第5部分微波元件(新5.3)

1、5.1 5.1 一端口元件一端口元件5.2 5.2 二端口元件二端口元件5.3 5.3 三端口元件三端口元件5.3 5.3 四端口元件四端口元件5.1 5.1 一端口元件一端口元件5.2 5.2 二端口元件二端口元件5.3 5.3 三端口元件三端口元件5.3 5.3 四端口元件四端口元件无耗无耗互易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，即即是说三个端口不可能同时都匹配。是说三个端口不可能同时都匹配。性质性质 1 000231323121312SSSSSSS证明：假设三端口都匹配，则有证明：假设三端口都匹配，则有Sii=0（i=1,2,3）则散射矩阵为则散射矩阵为： 121321

2、233132000SSSSSSS轾犏犏=犏犏臌又由网络互易可知又由网络互易可知：Sij=Sji，即有即有S12=S21、S13=S31、 S23=S32，由相位关系，则由相位关系，则S S1212、S S1313、S S2323中必有两个同时为零，中必有两个同时为零，但由振幅关系，此结果不成立但由振幅关系，此结果不成立。 振幅关系振幅关系111223213223212213212SSSSSS 相位关系相位关系00013*1212*2323*13SSSSSS不可能做到无耗、互易和完全匹配不可能做到无耗、互易和完全匹配。任意任意完全匹配完全匹配的的无耗无耗三端口网络必定三端口网络必定非非互易互易，

3、且为一理想环行器且为一理想环行器。性质性质2 2 000323123211312SSSSSSS证明：匹配三端口网络的证明：匹配三端口网络的S S矩阵为矩阵为：网络无耗网络无耗，S S具有幺正性具有幺正性：00013*1223*2132*31SSSSSS222131221232221323111SSSSSS+=+=+=满足上述方程的解为满足上述方程的解为：1, 0) 2(1, 0) 1 (312312133221133221312312SSSSSSSSSSSS即即 ，故器件为非互易故器件为非互易。)(ijSSjiij则有则有和和 001100010TSS 010001100RSS相应的两个相应的

4、两个S S矩阵为矩阵为理想环行器理想环行器源天线接收机作为双工器作为双工器性质性质3 3无耗无耗互易三端口网络的任意互易三端口网络的任意两个端口可以两个端口可以实现匹配实现匹配。同学们完成证明！同学们完成证明！证明：证明：性质性质3 3无耗无耗互易三端口网络的任意互易三端口网络的任意两个端口可以两个端口可以实现匹配实现匹配。因网络无耗，由幺正性可得因网络无耗，由幺正性可得：221213221223222132333SS1SS1SSS1证明：假定互易网络的端口证明：假定互易网络的端口1 1和端口和端口2 2为匹配端口为匹配端口 3323132312131200SSSSSSSS则则*1323*12

5、132333*23123313S S0S SS S0S SS S0=+=+=性质性质3 3无耗无耗互易三端口网络的任意互易三端口网络的任意两个端口可以两个端口可以实现匹配实现匹配。221213221223222132333SS1SS1SSS1*1323*12132333*23123313S S0S SS S0S SS S0=+=+=1323SS=1323SS=1233SS1=性质性质3 3无耗无耗互易三端口网络的任意互易三端口网络的任意两个端口可以两个端口可以实现匹配实现匹配。10331223132313SSSSSS 000000jjjeSeeqqj轾犏犏=犏犏犏臌性质性质4 4若三端口网络允

6、许若三端口网络允许有耗有耗，则网络可以是，则网络可以是互易互易的的和和完全匹配完全匹配的，且有耗的三端口网络可做到其的，且有耗的三端口网络可做到其输出端口的隔离输出端口的隔离。1213121300000SSSSS轾犏犏=犏犏臌1.匹配匹配1122330SSS=2.互易互易122113312332,SSSSSS=03223 SS3.3.输出端口的隔离输出端口的隔离(1) T (1) T 形接头形接头00201111ZZZjBYinT形接头，可用传输线表示为：形接头，可用传输线表示为： 对于无耗形接头，对于无耗形接头， 00201111ZZZjBYin矩形波导矩形波导T T形接头形接头 矩形波导工

