微波技术微波技术第五章(3)课件.ppt

1、一、无耗互易四端口网络的基本性质一、无耗互易四端口网络的基本性质 性质性质1 无耗可逆四端口网络可以完全匹配，且为一理想定向耦无耗可逆四端口网络可以完全匹配，且为一理想定向耦合器。合器。性质性质2 有理想定向性的无耗可逆四端口网络不一定四个端口均有理想定向性的无耗可逆四端口网络不一定四个端口均匹配，故四个端口都匹配是理想定向耦合器的充分条件，而不是必匹配，故四个端口都匹配是理想定向耦合器的充分条件，而不是必要条件。要条件。性质性质3 有两个端口匹配且互相隔离的无耗可逆四端口电路必为有两个端口匹配且互相隔离的无耗可逆四端口电路必为一个理想定向耦合器。一个理想定向耦合器。以上性质可由无耗可逆四端口

2、网络以上性质可由无耗可逆四端口网络S 矩阵的幺正性得到证明，矩阵的幺正性得到证明，(详见详见P174177);也可以从后面将要分析的双也可以从后面将要分析的双T、魔、魔T和定向耦合器和定向耦合器的特性得到验证。的特性得到验证。第四节第四节 四端口元件四端口元件1.双双T 接头接头二、双二、双T 和魔和魔 T双双T接头由具有共同分支对称面的接头由具有共同分支对称面的E-T和和H-T接头组合而构成。接头组合而构成。双双 T 接接 头头H臂臂E臂臂通常通常,称称 E臂为臂为 臂臂,H 臂为臂为臂臂；、臂又称平分臂或侧臂臂又称平分臂或侧臂，、又称隔离臂又称隔离臂。根据根据E-T、H-T接接头的特性可得

3、双头的特性可得双T接头接头的特性：的特性：2)当当、端口接匹配负载时端口接匹配负载时,从从口口(H臂臂)输入的功率将由输入的功率将由、口口(侧臂侧臂)同相等分输出同相等分输出,而不进入而不进入口口(E臂臂)。即。即 1)当当、端口接端口接匹配负载时匹配负载时,从从口口(E臂臂)输入的功率将由输入的功率将由、口口(侧臂侧臂)反相等分输出反相等分输出，而不进入而不进入口口(H臂臂)。即即s13=s23，s43=0。图图5-26 双双 T 接接 头头a)结构结构 b)原理图原理图a)b)3)如果如果(E臂臂)、(H臂臂)均接匹配负载均接匹配负载,当信号由当信号由、口口(侧臂侧臂)等幅同相输入时，则功

4、率进入等幅同相输入时，则功率进入口口(H臂臂)而不进入而不进入口口(E臂臂)；当信；当信号由号由、口口(侧臂侧臂)等幅反相输入时等幅反相输入时,则功率进入则功率进入口口(E臂臂)而不进入而不进入口口(H臂臂)。s14=s24,s34=0。可见，可见，、臂互为平分，臂互为平分，、臂互为隔离。臂互为隔离。)615(004414143313131413111214131211ssssssssssssssST双 根据双根据双T的结构的结构(互易互易 si j=sj i,、对称对称 s11=s22 )、特性特性(s13=s23，s43=0；s14=s24，s34=0)可得双可得双T 的散射矩阵为的散射矩

5、阵为双双T可作为调配器，可作为调配器，双双 T 调 配 器调 配 器在在E臂和臂和H臂接短路活塞即臂接短路活塞即为双为双T调配器。调配器。待匹配负载待匹配负载接在接在 臂，适当调节两个臂，适当调节两个短路活塞短路活塞，可使可使端口达到端口达到匹配。匹配。双双T 接头即使各臂都接匹配负载接头即使各臂都接匹配负载，但由于联接处的结构突变但由于联接处的结构突变，在接头处仍不能达到匹配。在接头处仍不能达到匹配。2.魔魔 T 魔魔T有非常有趣而有非常有趣而又可贵的特性。又可贵的特性。这种经匹这种经匹配后的双配后的双T称为称为魔魔T(又称匹配又称匹配双双T接头接头)。为得到理想的双为得到理想的双T 特性，

