微波技術微波技術第五章(3)課件

1、一、無耗互易四端口網(wǎng)絡的基本性質(zhì) 性質(zhì)1 無耗可逆四端口網(wǎng)絡可以完全匹配，且為一理想定向耦合器。 性質(zhì)2 有理想定向性的無耗可逆四端口網(wǎng)絡不一定四個端口均匹配，故四個端口都匹配是理想定向耦合器的充分條件，而不是必要條件。 性質(zhì)3 有兩個端口匹配且互相隔離的無耗可逆四端口電路必為一個理想定向耦合器。 以上性質(zhì)可由無耗可逆四端口網(wǎng)絡S 矩陣的幺正性得到證明，(詳見P174177); 也可以從后面將要分析的雙T、魔T和定向耦合器的特性得到驗證。第四節(jié) 四端口元件1. 雙T 接頭二、雙T 和魔 T雙T接頭由具有共同分支對稱面的E-T和H-T接頭組合而構成。雙 T 接 頭H臂E臂通常, 稱 E臂為 臂,

2、 H 臂為臂； 、臂又稱平分臂或側臂， 、又稱隔離臂。 根據(jù)E-T、H-T接頭的特性可得雙T接頭的特性： 2) 當、端口接匹配負載時, 從口(H臂)輸入的功率將由、口(側臂)同相等分輸出, 而不進入口(E臂)。即 1) 當、端口接匹配負載時, 從口( E臂 )輸入的功率將由、口(側臂)反相等分輸出，而不進入口(H臂)。即s13= s23 ，s43= 0。圖5-26 雙 T 接 頭a) 結構 b) 原理圖a)b) 3) 如果 (E臂)、(H臂)均接匹配負載, 當信號由、口(側臂)等幅同相輸入時，則功率進入口(H臂)而不進入口(E臂)；當信號由、口(側臂)等幅反相輸入時, 則功率進入口(E臂)而不

3、進入口(H臂)。s14 = s24 , s34 = 0 。可見，、臂互為平分，、臂互為隔離。 根據(jù)雙T的結構 ( 互易 si j = sj i , 、對稱 s11 = s22 )、 特性 ( s13= s23 ， s43 = 0 ； s14= s24 ， s34 = 0 ) 可得雙T 的散射矩陣為雙T可作為調(diào)配器，雙T調(diào)配器在E臂和H臂接短路活塞即為雙T調(diào)配器。 待匹配負載接在 臂，適當調(diào)節(jié)兩個短路活塞，可使端口達到匹配。 雙T 接頭即使各臂都接匹配負載，但由于聯(lián)接處的結構突變，在接頭處仍不能達到匹配。2. 魔 T 魔T有非常有趣而又可貴的特性。 這種經(jīng)匹配后的雙T稱為魔T (又稱匹配雙T接頭

4、)。 為得到理想的雙T 特性，通常在保證雙T 的 、 口結構對稱的前提下，在接頭處加入匹配元件 ( 如螺釘、膜片或錐體等電抗元件)來消除反射, 使E、H臂達到匹配。(E)(H)(H)(E)圖5-27 魔 T 接 頭a ) 用金屬圓桿和膜片匹配 b ) 用金屬圓錐體和圓桿匹配 金屬圓桿 對稱面 膜片 a ) b )魔 T (匹配雙T 接頭) 在雙T內(nèi)對稱面上加匹配元件, 使E、H臂同時得到匹配, 則、端口將自動獲得匹配。即魔T的四個端口是全匹配的。證明得魔T無耗互易，有 S*S=I，由式(5-62) 得(3*,3)(4*,4)(3*,1)(4*,1)解得亦即、端口自動獲得匹配。 匹配元件 E、H

5、臂匹配，有s33 = s44 = 0 , 代入式 (5-61)得魔T的散射矩陣為1) 全匹配性2) 對口隔離性 適當選取參考面, 使 s34 = s43 = 0 ，即E、H臂相互隔離, 由結構嚴格對稱的雙T獲得；可見, 魔T 除具有雙T的特性外, 還具有非常有趣、可貴特性:s33 = s44 = 0 (調(diào)配) s11 = s22 = 0 (自動匹配 ) 。 又s12 =s21 = 0，側臂、之間也是相互隔離的，這是由、口的匹配來保證的。3) 均分性當輸出端口均接匹配負載時，有 由E臂(口) 輸入的功率, 反相等分從、端口輸出, 不進入H臂； 由H臂(口) 輸入的功率, 同相等分從、端口輸出,