7、作在主模矩形波导工作在主模TETE1010，分，分E-TE-T和和H-TH-T接头：接头： H-TH-T接头接头E-TE-T接头接头E-T 接头的特性可用S矩阵表示，使用E-T接头时，多由端口P3输入信号。E-T特性分析特性分析 111213121123132333轾犏犏=犏犏臌SSSSSSSSSSE-T接头当波导中只有接头当波导中只有主模主模TE10模传输模传输，E-T接头接头（E面面T形接头）的特性形接头）的特性：(a)当信号由口输入时，当信号由口输入时，和口都有输出和口都有输出；E分支波导的宽边与分支波导的宽边与TE10模模电电场场所在平面平行者称为所在平面平行者称为E-T(b)(b)当

8、信号由口入时，当信号由口入时，和口都有输出和口都有输出；(c)(c)当信号由口入时，当信号由口入时，和口都有输出且和口都有输出且幅度相同相位相反幅度相同相位相反。(d)(d)信号由和口同相输入时，信号由和口同相输入时，在口的对称面上，电场为反在口的对称面上，电场为反相相减，端口的输出相相减，端口的输出最小最小； 若和口信号若和口信号等幅等幅，则口则口的的输出为零输出为零。(e)(e)当信号由和端口等幅当信号由和端口等幅反相输入时，在端口的反相输入时，在端口的对称面上，电场为同相相对称面上，电场为同相相加，端口的输出加，端口的输出最大最大。分路器：可得到分路器：可得到大小相等，方向大小相等，方向

9、相反的电场相反的电场合路器：对输入幅合路器：对输入幅度相等、方向相反度相等、方向相反的电场进行合成的电场进行合成端口为输入端，为匹配状态端口为输入端，为匹配状态( (S3333=0)=0)，由于结构对称，端口和由于结构对称，端口和的驻波相等的驻波相等（S11=S22），），则则E-TE-T接头的接头的S S矩阵为矩阵为： 02313231112131211SSSSSSSSS由上述由上述E-TE-T的特性有；的特性有； 即输出等幅反相。即输出等幅反相。由无耗网络由无耗网络S S矩阵的幺正性矩阵的幺正性：2313SS111223213223211212213212211SSSSSSSS000*23

10、11*1312*2312*1311*2313*1112*1211SSSSSSSSSSSSSSET的的S矩阵矩阵707. 02/ 12313 SS又由又由 及振幅条件及振幅条件1-21-2，可得，可得223213SS211213212211SSS2313SS由由 和振幅条件和振幅条件3 3可得可得：121112SS=另由相位条件另由相位条件2 2，得，得：端口输入时端口输入时，E-T的的S S矩阵为矩阵为 11122211122211022S轾犏犏犏犏犏=-犏犏犏犏-犏臌故故一般情况下一般情况下 331313131112131211SSSSSSSSSS但由于结构对称但由于结构对称2313SS一般

11、情况下一般情况下，E-T的三个端口的三个端口不匹配不匹配，同时由端口输入时，同时由端口输入时，端口和的输出场的方向相反，故端口和的输出场的方向相反，故2313SS= -例例：已知已知E-TE-T，当由的输入功率为，当由的输入功率为25W25W时，和两端时，和两端口的输出功率为多少？口的输出功率为多少？如由口入，则由和口的输出功率为多少如由口入，则由和口的输出功率为多少？解解： Pin=25W23,3012inUPZ=21,1012outUPZ=a)由端口的输入功率为由端口的输入功率为：22,2012outUPZ=由端口由端口和和的输出功率分别为的输出功率分别为： 111222111222110

12、22S轾犏犏犏犏犏=-犏犏犏犏-犏臌13113312USSU=,1213,312outinPSP=,1,2,3/ 212.5outoutinPPPW= 11122211122211022S轾犏犏犏犏犏=-犏犏犏犏-犏臌由由E-TE-T的散射矩阵可知的散射矩阵可知：b),125inPW=22,2,112,116.252outininPPSPW骣=桫2,3,113,1112.52outininPPSPW骣=桫 11122211122211022S轾犏犏犏犏犏=-犏犏犏犏-犏犏臌2/ 12313SSH-T接头接头主要特性主要特性： 当信号由口入时，和当信号由口入时，和口都有口都有等幅同相等幅同相输出

13、输出可用作功率分配器或功率合成器可用作功率分配器或功率合成器。H-TH-T接头端口匹配时，和接头端口匹配时，和口并不匹配，驻波比等于口并不匹配，驻波比等于3 3。13231/ 2SS=其公式与其公式与E-TE-T类似（式中类似（式中 ）。）。 11122211122211022S轾犏犏犏犏犏=犏犏犏犏犏臌 分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当的，适当的选择高度和就可以得到任意的功率分配比。选择高度和就可以得到任意的功率分配比。 无耗无耗T T形接头不能做到完全匹配形接头不能做到完全匹配，威尔金森功率分配威尔金森功率分配器器是一种是一种有耗三端口