6、通常在保证特性，通常在保证双双T 的的、口结构对称的前提下，在口结构对称的前提下，在接头处加入匹配元件接头处加入匹配元件(如如螺钉、膜片或锥体等电抗元件螺钉、膜片或锥体等电抗元件)来消除反射来消除反射,使使E、H臂达到匹配。臂达到匹配。(E)(H)(H)(E)图图5-27 魔魔 T 接接 头头a)用金属圆杆和膜片匹配用金属圆杆和膜片匹配 b)用金属圆锥体和圆杆匹配用金属圆锥体和圆杆匹配 金属圆杆金属圆杆 对称面对称面 膜片膜片 a)b)魔魔 T (匹配双匹配双T 接头接头)在双在双T内对称面上加匹配元件内对称面上加匹配元件,使使E、H臂同时得到匹配臂同时得到匹配,则则、端口将自动获得匹配。即魔

7、端口将自动获得匹配。即魔T的四个端口是全匹配的。的四个端口是全匹配的。证明证明)615(004414143313131413111214131211ssssssssssssssST双)625(0000141413131413111214131211ssssssssssssS得得魔魔T无耗互易，有无耗互易，有 S*S=I，由，由式式(5-62)得得(3*,3),12213s(4*,4)12214s(3*,1)012*1311*13ssss(4*,1)012*1411*14ssss221413 ss解得解得01211 ss亦即亦即、端口自动获得匹配。端口自动获得匹配。匹配元件匹配元件 E、H臂匹配

8、，有臂匹配，有s33=s44=0,代入式代入式(5-61)01122ss22,014131413ss即即得魔得魔T的散射矩阵为的散射矩阵为1)全匹配性全匹配性)635(001100111100110022TS魔2)对口隔离性对口隔离性02212111413ssss 适当选取参考面适当选取参考面,使使 s34=s43=0，即即E、H臂相互隔离臂相互隔离,由结构严由结构严格对称的双格对称的双T获得；获得；可见可见,魔魔T 除具有双除具有双T的特性外的特性外,还具有非常有趣、可贵特性还具有非常有趣、可贵特性:s33=s44=0(调配调配)s11=s22=0 (自动匹配自动匹配)。又又s12=s21=

9、0，侧臂侧臂、之间也是之间也是相互隔离的，相互隔离的，这是由这是由、口的匹配来保证的。口的匹配来保证的。3)均分性均分性当输出端口均接匹配负载时，有当输出端口均接匹配负载时，有 由由E臂臂(口口)输入的功率输入的功率,反相等反相等分从分从、端口输出端口输出,不进入不进入H臂；臂；0,22432313sss 由由H臂臂(口口)输入的功率输入的功率,同相同相等分从等分从、端口输出端口输出,不进入不进入E臂；臂；由由 端口输入的功率端口输入的功率,同相等同相等分从分从E、H臂输出臂输出,不进入不进入端口；端口；)635(001100111100110022TS魔 由由 端口输入的功率端口输入的功率,

10、反相等反相等分从分从E、H臂输出臂输出,不进入不进入端口。端口。而且相邻两口有而且相邻两口有3dB的耦合度的耦合度222lg10C64)-(5dB322lg20 综上所述，综上所述，。魔魔T 在微波技术中有着广泛的应用在微波技术中有着广泛的应用,可用以组成微波阻抗电桥可用以组成微波阻抗电桥、平衡混频器、和差器、平衡天线收发开关、相移器等。平衡混频器、和差器、平衡天线收发开关、相移器等。0,22342414sss0,22214131sss0,22124232sss 微波阻抗电桥微波阻抗电桥用来测量微波阻抗用来测量微波阻抗,其结构如图示。其结构如图示。信号由信号由端口输入端口输入,将向将向、口传送

11、等幅同相波。如果口传送等幅同相波。如果调整标准负载使之与被测负载的阻抗相等，调整标准负载使之与被测负载的阻抗相等，则两个负载反射回来的波亦则两个负载反射回来的波亦保持等幅同相；保持等幅同相；信号由魔信号由魔T的的端口端口(H臂臂)输入，输入，口口接标准负载，其阻抗值可调；接标准负载，其阻抗值可调；口接口接被测负载，被测负载，口口(E臂臂)接指示器。应保接指示器。应保证证、对称，即两个负载与对称，即两个负载与魔魔T的对的对称平面等距。称平面等距。工作原理：工作原理：由由魔魔T的特性可知的特性可知,这两路反射波将不进入这两路反射波将不进入口口,因而因而 口的指示为零。口的指示为零。若二负载不等若二

