第四章微波無源器件

定義：不依賴外部電源的微波器件（如功分器、耦合器、濾波器）。特點(diǎn)：低損耗、高功率容量、寬頻帶。應(yīng)用領(lǐng)域：

通信系統(tǒng)（5G基站、衛(wèi)星通信）。

雷達(dá)與電子戰(zhàn)（信號分配與合成）。

測試測量（多端口信號源）。2微波無源器件概述What-微波濾波器是一種具有頻率選擇功能的微波元件。（使在特定頻率范圍內(nèi)的信號得以傳輸或阻隔）Why-微波濾波器主要用來將有用信號和無用信號進(jìn)行分離，其性能直接關(guān)系整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。Howaboutit-低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器Howtorealizeit-分布參數(shù)法與集總參數(shù)法。微波濾波器介紹Howaboutit-濾波器的分類

根據(jù)濾波器的頻率響應(yīng)圖1濾波器分類示意圖A低通B高通C帶通D帶阻Howaboutit-濾波器的分類

根據(jù)濾波器的實(shí)現(xiàn)形式來分類（1）集總元件LC濾波器。（2）微帶濾波器。（3）體聲波/聲表面波（SAW）濾波器（4）波導(dǎo)濾波器。（5）同軸腔體濾波器。運(yùn)用于接收機(jī)中：把帶外信號反射衰減不需要的混頻分量設(shè)置接收機(jī)中頻帶寬運(yùn)用于發(fā)射機(jī)中：控制上變頻器的雜散響應(yīng)選擇需要的邊帶限制輻射信號的帶寬Whyneedit-濾波器運(yùn)用圖2超外差接收機(jī)方案圖3發(fā)射機(jī)方案濾波器市場圖42015-2020市場規(guī)模走勢圖表22G-5G手機(jī)使用濾波器的數(shù)量和價(jià)值手機(jī)型號頻段數(shù)量（個(gè)）濾波器數(shù)量（個(gè)）單機(jī)濾波器價(jià)值（美元）2G手機(jī)42-40.5+3G手機(jī)64-81.25+4G手機(jī)（千元款）8-2010-304+4G手機(jī)（高端款）17-3020-407.25+5G手機(jī)50+70+12+表1濾波器產(chǎn)品的主要分類產(chǎn)品分類制造工藝主要下游領(lǐng)域金屬腔體濾波器金屬精密加工宏基站、小基站等介質(zhì)濾波器介質(zhì)燒結(jié)聲學(xué)濾波器半導(dǎo)體制造工藝手機(jī)、小基站、物聯(lián)網(wǎng)等濾波器價(jià)值量不斷提升：濾波器用量的增加小型化、集成化、高頻化的發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)濾波器在設(shè)計(jì)、制造、封裝等方面要求變高濾波器在射頻前端中占有比例很大Whyneedit-插入損耗（

）：信號經(jīng)過濾波器帶來的衰減，帶寬：衰減3dB處的頻率之差，紋波系數(shù)：在通頻帶內(nèi)幅度波動(dòng)，用其最大值與最小值之差定義波紋系數(shù)群延遲：表示信號通過濾波器的失真程度，Howaboutit-濾波器主要指標(biāo)可用S網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表征：Howaboutit-濾波器響應(yīng)插入損耗：由于網(wǎng)絡(luò)的因果關(guān)系，

2是關(guān)于

的偶函數(shù)，可將寫作關(guān)于

2的多項(xiàng)式：巴特沃斯響應(yīng)切比雪夫響應(yīng)橢圓函數(shù)（了解）Howaboutit-最大平坦化（巴特沃斯）N為濾波器的階數(shù)，

c為截止頻率當(dāng)k=1,則PLR=3dB相位：Howaboutit-等波紋函數(shù)響應(yīng)（切比雪夫）通帶內(nèi)的波紋幅度因子為1+k2Howaboutit-等波紋函數(shù)響應(yīng)（切比雪夫）

比較最大平坦度度與等波紋響應(yīng)的主要差別，總結(jié)相應(yīng)優(yōu)勢Howtoimproveit-課后討論How

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it-濾波器設(shè)計(jì)濾波器指標(biāo)低通原型阻抗、頻率變化How

