下载文档原格式
无源器件和有源器件概念及常见分类天缘博客有硬件应用这个栏目，但是很少有硬件知识总结，今天再来一篇，不知道天缘网友有多少做过硬件设计的，当然了硬件里还分数字和模拟，在大公司里还要细分，比如模拟还分高低频、前端后端模块、布板等，数字还分DSP、逻辑CPLD等等，实际上硬件比软件更有意思，对硬件感兴趣的网友可以看看，天缘博客今后一段时间仍会以系统、软件应用为重点，穿插一些硬件基础文章，必要的时候，也会跟网友一同关注硬件设计。
天缘之前写过一篇关于dB知识的文章《dB、dBm、dBc、dBi、dBd 单位的区别与比较》，本文似乎算是第二篇纯硬件类，从整体上介绍一下硬件器件的常见分类：有源和无源知识。
一、无源器件和有源器件概念无源器件（Passive Device）是指工作时不需要外部能量源（Source Energy）的器件。
有源器件（Active Device）则是指工作时需要外部能量源（Source Energy）的器件，该器件有个输出，并且是输入信号的一个函数。
备注：1、有源器件和无源器件都是翻译名称，实际上从英文名称更好理解，Active表示活跃、主动、可变之意，而Passive器件则有被动、消极等意思。
2、以上说的能量源并不只是指电源，也可能指光、波等，都是天缘根据自己理解下的定义，跟网上的一些说法可能有所出入。
二、常见有源器件分立器件：LED二极管（LED）、三极管（Transistor）、场效应管（Field Effective Transistor，FET）、可控硅（SCR）等。
模拟集成电路：模拟乘法器（Analog multiplier）、模拟除法器（Analog divider）、模拟开关（Analog Switches）、比较器（Comparator）、控制电源（Controlled Power）、指数放大器（Index Amplifier）、集成运放（Integrated Operational Amplifier）、对数放大器（Logarithmic Amplifier）、稳压器（Regulators）、功率放大器（Power Amplifier，PA）、锁相环（Phase Lock Loop，PLL）、发射器（Transmitter）、波形发生器（Waveform Generator）等。
微波无源器件的设计与优化在现代通信和雷达系统中，微波无源器件扮演着至关重要的角色。
它们作为微波信号的传输、调制和处理的关键组成部分，直接影响着系统的性能和效率。
因此，对微波无源器件的设计与优化显得尤为重要。
本文将探讨微波无源器件的设计原理、优化方法以及应用前景。
设计原理微波无源器件的设计原理涉及电磁场理论、微波传输线理论以及微波元件的电路模型等多个方面。
其中，电磁场理论用于分析微波在器件内部的传播和耦合特性，微波传输线理论则用于描述微波在导波结构中的传输规律。
此外，微波元件的电路模型则是将微波器件抽象为电路元件，用于建立数学模型以实现仿真和优化。
优化方法针对不同类型的微波无源器件，存在着各种不同的优化方法。
例如，在微波滤波器的设计中，可以通过优化电路拓扑结构、调整元件参数以及优化耦合方式来实现性能的提升。
而对于微波功分器件的优化，则需要考虑功分平衡性、传输损耗以及频率响应等因素。
此外，利用计算机辅助设计（CAD）工具进行仿真和优化也是常见的方法之一。
应用前景随着通信技术的不断发展，微波无源器件在通信、雷达、无线电频谱监测等领域的应用前景十分广阔。
在5G通信系统中，微波滤波器、功分器件等无源器件的优化将对系统的性能和覆盖范围起到关键作用。
同时，在雷达系统中，微波无源器件的高性能和稳定性要求将进一步推动其在目标识别、跟踪和导引等方面的应用。
此外，随着物联网、车联网等新兴应用的兴起，微波无源器件的需求将持续增长。
结论微波无源器件的设计与优化是一个综合性的课题，涉及多个学科领域的知识和技术。
通过深入研究微波器件的设计原理，采用合适的优化方法，并结合实际应用需求，可以不断提升微波无源器件的性能和可靠性，推动微波技术在通信、雷达等领域的发展。
微波无源器件的研究与应用微波无源器件是目前电子通信领域中应用广泛的一种器件，在天线设计、射频信号放大、高频测量等领域都有着重要的应用。
