端口元件PPT课件

1、如口为输入端口，其它三个为输出口或隔离口。由隔离口的端口的不同，其相应的矩阵为S02、S03、S04 。理想定向耦合器一个可逆无耗四端口网络，各个端口完全匹配，有一个端口同输入端口完全隔离，输入功率在其余两个端口上分配输出，这种网络称为理想定向耦合器。第第2页页/共共36页页第1页/共36页 对于上图中对于上图中(a)(a)，其散射矩阵为：，其散射矩阵为：00000000241423132423141302SSSSSSSSS性质1 无耗互易四端口网络可以完全匹配，且为一理想定向耦合器。（可由互易网络的幺正性证明。）第第3页页/共共36页页第2页/共36页00000000341434232312

2、141203SSSSSSSSS对于(b)，则有00000000342434132412131204SSSSSSSSS对于(c)， 则有（常用的一种情况）第第4页页/共共36页页第3页/共36页性质2 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器的充分条件，而不是必要条件。第第5页页/共共36页页第4页/共36页性质 3 有两个端口匹配且相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配并相互隔离。 （可由其幺正性得到证明）00000000342434132412131204SSSSSSSSS第第6页页/共共36页页第5页/共36页S参

3、数小结：参数小结： 0iiS0ijS0ijS隔离传输匹配第第7页页/共共36页页第6页/共36页以常用的互易无耗以常用的互易无耗SS0404 为例。由其幺正性为例。由其幺正性2413SS由前两式由两式3412SS00000000342434132412131204SSSSSSSSS2定向耦合器的技术参数第第8页页/共共36页页第7页/共36页为进一步简化，我们选取四个端口上的相位，使 *uSS034*2413*12SSSS0jjeen2则得则得其中和为实数，和为待定相角，由S04的第二行与第三行相乘，得第第9页页/共共36页页第8页/共36页即即S13和和S24的相位选取相同，其的相位选取相同

4、，其S矩阵为：矩阵为： 0000000004jjjjSS1）对称耦合器：可得实用中两种特殊选择：可得实用中两种特殊选择：第第10页页/共共36页页第9页/共36页0000000004US即S13和S24的相位相差180o，其S矩阵为 , 02）不对称耦合器122注意：这两种耦合器的区别仅在于参考面的选取不同，而振幅和不是独立的。而具有关系因此除相位参考面以外，理想定向耦合器仅有一个自由度。第第11页页/共共36页页第10页/共36页这种定向耦合器的常用符号如图所示。 040101000.707001010SjjSjj轾-犏犏-犏=犏-犏犏-犏臌 04011010010.707100101 10

5、US轾犏犏-犏=犏犏犏-犏臌例：例：00000000342434132412131204SSSSSSSSS第第12页页/共共36页页第11页/共36页耦合端口的耦合系数为2213S直通端口的耦合系数为222121S表征定向耦合器性能的主要参数是表征定向耦合器性能的主要参数是耦合度耦合度C、定向定向性性D 和和隔离度隔离度I，以，以SS0404 定义如下：定义如下：第第13页页/共共36页页第12页/共36页隔离度隔离度( (表明输入端口与隔离端口之间的关系表明输入端口与隔离端口之间的关系) )：定向性(表明耦合线上耦合端口与隔离端口之间的关系):耦合度(表明输入与耦合之间的关系) :此三参数有

6、如下关系：一一理想的定向耦合器理想的定向耦合器应具有应具有无限大的定向性无限大的定向性和和隔离度隔离度（S S1414=0=0），），和和则可根据给定的则可根据给定的耦合度耦合度C C求得。求得。第第14页页/共共36页页第13页/共36页作用：功率测量或监视装置，组合或反射计等。3 3定向耦合器的分析与设定向耦合器的分析与设计计波导定向耦合器、耦合线定向耦合器和Lange耦合器。1）波导定向耦合器定向耦合器中S04中， 线称为主线， 线称为副线。孔（槽缝）、分支线、耦合线段等。第第15页页/共共36页页第14页/共36页单孔耦合器。为获得定向性，该单孔需用开在两个矩形波导的公共宽壁上。设TE