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it-低通模型對偶結(jié)構(gòu)，兩端串聯(lián)電感梯形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兩端并聯(lián)電容①用阻抗和頻率歸一化②針對任意的頻率、阻抗和類型,簡化設(shè)計(jì)③對階梯型電路的所有元件值都是歸一化的④元件值因不同的響應(yīng)而不同⑤當(dāng)

負(fù)載是匹配的

當(dāng)

原型實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配How

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it-阻抗變換與頻率變化阻抗變換:頻率變換：阻抗與頻率同時(shí)變換串聯(lián)電感:并聯(lián)電容：How

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it-低通到高通變化負(fù)號的實(shí)現(xiàn)，通過

和

How

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it-低通到帶通變化Δ

通帶的分?jǐn)?shù)帶寬

How

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it-低通到帶阻變化在設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候?yàn)槭裁匆M(jìn)行歸一化處理？根據(jù)以上方法設(shè)計(jì)簡單低通濾波器Howtoimproveit-課后討論11階交指帶通濾波器交指諧振器示意圖交指諧振器等效電路分布參數(shù)實(shí)現(xiàn)How

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it-濾波器實(shí)現(xiàn)形式集總參數(shù)實(shí)現(xiàn)How

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it-濾波器實(shí)現(xiàn)形式Howaboutit-濾波器性能影響因數(shù)插入損耗帶外抑制體積階數(shù)：設(shè)計(jì)難度階數(shù)影響耦合系數(shù)諧振器間距體積帶寬：插入損耗帶寬影響高性能（理想濾波器）：低插損，高抑制，小體積工程經(jīng)驗(yàn)：在滿足帶外抑制的要求下，選擇最少的濾波器階數(shù)，和較大的帶寬。交叉耦合濾波器通過交叉耦合提高帶外抑制聲學(xué)濾波器將電磁波轉(zhuǎn)換為聲波處理實(shí)現(xiàn)高性能Howtoimproveit-擴(kuò)展介紹

What-它可以將一路微波/射頻信號分成功率相等或不等的兩路或多路并傳輸；反過來，它也可以將兩路或多路微波/射頻信號合并為一路。Why-實(shí)現(xiàn)信號的功分與功合。Howaboutit-功分器可以分為無源功分器和有源功分器兩大類

無源功率分配器通過電感、電阻、電容進(jìn)行無源匹配

有源功率分配器通常由功率分配網(wǎng)絡(luò)和有源放大器構(gòu)成Howtorealizeit-T形結(jié)、Wilkinson功分器、Gysel功分器、巴格萊多邊形功分器功率分配器（簡稱功分器）和耦合器是現(xiàn)代微波集成電路中一類不可缺少的無源元件，用以完成功率分配或功率組合。功率分配器:1主干進(jìn)N分支出（N可取2、3…..）耦合器：1或2主干進(jìn)N分支出；功分器通常采用等分（3dB）形式，但也有不等分的情況。定向耦合器則可以設(shè)計(jì)為任意功率分配比，但混合網(wǎng)絡(luò)一般是等功率分配?；旌辖Y(jié)在輸出端口之間有90o（正交）或180o相移。26Whatisit-功率分配器介紹微波功率分配器可分為：無源和有源兩大類；按照功分器路數(shù)可分為：2路、3路、4路及通過它們級聯(lián)形成的多路功率分配器；根據(jù)電路形成可分為：微帶線功率分配器、帶狀線功率分配器、同軸腔體功率分配器、波導(dǎo)功率分配器；按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為：威爾金森（Wilkinson）功率分配器、Gysel功率分配器、巴格萊多邊形（BagleyPolygon）功率分配器；按能量的分配可分為：等分功率分配器和不等分功率分配器。27Howaboutit-功率分配器分類Howaboutit-三端口網(wǎng)絡(luò)（T型結(jié)）功分器最簡單的類型，具有一個(gè)輸入和兩個(gè)輸出的三端口網(wǎng)絡(luò)。其散射矩陣有9個(gè)獨(dú)立的矩陣元：若所有端口是匹配的則Sii=0，并且網(wǎng)絡(luò)是互易的若網(wǎng)絡(luò)是無耗的，則S矩陣必定是幺正的，則Howaboutit-三端口網(wǎng)絡(luò)（T型結(jié)）這些方程能用下面兩種方法之一來滿足。即（1）（2）如果i不等于j，那么Sij不等于Sji，也就是三端口網(wǎng)絡(luò)一定符合非互易條件。Howaboutit-三端口網(wǎng)絡(luò)（T型結(jié)）兩種功率流向不同的環(huán)形器及其散射矩陣SHowaboutit-三端口網(wǎng)絡(luò)（T型結(jié)）若無耗、互易的三端口網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在僅有兩個(gè)端口達(dá)到匹配狀態(tài)，在現(xiàn)實(shí)情況下完全能做到。假設(shè)端口1和端口2匹配，則有得出：Howaboutit-三端口網(wǎng)絡(luò)（T型結(jié)）端口1和端口2匹配的互易、無耗三端口網(wǎng)絡(luò)等分三端口電阻性功率分配器Howaboutit-三端口網(wǎng)絡(luò)（T型結(jié)）頻率范圍分配損耗插入損耗隔離度輸入端口駐波比/回波損耗功分比（k2）功率容量幅度平衡相位平衡Howaboutit-功率分配器指標(biāo)分配損耗：

