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文档简介
1、5.9.1 从波导双从波导双T到魔到魔T (a) 4(a) 4输入,输入,2 2、3 3等幅反相输出等幅反相输出 s s24 24= -s = -s34 34 ,功率均分( ,功率均分(3dB)3dB) (b) (b) 1 1输入,输入,2 2、3 3等幅同相输出等幅同相输出 s s31 31= s = s21 21 ,功率均分( ,功率均分(3dB)3dB) (c) (c) 1 1、4 4端口相互隔离端口相互隔离s s41 41= s = s14 14 0 0 ijji ss (d) (d) 结构的对称性和互易性结构的对称性和互易性 ( (1)1)波导双波导双T T结构结构 111212 1
2、2222324 12232224 242444 0 0 sss ssss s ssss sss 特性: 1 高级教育高级教育 111212 12222324 12232224 242444 0 0 sss ssss s ssss sss (2) 匹配双T分支魔T (a)魔魔T的特性的特性:当TE10波自E臂输入,其它各端口接匹配负载时,端口 4无反射;当TE10波自H臂输入,其余各端口均接匹配负载时,端口1 无反射。即S11=S44=0。 2 高级教育高级教育 (b)魔魔T接头的匹配:接头的匹配: 方法一:方法一: 当(2)、(3)、(4)三个端口接匹配负载,在接头内部的对称 面插入一根金属圆
3、棒,调整其粗细、位置及插入深度,使H臂端口呈 现匹配状态,然后锁紧。因金属圆棒与H臂中的电场力线相平行,对 电场有反射,起调配作用,对E臂中的TE10波几乎不起作用,因为E 臂中电场力线方向与金属圆棒相垂直。然后让(1)、(2)、(3)三个端口 均接匹配负载,TE10波自E臂输入,在接头区E臂中加入一些感性膜 片,使产生一新的反射与接头处的反射相抵消。膜片的大小、厚度 和位置由实验调整确定。由于膜片与E臂中电场力线相平行,故对E 臂中的场有反射作用,而对H臂的场无影响。 方法二:匹配元件是一个金属圆锥体,顶部有一金属圆棒,锥体部 分在底部被削去一块。圆棒对调配H臂起作用,圆锥部分对H臂、E 臂
4、的匹配均起作用,这种结构的匹配双T性能较好,在 10频带内。 驻波比可小于1.2。 3 高级教育高级教育 (c)魔T性质:1、4端口匹配,2、3端口会自动达到匹配。 证:证: 1212 12222324 12232224 2424 00 00 ss ssss s ssss ss 无耗:无耗: 1 H SS SSH H第一行与第一行与ss第一列相乘第一列相乘 2 12 21s 12 1 2 j se SSH H第四行与第四行与ss第四列相乘第四列相乘 2 24 21s 24 1 2 j se 4 高级教育高级教育 12 1 2 j se 24 1 2 j se 1212 12222324 122
5、32224 2424 00 00 ss ssss s ssss ss 适当选取参考面适当选取参考面T T1 1 、 、 T T2 2 、 、 T T3 3 和 和 T T4 4位置位置, , 使得使得 0 1224 1 2 ss SSH H第二行与第二行与ss第二列相乘第二列相乘 2222 12222324 1ssss 22 2223 0ss 22 2223 0ss 0110 10011 10012 0110 s 魔魔T T的玄妙特性:的玄妙特性: 1 1、4 4端口匹配,端口匹配,2 2、3 3端口会自动达到匹配;端口会自动达到匹配; 1 1、4 4端口隔离,端口隔离,2 2、3 3端口也互
6、相隔离端口也互相隔离 5 高级教育高级教育 5.9.2 魔T的应用 (1) 微波电桥阻抗测量 由H臂输入的信号等幅、同相地被分到(2)、(3)两端口中去,(2)端口接 的阻抗和(3)端口相等时,则两个阻抗引起的反射波也是等幅、同相的, 因此E臂不会有输出,指示器的指示值为零,如果两个阻抗不相等, 则它们会引起反射波,不仅不同相,且幅度也不相等,因此E臂有输 出,指示也就不等于零,此时可调整端口(2)的已知阻抗,直到指示器 显示为零,则端口3所测的阻抗就等于调整后的已知阻抗。 4231 1 () 2 ba 6 高级教育高级教育 5.9.2 魔T的应用 (2) 平衡混频器 在超外差接收机混频电路中
7、,将本振信号和接收信号分别接匹配 双T的E臂和H臂,而主线上的两个臂内装接混频二极管。这样本振和 接收信号都能以相等的幅度、适当的相位加在两个二极管上进行混频, 其差频信号送到中放电路中进行放大。如果两个二极管的特性完全一 致,则本振功率不会传到天线而辐射出去,天线接收的信号也不会漏 到本振源电路中。采用平衡混频频电路,本振与信号互相隔离,并可 以抑制本振源噪声,有利于降低噪声系数,提高混频器性能。 7 高级教育高级教育 5.9.3 附:波导中的电抗元件 1. 电容膜片 在波导宽壁的横向放置一块金属膜片,在其上对称或不对称之处 开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗孔。 当波导宽壁上的轴向电流到达膜