6、不進入E臂； 由 端口輸入的功率, 同相等分從E 、H臂輸出, 不進入端口； 由 端口輸入的功率, 反相等分從E 、 H臂輸出, 不進入端口。而且相鄰兩口有3dB的耦合度 綜上所述，魔T是全匹配的、對口相互隔離的、相鄰兩口有 3 dB 耦合度的理想定向耦合器。 魔T 在微波技術中有著廣泛的應用, 可用以組成微波阻抗電橋、平衡混頻器、和差器、平衡天線收發(fā)開關、相移器等。 微波阻抗電橋用來測量微波阻抗, 其結構如圖示。 信號由端口輸入, 將向、口傳送等幅同相波。如果調(diào)整標準負載使之與被測負載的阻抗相等， 則兩個負載反射回來的波亦保持等幅同相；信號由魔T的端口(H臂)輸入，口接標準負載，其阻抗值可調(diào)

7、； 口接被測負載，口(E臂)接指示器。應保證、對稱，即兩個負載與魔T的對稱平面等距。工作原理： 由魔T的特性可知, 這兩路反射波將不進入口, 因而 口的指示為零。 若二負載不等, 則反射波的相位、振幅必不等, 口上將有指示。 這時, 可調(diào)整標準負載直至指示為零，則標準負載上的讀數(shù)即為被測負載的阻抗值。標準負載被測負載指示器信號源魔T用作阻抗電橋3. 魔T應用舉例(1)微波阻抗電橋(2)平衡天線收發(fā)開關 微波通訊及雷達系統(tǒng)中，接受機與發(fā)射機共用一副天線，這就必須解決大功率的發(fā)射機不干擾高靈敏度接收機工作的問題。因而需要收、發(fā)轉(zhuǎn)換裝置 天線收發(fā)開關。這里介紹由兩個魔T組成的平衡式天線收、發(fā)開關，如

8、圖示。 所用的兩個魔T I、II 的平分臂、相互連接， 在兩個連接支路中各放一個氣體放電器件，彼此相距l(xiāng)g /4。 在魔T I 的臂(H臂)中的發(fā)射機發(fā)射時, 大功率使氣體放電器件擊穿形成短路, 其功率由兩個支路反射回來。 反射回來的波有l(wèi)g /2 的相位差, 故成等幅反相波，因而進入口(E臂)由天線發(fā)射出去。 通過氣體放電器件漏入第二個魔T II 的功率, 由于等幅同相, 便進入H分支 (口) 由匹配負載吸收。接收時，由天線接收的回波信號經(jīng)由口(E臂)向、兩路送出等幅反相波，因功率小，氣體放電器件不會擊穿，可順利通過而到達魔T II 的、 臂； 由于這兩路波仍保持等幅反相，故而可以由口(E臂

9、) 輸出送至接收機。于是完成了收、發(fā)共用天線的作用。魔 T 用作天線轉(zhuǎn)換開關 圖5-25中所示的完全匹配的無耗互易四端口網(wǎng)絡為三種不同的、完全匹配的理想定向耦合器網(wǎng)絡, 散射矩陣(式(5-52)分別為：圖5-25 理想定向耦合器網(wǎng)絡的散射矩陣 a) S02 b) S03 c) S04 a)為雙向定向耦合器，b)為同向定向耦合器，c)為反向定向耦合器。三、定向耦合器 定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件，它是由耦合機構聯(lián)系在一起的兩對傳輸線構成的。( S 矩陣的推導見P174P175 )1. 理想定向耦合器網(wǎng)絡的散射矩陣通常采用同向定向耦合器( S03 )，如圖5-28所示。 圖中, 為

