件常用微波元件利用铁氧体对右旋圆极化波产生谐振吸

35、收的特性可作成利用铁氧体对右旋圆极化波产生谐振吸收的特性可作成谐振式隔离器。谐振式隔离器。可用于高功率系统。可用于高功率系统。 常用微波元件常用微波元件它由一段扭转它由一段扭转4545的矩形波导和一段的矩形波导和一段4545法拉第旋转圆波法拉第旋转圆波导相连，圆波导的另一端为圆到矩形变换器。导相连，圆波导的另一端为圆到矩形变换器。常用微波元件常用微波元件正向波：电场始终与电阻片垂正向波：电场始终与电阻片垂直，电阻片直，电阻片不吸收不吸收反向波：输出端口与电阻片平反向波：输出端口与电阻片平行，行，吸收吸收常用微波元件常用微波元件作业作业8.4 祝同学们学习顺利祝同学们学习顺利! 微波技术基础微波

36、技术基础平时成绩：平时成绩：20%（作业及考勤）（作业及考勤）期末考试：期末考试：80%考试方式：笔试、闭卷考试方式：笔试、闭卷学时数：学时数：56学时学时2013年年9月月2013年年12月月开课时间：开课时间： 微波技术基础微波技术基础先修课程：先修课程：电磁场与波电磁场与波后续课程：后续课程：微波网络微波网络 微波集成电路微波集成电路 微波固态电路微波固态电路 微波测量微波测量 天线原理与设计天线原理与设计 电波传播电波传播 绪绪 论论微波及其特点：微波及其特点：微波的波长（或频率）范围微波的波长（或频率）范围1米米 0.1毫米毫米300MHz3000GHz微波频率微波频率绪论绪论l电磁

37、波波段划分电磁波波段划分注：注：电子工业技术词典电子工业技术词典微波技术分册微波技术分册太赫兹（太赫兹（THz)0.1THz 10THz (1THz=1000GHz)l微波常用波段代号微波常用波段代号 绪论绪论（续后）（续后）(续前）续前）绪论绪论 微波常用波段代号微波常用波段代号l家用电器频段家用电器频段 绪论绪论 微波常用波段代号微波常用波段代号l移动通信频段移动通信频段 绪论绪论 微波常用波段代号微波常用波段代号l微波的主要特性微波的主要特性1.微波的频率高且波长很短，与几何光学相似，即微波的频率高且波长很短，与几何光学相似，即似光性似光性。2.微波的波长与物体的尺寸具有相同的量级，使得

38、微波的微波的波长与物体的尺寸具有相同的量级，使得微波的 特点又与声波相近，即特点又与声波相近，即似声性似声性。绪论绪论 绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 微波的量子能量还不够大，不足以改变物质分子的微波的量子能量还不够大，不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键。内部结构或破坏分子间的键。非电离性非电离性为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段利用这一特性和原理，可研制许多适用于微波波段的器件和仪器利用这一特性和原理，可研制许多适用于微波波段的器件和仪器信息性信息性绪论绪论 微波的主要

39、特性微波的主要特性 微波的频率很高，所以在不太大的相对带宽下，其微波的频率很高，所以在不太大的相对带宽下，其可用的频带很宽，这意味着微波的信息容量大。可用的频带很宽，这意味着微波的信息容量大。电磁波是人类用来传递信息的重要资源电磁波是人类用来传递信息的重要资源微波中微波中可提取可提取相位信息相位信息极化信息极化信息多普勒频率信息多普勒频率信息可用于可用于绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 渡越时间效应及传播延时效应渡越时间效应及传播延时效应电子管、三极管内电子在极电子管、三极管内电子在极间渡越的时间引起的效应。间渡越的时间引起的效应。低频时：低频时：振荡周期振荡周期 电子渡越时间电子渡越时

