微波技術(shù)與天線課件

1、微波技術(shù)與天線課件多口元件多口元件Multi - Port Element多于雙端口的元件稱為多于雙端口的元件稱為“多端口多端口”。 上節(jié)課講的上節(jié)課講的S S參數(shù)對(duì)于雙端口很有效，它適用參數(shù)對(duì)于雙端口很有效，它適用于任何端口，于任何端口，沒有傳輸與非傳輸之分，也沒有哪沒有傳輸與非傳輸之分，也沒有哪個(gè)端口傳輸之分個(gè)端口傳輸之分。 多口網(wǎng)絡(luò)在微波工程中承擔(dān)多口網(wǎng)絡(luò)在微波工程中承擔(dān)分路分路( (功率分配功率分配) )、和差、環(huán)行、耦合和差、環(huán)行、耦合等等重要功能。等等重要功能。微波技術(shù)與天線課件l如圖：假設(shè)有如圖：假設(shè)有N個(gè)端口。我們大概就用這樣一個(gè)個(gè)端口。我們大概就用這樣一個(gè)S矩陣來分析多端口元

2、件。矩陣來分析多端口元件。多口元件多口元件1112111212222212nnnnnnnnsssabsssabsssab微波技術(shù)與天線課件 它的物理概念非常清楚，由入射進(jìn)去的激勵(lì)它的物理概念非常清楚，由入射進(jìn)去的激勵(lì)波波a1, a2 an， 通 過 網(wǎng) 絡(luò) ， 出 來 變 成， 通 過 網(wǎng) 絡(luò) ， 出 來 變 成b1,b2bn 。因此上面矩陣可以簡(jiǎn)化為。因此上面矩陣可以簡(jiǎn)化為Sa=b。注意可以見注意可以見s看成廣義的反射系數(shù)看成廣義的反射系數(shù)，a看成廣義的入射波看成廣義的入射波，b看成廣義反射波看成廣義反射波，它，它的物理概念就是入射波通過反射系數(shù)變成了反射的物理概念就是入射波通過反射系數(shù)變成

3、了反射波。波。多口元件多口元件微波技術(shù)與天線課件l多口元件就其功能來說主要分為四個(gè)功能，第多口元件就其功能來說主要分為四個(gè)功能，第一個(gè)功能我們叫做一個(gè)功能我們叫做分路（功率分配）、和差、分路（功率分配）、和差、環(huán)形、耦合環(huán)形、耦合等。等。多口元件多口元件微波技術(shù)與天線課件1、分路元件：、分路元件： （功率分配）（功率分配）多口元件多口元件分路元件：發(fā)射機(jī)出來，一分為二，再一分為二就分路元件：發(fā)射機(jī)出來，一分為二，再一分為二就變成四，再分就變成八。端口顯然多于兩個(gè)端口。變成四，再分就變成八。端口顯然多于兩個(gè)端口。微波技術(shù)與天線課件2、環(huán)行元件：、環(huán)行元件：多口元件多口元件環(huán)行：環(huán)行是三口網(wǎng)絡(luò)最典

4、型的器件。它可以從環(huán)行：環(huán)行是三口網(wǎng)絡(luò)最典型的器件。它可以從1 1端口到端口到2 2端口，從端口，從2 2端口到端口到3 3端口，這就構(gòu)成環(huán)行器端口，這就構(gòu)成環(huán)行器件。件。環(huán)行網(wǎng)絡(luò)也是多于兩個(gè)端口環(huán)行網(wǎng)絡(luò)也是多于兩個(gè)端口。微波技術(shù)與天線課件3、和差元件：、和差元件： 多口元件多口元件和差元件：它出來兩路，和差元件：它出來兩路，和和的和用的和用S S表示，表示，和和的差用的差用D D表示是。表示是。兩端進(jìn)去，兩端進(jìn)去，“和和”經(jīng)過一個(gè)支路，經(jīng)過一個(gè)支路，“差差”經(jīng)過另外一個(gè)支路經(jīng)過另外一個(gè)支路。在雷達(dá)里面比較常用。在雷達(dá)里面比較常用。微波技術(shù)與天線課件4、耦合元件：、耦合元件：多口元件多口元件耦