8、片时,要流进膜片。而电流到达膜片窗口 时,传导电流被截断,在窗孔的边缘上积聚电荷而进行充放电,因此两膜片 间就有电场的变化,而储存电能。这相当于在横截面处并接一个电容器, 故这种膜片称为电容膜片, 8 高级教育高级教育 5.9.3 附:波导中的电抗元件 2. 电感膜片 矩形波导中的电感膜片及其等效电路。当在波导横向插进该膜片 以后,使波导宽壁上的轴向电流产生分流,于是在膜片的附近必然会产 生磁场,并集中一部分磁能,因此这种膜片为电感膜片。 9 高级教育高级教育 5.9.3 附:波导中的电抗元件 3. 谐振窗 在横向金属膜片上开有一个小窗, 称为谐振窗。 可看成电感膜片和电容膜片的组合; 当工作
9、频率等于谐振频率时,信号可无反射的通过; 当工作频率低于谐振频率,呈感性; 当工作频率高于谐振频率,呈容性。 10 高级教育高级教育 5.9.3 附:波导中的电抗元件 4 销钉 在矩形波导中采用一根或多根垂直对穿波导宽壁的金属 圆棒,称为电感销钉,其结构和等效电路如图所示。 电感销钉的电纳与销钉的粗细及根数有关,销钉愈粗,电感 电纳愈大;根数愈多,电纳愈大。 11 高级教育高级教育 5.9.3 附:波导中的电抗元件 5. 螺钉 膜片和销钉在波导内的位置和尺寸不容易调整,故只能作固定电 抗元件使用。而螺钉插入波导的深度可以调节,电纳的性质和大小也随 之改变,使用方便,是小功率微波设备中常采用的调
10、谐和匹配元件。 当螺钉插入波导较浅时,一方面和电容膜片一样,会集中电场具有 容性电纳的性质;另一方面波导宽壁的轴向电流会流进螺钉从而产生磁 场,故又具有感性电纳的性质。但由于螺钉插入波导的深度较浅,故总 的作用是容性电纳占优势,故可调螺钉的等效电路为并接一个可变电容 器;当插入深度增加到约1/4波长时可等效为串联谐振;当进一步增大 时,磁场起主要作用,螺钉可等效为一电感。 12 高级教育高级教育 5.9.3 附:波导中的电抗元件 5. 螺钉 波导可调螺钉及其等 效电路 13 高级教育高级教育 5.10 定向耦合器 定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件定向耦合器是一种具有定向传输特性的四
11、端口元件, , 它是由耦合装置联它是由耦合装置联 系在一起的两对传输系统构成的。系在一起的两对传输系统构成的。 Z1 Z4 Z2 Z3 AB CD Zt1Zt2 Z0p Z0p g/ 4 g/ 4 二分支定向耦合器二分支定向耦合器 14 高级教育高级教育 5.10.1 定向耦合器的简单机理 端口端口1 1激励时激励时 4 4端口:端口:a a和和a a两路信号合成,相差两路信号合成,相差 ,抵消,抵消,隔离端隔离端 3 3端口:端口:b b和和b b两路信号同相叠加,两路信号同相叠加,耦合端耦合端 2 2端口:端口:直通端直通端 为了增加定向耦合器的耦合度,拓宽工作频带为了增加定向耦合器的耦合
12、度,拓宽工作频带, , 可采用多孔定向耦合器。可采用多孔定向耦合器。 15 高级教育高级教育 5.10.2 定向耦合器的技术指标定向耦合器的技术指标 (1)耦合度)耦合度 主波导输入功率与辅波导耦合臂输出主波导输入功率与辅波导耦合臂输出 功率之比,也称过渡衰减。功率之比,也称过渡衰减。 1 313 1 10lg20lg() P LdB Ps (2)方向性)方向性 辅波导耦合臂与隔离臂输出功率之比,辅波导耦合臂与隔离臂输出功率之比, 313 414 10lg20lg Ps D Ps 一般情况下愈大愈好一般情况下愈大愈好 16 高级教育高级教育 其他端口都接匹配负载时的输入端口的其他端口都接匹配负
13、载时的输入端口的 驻波比定义为输入驻波比,驻波比定义为输入驻波比, (3)输入驻波比)输入驻波比 11 11 1 1 s s 输入端的输入功率输入端的输入功率P P1 1和隔离端的输出功率和隔离端的输出功率P P4 4之比定义为隔离度之比定义为隔离度, , 1 414 1 10lg20lg() P IdB Ps (4) 隔离度隔离度 (5) 工作带宽工作带宽 工作带宽是指定向耦合器的上述参数均满足要求时的工作频率范围。工作带宽是指定向耦合器的上述参数均满足要求时的工作频率范围。 IDL 17 高级教育高级教育 5.10.3 对称理想定向耦合器的散射矩阵 第一类:端口第一类:端口1 1、4 4完
14、全隔离完全隔离 隔离、结构对称特性隔离、结构对称特性 14412332 0ssss 结构对称特性结构对称特性 11223344 ssss 13421243 ,ssss 假设各端口匹配假设各端口匹配 11223344 0ssss 1213 1213 1312 1312 00 00 00 00 ss ss s ss ss 只有两个参量独立只有两个参量独立 18 高级教育高级教育 1213 1213 1312 1312 00 00 00 00 ss ss s ss ss 无耗互易:无耗互易: 1 H SS 22 1213 1,ss第一行乘第一列 * 12131312 0,ssss第一行乘第四列 *
15、* 12 1312 13 0s ss s * 12 13 s s 为纯虚数 1213 ,ssj设 22 1 00 00 00 00 j j s j j 此类对称定向耦合器直通臂和耦合臂的外向波存在着此类对称定向耦合器直通臂和耦合臂的外向波存在着9090o o的相位差的相位差 ( (正交正交(90(90度度) )混合网络混合网络) )。 19 高级教育高级教育 第二类:端口第二类:端口1 1、3 3完全隔离完全隔离 隔离、结构对称特性隔离、结构对称特性 13312442 0ssss 结构对称特性结构对称特性 11223344 ssss 14231243 ,ssss 假设各端口匹配假设各端口匹配