本文将对微波无源器件的研究与应用进行探讨。
一、微波无源器件的基本原理微波无源器件是指不需要电源驱动和功率放大的微波器件，主要用于信号分配和频率选择。
它采用无源元件的特性，如反射、耦合和分配等，实现微波信号的处理和控制。
这种器件主要有以下几种类型：1. 方向耦合器方向耦合器是一种被广泛应用的无源器件，主要用于频率分配和功率分配。
它的工作原理是将输入信号分为两个输出端，其中一个输出端用于采样，另一个输出端则输出信号的一部分。
2. 功率分配器功率分配器是一种被广泛应用的无源器件，主要用于接收和分配微波信号。
它的工作原理是将一个输入端的信号分为多个输出端，每个输出端的功率相等。
3. 线性耦合器线性耦合器是一种无源器件，主要用于将微波信号在两个传输线之间进行转移，同时可以实现向不同方向的耦合和不同大小的功率分配。
以上三种器件是常用的无源器件，它们共同的特点是不需要电源驱动和功率放大，且具有高度的可靠性和长寿命。
这些特性使得微波无源器件在各种应用场合中具备重要的地位。
二、微波无源器件的应用领域微波无源器件广泛用于天线设计、射频信号放大、高频测量、信号分配和频率选择等领域。
下面分别介绍一下这些应用场景。
1. 天线设计在天线设计中，微波无源器件被广泛应用于辐射模式的测量和角度测量。
人造卫星和通信地面站的收发天线中，均采用方向耦合器、功率分配器和线性耦合器等无源器件，用于实现辐射模式的测量和天线角度的控制。
2. 射频信号放大在射频信号放大中，微波无源器件被广泛应用于射频功率的分配和控制。
由于微波无源器件具有高度的可靠性和长寿命，可以减少系统故障率和维修成本。
3. 高频测量在高频测量领域中，微波无源器件可以用于信号分配和频率选择。
例如，在频率分析和谐波振荡器测量中，需要使用功率分配器将信号分配到多个检测器上进行分析。
京信系统天馈产品介绍Antenna and Subsystem products Overview京信通信无源产品介绍天馈系统事业部2008年6月Wireless coverage solutions目录一、微波无源器件概述二、无源器件电气指标的定义三、腔体器件与微带器件的比较四、无源器件生产的工艺要求五、室内分布系统功分器的选择Wireless coverage solutions一、微波无源器件概述z无源器件分为线性器件与非线性器件。
z线性无源器件又有互易与非互易之分。
z线性互易元件只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性，并满互易原理。
通常我们所说的工程用无源器件指的都是线性互易元件。
线性互易元件树状图线性互易元件功率分配器件微波滤波器件微波谐振器件连接匹配元件功分器微波分支器耦合器双工器合路器终端负载衰减器微带腔体微带腔体匹配负载短路负载失配负载定向同轴同轴线匹配负载微带匹配负载阻抗匹配元件一、微波无源器件概述一、微波无源器件概述无源产品的主要种类•常规工程无源器件：功分、耦合、合路、电桥、衰减、负载•POI多系统接入单元•上行塔顶放大器•其他：主设备内置器件、滤波器等多频合路器双工器合路器定向耦合器3dB电桥塔放双工器一、微波无源器件概述无源产品的特点¾品种齐全----提供CDMA、GSM、DCS、PHS、WCDMA、TD-SCDMA、WLAN等多个系统，从800~2500MHz多个频段以及13G、15G微波产品中应用的无源产品及应用方案，还可以提供多个系统的合路应用。
¾体积小----在合路器、双工器和滤波器产品中，广泛采用交叉耦合技术，使产品体积小，带外抑制度高。
¾性能优越----系统采用有源无源一体化设计，使产品具有驻波特性好、插损小、交调低、高隔离度、功率容量大等特点。
二、无源器件电气指标的定义－功分器功率分配器的定义功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。
第6章微波无源器件
微波器件有源器件:
无源器件:
放大器、混频器、倍频器…
基本元件（R、C、L）、阻抗变换器、
定向耦合器、功率分配器、环行器…
波导型同轴型微带型
微波元件
6.1 微波基本元件
v6.1.1 微带基本元件
一、集总参数元件(l <<λ)
微带线1、电阻
