微波技術(shù)與天線課件

微波技術(shù)與天線課件第一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二如圖：假設(shè)有N個(gè)端口。我們大概就用這樣一個(gè)S矩陣來(lái)分析多端口元件。多口元件第二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二它的物理概念非常清楚，由入射進(jìn)去的激勵(lì)波a1,a2……an，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，出來(lái)變成b1,b2……bn。因此上面矩陣可以簡(jiǎn)化為[S][a]=[b]。注意可以見[s]看成廣義的反射系數(shù)，[a]看成廣義的入射波，[b]看成廣義反射波，它的物理概念就是入射波通過(guò)反射系數(shù)變成了反射波。多口元件第三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二多口元件就其功能來(lái)說(shuō)主要分為四個(gè)功能，第一個(gè)功能我們叫做分路（功率分配）、和差、環(huán)形、耦合等。多口元件第四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二1、分路元件：（功率分配）多口元件分路元件：發(fā)射機(jī)出來(lái)，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。第五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、環(huán)行元件：多口元件環(huán)行：環(huán)行是三口網(wǎng)絡(luò)最典型的器件。它可以從1端口到2端口，從2端口到3端口，這就構(gòu)成環(huán)行器件。環(huán)行網(wǎng)絡(luò)也是多于兩個(gè)端口。第六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、和差元件：

多口元件和差元件：它出來(lái)兩路，①和②的和用S表示，①和②的差用D表示是。兩端進(jìn)去，“和”經(jīng)過(guò)一個(gè)支路，“差”經(jīng)過(guò)另外一個(gè)支路。在雷達(dá)里面比較常用。第七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二4、耦合元件：多口元件耦合：①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。第八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二復(fù)習(xí)雙端口網(wǎng)絡(luò)：【性質(zhì)】：如果端口i和端口j對(duì)稱，那么有Sii=Sjj如果網(wǎng)絡(luò)互易，則有Sij=Sji如果網(wǎng)絡(luò)無(wú)耗，則[S]+[S]=I多口元件【定理】：反射系數(shù)的網(wǎng)絡(luò)變換定理★第九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二對(duì)于雙口網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)概念要清楚：【概念】1、什么叫S11：2端口匹配，1端口的反射系數(shù)。2、什么叫S21：2端口匹配，1端口向2端口的傳輸系數(shù)。多口元件第十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)

1.無(wú)耗互易網(wǎng)絡(luò)[S]+[S]=[I]具體應(yīng)用互易條件有(16-1)將上述矩陣展開后可分別得到兩組方程，我們稱之為振幅條件和相位條件一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二(16-2)(16-3)[性質(zhì)］無(wú)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)第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二證明：反證法—如果三個(gè)端口都匹配，那么S矩陣可寫作：一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)假定S11=S22=S33=0,可知

第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)假定S23=0，那么S12和S13至少有一個(gè)為零。假定S12=0帶入振幅條件：不滿足振幅條件，因此可證明無(wú)耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)端口不可能同時(shí)匹配。除了三端口以外，二端口以上的網(wǎng)絡(luò)都可以全匹配。

第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二典型的就是環(huán)形器,有兩種典型的理想矩陣對(duì)應(yīng)不同的環(huán)行器：

一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)

2.無(wú)耗非互易三口網(wǎng)絡(luò)無(wú)耗非互易網(wǎng)絡(luò)：Sij≠Sji［性質(zhì)］無(wú)耗非互易三口網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)端口可以完全匹配。第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二【例1】用環(huán)行器做為隔離器，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)常采用環(huán)行器做為隔離器適用。環(huán)形元件：由于3對(duì)外接匹配負(fù)載，因此對(duì)外只有1,2兩個(gè)口，如圖，1到2傳輸，構(gòu)成隔離器。一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二分析：根據(jù)前面將的S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)矩陣可知：整理可得：①一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二②3端口反射系數(shù)對(duì)于負(fù)載來(lái)說(shuō)，a3是反射波，b3是入射波。③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：b1=a3，反射系數(shù)，以及b3=a2可得：一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二寫成矩陣形式：這是三端口接負(fù)載以后對(duì)外兩端口的矩陣。根據(jù)表示端口2向端口1的傳輸，因此，表示端口2向端口1幾乎沒(méi)有傳輸，S21=1而表示1端到2端幾乎全部傳輸。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)作用。一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二【例2】分路、和差元件（也是重點(diǎn)內(nèi)容，經(jīng)常用到）。第一種：E面T—接在寬面上（串聯(lián)）。一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二種：H面T接在窄面上（并聯(lián)）一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、三口元件1.E面T和H面T—分路元件E面TH面T串接元件并接元件①端輸入，②和③端功率平分，相位相反。用于和差：②和③同相等幅輸入，①端無(wú)輸出；②和③反相等幅輸入，①端輸出最大。④端輸入，②和③端功率平分相位相同。用于和差：②和③端同相等幅輸入，④端輸出最大；②和③端反相等幅輸入，④端無(wú)輸出。第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、三口元件