12、负载不等,则反射波的相位、振幅必则反射波的相位、振幅必不等不等,口上将口上将有指示。有指示。这时这时,可调整标准负载直至指示为零，则标准负载上的读数即可调整标准负载直至指示为零，则标准负载上的读数即为被测负载的阻抗值。为被测负载的阻抗值。标准负载标准负载被测负载被测负载指示器指示器信号源信号源魔魔 T 用 作 阻 抗 电 桥用 作 阻 抗 电 桥3.魔魔T应用举例应用举例(1)微波阻抗电桥微波阻抗电桥(2)平衡天线收发开关平衡天线收发开关 微波通讯及雷达系统中，接受机与发射机共微波通讯及雷达系统中，接受机与发射机共用一副天线，这就必须解决大功率的发射机不干扰高灵敏度接收机工作用一副天线，这就必

13、须解决大功率的发射机不干扰高灵敏度接收机工作的问题。的问题。因而需要收、发转换装置因而需要收、发转换装置 天线天线收发开关。收发开关。这里介绍由两个魔这里介绍由两个魔T组成的平衡式天线收、发开关，如图示。组成的平衡式天线收、发开关，如图示。所用的两个魔所用的两个魔T I、II 的平分臂的平分臂、相互连接，相互连接，在两个连在两个连接支路中接支路中各放一个气体放电器件，各放一个气体放电器件，彼此相距彼此相距lg/4。在魔在魔T I 的的臂臂(H臂臂)中的发射机发射时中的发射机发射时,大功率大功率使使气体放电器件击穿形成短路气体放电器件击穿形成短路,其功其功率由两个支路反射回来。率由两个支路反射回

14、来。反射回来的波有反射回来的波有lg/2 的相位差的相位差,故成等幅反相故成等幅反相波，因而进入波，因而进入口口(E臂臂)由天线发射出去。由天线发射出去。通过气体放电器件漏入第二个通过气体放电器件漏入第二个魔魔T II 的功率的功率,由于等幅同相由于等幅同相,便进入便进入H分支分支(口口)由匹配负载吸收。由匹配负载吸收。接收时接收时，由天线接收的回波信号经由由天线接收的回波信号经由口口(E臂臂)向向、两路送出等幅反两路送出等幅反相波，因功率小相波，因功率小，气体放电器件不会击穿，可顺利通过而到达魔气体放电器件不会击穿，可顺利通过而到达魔T II 的的、臂；臂；由于这两路波仍保持等幅反相，故而可

15、以由由于这两路波仍保持等幅反相，故而可以由口口(E臂臂)输输出送至接收机。出送至接收机。于是完成了收、发共用天线的作用。于是完成了收、发共用天线的作用。魔魔 T 用作天线转换开关用作天线转换开关 图图5-25中所示的完全匹配的无耗互易四端口网络为三种不同中所示的完全匹配的无耗互易四端口网络为三种不同的、完全匹配的理想定向耦合器网络的、完全匹配的理想定向耦合器网络,散射矩阵散射矩阵(式式(5-52)分别为分别为：图图5-25 理想定向耦合器网络的散射矩阵理想定向耦合器网络的散射矩阵 a)S02 b)S03 c)S04,00000000241423132423141302ssssssssS,000

16、00000341434232312141203ssssssssS00000000342434132412131204ssssssssSa)为双向定向耦合器，为双向定向耦合器，b)为同向定向耦合器，为同向定向耦合器，c)为反向定向耦合器为反向定向耦合器。三、定向耦合器三、定向耦合器 定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件，它是由定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件，它是由耦合机构联系在一起的两对传输线构成的。耦合机构联系在一起的两对传输线构成的。(S 矩阵的推导见矩阵的推导见P174P175)1.理想定向耦合器网络的散射矩阵理想定向耦合器网络的散射矩阵通常采用同向定向耦合器通常采用