5、合：耦合：是主支路，它除了到下面一路外，還要是主支路，它除了到下面一路外，還要耦合到上面一個(gè)支路。耦合到上面一個(gè)支路。微波技術(shù)與天線課件復(fù)習(xí)雙端口網(wǎng)絡(luò)：復(fù)習(xí)雙端口網(wǎng)絡(luò)：【性質(zhì)】：【性質(zhì)】：l如果端口如果端口i和端口和端口j對(duì)稱，那么有對(duì)稱，那么有Sii=Sjjl如果網(wǎng)絡(luò)互易，則有如果網(wǎng)絡(luò)互易，則有Sij=Sjil如果網(wǎng)絡(luò)無耗，則如果網(wǎng)絡(luò)無耗，則S+S=I多口元件多口元件【定理】：【定理】：反射系數(shù)的網(wǎng)絡(luò)變換定理反射系數(shù)的網(wǎng)絡(luò)變換定理122111221LLinS SSS微波技術(shù)與天線課件對(duì)于雙口網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)概念要清楚：對(duì)于雙口網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)概念要清楚：【概念】【概念】1、什么叫、什么叫S11：2端口匹

6、配，端口匹配，1端口的反射系數(shù)。端口的反射系數(shù)。2、什么叫什么叫S21：2端口匹配，端口匹配，1端口向端口向2端口的傳輸端口的傳輸系數(shù)。系數(shù)。多口元件多口元件微波技術(shù)與天線課件一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì) 1. 1. 無耗互易網(wǎng)絡(luò)無耗互易網(wǎng)絡(luò) S + S = I 具體應(yīng)用互易條件有具體應(yīng)用互易條件有*111213111213*122223122223*132333132333100010001SSSSSSSSSSSSSSSSSS(16-1) 將上述矩陣展開后可分別得到兩組方程，我們將上述矩陣展開后可分別得到兩組方程，我們稱之為稱之為振幅條件和相位條件振幅條件和相位條件一、三口網(wǎng)

7、絡(luò)的一般性質(zhì)一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)微波技術(shù)與天線課件222111213222122223222132333|1|1|1SSSSSSSSS振幅條件(16-2)*111212221323*111312231333*12132223233300 0S SS SS SS SS SS SS SS SS S相位條件(16-3) 性質(zhì)性質(zhì)無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能同時(shí)匹配，即無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能同時(shí)匹配，即S11=S22=S33=0一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)微波技術(shù)與天線課件證明：反證法證明：反證法如果三個(gè)端口都匹配，那么如果三個(gè)端口都匹配，那么S矩陣矩陣可寫作：可寫作：一、三口網(wǎng)絡(luò)的一

8、般性質(zhì)一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)121312231323000SSSSSSS 假定假定S S1111= =S S2222= =S S3333=0,=0,可知可知*1112122213 231323*11122313331223*12 132223233312 1313000000SSSSS SSSSSS SSSSSS SSSSSS S微波技術(shù)與天線課件一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)假定假定S23=0，那么，那么S12和和S13至少有一個(gè)為零。假定至少有一個(gè)為零。假定S12=0帶入振幅條件：帶入振幅條件：222111213222122223222132333|1|1|1SSSSSSSS

9、S振幅條件 不滿足振幅條件，因此可證明無耗互易三端不滿足振幅條件，因此可證明無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)端口不可能同時(shí)匹配。除了三端口口網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)端口不可能同時(shí)匹配。除了三端口以外，二端口以上的網(wǎng)絡(luò)都可以全匹配。以外，二端口以上的網(wǎng)絡(luò)都可以全匹配。微波技術(shù)與天線課件典型的就是環(huán)形器典型的就是環(huán)形器,有兩種典型的理想矩陣對(duì)應(yīng)不同有兩種典型的理想矩陣對(duì)應(yīng)不同的環(huán)行器：的環(huán)行器：一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)2. 2. 無耗非互易三口網(wǎng)絡(luò)無耗非互易三口網(wǎng)絡(luò)無耗非互易網(wǎng)絡(luò)：無耗非互易網(wǎng)絡(luò)：S SijijSSjiji性質(zhì)性質(zhì)無耗非互易三口網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)端口可以完全匹配。無耗非互易三口網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)端口可以完全匹配。微波技術(shù)