指信號功率經(jīng)過理想功率分配后與原輸入信號功率相比減小的量。該值是理論值，理想分配損耗的計(jì)算公式：dB=10log(1/N)(N=2,3....)

如二功分分配損耗3dB，三功分是4.8dB，四功分是6dB,六公分是7.8dB，八功分是9dB，12功分是10.8dB。Howaboutit-功率分配器指標(biāo)插入損耗：

理論定義是：信號功率通過實(shí)際功分器后輸出的功率和原輸入信號相比所減小的量再減去分配損耗的值，如通過網(wǎng)絡(luò)分析儀可測出輸入端1口到輸出端2、3口的損耗，假設(shè)測得是3.2dB,那插損=實(shí)際損耗-理論分配損耗=3.2dB-3dB=0.2dB。

實(shí)際上，為方便起見，可用網(wǎng)分能測量的值，即整個(gè)路徑上的損耗來表示（分配損耗+插損)。假設(shè)輸入端口的輸入功率為P1，輸出端口2，3的輸出功率為P2,P3

那么Howaboutit-功率分配器指標(biāo)隔離度：

隔離度可通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測得，直接測出各個(gè)輸出端口之間的損耗。如果從每個(gè)支路端口輸入功率只能從主路端口輸出，而不應(yīng)該從其他支路輸出，這就要求支路之間有足夠的隔離度。輸出端口i，j的隔離度根據(jù)兩者的功率輸出比來計(jì)算。Howaboutit-功率分配器指標(biāo)輸入端口駐波比/回波損耗：

輸入電壓駐波比指的是輸入端口的匹配情況，駐波比越小越好，駐波越小，能量反射越小。

回波損耗：公分比：端口無反射時(shí)，功分比用輸出端口i的功率和輸出端口j的功率來計(jì)算。Howaboutit-功率分配器指標(biāo)功率容限指可以在此功分器上長期（不損壞的）通過的最大工作功率容限。幅度平衡指頻帶內(nèi)所有輸出端口之間的幅度誤差最大值。相位平衡指頻帶內(nèi)各輸出端口之間相對于輸入端口相移量的起伏程度。Howaboutit-功率分配器指標(biāo)Howaboutit-T型結(jié)T型結(jié)等效電路微帶T型結(jié)在輸入端口匹配，無反射條件下，輸出端口的功率為Howaboutit-T型結(jié)結(jié)構(gòu)：兩段λ/4微帶線+隔離電阻。阻抗匹配：輸入50Ω→輸出70.7Ω（理論推導(dǎo)）。隔離電阻作用：吸收反射功率，提升端口隔離度。Howtorealizeit-威爾金森功分器Howtorealizeit-威爾金森功分器微帶等功分Wilkinson功分器44Howtorealizeit-威爾金森功分器