用钽（tan)、镍、铬合金材料蒸发在基片上，两端由微带引出
2、电容
6.1 微波基本元件v 6.1.1 微带基本元件
一、集总参数元件(l <<λ)
二、半集总参数元件(l 与λ接近) 6.1 微波基本元件v 6.1.2 波导基本元件
≈b d
Y b B c g 2csc ln 4πλ1、膜片a 、电容膜片：
b 、电感膜片
−≈a d Y a B c g 22
πλctg 谐振窗
2、螺钉 6.1 微波基本元件
v 6.1.2 波导基本元件3、终端负载(一) 匹配负载
吸收入射波的全部功率。
使传输线工作于行波状态。
对匹配负载的基本要求是：
（1）有较宽的工作频带，（2) 输入驻波比小和一定的功率容量。
Z L =Z c
0==Γc in Z Z 作用: 6.1 微波基本元件v 6.1.2 波导基本元件3、终端负载(一) 匹配负载
吸收入射波的全部功率。
使传输线工作于行波状态。
对匹配负载的基本要求是：
（1）有较宽的工作频带，
（2) 输入驻波比小和一定
的功率容量。
Z L =Z c
0==Γc in Z Z 作用:(二）短路负载作用:将电磁能量全部反射回去。
Z L =0l tg jZ Z c in β=
6.1 微波基本元件
v 6.1.2 波导基本元件3、终端负载
抗流式
(二）短路负载作用:将电磁能量全部反射回去。
Z L =0
l tg jZ Z c in β=
v 6.1.4 波型与极化变换器
6.1 微波基本元件
1．方-圆变换器
2．线-圆极化变换器v 6.1.5 衰减器和相移器
6.1 微波基本元件1、衰减器
理想的衰减器应是只有衰减而
无相移的二端口网络，其散射
矩阵为
[]S e e l l =
−−00αα衰减器的衰减量表示为：o
i A P P
L log 10=截止式
v 6.1.5 衰减器和相移器
6.1 微波基本元件
2、相移器
移相器是对电磁波只产生一定的相移而不产生能量衰减的微波元件，
它是一个无反射、无衰减的二端口
网络。
[]S e e j j =
−−00θθg
l l λπβθ2== l v 6.1.6 分支元件
6.1 微波基本元件
1、波导T 型接头（E-T ）
（1）（2）
（3）
分支在E 平面内
特性：
（1）③口输入，①和②口等幅反相输出（3）①、②口等幅同相输入，③口无输出
①和②口等幅反相输入，③口输出最大23
13S S −=2211S S =（2）①和②端口在结构上对称（1）（2）
（3）
同相输入
反相输入
= 321333231232221
131211321a a a S S S S S S S S
S
b b b 2211S S =,
,,311332232112S S
S S S S ===v 6.1.6 分支元件 6.1 微波基本元件1、波导T 型接头（E-T ）（1）（2）（3）分支在E 平面内特性：（1）③口输入，①和②口等幅反相输出（3）①、②口等幅同相输入，③口无输出①和②口等幅反相输入，③口输出最大23
13S S −=2211S S =（2）①和②端口在结构上对称[]
−−=331313131112131211S S S S S S S S
S S 23
13S S −=[][][]
I S S T =*1
2
13212211=++S S S 1
2
332132
13=++S S S 0
*1313*1112*1211=−+S S S S S S 0*1312*1311=−S S S S
使3口匹配: S 33=02
/113=S 2
/11211==S S 选择参考面,使S 为实数
[]
−−=02/12/12/12/12/12/12/12/1S E-T 的S 参量:v 6.1.6 分支元件
6.1 微波基本元件
2、波导H-T 型接头特性：
（1）（2）
（3）
（分支在H 平面内）
（1）③口输入，①和②口等幅同相输出
（3）①、②口等幅同相输入，③口输出最大①和②口等幅反相输入，③口无输出23
13S S =2211S S =（2）①和②端口在结构上对称[]
−−=02/12/12/12/12/12/
12/12
/1S
v 6.1.6 分支元件 6.1 微波基本元件
3、波导普通双T 和魔T 普通双T: E-T + H-T