14、完全匹配的网络有耗三端口完全匹配的网络。它可实现任意它可实现任意的功率分配比，且输出端口之间可实现隔离。可用微的功率分配比，且输出端口之间可实现隔离。可用微带线来实现带线来实现。(2) (2) 功率分配器件功率分配器件二等分功分器的基本要求二等分功分器的基本要求： 端口、无反射；端口、无反射； 端口、输出功率相等且同相端口、输出功率相等且同相；123 g/4Z0Z0Z0Z01Z01Zin3Zin2则有则有23230231121ininininininZZZZZZZUUU=+=对于二等分功分器，如图对于二等分功分器，如图。02inZZ=则则/4阻抗变换器的特性阻抗应为阻抗变换器的特性阻抗应为20

15、120001022ininZZZZZZZ=为使、端口匹配，需加隔离电阻。为使、端口匹配，需加隔离电阻。隔离电阻的作用为利用有耗条件满足隔离电阻的作用为利用有耗条件满足完全匹配、互易的实现完全匹配、互易的实现。 0111002100jS轾犏-犏=犏犏臌5.1 5.1 一端口元件一端口元件5.2 5.2 二端口元件二端口元件5.3 5.3 三端口元件三端口元件5.3 5.3 四端口元件四端口元件5.1 5.1 一端口元件一端口元件5.2 5.2 二端口元件二端口元件5.3 5.3 三端口元件三端口元件5.3 5.3 四端口元件四端口元件 111213141222232404132333341424

16、3444SSSSSSSSSSSSSSSSS轾犏犏犏=犏犏犏臌四端口网络的特性四端口网络的特性 对于图中，其散射矩阵为对于图中，其散射矩阵为：性质性质1 1 无耗互易四端口网络可以完全匹配，且为一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理想定向耦合器。（可由互易网络的可由互易网络的幺正性证明幺正性证明。）。）00000000342434132412131204SSSSSSSSS一个可逆无耗四端口网络，各个端口完全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，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，这输入功率在其余两个端口上分配输

17、出，这种网络称为理想定向耦合器种网络称为理想定向耦合器。四端口网络的特性四端口网络的特性性质性质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，而不是必要条件向耦合器的充分条件，而不是必要条件。性质性质 3 3 有两个端口匹配且相隔离的无耗互易四端口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端口亦匹配并相互隔离。 （可由其幺正性得到证明可由其幺正性得到证明）00000000

18、342434132412131204SSSSSSSSS定向耦合器P1P2P3P41234定向耦合器是一种具有定定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件向传输特性的四端口元件端口是输入端口端口是输入端口， 端口是直通输出端口端口是直通输出端口， 端口是端口是耦合输出端口耦合输出端口， 端口是隔离端口端口是隔离端口。四端口网络可以同时具有互易、无耗及完全匹配的特性。四端口网络可以同时具有互易、无耗及完全匹配的特性。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) )：定向性定向性( (表明耦合线上耦合端口与隔离端口之间的关系表明耦合线上耦合端口与隔离端口之间

19、的关系):耦合度耦合度( (表明输入与耦合之间的关系表明输入与耦合之间的关系) ) : :此三参数有如下关系此三参数有如下关系：工作带宽工作带宽：指定向耦合器的指定向耦合器的C、I、D、r r 等参数均满等参数均满足要求时的工作频率范围足要求时的工作频率范围。输入驻波比输入驻波比( (端口端口均接匹配负载时输入端口均接匹配负载时输入端口的驻波比定义为输入驻波比的驻波比定义为输入驻波比) :) :理想的定向耦合器：理想的定向耦合器：具有具有无限大的定向无限大的定向性性和和隔离度隔离度（S S1414=0=0），），S S3131和和S S3232则可根则可根据给定的据给定的耦合度耦合度C C求得

20、求得。公共宽臂（或窄臂）上相距公共宽臂（或窄臂）上相距 的双孔耦合器。如图的双孔耦合器。如图。4/0g设电磁波由端口输入，大部分波向端口传输，一部分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。由于两孔相距波通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距 ，结，结果在端口方向的波相位同相而增强，在端口方向则因果在端口方向的波相位同相而增强，在端口方向则因相位反相而相互抵消相位反相而相互抵消。4/0g注意：在端口方向注意：在端口方向波的抵消是与频率有波的抵消是与频率有关的，故其定向性是关的，故其定向性是频率的敏感函数；而频率的敏感函数；而耦合度则受频率的影耦合度则受频率的影响

