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文檔簡介

1、第三節(jié) 三端口元件 三端口元件在微波技術中常用作分路元件或功率分配器和合成器等。常用的有E T分支、 H T分支。由無耗網(wǎng)絡的幺正性(1+,1)(2+,2)一、無耗三端口網(wǎng)絡的性質(zhì)1. 無耗可逆(互易)三端口網(wǎng)絡不可能完全匹配。證明用反證法:假定無耗互易三端口網(wǎng)絡可完全匹配,則s11= s22 = s33 =0于是由式(5-24b1) 設(3+,3)(1+,2) 則由式(5-24a1) 得代入式(5-24a2), 應有與式(5-24a3) 相矛盾。同理,如在式(5-24b1) 中設同樣會導致矛盾。 因而,無耗可逆 ( 互易 ) 三端口網(wǎng)絡不可能完全匹配。如果無耗三端口網(wǎng)絡完全匹配,則網(wǎng)絡不可能

2、是互易的。證明 若要1、2口匹配,則此時的 S 矩陣應有形式為由無耗網(wǎng)絡的幺正性有(1+,1)(2+,2)(1+,2)得 實際上,此時網(wǎng)絡退化成全通的二端口網(wǎng)絡(相當于一段傳輸線)。 推論:對于無耗互易三端口網(wǎng)絡,若要1、2口匹配,則必須3口與網(wǎng)絡完全隔離,即s13= s23 =0。s13= s23 =0 證明 完全匹配的三端口網(wǎng)絡的 S 矩陣為滿足方程式(5-27)可有下列兩種情況:由無耗網(wǎng)絡的幺正性(1+,2)(1+,3)(2+,3)則(1+,1)(2+,2)(3+,3)或2. 任何完全匹配的無耗三端口網(wǎng)絡一定是非互易的。網(wǎng)絡非互易 滿足情況(1)、(2) 條件的S 矩陣表示的非可逆無耗三

3、端口元件稱為無耗完全匹配的理想三端口環(huán)行器。二者的區(qū)別只是端口間功率的流向不同。若將各個端口的參考面向外移動 li ( i =1,2,3),則選取參考面,使得 對應于情況(1)得于是得到情況(1) 條件下的 S 矩陣為123三端口環(huán)行器SR示意圖 s21=1表示由端口1輸入的功率完全傳輸?shù)蕉丝?, s31= 0表示由端口1輸入的功率不能傳輸?shù)蕉丝?。即得到情況(1)條件下的 S 矩陣(反旋)為123三端口環(huán)行器ST示意圖 s12=1表示由端口2輸入的功率完全傳輸?shù)蕉丝?, s13= 0表示由端口3輸入的功率不能傳輸?shù)蕉丝?。條件下的S 矩陣(正旋)為同樣可證明情況(2)環(huán) 行 器H-T 接 頭

4、E-T 接 頭 在微波系統(tǒng)中, 往往要將傳輸功率分成兩路或更多路, 或?qū)茁饭β屎铣梢宦?,以獲得最大功率。三端口分路 / 合成元件可用于完成這個任務。二、 三端口分路 / 合成元件 這里介紹波導的T接頭。常用的波導T接頭(又稱T形分支) 有ET分支、 HT分支。若分支寬面與TE10摸的電力線平行,稱為ET分支 (串聯(lián)分支); 若分支寬面與TE10摸的磁力線平行,稱為HT分支 (并聯(lián)分支 ) 。等效電路。這里不考慮分支區(qū)域中產(chǎn)生的高次模。 下面討論ET分支、 HT分支的基本特性和1. ET接頭 分支寬面與TE10摸的電場所在的平面平行, 即分支波導接在主波導的寬壁上。(1) ET接頭的工作特性

5、ET接頭的、對臂是幾何對稱的。設各端口波導中只有 H10 模傳輸,且各輸出端口接匹配負載。則ET接頭具有如下特性(見圖5-21 ): 2) 當信號由端口輸入時,端口、有同相輸出,如圖5-21b)所示。 3) 當信號由端口輸入時,端口、有等幅反相輸出,如圖5-21c) 所示。 4) 當信號由端口、同相輸入時, 在端口的對稱面上可得電場的駐波波腹,端口輸出最小, 為二者之差; 若由端口、輸入的信號既同相又等幅, 則端口輸出為零。如圖5-21d) 所示。 5) 當信號由端口、反相輸入時,在端口的對稱面上可得電場的駐波波節(jié),端口輸出最大, 為二者之和。如圖5-21e)所示。 1)當信號由端口輸入時,

