微波无源器件概述

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微波无源器件

一、
概述：微波通信系统主要由微波无源器件和微波有源器件组成，而微波无源器件是微波通信系统重要的组成部分。微波无源器件中的滤波器和双工器所具有的高选择性滤波作用，可以有效防止不使用的微波信号进入微波通信整机系统中，而其很高的上/下行隔离度，使得微波通信整机系统可以构成全双工的形式；微波无源器件中的功分器和耦合器在微波通信无源分配系统（传输、控制、监视等）中起着重要的作用。
二、
种类：功分器、耦合器、滤波器、双工器、隔离器、环行器、衰减器、50Ω功率负载等等。
三、
功分器（合路器）：
1.
定义：功分器是一种将一路输入信号的能量分成两路或多路输出相等或不相等的能量的器件；也可反过来将两路或多路信号的能量合成一路输出，此时可称为合路器。
2.
分类：
⑴按照电路结构：微带线功分器、同轴腔体功分器；
⑵按照能量分配：等分功分器、不等分功分器；
⑶按照分配路数：二路、三路、四路……功分器。
3.
基本参数：

⑴插入损耗：器件的直通损耗；即所有路数的输出功率之和与输入功率的比值，或单路的实际直通损耗减去理想的分配损耗。
理想分配损耗（dB）=10log(1/N):N为功分器路数

N=2
3.0 dB

N=3
4.8 dB

N=4
6.0 dB
N=5
7.0 dB

N=8
9.0 dB
N=16
12.0 dB
⑵隔离度:当主路接匹配负载时,各分配支路之间的衰减量。
⑶电压驻波比:在给定端接负载的情况下,由于端口反射所形成的驻波的峰值和谷值的电压的比值。

电压驻波比=Emax/Emin
⑷承受功率:允许通过的最大功率。
⑸幅度平衡:指工作频带内所有输出端口之间的幅度误差的最大值。

⑹相位平衡: 指工作频带内各输出端口之间相对于输入端口相移量的起伏程度。
⑺工作频率范围:满足插入损耗、隔离度、电压驻波比等其它技术指标的频率范围。

功分器（合路器）电路结构简图:
                             ZO
1/4λ、
ZO



                                                                                                                 输出端1（输入端1）



                   输入端(输出端)


2ZO



                                                                                                                 输出端2（输入端2）
              注: λ为工作波长; ZO为特性阻抗。

四、耦合器:
1.
定义: 对规定流向的微波信号进行取样。
2.
分类: 微带线耦合器、同轴腔体耦合器、波导耦合器。
3.
基本参数:

⑴耦合度:当其余端口接匹配负载时, 耦合端输出功率与主线输入功率之比。
  ⑵插入损耗:当匹配负载接主线外各端口时,在传输系统中由于耦合器的插入而引起的负载获得功率的变化;即器件的直通损耗。
  ⑶方向性:当功率在指定方向上传输时, 耦合端口的输出功率与同样功率在相反方向上传输时同一耦合端口的输出功率之差，即耦合器隔离正向和反向波的能力。
⑷电压驻波比:在给定端接负载的情况下,由于端口反射所形成的驻波的峰值和谷值的电压的比值。
电压驻波比=Emax/Emin
⑸承受功率:允许通过的最大功率。
⑹工作频率范围:满足其它指标的频率范围。



耦合器电路结构简图:
耦合端
1/4λ                    隔离端




W

S



W



输入端                                            直通端
五、滤波器:
1.
定义:对电磁波进行过滤,让需要的信号通过,抑制不需要的信号。
2.
分类:
⑴按照滤波方式:低通、高通、带通、带阻滤波器。
⑵按照传输媒介:微带线滤波器、腔体滤波器、波导滤波器、介质滤波器、声表面波滤波器等。
3.
基本概念:

⑴低通滤波器:
使低频通过而对高频进行抑制的滤波器。
  ⑵高通滤波器:
使高频通过而对低频进行抑制的滤波器。
  ⑶带通滤波器:
让一个频带的频率通过而对较高和较低的频率进行抑制的滤波器。
  ⑷带阻滤波器:
对一个频带的频率进行抑制而让较高或较低的频率通过的滤波器。
4.
基本参数:
⑴工作频率范围:满足插入损耗、驻波比、通带纹波等其它指标的频率范围。
⑵带宽:给定相对最小插入损耗值的两个截止频率的间隔,即指从下限频率到上限频率的频率范围,常用1dB带宽或3dB带宽表示。
⑶插入损耗:
在系统中插入滤波器所导致的信号损耗。
⑷通带纹波: 通带内信号幅度的起伏程度,通常规定为起伏的最大值和最小值之差。
⑸带外衰减(阻带衰减): 对不需要信号的衰减幅度。
⑹矩形系数:指规定频率带宽与给定相对插入损耗的通带带宽的比值。通常规定相对插入损耗为40dB
或60dB的带宽,而规定频率带宽为3dB的带宽。
⑺电压驻波比:在给定端接负载的情况下,由于端口反射所形成的驻波的峰值和谷值的电压的比值。
电压驻波比=Emax/Emin
⑻时延:
信号通过滤波器所需的时间量。
⑼承受功率:允许通过的最大功率。

图1: 滤波器的四种滤波方式：低通、高通、带通、带阻。

      

               声表面波滤波器(SAWF):
⑴定义:
是一种利用声表面波（SAW）效应和谐振特性制成的对频率有选择作用的器件。
⑵作用: 允许某一频带的信号通过而阻止其它频率信号通过。
⑶工作原理:由输入IDT（叉指换能器）经逆压电变换将电信号转换成声信号，声信号沿压电晶体表面传播，再由输出IDT将接受到的声信号经压电变换转变成电信号输出。
⑷声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）:在压电基片材料表面产生并传播、且其振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。

六、双工器:
1.
定义: 使具有一定间隔的两个频段获得较大的隔离,并且抑制不需要的信号。
2.
分类:
  ⑴按照用途:
收-发双工器、收-收双工器、发-发双工器;
  ⑵按照传输媒介:腔体双工器、波导双工器、介质双工器等。
3.
基本概念:

⑴收-发双工器:用于防止发射大信号直接进入接收机前端引起接收信道饱和甚至烧毁，同时避免发射机噪声对接收灵敏度的影响；
  ⑵收-收双工器:用于两台不同频的接收机共用一付天线，避免直接使用分路器所带来的整机噪声系数增大，同时具有信号预选功能；
  ⑶发-发双工器:用于两台不同频的发射机共用一付天线，避免使用合路器所带来功率损失，并防止大功率发射机相互影响，同时还能抑制输出信号谐、杂波。
4.
基本参数:
⑴工作频率范围:满足插入损耗、驻波比、通带纹波等其它指标的频率范围。
⑵带宽:给定相对最小插入损耗值的两个截止频率的间隔,即指从下限频率到上限频率的频率范围,常用1dB带宽或3dB带宽表示。
⑶插入损耗:
在系统中插入双工器所导致的信号损耗。
⑷通带纹波: 通带内信号幅度的起伏程度,通常规定为起伏的最大值和最小值之差。
⑸带外衰减(阻带衰减): 对不需要信号的衰减幅度。
⑹矩形系数:指规定频率带宽与给定相对插入损耗的通带带宽的比值。通常规定相对插入损耗为40dB
或60dB的带宽,而
频率带宽为3dB的带宽。
⑺电压驻波比:在给定端接负载的情况下,由于端口反射所形成的驻波的峰值和谷值的电压的比值。
电压驻波比=Emax/Emin
⑻时延:
信号通过双工器所需的时间量。
⑼承受功率:允许通过的最大功率。