10、與天線課件一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)微波技術(shù)與天線課件l【例【例1】用環(huán)行器做為隔離器用環(huán)行器做為隔離器，這是由于環(huán)行器，這是由于環(huán)行器可以做得非常小，而隔離器不行，因此通信中經(jīng)可以做得非常小，而隔離器不行，因此通信中經(jīng)常采用環(huán)行器做為隔離器適用。常采用環(huán)行器做為隔離器適用。l環(huán)形元件：由于環(huán)形元件：由于3對(duì)外接匹配負(fù)載，因此對(duì)外只對(duì)外接匹配負(fù)載，因此對(duì)外只有有1,2兩個(gè)口，如圖，兩個(gè)口，如圖，1到到2傳輸，構(gòu)成隔離器。傳輸，構(gòu)成隔離器。一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)微波技術(shù)與天線課件l分析：根據(jù)前面將的分析：根據(jù)前面將的S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)矩陣可知：參數(shù)網(wǎng)絡(luò)矩陣可知：l整理可得：整理可得：112233001100

11、010ababab入射波經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)形成散射波一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)132132bababa微波技術(shù)與天線課件3端口反射系數(shù)端口反射系數(shù)對(duì)于負(fù)載來說，對(duì)于負(fù)載來說，a3是反射波，是反射波，b3是入射波。是入射波。將三端口網(wǎng)絡(luò)等效成二端口網(wǎng)絡(luò)：將三端口網(wǎng)絡(luò)等效成二端口網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可知根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可知 ：b1 =a3，反射系數(shù)，反射系數(shù) ，以及，以及b3=a2 可得：可得：33Lab 一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)33Lab 13221LLbbaba 又由：微波技術(shù)與天線課件寫成矩陣形式：寫成矩陣形式：這是三端口接負(fù)載以后對(duì)外兩端口的矩陣。這是三端口接負(fù)載以后對(duì)外兩端口的矩陣。 根據(jù)根據(jù) 表示端口表示端

12、口2向端口向端口1的傳輸，的傳輸， 因因此，表示端口此，表示端口2向端口向端口1幾乎沒有傳輸，幾乎沒有傳輸，S21=1而表示而表示1端到端到2端幾乎全部傳輸端幾乎全部傳輸。因此它是個(gè)非常好的隔離器，。因此它是個(gè)非常好的隔離器，如果放在發(fā)射機(jī)或接收機(jī)前面會(huì)起到一個(gè)很好的保護(hù)如果放在發(fā)射機(jī)或接收機(jī)前面會(huì)起到一個(gè)很好的保護(hù)作用。作用。 11111212221222010LbaSSabaSSa一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)12LS 0L 微波技術(shù)與天線課件【例【例2】分路、和差元件（也是重點(diǎn)內(nèi)容，經(jīng)常用到）。】分路、和差元件（也是重點(diǎn)內(nèi)容，經(jīng)常用到）。第一種：第一種：E面面T接在寬面上接在寬面上（串聯(lián)）。（串

13、聯(lián)）。一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)微波技術(shù)與天線課件第二種：第二種：H面面T接在窄面上（并聯(lián)）接在窄面上（并聯(lián)）一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)微波技術(shù)與天線課件二、三口元件1. 1. E E面面T T和和H H面面T T分路元件分路元件3221133442E E面面T TH H面面T T串接元件并接元件端輸入，端輸入，和和端功率平分，端功率平分，相位相反。相位相反。用于和差：用于和差：和和同相等幅輸入同相等幅輸入，端無輸出；端無輸出；和和反相等幅輸反相等幅輸入，入，端輸出最大。端輸出最大。端輸入，端輸入，和和端功率平分相位端功率平分相位相同。相同。用于和差：用于和差：和和端同相等幅輸入端同相等幅輸入，端輸出

