微波技术基础

1、 微波技术基础微波技术基础詹铭周电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼地点：清水河校区科研楼C305 电话：电话：61831021 电邮：电邮：第第8章章 常用微波元件常用微波元件7.4章的结论重要章的结论重要l互易性l幺正性幅度关系、相位关系(P212)2*111nnijijijiiSS S*10nisiriS SsrijjiSS无耗网络，功率守恒无耗网络，功率守恒8.3 8.3 三端口元件三端口元件 在在微波技术中常用作分路元件或功率微波技术中常用作分路元件或功率分配器分配器/ /合合成成器、器、环行器环行器等等。第第8章章 常用微波元件常用微波元件分配器分配器：功率分配比、相位

2、差、：功率分配比、相位差、匹配匹配、隔离度等、隔离度等合成器合成器： 合成效率、合成效率、 匹配匹配、隔离度等、隔离度等性性质质幅相不平衡引起的合成效率恶化幅相不平衡引起的合成效率恶化210212cos10log2 1RFRFIFRFAALA 00.20.40.60.81-3-2-10123 o0 o10 o20 o30 o40 o50 dBinARF dBinL IFindeg.任意三端口网络的散射矩阵为任意三端口网络的散射矩阵为若元件是互易的，有若元件是互易的，有性质性质1 1：无耗互易无耗互易三端口网络三端口网络不可能完全匹配不可能完全匹配，即三个，即三个 端口不可能同时都匹配。端口不可

3、能同时都匹配。 333231232121131211SSSSSSSSSSjiSSjiij第第8章章 常用微波元件常用微波元件证明：假如所有端口均匹配，则证明：假如所有端口均匹配，则 ，则有，则有若网络也是若网络也是无耗的无耗的，由散射矩阵的，由散射矩阵的幺正幺正/ /酉正性酉正性可得：可得： 可见：三个参数可见：三个参数 中至少有两个必须为零，但又中至少有两个必须为零，但又不能成立，这说明一个三端口网络不能成立，这说明一个三端口网络不可能做到无耗、互易不可能做到无耗、互易和完全匹配。和完全匹配。 0(1,2,3)iiSi 121321233132000SSSSSSS22121322122322

4、1323111SSSSSS*1323*2312*1213000S SS SS S122313,SSS第第8 8章章 常用微波元件常用微波元件2*111nnijijijiiSS S*10nisiriS Ssr性质性质2 2：任意：任意完全匹配的无耗三端口完全匹配的无耗三端口网络网络必定必定非互易，非互易， 且且为环行器为环行器，其正、反旋环行器的散射矩阵为，其正、反旋环行器的散射矩阵为 和和 证明：一个匹配的三端口网络的证明：一个匹配的三端口网络的S S矩阵可表示为矩阵可表示为 若若网络无耗，则其网络无耗，则其S S矩阵为幺正矩阵矩阵为幺正矩阵，即有，即有T010001100SR00110001

5、0S 121321233132000SSSSSSS第第8章章 常用微波元件常用微波元件非互易非互易在如下两种情况下这些方程式满足在如下两种情况下这些方程式满足1. 2. 情况情况1： 情况情况2： *31320S S*21230S S*12130S S22121301SS22212301SS22313201SS1223132132130,1SSSSSS2132131223310,1SSSSSS()ijjiSSij R001100010SS R010001100SS第第8章章 常用微波元件常用微波元件 121321233132000SSSSSSS每一行每一列的模的每一行每一列的模的平方和为平方和

6、为1性质性质3 3：无耗互易三端口网络的：无耗互易三端口网络的任意两个端口可以实现任意两个端口可以实现 匹配。匹配。 证明：假定端口证明：假定端口1 1和和2 2为匹配端口，则其为匹配端口，则其S S矩阵可以写成矩阵可以写成 因因网络无耗，由幺正性网络无耗，由幺正性得到得到 1213212331323300SSSSSSSS*13230S S*121323330S SS S*231233130S SS S22121301SS22212301SS2221323331SSS第第8章章 常用微波元件常用微波元件上式表明上式表明 ， ，此时，网络实际上由二个无关的元件组成：一个是匹配此时，网络实际上由二

7、个无关的元件组成：一个是匹配的二端口（的二端口（1、2）传输线，另一个是全失配的端口（）传输线，另一个是全失配的端口（3）。）。性质性质4：若：若三端口网络允许有耗三端口网络允许有耗，则网络，则网络可以是互易和可以是互易和 完全匹配完全匹配的，且有耗的三端口网络的，且有耗的三端口网络可做到输出端口之间可做到输出端口之间 隔离隔离（例如（例如 ）。）。 1323SS12230SS12331SS 000000jjjeSee03223 SS第第8章章 常用微波元件常用微波元件l三端口功率分配三端口功率分配/ /合成元件合成元件T T形接头形接头 对于无耗形接头，可用传输线型来表示：对于无耗形接头，可