16、11223344 0ssss 00 00 00 00 j j s j j 利用无耗互易性,同理可得利用无耗互易性,同理可得 同样,此类对称定向耦合器直通臂和耦合臂的外向波也存在着同样,此类对称定向耦合器直通臂和耦合臂的外向波也存在着9090o o的相位差。的相位差。 20 高级教育高级教育 5.10.4 应用奇偶模理论分析定向耦合器 奇偶模理论是分析对称结构定向耦合器的奇偶模理论是分析对称结构定向耦合器的 有力工具,此处分析的定向耦合器结构不有力工具,此处分析的定向耦合器结构不 仅上下对称、左右也对称。仅上下对称、左右也对称。 偶模激励偶模激励 奇模激励奇模激励 定向耦合器散射矩阵定向耦合器散
17、射矩阵 结构对称性:结构对称性: 11223344 ssss 23324114 ssss 42243113 ssss 43342112 ssss 11121314 12111413 13141112 14131211 ssss ssss s ssss ssss 21 高级教育高级教育 11121314 12111413 13141112 14131211 ssss ssss s ssss ssss 偶模激励偶模激励 偶模激励偶模激励 111121314 212111413 313141112 414131211 1 2 0 0 1 2 e e e e bssss bssss bssss bss
18、ss 1111421213 3131241411 11 (),() 22 11 (),() 22 ee ee bssbss bssbss 偶模反射系数偶模反射系数 14 1114 14 ee e ee bb ss aa 偶模透射系数偶模透射系数 23 1213 14 ee e ee bb Tss aa 1 12 2和和4 43 3中间为磁壁,好似中间为磁壁,好似 两根独立相同的波导,两根独立相同的波导, 为其中之一的反射系数和透射为其中之一的反射系数和透射 系数。系数。 ee T 、 22 高级教育高级教育 1111421213 3131241411 11 (),() 22 11 (),()
19、22 oo oo bssbss bssbss 奇模反射系数奇模反射系数 14 1114 14 oo o oo bb ss aa 奇模透射系数奇模透射系数 23 1213 14 oo o oo bb Tss aa 1 12 2和和4 43 3中间为电壁,好似中间为电壁,好似 两根独立相同的波导,两根独立相同的波导, 为其中之一的反射系数和投射为其中之一的反射系数和投射 系数。系数。 oo T 、 奇模激励奇模激励 奇模激励奇模激励 111121314 212111413 313141112 414131211 1 2 0 0 1 2 o o o o bssss bssss bssss bssss
20、 23 高级教育高级教育 1114e ss 1213e Tss 1114o ss 1213o Tss 1112 1314 , 22 , 22 eoeo eoeo TT ss TT ss 两种可能的定向耦合器:两种可能的定向耦合器: 14 0 2 eo s 0, eoeo TT 13 0 2 eo TT s , eoeo TT 1112 1314 0, 2 ,0 2 eo eo TT ss TT ss 1112 1314 0, 0, e e ssT ss 24 高级教育高级教育 第一种情况:第一种情况: 1112 1314 0, 2 ,0 2 eo eo TT ss TT ss 00 22 00
21、 22 00 22 00 22 eoeo eoeo eoeo eoeo TTTT TTTT s TTTT TTTT 第二种情况:第二种情况: 1112 1314 0, 0, e e ssT ss 00 00 00 00 ee ee ee ee T T s T T 25 高级教育高级教育 例:矩形波导缝隙定向耦合器 偶模:偶模: 奇模:奇模: ze jk l e Te zo jk l o Te 2 222 10 222 2 ze TE k a 2 222 20 222 zo TE k a 调节螺钉,使得调节螺钉,使得 0 eo 11 12 14 13 0, 1 () 22 0, 1 () 22
22、zezo zezo jk ljk l eo jk ljk l eo s TT see s TT see TE10 TE20 26 高级教育高级教育 12 13 1 () 22 1 () 22 zezo zezo jk ljk l eo jk ljk l eo TT see TT see 111 ()()() 222 12 1 () 2 zezozezozezo jkkljkkljkkl seee 1( ) 2 1 cos() 2 zezo jkkl zezo kkl e 111 ()()() 222 13 1 () 2 zezozezozezo jkkljkkljkkl seee 1( ) 2