3dB功分器場仿真圖1端口2端口3端口中心頻率為3.70GHz45Howtorealizeit-威爾金森功分器

3dB功分器場S參數(shù)仿真結(jié)果中心頻率為3.70GHz46Howtorealizeit-威爾金森功分器特點(diǎn)：帶寬約一個(gè)倍頻程；頻帶邊緣隔離度降低；

改進(jìn)：

在功分階梯前加一λg/4阻抗變換器，可改善性能（如VSWR）；

采用多節(jié)展寬頻帶（Cohn：十倍頻程）。利用多節(jié)設(shè)計(jì)有可能獲得十倍頻程帶寬。47Howtoimproveit-威爾金森功分器48微帶不等分Wilkinson功分器(為功率分配比）Howtorealizeit-不等分威爾金森功分器49若微帶不等分Wilkinson功分器端口2和端口3之間的功率比是

，則采用如下的設(shè)計(jì)公式：Howtorealizeit-不等分威爾金森功分器50微帶N路等分Wilkinson功分器Howtorealizeit-N路威爾金森功分器課后討論微帶等功分Wilkinson功分器的功分原理是什么？What-耦合器是一種具有方向性的功率耦合(分配)元件。Why-將微波信號按一定的比例進(jìn)行功率耦合。Howaboutit-它是一種四端口元件，通常由直通線（主線）和耦合線（副線）這兩段傳輸線組合而成。直通線和耦合線之間通過一定的耦合機(jī)制（如縫隙、孔、耦合線段等）把直通線功率的一部分（或全部）耦合到耦合線中，并且要求功率在耦合線中只向某一輸出端口傳輸，另一端口則無功率輸出。Howtorealizeit-定向耦合器是把兩根傳輸線放置在足夠近的位置，并使一根傳輸線上的功率可以耦合到另一根傳輸線上的元件。Whatisit-耦合器介紹四端口器件，兩種常用表示符號和端口定義見右圖。

端口1的部分功率耦合到端口3（耦合端口），耦合系數(shù)為

；剩余功率傳送到端口2（直通端口），其系數(shù)為

；端口4為隔離端口。（1）根據(jù)定向耦合器的構(gòu)成，可以將定向耦合器分為集總參數(shù)定向耦合器和分布參數(shù)定向耦合器。（2）根據(jù)定向耦合器所使用的傳輸線的不同，可以將定向耦合器分為帶狀線定向耦合器、微帶線定向耦合器、波導(dǎo)定向耦合器、同軸線定向耦合器等。（3）根據(jù)定向耦合器耦合的強(qiáng)弱，可以將定向耦合器分為強(qiáng)耦合定向耦合器和弱耦合定向耦合器。通常認(rèn)為耦合度大于6dB的定向耦合器為強(qiáng)耦合定向耦合器。（4）根據(jù)定向耦合器所使用的1/4波長耦合線的節(jié)數(shù)，可以將定向耦合器分為單節(jié)定向耦合器和多節(jié)定向耦合器。（5）根據(jù)定向耦合器各端口是否對稱，可以將定向耦合器分為對稱型定向耦合器和非對稱型定向耦合器。Howaboutit-微波功率耦合器的分類Howaboutit-定向耦合器網(wǎng)絡(luò)分析（四端口網(wǎng)絡(luò)）四端口對稱網(wǎng)絡(luò)若四端口對稱網(wǎng)絡(luò)關(guān)于PP’對稱，同時(shí)假定在各個(gè)端口的阻抗都是相同。則偶模激勵(lì)作用下的四端口對稱網(wǎng)絡(luò)奇模激勵(lì)作用下的四端口對稱網(wǎng)絡(luò)Howaboutit-定向耦合器網(wǎng)絡(luò)分析（四端口網(wǎng)絡(luò)）實(shí)現(xiàn)一個(gè)定向耦合器的條件是S11=S22=0，有兩種情況可以滿足該條件。（1）（2）Howaboutit-定向耦合器網(wǎng)絡(luò)分析（四端口網(wǎng)絡(luò)）Howaboutit-定向耦合器指標(biāo)耦合度方向性隔離度耦合端口和非耦合端口間的方向性為：D=I-CHowtorealizeit-耦合線定向耦合器增加帶寬：多節(jié)結(jié)構(gòu)距離越近，電容越大，耦合越強(qiáng)How