微波技术基础PPT课件第二部分 金属波导Ch18单口元.ppt

第1818章单口元件 One - Port Element 完成特殊功能的网络称为元件(Element)。在 习惯上，我们常常采用网络理论来分析元件。在传 输线理论中，已经介绍过传输A参数，这里将首先 研究散射S参数。 一、S散射参数 由传输线理论已经导出 ： 直接用入射波和反射波表示，其中 (18- 1) (18- 2) 在本讲中，首先定义出入射波和散射波(a和b) 。其中，散射波是广义的(理论上可以任意方向)反射 波。 (18- 3) 一、S散射参数 我们把上式中的 称为归一化电压， 称为归 一化电流分别用u 和i表示。 则进一步写出 (18- 4) (18- 5) 一、S散射参数 功率 后一项的实部显然等于0，于是可见 物理意义是功率等于入射功率减去散射功率。 (18- 6) 一、S散射参数 1. S 散射矩阵定义 S散射矩阵与A矩阵有两点显著不同：一是S散射 矩阵适合多端口(当然也满足双端口)网络；二是，象 任何多端口网络一样，它必须是对称化定义(具体是 流进每个端口的均是a，流出每个端口的均是b) 一、S散射参数 图 18-1 散射矩阵 一、S散射参数 (18- 7) 定义式(18-7)表明：S参数联系入射波和散 射波，是广义的反射系数。 一、S散射参数 2. S散射参数性质 网络对称时Sii=Sjj (18-8) 网络互易时Sij=Sji (18-9) 网络无耗时IS+S=0 (18-10) 其中In阶单位矩阵 一、S散射参数 +Hermite 符号，表示共轭转置或转 置共轭 += *T=( T)* 证明无耗条件具体为 p=0， 或 aa*-bb*=0 假如对于双口网络 一、S散射参数 于是，把多口网络的无耗条件写成 即 考虑到a激励的任意性，可知 IS+S=0 一、S散射参数 对于双口网络，输入反射系数in和负载反射 系数L有关系 证明注意到in和L的不对称性 (18- 11) 一、S散射参数 图 18-2 双口网络散射参数S 一、S散射参数 且写出双口网络的S参数 由上式中得到 又从上式可知 一、S散射参数 代入可得 3. 物理意义 还以双口网络为例 它表示端口2匹配时，端口1的反射系数。 一、S散射参数 它表示端口1匹配时，由端口2到端口1的传输系数 。 4. 与A参数之间的关系 我们讨论归一化电流电压构成的A参数 (18- 12) 一、S散射参数 图 18-3 双口网络的归一化A参数 一、S散射参数 很明显，A参数是不对称定义。 一、S散射参数 写成矩阵形式 一、S散射参数 这样 (18-13) 一、S散射参数 所谓单口元件，也就是向外只有一个端口，它是 作为负载来应用的。作为网络它只须用一个反射系数 L来表示 。 二、单口元件的一般讨论 (18-14) 图 18-4 单口元件 这里着重讨论三种：匹配负载 短路负载 失配负载 这三种单口元件所要解决的主要矛盾各不相同。 匹配负载解决波反射和吸收两者之间的矛盾； 短路负载解决理想短路和活动间隙之间的矛盾 ； 失配负载解决宽带和反射系数变化之间的矛盾 。 二、单口元件的一般讨论 三、匹配负载 称为理想的匹配负载，其功能是吸收功率 。作为标准测量元件性能，构成无(实际上是小)反 射系统。 功 率 小功率匹配负载 中功率匹配负载 大功率水负载 频 带 宽带匹配负载 窄带匹配负载 材 料 木材、石墨、羰基铁、吸收负载 匹配负载可以采用匹配负载可以采用S S参数进行分析，实际上任何负参数进行分析，实际上任何负 载都可以认为是双口网络接终端载都可以认为是双口网络接终端例如短路例如短路 图图 18-5 18-5 匹配负载的匹配负载的S S参数分析参数分析 二、单口元件的一般讨论 已经知道已经知道 终接短路终接短路 L L = =1 1，且要求且要求 in in=0 =0 (18-15)(18-15) 二、单口元件的一般讨论 宽带型宽带型 case 1 case 1 抵消型抵消型 case 2 case 2 二、单口元件的一般讨论 不论是宽带型还是抵消型的，均存在反射不论是宽带型还是抵消型的，均存在反射S S11 11 和吸收和吸收 之间的矛盾，要减少反射，必须之间的矛盾，要减少反射，必须 S S 1111 ，要增加吸收要增加吸收, ,S S12 12 S S 2121 ，但是但是S S12 12 S S 2121的减少必 的减少必 须会增加须会增加S S11 11( (材料特性阻抗突变 材料特性阻抗突变) )。 