6、端口、有同相輸出,如圖5-21a)所示。圖5-21 E-T 接頭的工作特性示意圖 (圖中為電力線)a) 端口輸入 b) 端口輸入 c) 端口輸入 d) 端口和同相輸入 e) 端口和反相輸入P3 由H10模波導管壁的縱向電流分布可知,E分支相當于串接在主波導上,如果在 E 分支中加一個可調(diào)的短路活塞,上下改變活塞的位置就可改變串接電抗的大小。E 分支中加短路活塞的E-T接頭( 圖 a) ) 及其等效電路(圖 b) )(2) E-T接頭的 S 矩陣E-T接頭的特性可用 S 矩陣來表示。互易: si j=sj i ( i , j=1, 2, 3; i j )、口對稱: s11=s22由口輸入時, 、

7、口等幅反相輸出: s13= - s23 故 分支波導的寬面與TE10 摸的磁場所在的平面平行, 即分支波導接在主波導的窄壁上。2. HT接頭 (1) HT接頭的工作特性 1) 當信號由端口輸入時, 端口、有同相輸出, 如右圖 b)所示。 2) 當信號由端口 輸入時, 端口 、有等幅同相輸出,如右圖 c) 所示。H-T 接頭及其工作特性示意圖 (圖中為電力線) a) H-T 接頭 b)端口輸入 c) 端口輸入 d) 端口和同相輸入 e) 端口和反相輸入 3) 當信號由端口、同相輸入時,端口 輸出最大, 為二者之和。對稱面處在電場駐波波腹點,如右圖 d) 所示。4) 當信號由端口、反相輸入時,端口

8、 輸出最小, 為二者之差;若由端口、輸入的信號既反相又等幅,則端口輸出為零。對稱面處在電場駐波波節(jié)點,如上圖 e) 所示。如果在 H 分支中加一個可調(diào)的短路活塞, 改變活塞的位置就可改變并接電抗的大小。 H-T接頭主波導寬壁電流被分支分流,因此H-T接頭的H臂相當于并接在主波導上。H 分支中加短路活塞的H-T接頭( 圖 a) )及其等效電路(圖 b) )a)b) ZC ZCjXH-T接頭的 S 矩陣與E-T接頭相似,不同之處在于s13=s23 。即(2) H-T接頭的 S 矩陣思考題: 1. 無耗互易三端口元件能否達到全匹配? 2. E-T接頭、 H-T接頭的工作特性是什么? 1. 已知終端匹

9、配的波導, 在其寬邊中央插入一螺釘, 測得該處反射系數(shù)的模為0.4, 求該螺釘?shù)臍w一化電納。下面,來看幾個二端口、三端口網(wǎng)絡的例題解 在終端匹配的波導寬邊中央插入一螺釘即在該處并聯(lián)一電納,該處的歸一化導納為該處的反射系數(shù)的模為得該螺釘?shù)臍w一化電納為為避免波導短路和擊穿,螺釘長小于四分之一波長,故為容性的。 2. 如圖示, 在矩形波導兩個寬邊相對位置上插入銷釘,插入深度為10mm;若波導內(nèi)僅傳輸頻率為6GHz的H10波時,試繪出其等效電路并計算當終端接匹配負載時,這對銷釘所產(chǎn)生的反射系數(shù)、引起的相移、插入衰減和電壓傳輸系數(shù)。若每個銷釘?shù)臍w一化電納為 j 1 時, 上述各量將等于多少?解銷釘為容性

10、,H10兩個銷釘?shù)刃椴⒙?lián)電納,總歸一化電納為兩銷釘?shù)牡刃щ娐菲滢D(zhuǎn)移矩陣為其散射矩陣為當終端接匹配負載時,這對銷釘所產(chǎn)生的反射系數(shù)為插入相移插入衰減電壓傳輸系數(shù)當時3. 某個網(wǎng)絡的散射矩陣形式為問此網(wǎng)絡有何特征?解n =3, 三端口網(wǎng)絡;sij= sji ( i, j =1,2,3), 互易網(wǎng)絡;s11= s22 , 一、二端口對稱;s33= 0 , 第三端口匹配。注意: (1) 網(wǎng)絡的 “某端口匹配” 與 “某端口接匹配負載”是兩個不同的概念。 i 端口匹配即 sii= 0 , 亦即當除第 i 口外各端口均接匹配負載時,bi = 0 ;i 端口接匹配負載, 即 ai = 0 。(2) sii與 Gi 通常是不相等的。如對于雙口網(wǎng)絡僅當除第 i 口外各端口均接匹配負

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