14、最大；端輸出最大；和和端反相等端反相等幅輸入，幅輸入，端無輸出。端無輸出。微波技術(shù)與天線課件二、三口元件2. 2. 鐵氧體環(huán)行器鐵氧體環(huán)行器環(huán)行元件環(huán)行元件321001 100010S 例例1 1 理想環(huán)行器端口理想環(huán)行器端口接匹配負(fù)載接匹配負(fù)載 ，即可構(gòu)，即可構(gòu)成二端口隔離器。成二端口隔離器。Lo微波技術(shù)與天線課件二、三口元件 解解 由由S S參數(shù)定義寫出參數(shù)定義寫出132132bababa而而 ，計(jì)及這一條件即可導(dǎo)得，計(jì)及這一條件即可導(dǎo)得寫出雙口網(wǎng)絡(luò)的寫出雙口網(wǎng)絡(luò)的S S矩陣矩陣33/Lab 13221LLbbaba 1122010Lbaba(20-5) 只要只要 L L很小，即可得到典型

15、的隔離器。很小，即可得到典型的隔離器。微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)1. 1. 定向耦合網(wǎng)絡(luò)定向耦合網(wǎng)絡(luò) 定向耦合網(wǎng)絡(luò)是一種常用的四端口網(wǎng)絡(luò)，它一般定向耦合網(wǎng)絡(luò)是一種常用的四端口網(wǎng)絡(luò)，它一般規(guī)定規(guī)定, ,是無耗互易網(wǎng)絡(luò)是無耗互易網(wǎng)絡(luò), ,每對(duì)端口相互隔離每對(duì)端口相互隔離: :12340SS(20-6)其中一對(duì)匹配其中一對(duì)匹配:11220SS(20-7)符合上述條件的即可稱為定向耦合器，其符合上述條件的即可稱為定向耦合器，其S S矩陣是矩陣是 微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)131423241323331424440000 00SSSSSSSSSSS4321圖圖 20-3 20

16、-3 定向耦合器定向耦合器 根據(jù)么正性又寫出根據(jù)么正性又寫出微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)221314222324222132333222142444|1|1|1|1SSSSSSSSSS(20-9)要滿足上式當(dāng)且僅當(dāng)要滿足上式當(dāng)且僅當(dāng)|S33|=|S44|=0(20-10)13241423| | |SSSS(20-11)微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)從相位關(guān)系得到的方程是從相位關(guān)系得到的方程是*13231424*1314232400S SS SS SS S (20-12)若選擇若選擇適當(dāng)適當(dāng)?shù)膮⒖济媸沟膮⒖济媸筍13=S24=a(20-13)是實(shí)數(shù)，則是實(shí)數(shù)，則14Sj(2

17、0-14)微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)而從上面方程能給出而從上面方程能給出2314SSj這樣這樣S S矩陣是矩陣是0000 0000ajjaSajja 也就是說，理想的定向耦合器，主路和副路相位差也就是說，理想的定向耦合器，主路和副路相位差9090，也稱為，也稱為9090定向耦合器。定向耦合器。微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì) 2. 2. 對(duì)稱定向耦合器網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱定向耦合器網(wǎng)絡(luò) 我們研究一種四端全對(duì)稱的定向耦合器網(wǎng)絡(luò)，有我們研究一種四端全對(duì)稱的定向耦合器網(wǎng)絡(luò)，有條件條件11223344122134431331244214412332

18、SSSSSSSSSSSSSSSS(20-17)于是，散射矩陣成為于是，散射矩陣成為11121314121114131314111214131211 SSSSSSSSSSSSSSSSS(20-18)微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)且由無耗的么正性條件寫出且由無耗的么正性條件寫出222211121314*1112121113141413*1113121413111412*1114121313121411|1000SSSSS SS SS SS SS SS SS SS SS SS SS SS S(20-19) 把方程把方程(20-19)(20-19)重新排列重新排列*11