7、10模由端口1入射，其场分量可以写成0cossinsin1010101010yzxzjzzjxzjyHEEeaxZEjHeaxZEHeaxEE式中 是TE10模的波阻抗。 /0010kZ a. 孔耦合孔耦合第第16页页/共共36页页第15页/共36页单孔耦合器的缺点是频带窄。采用双孔耦合器可展宽频带，一般为窄带滤波器。公共宽臂（或窄臂）上相距 的双孔耦合器。如图。4/0gb. 波导双孔定向耦合波导双孔定向耦合器器第第17页页/共共36页页第16页/共36页设电磁波由端口输入，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 ，结果在端口方向的波相位同相而增强，在端口方向则因相

8、位反相而相互抵消。4/0g注意：在端口方向波的抵消是与频率有关的，故其定向性是频率的敏感函数；而耦合度则受频率的影响较小。第第18页页/共共36页页第17页/共36页式中式中 为第一个小孔的。为第一个小孔的。)0(31S61lg201lg20)0(3131SSC对于双孔尺寸一样，则 (dB)cos1lg20lg20lg20)0(41)0(314131SSSSD定向性则为 (dB)因此在多孔耦合器的综合设计中总是选择定向性的响应作为综合设计用的频率响应。第第19页页/共共36页页第18页/共36页正交混合电桥是由主线、副线和两条分支线组成。4 4正交混合电桥正交混合电桥其特性是当所有端口匹配时，

9、由端口输入的功率：直通臂：一路经g/4、另一路经3g/4（不幅度反相）在口相减输出,输出相位比口输入的相位滞后/2, 耦合臂：一路经2g/4、另一路经2g/4（等幅同相）在口输出，输出相位比口输入的相位滞后,隔离口：一路经g/4、另一路经3g/4（等幅反相）在口输出，无输出。正交混合电桥正交混合电桥是一正交混合电桥是一种种直通臂直通臂和和耦合臂耦合臂输出有输出有90相位差相位差的的3dB3dB定向耦合器定向耦合器。第第20页页/共共36页页第19页/共36页正交混合电桥的正交混合电桥的S S参数参数S S参数为：分支耦合线具有结构对称性，参数为：分支耦合线具有结构对称性，其任一端口都可作输入端

10、口，其任一端口都可作输入端口，两输出端口总是在与输入端口两输出端口总是在与输入端口相反的一边。相反的一边。 01000111002010jjSjj轾犏犏-犏=犏犏犏犏臌由端口输入的功率：端口匹配无反射；直通臂输出功率为一半，相位滞后/2；耦合臂输出功率为一半，相位滞后；隔离口无输出。110S=2112Sj= -3112S= -410S=第第21页页/共共36页页第20页/共36页1801800 0混合电桥是一种两输出端口有混合电桥是一种两输出端口有1801800 0相位差的相位差的四端口网络。四端口网络。返回5. 1805. 1800 0混合电混合电桥桥环形电桥、渐变耦合线电桥、波导魔T。第第

11、22页页/共共36页页第21页/共36页 若信号由端口输入，则由端口和等幅反相输出，端口无输出。 当用作功率合成器时，输入信号分别加于端口和，则在端口输出和信号（和端口），在端口输出差信号（差端口）。 端口加输入信号，端口和为等幅同相输出，端口无输出（隔离端口）；理想3dB1800混合电桥的S矩阵为： 01101001100101102jS第第23页页/共共36页页第22页/共36页l l环形电桥环形电桥1.5混合环路的带宽受环形长度的限制，约为20-30%，增加带宽的办法是采用对称的1混合环。混合环各支路特性阻抗为Z0，02Z根据/4变换性可知，环行线的特性阻抗应为 。第第24页页/共共36

12、页页第23页/共36页 当用作功率合成器时，输入信号分别加于端口和，则在端口输出和信号（和端口），在端口输出差信号（差端口）。 信号由端口输入时，端口和为等幅同相输出，端口无输出（隔离端口）； 若信号由端口输入，则由端口和等幅反相输出，端口无输出。第第25页页/共共36页页第24页/共36页返回l l波导魔波导魔T T波导魔波导魔T T是匹配双是匹配双T T，由双，由双T T波导波导接头处加入匹配元件（螺钉、接头处加入匹配元件（螺钉、膜片或小锥体）构成。膜片或小锥体）构成。第第26页页/共共36页页第25页/共36页 四个端口完全匹配； 不仅E臂和H臂相互隔离，而且两侧臂也相互隔离； 进入一侧