23、 1 sin() 2 zezo jkkl zezo jkkl e 1 () 24 zezo kkl 若若 12 13 1 12 () 12 2 j zezo j se kkl sje 27 高级教育高级教育 12 13 1 12 () 12 2 j zezo j se kkl sje 010 100 1 0012 010 j j j j 选择参考面位置,使得选择参考面位置,使得0 00 22 00 22 00 22 00 22 eoeo eoeo eoeo eoeo TTTT TTTT s TTTT TTTT 功率平均分配功率平均分配 相位差相位差90度度 28 高级教育高级教育 5.11.1
24、 微带耦合线定向耦合器 特性:特性: 1.1. 若若1 1端口输入,端口输入,4 4端口为耦合端口,端口为耦合端口,3 3端口为隔离端口,端口为隔离端口,2 2端口为直端口为直 通端口;通端口; 2.2. 耦合端口与直通端口输出电压间有耦合端口与直通端口输出电压间有9090度的相位差度的相位差 00 00 00 00 j j s j j 29 高级教育高级教育 0e lll设设: /4微带平行线定向耦合器微带平行线定向耦合器(反向)反向) 1. 偶模激励偶模激励 0 0 0 0 00 00 00 00 00 00 cossin sincos ()sin 2cos()sin 22 2cos()s
25、in e ee ee e e e e e e e e e Z j Zab cdZ j Z ZZ j ZZabcd ZZ abcd j ZZ T ZZ abcd j ZZ 30 高级教育高级教育 2.奇模激励奇模激励 0 0 0 0 00 00 00 00 00 00 cossin sincos ()sin 2cos()sin 22 2cos()sin o oo oo o o o o o o o o o Z j Zab cdZ j Z ZZ j ZZab cd ZZ ab cd j ZZ T ZZ ab cd j ZZ 0e lll设设: 31 高级教育高级教育 0 11000 00 00 0
26、2 2 2cos()sin e eo eo eo oe sZZ Z TT ZZ j ZZ 02 1214 90 :1-sjCjsC 3. s 2 1312 2 14 2 00 00 1 0 22 1cossin 2 1 ( eoeo eo eo eo TTTTC ss Cj jCtg s Cjtg ZZ C ZZ 耦耦合合系系数数) 匹配条件匹配条件 32 高级教育高级教育 5.11.2 微带分支线定向耦合器 结构特点:结构特点: 分支导带的长度及其间隔均为分支导带的长度及其间隔均为1/41/4线上波长。线上波长。 其中,其中,1 1、G G、H H为对输入端的归一化特性导纳为对输入端的归一化
27、特性导纳 奇偶模分析法奇偶模分析法 1、4端口偶模激励,对称面开路端口偶模激励,对称面开路 并联阻抗为:并联阻抗为: 1121 () 8 g g Zjctg ljctgj GGG 并 1 YjG Z 并 并 并联导纳为:并联导纳为: 1、4端口奇模激励,对称面短路端口奇模激励,对称面短路 并联阻抗为:并联阻抗为: 11 Zjtg lj GG 并 1 YjG Z 并 并 并联导纳为:并联导纳为: 33 高级教育高级教育 偶模激励:偶模激励: 123 e aaaa 11 00 0 0 j HH jGjjG HH HH 2 1G j HH GG jHj HH 奇模激励:奇模激励: 2 1 o G j
28、 HH a GG jHj HH 同理:同理: 34 高级教育高级教育 2 1 e G j HH a GG jHj HH 2 1 o G j HH a GG jHj HH ss和和aa的关系:的关系: 11 abcd s abcc 21 2 s abcc 2 2 1 () 21 () e G jH HH GG j H HHH 2 2 1 () 21 () o G jH HH GG j H HHH 2 2 21 () e T GG j H HHH 2 2 21 () o T GG j H HHH 35 高级教育高级教育 1441 2 eo ss 0 eo 11 2 eo s 理想定向耦合器:理想定
29、向耦合器: 11 0 2 eo s 14 0 2 eo s 2 2 1 () 0 21 () e G jH HH GG j H HHH 2 1 0 G H HH 22 1GH 2 2 21 () e T GG j H HHH 2 2 211 () GH j H HHH H jG 2 2 21 () o H T GGjG j H HHH 36 高级教育高级教育 e H T jG 0 eo o H T jG 11 14 0 2 0 2 eo eo s s 12212 13312 21 21 eo eo TTjH ss G TTGH ss G 特性:特性: 2 2、3 3端口输端口输 出电压相位出电
30、压相位 差为差为9090度;度; 输入端口无输入端口无 反射;反射; 隔离端口无隔离端口无 输出输出 2 13 1 20lg20lg 1 ()L s G dB GH 耦合度: 3dB3dB定向定向 耦合器:耦合器: 2 1 2 G GH 22 1GH 1 2 G H 1 2 j 1 2 37 高级教育高级教育 11 0s 12 1 2 sj 13 1 2 s 14 0s 010 001 1 1002 010 j j j j 11121314 12111413 13141112 14131211 ssss ssss s ssss ssss 应用:微带平衡混频器应用:微带平衡混频器 38 高级教育