21、较小响较小。双分支定向耦合器是双分支定向耦合器是由主线、副线和两条由主线、副线和两条分支线组成分支线组成。3)3)双分支定向耦合器双分支定向耦合器其特性是当所有端口匹配时，由端口其特性是当所有端口匹配时，由端口输入的功率输入的功率：直通臂：一路经直通臂：一路经 g/4/4、另一路经另一路经3 3 g/4/4（不幅度反相）在口（不幅度反相）在口相减输出相减输出, ,输出相位比口输入的相位滞后输出相位比口输入的相位滞后p p/2, /2, 耦合臂：一路经耦合臂：一路经2 2 g/4/4、另一路经另一路经2 2 g/4/4（等幅同相）在口输（等幅同相）在口输出，输出相位比口输入的相位滞后出，输出相位

22、比口输入的相位滞后p p, ,隔离口：一路经隔离口：一路经 g/4/4、另一路经另一路经3 3 g/4/4（等幅反相）在口输（等幅反相）在口输出，无输出出，无输出。微带双分支定向耦合器微带双分支定向耦合器正交混合电桥正交混合电桥一种一种直通臂直通臂和和耦合臂耦合臂输输出功率平分并有出功率平分并有9090相位差相位差的的3dB3dB定向耦合器定向耦合器。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，其任一端口都可作输入端口，两输出端口总是在与输口，两输出端口总是在与输入端口相反的一边入端口相反的一边。 01000111002010jjSjj轾-犏

23、犏-犏=犏-犏犏-犏臌由端口输入的功率由端口输入的功率：端口匹配无反射端口匹配无反射；直通臂输出功率为一半，相位滞后直通臂输出功率为一半，相位滞后p p/2/2；耦合臂输出功率为一半，相位滞后耦合臂输出功率为一半，相位滞后p p；隔离口无输出隔离口无输出。110S=2112Sj= -3112S-=410S=1.51.5混合环路的带宽受环形混合环路的带宽受环形长度的限制，约为长度的限制，约为20-30%20-30%，增加带宽的办法是采用对称增加带宽的办法是采用对称的的11混合环混合环。混合环各支路特性阻抗为混合环各支路特性阻抗为Z Z0 0，02Z根据根据/4/4变换性可知，环行线变换性可知，环

24、行线的特性阻抗应为的特性阻抗应为 。 当用作功率合成器时，输入信号当用作功率合成器时，输入信号分别加于端口和，则在端口分别加于端口和，则在端口输出输出和信号（和端口）和信号（和端口），在端，在端口输出口输出差信号（差端口差信号（差端口）。 信号由端口输入时，端口信号由端口输入时，端口和为和为等幅同相等幅同相输出，端输出，端口无输出（隔离端口）；口无输出（隔离端口）； 若信号由端口输入，则由若信号由端口输入，则由端口和端口和等幅反相等幅反相输出，输出，端口无输出端口无输出。返回波导魔波导魔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

25、片或小锥体）构成膜片或小锥体）构成。 四个端口完全匹配四个端口完全匹配； 不仅不仅E E臂和臂和H H臂相互隔臂相互隔离，而且两侧臂也相离，而且两侧臂也相互隔离互隔离； 进入一侧臂的信号，将进入一侧臂的信号，将由由E E臂和臂和H H臂等分输出，臂等分输出，而不进入另一臂；而不进入另一臂；魔魔T T具有如下特性具有如下特性：E臂臂H臂臂 进入进入E E臂的信号，将由两臂的信号，将由两侧臂等幅反相输出，而侧臂等幅反相输出，而不进入不进入H H臂臂； 若两臂同时加入信号，若两臂同时加入信号，E E臂输出的信号等于两输入信臂输出的信号等于两输入信号相量差的号相量差的 倍；倍；H H臂输出的信号等于两

26、输入信号臂输出的信号等于两输入信号相量和的相量和的 倍倍。2/12/1 进入进入H H臂的信号，将由两臂的信号，将由两侧臂等幅同相输出，而侧臂等幅同相输出，而不进入不进入E E臂臂；故故E E臂称为差臂；臂称为差臂；H H臂称为和臂臂称为和臂。波导魔波导魔T T的的S S矩阵矩阵：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。8-18如图所示如图所示E-TE-T分支，其臂分支，其臂2 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