对称面E 臂H 臂
(1) ③口入，①、②口等幅反相输出，④=0；(2) ④口入，①、②口等幅同相输出，③=0；(3)若③、④口匹配，①、②口等幅同相输入，则④有输出，③=0；
反之①和②端口等幅反相输入，则③有输出，④=0
可见：③和④端口互为隔离，①和②端口互为平分。
[]
−−=4414143313131413111214131211
00S S S S S S S S S S S S S S S 对称：S 11= S 22
互易：S 参量对角线参量相等
S 34= S 43=0
23
13S S −=2414S S =特性：普通双T 特性前提是各臂均接匹配
负载，即使如此，由于连接处结构的
突变性，接头处也会产生反射，为了
消除反射，通常在接头处加入匹配元
件（如螺钉、膜片或锥体等），就可
以得到匹配的双T 。
v 6.1.6 分支元件 6.1 微波基本元件
3、波导普通双T 和魔T 对称面E 臂H 臂匹配双T （魔T ）：匹配特性：调节①、②匹配，③、④自动获得匹配隔离特性：044332211====S S S S 04334==S S 0
2112==S S ③和④端口具有隔离特性时，①和②端口也具有隔离特性
[]
−−=001100111100110021S 平分特性：2313S S −=4131S S =2414S S =42
32S S −=应用：定向耦合器
平衡电桥
天线收发隔离开关
6.2 阻抗变换器v 6.2.1 单节λ/4阻抗变换器（教材p165~p168)波导同轴线带状线微带线按传输线类型单孔耦合多孔耦合连续耦合平行线耦合按耦合方式同向耦合反向耦合输出方向90度定向180度定向输出相位强耦合中等耦合弱耦合
按耦合强弱6.3 定向耦合器
v 定向耦合器的种类定向耦合器在微波技术中有着广泛的
应用，如用来监视功率、频率和频谱；把功率进行分配和合成；构成雷达天线的收发开关、平衡混频器和测量电桥；还可以
利用定向耦合器来测量反射系数和功率等
6.3 定向耦合器v 定向耦合器的种类v 6.3.1 定向耦合器的技术指标6.3 定向耦合器
耦合端隔离端输入端直接输出端1、耦合度C 31lg 10P P C =131log 20S =输入功率与耦合端的输出功率之比的分贝数C 越大，耦合越弱强耦合：0~10dB 中耦合：10~20dB 弱耦合：大于20dB 2、方向性D 耦合臂与隔离臂输出功
率之比的分贝数
14
132142
13
43lg 20lg 10lg 10S S S S P P D ===D 越大，方向性越好3、隔离度I 输入臂输入的功率与隔离
臂输出功率之比的分贝数14411
lg 20lg 10S P P I ==C D I +=4、输入驻波比1111
11S S −+=ρ5、频带宽度
6.3 定向耦合器v6.3.2 波导型定向耦合器
6.3 定向耦合器v6.3.2 波导型定向耦合器
6.5 微波铁氧体元件
铁氧体是由二价金属锰、镁、镍、铜、锌等氧化物和氧化铁烧制而成，是一种非金属类的磁性材料，具有不可逆性。
磁性材料是由磁畴组成，当外加恒定磁场时，磁畴发生取向排列，对外显出磁性。
铁氧体具有这样的特性。
铁氧体是一种绝缘物质，电阻率很高，约为106~108Ω/cm，微波能进入其中。
它又是一种高介电系数的介质，损耗角正切小，约为10-3~10-4，外加恒定磁场和交变磁场后，呈现各向异性。
6.5 微波铁氧体元件
铁氧体磁导率与恒定磁场的关系
场移式隔离器 6.5 微波铁氧体元件
Y 型结环行器
[]
=010001100S 3.3 微带线
带状线TEM 波
==+==
====00000
00001
2212C v C L Z Z G Z R c C L v C L p c c c r p r g αεελβπλωβ
3.3 微带线微带线准TEM 波 3.3 微带线
εr h w t
r p c
v ε=r
c c Z Z ε0
=全介质填充:半介质填充:()11−+≈r re q εε=re p c v ε=re c
c Z Z ε0
1≤h w +≈h w w h Z c 48ln 6001>h w 6
0144.042.2120
−+−+≈w h w h h w Z c π
3.3 微带线。