17、同向定向耦合器(S03 )，如图如图5-28所示。所示。图中图中,为一条传输为一条传输线线,称为主线；称为主线；为另一为另一条传输线，称为副线。条传输线，称为副线。耦合耦合的形式多样，如孔的形式多样，如孔(或槽缝或槽缝)耦合、分支波导、耦合线段耦合、分支波导、耦合线段等。等。图图5-28 理想定向耦合器网络理想定向耦合器网络 理想的定向耦合器应具有如下特点：当功率由主线的端口理想的定向耦合器应具有如下特点：当功率由主线的端口向向端口端口传输时传输时,如果端口如果端口、都接匹配负载都接匹配负载,则副线只则副线只有一个端口有一个端口(如端口如端口)有耦合输出有耦合输出,另一个端口另一个端口(如端口

18、如端口)无输出。无输出。副线中功率传输的方向取决于主线中波的传输方向与定向耦合器副线中功率传输的方向取决于主线中波的传输方向与定向耦合器的结构。通常采用如图的结构。通常采用如图5-28示的示的形式形式,称端口称端口为输入端为输入端,端口端口为直通端为直通端,端口端口为隔离端为隔离端,端口端口为耦合端。为耦合端。图图5-28所示的同向定向耦合器的散射矩阵所示的同向定向耦合器的散射矩阵为 S03 ：图图5-28 定向耦合器定向耦合器S03)525(00000000341434232312141203bssssssssS由其幺正性可得由其幺正性可得1|214212 ss034142312342314

19、12ssssssss(5-72a),13412Css。22314jCss为常数为常数,且且 。12221CC21CC、得定向耦合器的散射矩阵为得定向耦合器的散射矩阵为)745(00j0j00j0j0012122121CCCCCCCCS1|234223 ss1|223212 ss1|234214 ss(5-72b)根据式根据式(5-72)，选择适当参考面选择适当参考面，使得使得|s14|=|s23|，|s12|=|s34|(12+34)-(14+23)=2.定向耦合器的技术指标定向耦合器的技术指标实际应用的定向耦合器的性能指标是：实际应用的定向耦合器的性能指标是：ioPPC14lg10)695(

20、)dB(lg2041s2124lg10ab由于由于P4o P1i,C 为负值；习惯上只称它的绝对值。为负值；习惯上只称它的绝对值。定向耦合器在微波技术中有广泛的应用，常用来监视功率、定向耦合器在微波技术中有广泛的应用，常用来监视功率、频率和频谱；进行功率的分配和合成；测量功率和反射系数；构频率和频谱；进行功率的分配和合成；测量功率和反射系数；构成雷达天线的收发开关、平衡混频器和测量电桥等。成雷达天线的收发开关、平衡混频器和测量电桥等。(1)耦合度耦合度 C耦合度的分贝数越大，耦合越弱。耦合度的分贝数越大，耦合越弱。耦合度耦合度 C (又称过渡衰减又称过渡衰减)定义为副线耦合输定义为副线耦合输出

21、功率出功率P4o与主线输入功率与主线输入功率P1i 之比的分贝数，即之比的分贝数，即dB20dB2010dB100C 强耦合定向耦合器强耦合定向耦合器 中等耦合定向耦合器中等耦合定向耦合器 弱耦合定向耦合器弱耦合定向耦合器(2)隔离度隔离度 I232131lg10lg10baPPIoi)705()dB(1lg2031s 有时用定向性有时用定向性D 反映定向耦合器隔离度的指标，反映定向耦合器隔离度的指标，D 定义为副定义为副线耦合输出功率线耦合输出功率P4o 与隔离端的输出功率与隔离端的输出功率P3o 之比的分贝数之比的分贝数 隔离度隔离度 I 定义为主线输入功率定义为主线输入功率P1i 与副线

22、隔离端与副线隔离端的输出功率的输出功率P3o 之比的分贝数之比的分贝数ooPPD34lg10oiioPPPP3114lg10)dB(lg203141ss)715()dB()dB(CI可见，定向性可见，定向性D 等于隔离度等于隔离度 I与耦合度与耦合度C之差。之差。D 越大越大，隔离端输出隔离端输出功率越小，定向性越好。功率越小，定向性越好。在理想情况下隔离口的输出功率在理想情况下隔离口的输出功率P3o=0，即即D=，实用中常对定向性提出一个最小值，实用中常对定向性提出一个最小值 Dmin。111111ss(4)工作频带宽度工作频带宽度(3)输入驻波比输入驻波比 输入驻波比是指输入驻波比是指端口