31、高级教育 5.11.4 微带环形定向耦合器 11121314 12222313 13232212 14131211 ssss ssss s ssss ssss 结构特点:上下结构对称,左右结构不对称结构特点:上下结构对称,左右结构不对称 11442233 ,ssss 根据结构对称性和互易性可得:根据结构对称性和互易性可得: 12434213 ,ssss ijji ss 散射矩阵:散射矩阵: 39 高级教育高级教育 1、4端口激励奇偶模分析(对称面端口激励奇偶模分析(对称面AA) 1 1、4 4端口偶模激励,端口偶模激励, 对称面开路对称面开路 1 1、4 4端口奇模激励,端口奇模激励, 对称面
32、短路对称面短路 40 高级教育高级教育 偶模激励偶模激励 2 2 1 1 2 22 2 1 0 0 0 1 0 e H H j ajH jHj H HH H 1 22 2 11 2 22 1H j HH jHH jH HH 奇模激励奇模激励 1 22 2 11 2 22 1 o H j HH a jHH jH HH 41 高级教育高级教育 1 22 2 11 2 22 1 e H j HH a jHH jH HH 1 22 2 11 2 22 1 o H j HH a jHH jH HH ss和和aa的关系:的关系: 11 abcd s abcc 21 2 s abcc 22 121 22 1
33、2 12 1 e HHjH HH 22 121 22 12 12 1 o HHjH HH 2 22 12 2 1 e jH T HH 2 22 12 2 1 o jH T HH 22 1 221 2 12 1 1 21 eo H H s H H 0 22 12 1HH 42 高级教育高级教育 22 121 22 12 12 1 e HHjH HH 22 121 22 12 12 1 o HHjH HH 2 22 12 2 1 e jH T HH 2 22 12 2 1 o jH T HH 1112 2 22 12 0 1 , 2 2 2 eoeo TT ss jH HH 131 1 22 12
34、 4 0, 22 2 1 eoeo jH HH TT ss 特性:特性: 1.1. 1 1端口输入,端口输入,3 3端口为隔离端口;端口为隔离端口; 2.2. 1 1端口输入,端口输入,2 2、4 4端口同相输出端口同相输出 1 12 2:上分支,:上分支,9090度相移;下分支,度相移;下分支,450450度相移;两路同相位。度相移;两路同相位。 1 14 4:上分支,:上分支,450450度相移;下分支,度相移;下分支,9090度相移;两路同相位。度相移;两路同相位。 路程路程 差差0度度 43 高级教育高级教育 2、3端口激励,奇偶模分析(对称面端口激励,奇偶模分析(对称面AA) 2 2
35、、3 3端口偶模激励,端口偶模激励, 对称面开路对称面开路 2 2、3 3端口奇模激励,端口奇模激励, 对称面短路对称面短路 44 高级教育高级教育 偶模激励偶模激励 2 2 1 1 2 22 2 1 0 0 0 1 0 e H H j ajH jHj H HH H 1 22 2 11 2 22 1H j HH jHH jH HH 奇模激励奇模激励 1 22 2 11 2 22 1 o H j HH a jHH jH HH 45 高级教育高级教育 1 22 2 11 2 22 1 e H j HH a jHH jH HH 1 22 2 11 2 22 1 o H j HH a jHH jH H
36、H ss和和aa的关系:的关系: 11 abcd s abcc 21 2 s abcc 22 121 22 12 12 1 e HHjH HH 22 121 22 12 12 1 o HHjH HH 2 22 12 2 1 e jH T HH 2 22 12 2 1 o jH T HH 22 1 222 2 12 2 1 21 eo H H s H H 0 22 12 1HH 46 高级教育高级教育 2 21 1:左分支,:左分支,9090度相移;右分支,度相移;右分支,450450度相移;两分支同相位。度相移;两分支同相位。 2 23 3:左分支,:左分支,270270度相移;右分支,度相移
37、;右分支,270270度相移;两分支同相位。度相移;两分支同相位。 22 121 22 12 12 1 e HHjH HH 22 121 22 12 12 1 o HHjH HH 2 22 12 2 1 e jH T HH 2 22 12 2 1 o jH T HH 2212 2 22 12 0 1 , 2 2 2 eoeo TT ss jH HH 1 22 12 4232 0, 22 2 1 eoeo TT ss jH HH 特性:特性: 1.1. 2 2端口输入,端口输入,4 4端口为隔离端口;端口为隔离端口; 2.2. 2 2端口输入,端口输入,1 1、3 3端口反相输出端口反相输出 路
38、程差路程差 180度度 47 高级教育高级教育 2 22 12 2212 0, 2 1 j H s H H s 1 22 12 4232 0, 2 1 j H s H s H 2 22 12 1112 0, 2 1 j H s H H s 1 22 12 1314 0, 2 1 j H s H H s 3dB3dB定向耦合器定向耦合器 1412 ss 12 HH 22 12 1HH 12 1 2 HH 3dB3dB环形电桥环形电桥 12 1 2 sj 14 1 2 sj 32 1 2 sj 11121314 12222313 13232212 14131211 ssss ssss s ssss