8、用传输线型来表示： 可以选择输出线的特性阻抗和来获得不同的功率分配比。可以选择输出线的特性阻抗和来获得不同的功率分配比。50Ohm50Ohm等功分器，接等功分器，接100Ohm100Ohm并联并联 00201111ZZZjBYin第第8章章 常用微波元件常用微波元件不连续性引起的高次不连续性引起的高次模：无耗时，能量存模：无耗时，能量存储储电抗效应电抗效应H-TH-T接头接头E-TE-T接头接头a.a.矩形波导矩形波导T T形接头形接头 矩形波导工作在主模工作矩形波导工作在主模工作TETE1010，分，分E-TE-T和和H-TH-T接头：接头： 第第8章章 常用微波元件常用微波元件判断依据：判

9、断依据：1 1、枝节的枝节的宽边所在的平面宽边所在的平面与与XXXX场平行场平行就叫做就叫做XX-TXX-T接头。接头。E-TE-T特性分析特性分析图说明三点：图说明三点：A A、信号从、信号从1 1臂输入臂输入时，主波导时，主波导2 2、3 3臂中距臂中距1 1臂等距离的臂等距离的T T2 2、T T3 3处为处为等幅反向输出等幅反向输出。B B、当、当T T2 2、T T3 3处有等幅反相信号输入时，则二者在处有等幅反相信号输入时，则二者在1 1臂内同向臂内同向叠加输出。叠加输出。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件波导窄边波导窄边C C、当在、当在2 2、3 3臂的臂的T T2 2、T

10、 T3 3处输入等幅同相信号时，二者在处输入等幅同相信号时，二者在1 1臂臂中反向抵消而不能从中反向抵消而不能从1 1臂输出，只能在臂输出，只能在2 2、3 3臂中形成驻波。臂中形成驻波。H-TH-T特性分析特性分析: :第第8章章 常用微波元件常用微波元件图说明三点：图说明三点：A A、如上图当信号从分支、如上图当信号从分支4 4臂输入时，臂输入时， 2 2、3 3臂的臂的T2T2、T3T3处信处信号等幅同相输出；号等幅同相输出；B B、2 2、3 3臂的臂的T2T2、T3T3处输入等幅同相信号时，二者在处输入等幅同相信号时，二者在4 4臂同相臂同相叠加输出。叠加输出。C C、当、当2 2、

11、3 3臂的臂的T2T2、T3T3处输入等幅反相信号时，二者在处输入等幅反相信号时，二者在4 4臂反臂反相抵消，相抵消，4 4臂无输出。臂无输出。总结：总结：E-TE-T特性：主臂输入支臂臂、臂等幅反相输出；特性：主臂输入支臂臂、臂等幅反相输出；H-TH-T特性：主臂输入支臂臂、臂等幅同相输出。特性：主臂输入支臂臂、臂等幅同相输出。第第8章章 常用微波元件常用微波元件思考题思考题T形节串并联等效电路的由来？形节串并联等效电路的由来？H-TH-T接头接头E-TE-T接头接头E-VH-IH-IE-V结合串联和结合串联和并联电路的并联电路的电压电流关电压电流关系思考系思考b.b.对称对称Y Y分支分支

12、矩形波导对称矩形波导对称Y Y分支结构及其等效电路图如图所示，分为分支结构及其等效电路图如图所示，分为E E面分支和面分支和H H面分支；面分支；前者为串联分支，后者为并联分支。前者为串联分支，后者为并联分支。 E-YE-Y分支分支H-YH-Y分支分支第第8章章 常用微波元件常用微波元件三种作为功率分配器的波导三种作为功率分配器的波导Y Y分支（分支（端口之间夹角可任意端口之间夹角可任意）分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当的分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当的选择选择高度高度和就和就可以得到任意的功率分配比可以得到任意的功率分配比。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件

13、高度与波导传输线中的等效特性阻抗关联高度与波导传输线中的等效特性阻抗关联c.c.电阻性功率分配器（电阻性功率分配器（有很多种有很多种）假如三端口分配器含有有耗元件，便可以做到所有端口假如三端口分配器含有有耗元件，便可以做到所有端口匹配，而二个输出端口则不可能隔离。匹配，而二个输出端口则不可能隔离。威尔金森功率分配器威尔金森功率分配器（最常用的（最常用的等功分等功分、等相位等相位元件）元件）第第8章章 常用微波元件常用微波元件不一定是此情况不一定是此情况2030322020300111KZZKZK ZZKKRZKK232PKP第第8章章 常用微波元件常用微波元件8.4 8.4 四端口元件四端口元

14、件l四端口四端口SS参数性质参数性质性质性质1:1:无耗互易无耗互易可以完全匹配可以完全匹配，且且为一理为一理 想想定向耦合器定向耦合器（端口之间有隔离）（端口之间有隔离）。幺正性决定了幺正性决定了第第8章章 常用微波元件常用微波元件 1213141223241323341424340000SSSSSSSSSSSSS 131423241323142400000000SSSSSSSSS 121412232334143400000000SSSSSSSSS 121312241334243400000000SSSSSSSSS 三种大情况三种大情况 0001001001001000S这种特殊这种特殊情况