13、臂的信号，将由E臂和H臂等分输出，而不进入另一臂；魔魔T T具有如下特性：具有如下特性：第第27页页/共共36页页第26页/共36页进入E臂的信号，将由两侧臂等幅反相输出，而不进入H臂； 若两臂同时加入信号，E臂输出的信号等于两输入信号相量差的 倍；H臂输出的信号等于两输入信号相量和的 倍。2/12/1 进入H臂的信号，将由两侧臂等幅同相输出，而不进入E臂；故E臂称为差臂；H臂称为和臂。第第28页页/共共36页页第27页/共36页魔魔T T在微波技术中有着广泛的应用，可用来组成在微波技术中有着广泛的应用，可用来组成微波阻微波阻抗电桥抗电桥、平衡混频器平衡混频器、功率分配器功率分配器、和差器和差

14、器、相移器相移器、天线双工器天线双工器、平衡相位检波器平衡相位检波器、鉴频器鉴频器、调制器调制器等。等。波导魔波导魔T T的的S S矩阵：矩阵：第第29页页/共共36页页第28页/共36页8-18如图所示如图所示E-T分支，其臂分支，其臂2接短路活塞，请问接短路活塞，请问短路活塞与对称中心平面的距离短路活塞与对称中心平面的距离l为多少时，为多少时，臂臂3的负载得到最大功率或最小功率？的负载得到最大功率或最小功率？解：解：l2端口输出的信号经端口输出的信号经短路器全部反射回来。短路器全部反射回来。当第二个端口的反射当第二个端口的反射信号与信号与1端口的信号端口的信号同相时，同相时，3端口输出端口

15、输出的信号为差信号；如的信号为差信号；如果反射波与果反射波与1端口的端口的信号反相时，信号反相时，3端口端口输出为最大。输出为最大。第第30页页/共共36页页第29页/共36页又由于短路器的反射系数为又由于短路器的反射系数为-1，即有，即有 的相位差。的相位差。 当当l= g/4时，波由时，波由A点经短路器的反射回至点经短路器的反射回至A点所走过点所走过的路程为的路程为2l= g/2，由路程所提相位差为，由路程所提相位差为 ，加上短路反射，加上短路反射所得相位差所得相位差 ，因此，当波回，因此，当波回A A点时与点时与1 1端口的入射波为同端口的入射波为同相，因此，相，因此，3 3端口的输出为

16、最小功率。端口的输出为最小功率。lA 当当l= g/2时，波由时，波由A点点经短路器的反射回至经短路器的反射回至A点点所走过的路程为所走过的路程为2l= g，由路程所提相位差为由路程所提相位差为2 ，加上短路反射所得相位差加上短路反射所得相位差 ，因此，当波回，因此，当波回A A点时与点时与1 1端口的入射波为反相，端口的入射波为反相，因此，因此，3 3端口的输出为最端口的输出为最大功率。大功率。第第31页页/共共36页页第30页/共36页采用插入损耗法，利用微波综合技术设计滤波器，以获得完全指定的频响。设计方法：1滤波器微波滤波器是一二端口网络，在微波系统中用来控制频率响应，使信号在滤波器的

17、通带内得以传输，阻带内则给出衰减。低通、高通、带通、带阻第第32页页/共共36页页第31页/共36页产生微波电磁振荡的具有储能和选频特性的微波谐振元件，其作用和工作为在微波系统中广泛用途滤波器、振荡器、频率计、调谐放大器等。在300MHz以下，谐振器是用集总电容器和电感器做成。高于300MHz时，LC回路的欧姆损耗、介质损耗、辐射损耗都增大，使回路的Q值降低；而回路的电感量和电容时则要求很小，难为实现。采用传输线技术用一段纵向两端封闭的传输线或波导来实现高Q微波谐振电路。种类：矩形波导空腔谐振器、圆波导空腔谐振器、同轴线谐振器、微带线谐振器、介质谐振器2 2谐振器谐振器第第33页页/共共36页页第32页/共36页分析方法： 边值问题（微波谐振器） 驻波法求场解（金属波导谐振腔） 传输线理论分析（TEM传输线谐振器） 准静态方法（非传输线型谐振器） 等效电路方法（单模工作的谐振器） 微扰法（谐振腔的微小变形） 第第34页页/共共36页页第33页/共36页在微波器件使用各向异性材料，则可得到非互易性能，由此可做成大量具有方向特性的器件。对于互易网络，元件的任意两个端口i和