39、 ssss 00 00 00 0 1 0 2 jj jj jj jj 48 高级教育高级教育 00 00 1 00 00 2 jj jj s jj jj 3dB3dB环形电桥环形电桥 特性:特性: 1.1. 1 1输入,输入,2 2、4 4等幅同相输出,功率均分等幅同相输出,功率均分 2.2. 2 2输入,输入,1 1、3 3等幅反相输出,功率均分等幅反相输出,功率均分 3.3. 1 1、3 3端口相互隔离,端口相互隔离,2 2、4 4端口相互隔离端口相互隔离 环形定向耦合器和魔环形定向耦合器和魔T T比较:比较: 1.1. 4 4输入,输入,2 2、3 3等幅反相输出,功率均分等幅反相输出,
40、功率均分 2.2. 1 1输入,输入,2 2、3 3等幅同相输出,功率均分等幅同相输出,功率均分 3.3. 1 1、4 4端口相互隔离,端口相互隔离,2 2、3 3端口相互隔离端口相互隔离 魔魔T T 0110 10011 10012 0110 s 49 高级教育高级教育 5.15 铁氧体器件 以上所介绍的各种微波元件, 都是线性、互易的, 但在许多情况 下, 我们却需要具有非互易性的器件。例如, 在微波系统中, 负载的 变化对微波信号源的频率和功率输出会产生不良影响, 使振荡器性能 不稳定。 了解决这样的问题, 最好在负载和信号源之间接入一个具有不可 逆传输特性的器件, 即微波从振荡器到负载
41、是通行的, 反过来从负载 到振荡器是禁止通行的。这样当负载不匹配时, 从负载反射回来的信 号不能到达信号源, 从而保证了信号源的稳定, 这种器件具有单向通 行、反向隔离的功能, 因此称为单向器或隔离器。 另一类非互易器件是环行器, 它具有单向循环流通功能。 50 高级教育高级教育 在非互易器件中, 非互易材料是必不可少的, 微波技术中应用很广 泛的非互易材料是铁氧体。铁氧体是由Fe2O3 与其它二价金属氧化物 (如:锰、镁、镍、锌、钡)合成的一种黑褐色、具有各向异性磁性的 陶瓷材料。 铁氧体电阻率很大, 当微波频率的电磁波通过铁氧体时, 导电损耗 是很小的。 电特性 铁氧体是一种非线性各向异性
42、磁性物质, 它的磁导率随外加磁场而变, 即具有非线性; 在加上恒定磁场以后, 它在各方向上对微波磁场的磁导 率是不同的, 就是说其具有各向异性的。由于这种各向异性, 当电磁波 从不同的方向通过磁化铁氧体时, 便呈现一种非互易性。利用这种效应, 便可以做成各种非互易微波铁氧体元件。 34 68 1020 1010 1010/ r tg cm 微微波波可可进进入入其其内内部部(不不像像一一般般的的金金属属材材料料) 51 高级教育高级教育 5.15.1 铁氧体的张量导磁率铁氧体的张量导磁率 00 HzHh 设设直直流流偏偏置置磁磁场场为为,微微波波信信号号为为 00 0 0 001 则交变磁感应强
43、度 与磁场强度 的关系为: xx yyr zz bh bjkh bjkhh bh 0 22 00 1 mm 22 k 000 00 ) 1 2.8/),) 4 :微波的工作频率 :,铁磁共振角频率 ,(:直流磁化强度 (电子旋磁比 m H MM KHzA m 00 00 0 xxy yxy zz bhjkh bjkhh bh 各向异性:不仅感应出也感应出 xxy hbb 52 高级教育高级教育 5.15.2 铁氧体的标量导磁铁氧体的标量导磁 率率 h若微波磁场 只有分量 z h 0zz bh 0 bh 00 00 0 0 0 00 xx yy zz jkhh jkhh hh 00 00 0 0
44、 00 00 jk jk 本征值非零的充要条件本征值非零的充要条件 10 20 30 (k ) (k ) 53 高级教育高级教育 00 00 0 0 0 00 xx yy zz jkhh jkhh hh 10 20 30 (k ) (k ) 10( k ) 00 000 0 0 0 00 xx yy zz jkhh jkh(k ) h hh 000 000 00 xyx xyy zz hjkh(k )h jkhjh(k )h h(k )h 0 yx z hjh h 0 10 1 2 0 h hjh 0 20 1 2 0 h hjh 3 0 0 1 0 2 h h 54 高级教育高级教育 10(
45、 k ) 0 10 1 2 0 h hjh 20( k ) 0 20 1 2 0 h hjh 30 3 0 0 1 0 2 h h 右旋极化波右旋极化波左旋极化波左旋极化波线极化波线极化波 右旋极化波作用下:右旋极化波作用下: 0 1 m k 左旋极化波作用下:左旋极化波作用下: 0 1 m k 55 高级教育高级教育 右旋极化波作用下:右旋极化波作用下: 0 1 m k 左旋极化波作用下:左旋极化波作用下: 0 1 m k 1 0: 时,谐振(旋磁谐振) 0 1时,甚至为负数,排斥磁场 0 1()时,进入,吸引bh 0 时, 出现峰值, 磁损耗最大,称为 谐振吸收效应。 56 高级教育高级教