40、间微波时：微波时：振荡周期振荡周期 电子渡越时间电子渡越时间可比拟可比拟微波电路中电磁波从一处传播到微波电路中电磁波从一处传播到另一处，因传播速度有限而需要另一处，因传播速度有限而需要一定的时间所产生的效应。一定的时间所产生的效应。延时效应可以不考虑，电延时效应可以不考虑，电路采用集总参数计算路采用集总参数计算低频时低频时电路中各点相位不一致，电路中各点相位不一致，表现为分布参数表现为分布参数微波时微波时可比拟可比拟计算方法：场（电磁场分析方法）计算方法：场（电磁场分析方法） 路（等效电路，如传输线法）路（等效电路，如传输线法）绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 微波的大气传播特性微波的大

41、气传播特性1.1.氧气和水蒸气对微波频率会产生选择性的吸收和散射，氧气和水蒸气对微波频率会产生选择性的吸收和散射， 在毫米波频段尤为突出；在毫米波频段尤为突出；2.2.氧气分子谐振引起的吸收峰氧气分子谐振引起的吸收峰 出现在出现在60GHz60GHz和和120GHz120GHz附近，附近， 而由水蒸气谐振引起的吸收而由水蒸气谐振引起的吸收 峰在峰在22GHz22GHz和和183GHz183GHz附近。附近。 绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 3.3.四个传播衰减相对较小的四个传播衰减相对较小的 “窗口窗口”，其中心频率分别，其中心频率分别 在在3535、9494、140140和和220G

42、Hz220GHz， 相应波长分别为相应波长分别为8.68.6、3.23.2、 2.12.1和和1.4mm1.4mm；4.4.随着电磁波的工作频率升随着电磁波的工作频率升 高，总的衰减呈上升趋势。高，总的衰减呈上升趋势。 绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 微波的应用微波的应用绪绪 论论 绪论绪论 微波的应用微波的应用传递信息的媒介传递信息的媒介科学研究的手段科学研究的手段微波能应用微波能应用可归纳为：可归纳为：绪论绪论 微波的应用微波的应用传递信息的媒介传递信息的媒介在微波技术发展的早期，雷达几乎是微波技术在微波技术发展的早期，雷达几乎是微波技术的同义词。的同义词。军事上：军事上：用于机载

43、、舰载、陆基雷达用于机载、舰载、陆基雷达；民用：导航、空中交通管制、气象预报、遥测民用：导航、空中交通管制、气象预报、遥测遥感、汽车防撞火警、盗警预报等。遥感、汽车防撞火警、盗警预报等。电子电子对抗对抗敌对双方利用电子设备进行电磁斗争叫电子敌对双方利用电子设备进行电磁斗争叫电子对抗或电子战。基本内容有电子对抗侦察、对抗或电子战。基本内容有电子对抗侦察、电子干扰和电子防御。电子对抗是现代战争电子干扰和电子防御。电子对抗是现代战争的重要作战手段。微波设备是电子对抗设备的重要作战手段。微波设备是电子对抗设备中不可缺少的重要组成部分。中不可缺少的重要组成部分。隐身与反隐身技术隐身与反隐身技术电子战、信

44、息战、空天一体化作战体系电子战、信息战、空天一体化作战体系 以以F-22为代表的美军隐形飞机一项是美国扩张、侵略的有力为代表的美军隐形飞机一项是美国扩张、侵略的有力工具，美国人已经将隐形飞机描绘成工具，美国人已经将隐形飞机描绘成“战无不胜战无不胜”的象征，的象征，似乎隐形飞机真到了无懈可击的地步。诚然，由于自身独特似乎隐形飞机真到了无懈可击的地步。诚然，由于自身独特的气动布局设计和大量使用特种材料，美军隐形飞机确实很的气动布局设计和大量使用特种材料，美军隐形飞机确实很难被对方雷达发现。即使在探测手段已经相当成熟的今天对难被对方雷达发现。即使在探测手段已经相当成熟的今天对隐形飞机的探测依然是各国