19、131214111412131311141212131411()()()()S SS SS SS SS SS SS SS S微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)進(jìn)一步可簡(jiǎn)化為進(jìn)一步可簡(jiǎn)化為22*22*111213141314131411121112(| )()(| )()SSS SS SSSS SS S 現(xiàn)在我們討論一種比較接近實(shí)際的情況，即端口現(xiàn)在我們討論一種比較接近實(shí)際的情況，即端口和端口和端口理想隔離理想隔離S120(20-20) 則可得到則可得到222111324*13141413*11141411*111414112*1113141314|1000| ()0

20、SSSS SS SS SS SS SS SSS SS S(20-21)微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì) 對(duì)于實(shí)際的定向耦合器，對(duì)于實(shí)際的定向耦合器，S S1313=0=0和和S S1414=0=0是我們所不是我們所不希望的，將它們排除在討論之外，那么，要滿足式希望的，將它們排除在討論之外，那么，要滿足式(20-21)(20-21)當(dāng)且僅當(dāng)當(dāng)且僅當(dāng)S11=0(20-22)且方程且方程(20-21)(20-21)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為進(jìn)一步簡(jiǎn)化為221314*13141413|10SSS SS S(20-23)由此可得到由此可得到34cos()0(20-24)微波技術(shù)與天線課件

21、三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)或者說或者說3490(20-25)從對(duì)稱定向耦合器中我們可以得到十分重要的性質(zhì)：從對(duì)稱定向耦合器中我們可以得到十分重要的性質(zhì)： 定向耦合器的端對(duì)隔離和端口固有反射密切相關(guān)；定向耦合器的端對(duì)隔離和端口固有反射密切相關(guān)； 定向耦合器的主副路相差也和端對(duì)隔離密切相關(guān)；定向耦合器的主副路相差也和端對(duì)隔離密切相關(guān)； 因此，在工程中常常采用考察輸入反射和路間相因此，在工程中常常采用考察輸入反射和路間相差來別斷這類定向耦合的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。差來別斷這類定向耦合的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。3. 3 dB3. 3 dB橋網(wǎng)絡(luò)橋網(wǎng)絡(luò) 我們把主副路功率相等的稱之為我們把主副路功率相等的稱之為3

22、dB3dB網(wǎng)絡(luò)，重新寫出網(wǎng)絡(luò)，重新寫出22*22*111213141314131411121112(| )()(| )()SSS SS SSSS SS S微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)也即也即221112131434221314111212(| )|sin()(| )|sin()SSSSSSSS(20-26)對(duì)于理想的對(duì)于理想的 3 dB 3 dB 電橋電橋13141| |22SS(20-27)代入上式可知代入上式可知|S11|S12|(20-28)另一方面，由另一方面，由*11121211131414130S SS SS SS S微波技術(shù)與天線課件又可得到又可得到三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般

23、性質(zhì)111212131434|cos() |cos()0SSSS111234121314|cos()|cos()| 0|SSSS(20-29)(20-30)考慮最壞可能性，即考慮最壞可能性，即 1 1= = 2 212103412|cos()| 2|210S(20-31) 其中，其中，I I是隔離度，定義為是隔離度，定義為 ，式，式(20-31)(20-31)可可由相差確定隔度離。由相差確定隔度離。212110log|IS微波技術(shù)與天線課件三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)()34901234圖圖 20-4 20-4 隔離度隔離度I I與相差關(guān)系與相差關(guān)系微波技術(shù)與天線課件四、定向耦合器 1. 1. 典型的定向耦合器是四口網(wǎng)絡(luò)，典型的定向耦合器是四口網(wǎng)絡(luò)，- -是主波是主波導(dǎo)，導(dǎo)，- -是副波導(dǎo)，主副波導(dǎo)之是副波導(dǎo)，主副波導(dǎo)之12a-a+34圖圖 20-5 20-5 孔陣定向耦合器孔陣定向耦合器間采用孔耦合。間采用孔耦合。 2. 2. 孔陣定向耦合器孔陣定向耦合器為了加強(qiáng)定向性和耦合度，一般均采用多孔排陣為了加強(qiáng)定向性和耦合度，一般均采用多孔排陣微波技術(shù)與天線課件四、定向耦合器443322211波導(dǎo)定向耦