46、育 5.15.3 矩形波导场移式隔离器 57 高级教育高级教育 5.15.3 矩形波导场移式隔离器 向正向正z z方向传播的波:方向传播的波: 10 10 sin cos z z jk zz x jk z z k a HjHx e a HHx e a tan() x z z Hax jk Ha tan()1 z ax k a j 左旋圆极化波左旋圆极化波 1 tan() z x aak 21 设:xax 21 tan()tan()xax aa 1 tan()x a z ak x z H j H 右旋圆极化波右旋圆极化波 58 高级教育高级教育 -Z方向传播:左旋圆极化波方向传播:左旋圆极化波
47、在在X X2 2处,处, +Z方向传播:右旋圆极化波方向传播:右旋圆极化波 0 Z1 时, 向 方向传播,右旋,排斥磁场,不衰减 Z1 向 方向传播,左旋,吸引磁场,衰减 对偏置来说是低场区 59 高级教育高级教育 5.15.4 矩形波导谐振式隔离器 -Z方向传播:右旋圆极化波方向传播:右旋圆极化波 在在X X1 1处,处, +Z方向传播:左旋圆极化波方向传播:左旋圆极化波 0 Z 左旋圆极化, 传播,不衰减。 时, 较小, Z 右旋圆极化, 传较大播,衰减。, 60 高级教育高级教育 5.15.5 对称Y形环形器 1. 理想环行器理想环行器 001 S100 010 010 S001 100
48、 61 高级教育高级教育 在在X X1 1处,处, +Z方向传播:左旋圆极化波方向传播:左旋圆极化波 在在X X2 2处,处, +Z方向传播:右旋圆极化波方向传播:右旋圆极化波 0 1 时, 12,右旋,排斥磁场 1 13,左旋,吸引磁场 62 高级教育高级教育 环行器的应用环行器的应用 吸收负载 隔离器隔离器 四端口双四端口双Y Y结环行器结环行器 63 高级教育高级教育 定理:旋转对称的无耗非互易三端口网络,若各端口全匹配,则该网定理:旋转对称的无耗非互易三端口网络,若各端口全匹配,则该网 络必定是一个理想环行器。络必定是一个理想环行器。 证: 旋转对称性旋转对称性 122331 2113
49、32 sss sss 端口匹配端口匹配0 ii s 1213 1312 1213 0 0 0 ss Sss ss 无耗网络:无耗网络: 1 H SS 22 1213 1ss ,第第二二行行乘乘第第二二列列 * 12 13 0s s ,第第二二行行乘乘第第三三列列 解为解为 1213 1312 00 11 和 ss ss 64 高级教育高级教育 1213 1312 1213 0 0 0 ss Sss ss 12 13 13 12 0 1 0 1 s s s s 001 100 010 S 010 001 100 S 65 高级教育高级教育 5. 16 谐振腔谐振腔 在低频电路中, 谐振回路是一种
50、基本元件, 它是由电感和电容串联或 并联而成, 在振荡器中作为振荡回路,用以控制振荡器的频率; 在放大器中 用作谐振回路; 在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。在微波频率上, 也 有上述功能的器件, 这就是微波谐振器件, 它的结构是根据微波频率的特点 从LC回路演变而成的。微波谐振器一般有传输线型谐振器和非传输线谐振 器两大类, 传输线型谐振器是一段由两端短路或开路的微波导行系统构成 的, 如金属空腔谐振器、 同轴线谐振器和微带谐振器等, 如下页图1所示, 在 实际应用中大部分采用此类谐振器。 66 高级教育高级教育 图1 各种微波谐振器 67 高级教育高级教育 5.16.1 谐振腔的基本参数
51、谐振腔的基本参数 低频电路中的LC回路是由平行板电容C和电感L并联构成, 如图 2(a) 示。它的谐振频率为 当要求谐振频率越来越高时, 必须减小L和C。 减小电容就要增大平行 板距离, 而减小电感就要减少电感线圈的匝数, 直到仅有一匝如图 2(b)所示; 如果频率进一步提高, 可以将多个单匝线圈并联以减小电感L, 如图 2(c)所示; 进一步增加线圈数目, 以致相连成片, 形成一个封闭的中间凹进去的导体空 腔, 如图2(d)所示, 这就成了重入式空腔谐振器; 继续把构成电容的两极拉 开, 则谐振频率进一步提高, 这样就形成了一个圆盒子和方盒子, 如图2(e)所 示, 这也是微波空腔谐振腔的常
52、用形式。 LC f 2 1 0 68 高级教育高级教育 图 2 微波谐振腔的演化过程 69 高级教育高级教育 虽然它们与最初的谐振电路在形式上已完全不同, 但两者之间的作用 完全一样, 只是适用于不同频率而已。对于谐振腔而言, 已经无法分出哪里 是电感、哪里是电容, 腔体内充满电磁场, 因此只能用场的方法进行分析。 集总参数谐振回路的基本参量是电感L、电容C和电阻R, 由此可导出谐 振频率、品质因数和谐振阻抗或导纳。但是在微波谐振腔中, 集总参数L、 R、C已失去具体意义, 所以通常将谐振腔频率f0、品质因数Q0和等效电导 G0作为微波谐振腔的三个基本参量。 70 高级教育高级教育 (1) 谐
53、振频率 谐振频率f0是微波谐振腔最主要的参数。对于金属空腔谐振腔, 可以看 作一段金属波导两端短路, 因此腔中的波不仅在横向呈驻波分布, 而且沿纵 向也呈驻波分布, 所以为了满足金属波导两端短路的边界条件, 腔体的长度l 和波导波长g应满足 ,.)2 , 1( 2 ppl g 于是有 l p 由规则波导理论得 222 22 ()() gc 71 高级教育高级教育 故谐振频率为 1 22 2 0 2 ()() 2 c vp f l 式中,v为媒质中波速,c为对应模式的截止波长。 可见谐振频率由振荡模式、腔体尺寸以及腔中填充介质(, )所确定, 而且在谐振器尺寸一定的情况下, 与振荡模式相对应有无