15、变成情况变成啥结构？啥结构？8.4 8.4 四端口元件四端口元件性质性质2:2:有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四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的充个端口均匹配，即是说四个端口匹配是定向耦合的充 分条件，而不是必要条件。分条件，而不是必要条件。有理想定向性，其中有理想定向性，其中S S1212=S=S4343=0=0推不出，推不出，S Siiii=0=0理想定向性理想定向性四个端口均匹配四个端口均匹配无耗互易无耗互易性质性质3:3:有二个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口有二个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口 电路必然为一理想定向耦

16、合器，且其余两个端口亦匹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。配并相互隔离。这些结论均是利用这些结论均是利用幺正性幺正性得出的。得出的。 1314232413233334142434440000SSSSSSSSSSSSS 131423241323142400000000SSSSSSSSS幺正性幺正性l定向耦合器的技术参数定向耦合器的技术参数 耦合度：耦合度： 定向性：定向性： 12313110lg10lg20lgPCPS 341410lg20lgPDdBPS第第8章章 常用微波元件常用微波元件隔离度：隔离度：有：有：不同形式的定向耦合器不同形式的定向耦合器BetheBe

17、the孔耦合器孔耦合器BetheBethe孔耦合器是一种单孔耦合器。为获得定向性，该单孔耦合器是一种单孔耦合器。为获得定向性，该单孔需开在两个矩形波导的公共宽壁上，如图所示孔需开在两个矩形波导的公共宽壁上，如图所示 114410lg20lgPISdBP IDC dB第第8章章 常用微波元件常用微波元件工作原理：小孔可用电工作原理：小孔可用电和磁偶极矩构成的等效源和磁偶极矩构成的等效源来代替，来代替，调节两个等效源的相对振幅可以消除在隔离端口方向的调节两个等效源的相对振幅可以消除在隔离端口方向的辐射，而增强在耦合端口方向的辐射，从而获得理想的辐射，而增强在耦合端口方向的辐射，从而获得理想的定向性

18、。定向性。 思考：思考：为何不开一字槽？为何不开一字槽？波导多孔定向耦合器波导多孔定向耦合器 单孔耦合器的缺点是频带窄。单孔耦合器的缺点是频带窄。宽频带应用时可采用多宽频带应用时可采用多孔耦合器。孔耦合器。 以双孔耦合器为例说明工作原理以双孔耦合器为例说明工作原理设波导由端口输入，大部分波向端口传输，一部分波设波导由端口输入，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。由于两孔相距通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距/4/4，结果在端，结果在端口方向的波相位同向而增强，在端口方向则因相位反口方向的波相位同向而增强，在端口方向则因相位反向而相互抵消。向而相互抵消。第第8章章 常用微波

19、元件常用微波元件波导波导90度分支节电桥（补充）度分支节电桥（补充）常用于功率合成常用于功率合成/分配电路分配电路级数与带宽相关级数与带宽相关耦合线定向耦合器耦合线定向耦合器其特性是其特性是:由端口由端口输入输入的信号一部分传至端口，一部的信号一部分传至端口，一部分耦合至副线由端口输出，分耦合至副线由端口输出，端口隔离端口隔离。对耦合微带线或其它非对耦合微带线或其它非TEMTEM线，线，奇，偶模速度不相同，奇，偶模速度不相同，耦耦合器的定向性就要变差。为改变性能，需要采取相应的速合器的定向性就要变差。为改变性能，需要采取相应的速度补偿措施，如加介质覆盖层，采用各向异性基片，耦合度补偿措施，如加

20、介质覆盖层，采用各向异性基片，耦合段做成锯齿形等。段做成锯齿形等。 第第8章章 常用微波元件常用微波元件LangeLange耦合器耦合器 要求紧耦合（要求紧耦合（耦合度大于耦合度大于-6dB-6dB）时使用；）时使用； 第第8章章 常用微波元件常用微波元件正交混合电桥正交混合电桥分支线耦合器的特性是：当所有端口匹配时，由分支线耦合器的特性是：当所有端口匹配时，由端口端口输入输入的功率在端口的功率在端口和之间平分且有和之间平分且有9090相位差相位差，端，端口口隔离隔离。其。其S S矩阵为矩阵为 01000111002010jjSjj第第8章章 常用微波元件常用微波元件l180180混合电桥混合电桥该图为混合环该图为混合环1.5 TEM线（带状线或微带线（带状线或微带线）并联连接而成。线）并联连接而成。信号由端口信号由端口输入时，端口输入时，端口和等幅同相输出和等幅同相输出，端口，端口无输出；无输出；信号由端口信号由端口输入时，端口输入时，端口和等幅反相输出和等幅反相输出，端口，端口无输出。无输出。当用作功率合成器时，信号同时加于端口和，则端口当用作功率合成器时，信号同时加于端口和，则端口输出和信号，端口输出差信号。输出和信号，端口输出差信号。第第8章章 常用微波元件常用微波元件 01101001100120110jS波导匹配魔波导匹配魔T T 将一个将一个