2.鐵氧體環(huán)行器——環(huán)行元件理想s矩陣

[例1]理想環(huán)行器端口③接匹配負(fù)載，即可構(gòu)成二端口隔離器。第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、三口元件[解]由［S］參數(shù)定義寫出而，計(jì)及這一條件即可導(dǎo)得寫出雙口網(wǎng)絡(luò)的［S］矩陣

(20-5)

只要L很小，即可得到典型的隔離器。第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)

1.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)，它一般規(guī)定,是無(wú)耗互易網(wǎng)絡(luò),每對(duì)端口相互隔離:(20-6)

其中一對(duì)匹配:

(20-7)符合上述條件的即可稱為定向耦合器，其［S］矩陣是第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)圖20-3定向耦合器根據(jù)么正性又寫出第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)(20-9)要滿足上式當(dāng)且僅當(dāng)|S33|=|S44|=0

(20-10)(20-11)第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)從相位關(guān)系得到的方程是

(20-12)若選擇適當(dāng)?shù)膮⒖济媸筍13=S24=a

(20-13)是實(shí)數(shù)，則(20-14)第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)而從上面方程能給出這樣［S］矩陣是也就是說(shuō)，理想的定向耦合器，主路和副路相位差90°，也稱為90°定向耦合器。第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)2.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)，有條件(20-17)于是，散射矩陣成為

(20-18)第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)且由無(wú)耗的么正性條件寫出(20-19)

把方程(20-19)重新排列第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)進(jìn)一步可簡(jiǎn)化為現(xiàn)在我們討論一種比較接近實(shí)際的情況，即端口①和端口②理想隔離S12＝0

(20-20)

則可得到

(20-21)第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)對(duì)于實(shí)際的定向耦合器，S13=0和S14=0是我們所不希望的，將它們排除在討論之外，那么，要滿足式(20-21)當(dāng)且僅當(dāng)S11=0

(20-22)且方程(20-21)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(20-23)由此可得到(20-24)第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)或者說(shuō)(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)：

·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)；

·因此，在工程中常常采用考察輸入反射和路間相差來(lái)別斷這類定向耦合的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。

3.3dB橋網(wǎng)絡(luò)我們把主副路功率相等的稱之為3dB網(wǎng)絡(luò)，重新寫出第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)也即

(20-26)對(duì)于理想的3dB電橋

(20-27)代入上式可知|S11|≈|S12|

(20-28)另一方面，由第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二又可得到三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)

(20-29)

(20-30)考慮最壞可能性，即1=2

(20-31)其中，I是隔離度，定義為，式(20-31)可由相差確定隔度離。

第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)

圖20-4隔離度I與相差關(guān)系第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、定向耦合器1.典型的定向耦合器是四口網(wǎng)絡(luò)，①-④是主波導(dǎo)，②-③是副波導(dǎo)，主副波導(dǎo)之圖20-5孔陣定向耦合器間采用孔耦合。2.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第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、定向耦合器波導(dǎo)定向耦合器(1)耦合度(2)定向性一般耦合度20dB,10dB,6dB,3dB一般定向性30～40dB愈大愈好。第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、定向耦合器若N個(gè)孔完全相同

(20-32)

(20-33)于是耦合度

(20-34)第四十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、定向耦合器其中，CS是單孔耦合度。定向性其中DS表示單孔定向