23、端口、都接匹配负都接匹配负载时载时,主线输入端主线输入端的的驻波比驻波比 定向耦合器满足上述三个指标时的工作频定向耦合器满足上述三个指标时的工作频率范围，简称工作带宽。率范围，简称工作带宽。3.波导型定向耦合器波导型定向耦合器 定向耦合器的结构型式很多定向耦合器的结构型式很多,有波导型、同轴线型、微带线型有波导型、同轴线型、微带线型等。等。P181图图5-30为几种波导型定向耦合器。为几种波导型定向耦合器。下面以双孔定向耦合器为例下面以双孔定向耦合器为例,介绍矩形波导定向耦合器的工作介绍矩形波导定向耦合器的工作原理。原理。图图 5-30a)为双孔矩形波导为双孔矩形波导定向耦合器定向耦合器，波导

24、型定向耦合器波导型定向耦合器(a)(b)(2)(3)图图5-30a)双孔矩形波导定向耦合器双孔矩形波导定向耦合器 (2)窄臂双孔耦合窄臂双孔耦合 (3)宽臂双孔耦合宽臂双孔耦合 孔可开在公共孔可开在公共宽壁上宽壁上，也可开也可开在公共窄壁上在公共窄壁上，孔的形状孔的形状、尺寸尺寸完全相同完全相同、两孔两孔相距为相距为 lg/4。这种耦合器的定向耦合作用，是由两孔耦合到副波导的波这种耦合器的定向耦合作用，是由两孔耦合到副波导的波产生干涉的结果。产生干涉的结果。djdjeeaaa3djeaa2)755(adjdjeaeaa4)755(2beadj 由于孔很小由于孔很小,两孔的形状两孔的形状、大小又

25、相同大小又相同,故经第故经第II 孔耦合到孔耦合到副波导向副波导向、口传输的波的幅度与第口传输的波的幅度与第 I 孔的几乎相等，只有孔的几乎相等，只有e-jd 的相移，于是由耦合孔向的相移，于是由耦合孔向、口方向传输的合成波分别为口方向传输的合成波分别为 如右图所示，如右图所示，假如主、副波导尺寸相同，则假如主、副波导尺寸相同，则1=。设由端口。设由端口输入单位振输入单位振幅的幅的H10波波,在第在第 I 孔处向端口孔处向端口、耦合波的幅度分别用耦合波的幅度分别用a+、a-表表示。示。a+、a-即为小孔的正、反向即为小孔的正、反向耦合系数耦合系数(耦合场与入射场之比耦合场与入射场之比)。d=l

26、g/4 1 e-jdIIIa+a-a+e-jda-e-jd双孔矩形波导定向耦合器原理图双孔矩形波导定向耦合器原理图1=可见可见,由两孔耦合到副波导的波由两孔耦合到副波导的波，在在端口方向上同相相加，端口方向上同相相加，在在端口方向上反相抵消而无输出；端口方向上反相抵消而无输出；得到了理想的方向性耦合。得到了理想的方向性耦合。03jeaaa242jeaa 这里，耦合端口这里，耦合端口的输出波与端口的输出波与端口的输入波方向相同，故的输入波方向相同，故称为正向定向耦合。称为正向定向耦合。与魔与魔T比较，魔比较，魔T 除对臂隔离外除对臂隔离外,其余两臂中功率是平分的其余两臂中功率是平分的(C=3dB)。定向耦合器则不同。定向耦合器则不同,向副波导耦合的功率与耦合孔的大小向副波导耦合的功率与耦合孔的大小有关，因此可以用改变耦合孔孔径的大小来控制其耦合度。有关，因此可以用改变耦合孔孔径的大小来控制其耦合度。d=lg/4 1 e-jdIIIa+a-a+e-jda-e-jd波导型双孔定向耦合器原理图波导型双孔定向耦合器原理图1=当当 f=f0，把，把 d=lg/4 代入式代入式(5-75)得得