10、一條傳輸線, 稱為主線；為另一條傳輸線，稱為副線。耦合的形式多樣，如孔(或槽縫)耦合、分支波導、耦合線段等。 圖5-28 理想定向耦合器網(wǎng)絡 理想的定向耦合器應具有如下特點：當功率由主線的端口向端口傳輸時, 如果端口、 都接匹配負載, 則副線只有一個端口(如端口)有耦合輸出, 另一個端口 (如端口)無輸出。副線中功率傳輸?shù)姆较蛉Q于主線中波的傳輸方向與定向耦合器的結構。通常采用如圖5-28示的形式, 稱端口為輸入端, 端口為直通端, 端口為隔離端, 端口為耦合端。 圖5-28所示的同向定向耦合器的散射矩陣為 S03 ： 圖5-28 定向耦合器S03 由其幺正性可得(5-72a)為常數(shù), 且 。

11、得定向耦合器的散射矩陣為(5-72b)根據(jù)式(5-72)，選擇適當參考面，使得 |s14|= |s23|， |s12|= |s34| (12 + 34)-(14 + 23)= 2. 定向耦合器的技術指標實際應用的定向耦合器的性能指標是：由于P4o P1i , C 為負值；習慣上只稱它的絕對值。 定向耦合器在微波技術中有廣泛的應用，常用來監(jiān)視功率、頻率和頻譜；進行功率的分配和合成；測量功率和反射系數(shù)；構成雷達天線的收發(fā)開關、平衡混頻器和測量電橋等。 (1) 耦合度 C耦合度的分貝數(shù)越大，耦合越弱。 耦合度 C (又稱過渡衰減) 定義為副線耦合輸出功率P4o與主線輸入功率P1i 之比的分貝數(shù)，即

12、強耦合定向耦合器 中等耦合定向耦合器 弱耦合定向耦合器(2) 隔離度 I 有時用定向性D 反映定向耦合器隔離度的指標， D 定義為副線耦合輸出功率P4o 與隔離端的輸出功率P3o 之比的分貝數(shù) 隔離度 I 定義為主線輸入功率P1i 與副線隔離端的輸出功率P3o 之比的分貝數(shù)可見，定向性D 等于隔離度 I與耦合度C之差。D 越大，隔離端輸出功率越小，定向性越好。 在理想情況下隔離口的輸出功率P3o =0，即D = ，實用中常對定向性提出一個最小值 Dmin。(4) 工作頻帶寬度(3) 輸入駐波比 輸入駐波比是指端口、 、都接匹配負載時, 主線輸入端的駐波比 定向耦合器滿足上述三個指標時的工作頻率

13、范圍，簡稱工作帶寬。3. 波導型定向耦合器 定向耦合器的結構型式很多, 有波導型、同軸線型、微帶線型等。P181圖5-30為幾種波導型定向耦合器。 下面以雙孔定向耦合器為例, 介紹矩形波導定向耦合器的工作原理。 圖 5-30a) 為雙孔矩形波導定向耦合器，波導型定向耦合器(a)(b)(2)(3)圖5-30a)雙孔矩形波導定向耦合器 (2)窄臂雙孔耦合 (3)寬臂雙孔耦合 孔可開在公共寬壁上，也可開在公共窄壁上，孔的形狀、尺寸完全相同、兩孔相距為 lg /4 。 這種耦合器的定向耦合作用，是由兩孔耦合到副波導的波產(chǎn)生干涉的結果。 由于孔很小, 兩孔的形狀、大小又相同, 故經(jīng)第II 孔耦合到副波導向、口傳輸?shù)牟ǖ姆扰c第 I 孔的幾乎相等，只有e-jbd 的相移，于是由耦合孔向、口方向傳輸?shù)暮铣刹ǚ謩e為 如右圖所示，假如主、副波導尺寸相同，則1= 。設由端口輸入單位振幅的H10波, 在第 I 孔處向端口、 耦合波的幅度分別用a+、a- 表示。 a+、a-即為小孔的正、反向耦合系數(shù)(耦合場與入射場之比) 。 d = lg/4 1 e-jbdIIIa+a-a+e-jbda-e-jbd雙孔矩形波導定向耦合器原理圖1= 可見, 由兩孔耦合到副波導的波，在端口方向上同相相加，在端口方向上反相抵消而無輸出；得到了理