45、面对的一道难题。而即便能探测隐形飞机的探测依然是各国面对的一道难题。而即便能探测到，目前大量装备的地空导弹的制导雷达和战斗机机载雷达到，目前大量装备的地空导弹的制导雷达和战斗机机载雷达也无法有效探测到隐形飞机，这就给攻击造成很大困难。也无法有效探测到隐形飞机，这就给攻击造成很大困难。F22隐身与反隐身隐身与反隐身B2美军美军B-2隐形轰炸机投弹隐形轰炸机投弹F35J20J20歼歼-20是成都飞机工业是成都飞机工业集团为中国人民解放军集团为中国人民解放军空军研制的中国第四代空军研制的中国第四代（欧美标准，俄标准为（欧美标准，俄标准为第五代）双发重型隐形第五代）双发重型隐形战机。采用了单座、双战机

46、。采用了单座、双发、全动双垂尾、发、全动双垂尾、DSI鼓包式进气道、上反鸭鼓包式进气道、上反鸭翼带尖拱边条的鸭式气翼带尖拱边条的鸭式气动布局。歼动布局。歼-20的机头、的机头、机身呈菱形，垂直尾翼机身呈菱形，垂直尾翼向外倾斜，起落架舱门向外倾斜，起落架舱门采用锯齿边设计，机身采用锯齿边设计，机身深墨绿色涂装，远观近深墨绿色涂装，远观近似于黑色。似于黑色。2011年年1月月11日日12时时50分，歼分，歼20在成都实现首飞，历时在成都实现首飞，历时18分钟。分钟。 绪论绪论 微波的应用微波的应用通信通信微波具有频率高、频带宽、信息微波具有频率高、频带宽、信息量大的特点量大的特点应用业务包括：微波

47、多路通信、应用业务包括：微波多路通信、微波中继通信、无线局域网、散微波中继通信、无线局域网、散射通信、移动通信和卫星通信、射通信、移动通信和卫星通信、物联网等；物联网等；绪论绪论 微波的应用微波的应用科学研究的手段科学研究的手段利用微波技术利用微波技术建立的新学科建立的新学科高能微波（高能微波加速器）：高能物高能微波（高能微波加速器）：高能物理理微波波谱学：微波波谱学：利用物质吸收谱研究物质利用物质吸收谱研究物质结构结构微波天文学：微波天文学：由微波辐射研究天体由微波辐射研究天体微波气象学微波气象学遥感、全息术遥感、全息术测量：测量：弱功率应用的电量和非电量测量。弱功率应用的电量和非电量测量。

48、不接触测量对象不接触测量对象绪论绪论 微波的应用微波的应用微波能应用微波能应用加热：加热：特点是均匀、高效、迅速，便于控制特点是均匀、高效、迅速，便于控制杀菌：杀菌：除虫、育种、刺激植物生长除虫、育种、刺激植物生长生物医学应用：生物医学应用：对生物体选择性加热，治疗各种疾对生物体选择性加热，治疗各种疾病病输能：输能：传输电能、太阳能传输电能、太阳能微波武微波武器器微波武器微波武器:THz应用应用被美国评为被美国评为“改变未来世界的十大技术之一改变未来世界的十大技术之一” 被日本列为被日本列为“国家支柱十大重点战略目标国家支柱十大重点战略目标”之之首首（1）THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但

49、可以方便脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地有效地抑制远红外背景噪声的干扰抑制远红外背景噪声的干扰。（2）THz 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 直至几十直至几十THz 的范围，的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围。因此波段范围

50、。因此THz 时域光谱技术作为探测材料时域光谱技术作为探测材料在在THz 波段信息的一种有效的手段，非常波段信息的一种有效的手段，非常适合于测适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作的工作。太赫兹技术应用太赫兹技术应用（3）THz 光子的能量低，只有几毫电子伏特，光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此因此不容易破坏被检测物质不容易破坏被检测物质。（4）许多的非金属非极性材料对）许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得收较小，因此结合相应的技术，使得探测材探测材料内部料内部信息成为可能。信息成为可能。太赫兹技术应用太