54、穷多个谐振频率。 求谐振频率 有三种方法: (a) 集中参数法:适用于电场、磁场相对集中的腔体,计算出腔体的电 容和电感,用公式 计算。 0 f 0 1 2 f LC 72 高级教育高级教育 (b) 场解法,由波动方程、边界条件求出腔体中各模式的场分量,各 模式对应一个波数 ,已知波数后可计算腔体的谐振频率,适用于形状规 则的腔体。 (c) 电纳法:先要求出谐振腔的等效电路,谐振时,在等效电路的任 一截面上总电纳为零,即: Bl和B2分别为等效电路的任一截面向左、向右看输入的电纳。 (2) 品质因数 品质因数Q0是表征微波谐振腔频率选择性的重要参量, 它的定义为 k 0 2 c fk 0102
55、0 ()()()0B fBfBf 73 高级教育高级教育 20 1 2 T WW Q Wp 式中,W为谐振腔中的储能, WT为一个周期内谐振腔损耗的能量, Pl为 谐振腔的损耗功率。 而谐振腔的储能为 22 11 22 em vv WWWu H dvE dv 谐振器的平均损耗主要由导体损耗引起, 设导体表面电阻为RS, 则有 dsHRdsRJP s tsSSS 2 2 1 2 1 2 1 式中, Ht为导体内壁切向磁场,而JS=nHt, n为法向矢量。 于是有 74 高级教育高级教育 22 0 0 22 2 vv stt ss uHdvHdv Q RHdsHds 式中,为导体内壁趋肤深度。因此
56、只要求得谐振腔内场分布, 即可求 得品质因数Q0。 为粗略估计谐振腔内的Q0值, 近似认为H|=Ht|, 这样上式可近似为 S V Q 2 式中, S、 V分别表示谐振器的内表面积和体积。 可见: Q0 V/S, 应选择谐振器形状使其V/S大; 75 高级教育高级教育 上述讨论的品质因数Q0 是未考虑外接激励与耦合的情况, 因此称之为无载 品质因数或固有品质因数。 (3) 等效电导G0 等效电导G0是表征谐振器功率损耗特性的参量, 若谐振器上某等效参考 面的边界上取两点a, b, 并已知谐振器内场分布, 则等效电导G0可表示为 2 2 0 )( b a tS S dlE dsH RG 可见等效
57、电导G0具有多值性, 与所选择的点a和b有关。 以上讨论的三个基本参量的计算公式都是针对一定的振荡模式而言的, 振荡模式不同,所得参量的数值不同。因此上述公式只能对少数规则形 状的谐振器才是可行的。对复杂的谐振器, 只能用等效电路的概念, 通过 测量来确定f0、Q0和G0。 76 高级教育高级教育 5.16.2 矩形腔 矩形腔是由一段长为l、 两端短路的矩形波导组成,如图 3 所示。与 矩形波导类似, 它也存在两类振荡模式,即TE和TM模式。 图 3 矩形谐振器及其坐标 77 高级教育高级教育 设波导中设波导中TEmn、TMmn的横向电场为:的横向电场为: ( , ) mnmn jzjz T
58、Ee x yA eA e 0 0 0(1,2,.) T z Tmn z l EAA Elpp , 2 g mn p lp l 由边界条件由边界条件 (1) 矩形谐振腔的解 78 高级教育高级教育 (1) 矩形谐振腔的解 cos()cos()sin() zmnp mnp HHxyz abl 2 2 1 TTz c z TT c j EzH k H H zk TE波 TM波 2 2 sin()sin()cos() 1 zmnp z TT c TTz c mnp EExyz abl E E zk j HzE k 79 高级教育高级教育 (1) 矩形谐振腔的解 cos()cos()sin() zmnp
59、 mnp HHxyz abl TE波 电场的横向分量与磁场的横向分量已不再同相,有了 的相位差。/2 80 高级教育高级教育 222 222 22 0 222 22 0 11 ()() 22 11 2/1/()() mnp mnp cg cg mnp k abl vvmnp fkv abl mnp abl (2) 谐振频率、波长 81 高级教育高级教育 (2) 矩形谐振腔的主模TE101 0 00 0 00 0 sinsin sincos 2 =sincos cossin 2 =cos()sin() y x TE z EExz al Exz Hj lal Exz j Zal Exz Hj aa
60、l Exz j k aal 82 高级教育高级教育 al lac f 2 22 0 式中, c为自由空间光速, 对应谐振波长为 22 0 2 la al (b) 品质因数Q0 由TE101模的场表达式可得 2 2 0 2222 1 () 28 v TE uuabl WH dvE Zka 而ZTE= , =10= , 代入上式整理得 22 )/(ak k 2 0 8 abl WE (a) 主模谐振频率和谐振波长 83 高级教育高级教育 导体损耗功率为 22 00 1 22 () 2822 SS St RREabblal PH ds lala 于是品质因数Q0为 33332 3 1 00 22 1
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