二、单口元件的一般讨论 图图 18-6 18-6 磁流体发电磁流体发电 WaveguideWaveguide 二、单口元件的一般讨论 采取的措施是外形渐变采取的措施是外形渐变( (劈形、楔形劈形、楔形) )，材料的，材料的 Z0Z0不能过大。不能过大。 NoteNote：如果我们限于讨论电损耗，那么首先必须有如果我们限于讨论电损耗，那么首先必须有 才会有损耗。才会有损耗。 成份愈大则损耗愈大，从这个意义上，理想成份愈大则损耗愈大，从这个意义上，理想 导体损耗最大。导体损耗最大。 但是，问题在于波入射到理想导体全部反射了但是，问题在于波入射到理想导体全部反射了 ，根本没有进去。这正体现了反射和损耗之间的矛，根本没有进去。这正体现了反射和损耗之间的矛 盾。盾。 二、单口元件的一般讨论 讲到这里，不禁想起一则轶事。一位年青人向讲到这里，不禁想起一则轶事。一位年青人向 EinsteinEinstein自荐一项发明，有一种液体碰上什么物质都会自荐一项发明，有一种液体碰上什么物质都会 将其腐蚀。将其腐蚀。EinsteinEinstein反问这位青年：哪么，这种物质应反问这位青年：哪么，这种物质应 该用什么该用什么“瓶子瓶子”来装呢来装呢? ? 但是，科学的进展表明，这种事情是可能发生的。但是，科学的进展表明，这种事情是可能发生的。 几千万度的磁流体真可谓遇到什么物质都能腐蚀。但几千万度的磁流体真可谓遇到什么物质都能腐蚀。但 是它们可以处在磁线是它们可以处在磁线N N，S S之间，什么都不碰。之间，什么都不碰。 事实上，电磁波在波导中是高损耗材料，可是波象事实上，电磁波在波导中是高损耗材料，可是波象 一只飞翔的海燕，它对于波导是一只飞翔的海燕，它对于波导是“擦翼而过擦翼而过”，而不会，而不会 沾上海洋的水滴。沾上海洋的水滴。 二、单口元件的一般讨论 三、短路活塞 短路活塞要移动，太紧的配合会使移动不方短路活塞要移动，太紧的配合会使移动不方 便，间隙便，间隙又会造成不理想短路。因此，间隙又会造成不理想短路。因此，间隙 和理想短路构成了设计的主要矛盾。和理想短路构成了设计的主要矛盾。 图图 18-7 18-7 平板活塞平板活塞 考虑典型的平板活塞，计及宽边考虑典型的平板活塞，计及宽边a a的两侧是电场的两侧是电场 零点，只需考虑旁边零点，只需考虑旁边的影响。的影响。 图图 18-8 18-8 三、短路活塞 图图 18-9 18-9 平板活塞网络平板活塞网络 三、短路活塞 考虑简化情况，令考虑简化情况，令l0l0 三、短路活塞 B B VSWR VSWR 2.532.531.27 1.272.372.373.313.31 3.223.221.61 1.61 2.562.564.39 4.39 5.525.522.762.763.423.429.389.38 三、短路活塞 若具体是若具体是X - band(3cmX - band(3cm波段波段) )，b=10mmb=10mm 驻波比驻波比 随随 / /b b增加很慢，增加很慢， / /b b小小1010倍，倍， 只大只大1 1倍。倍。 平板活塞很短时，即平板活塞很短时，即ll，则变压器匝数则变压器匝数n n不是主不是主 要矛盾而要矛盾而B B是。但是。但B B的对数关系决定变化很慢。的对数关系决定变化很慢。 由此可见，要求由此可见，要求 =100=100很难用平板活塞做到。解决很难用平板活塞做到。解决 的办法是扼流活塞或用滤波器设计糖葫芦短路活塞的办法是扼流活塞或用滤波器设计糖葫芦短路活塞 。 三、短路活塞 图图 18-10 18-10 扼流活塞扼流活塞 糖葫芦活塞糖葫芦活塞 三、短路活塞 四、失配负载 失配负载的设计矛盾是要在宽频带条件下失配负载的设计矛盾是要在宽频带条件下 | | L L |=Constant|=Constant。 例例C C 波段波段 =1.20=1.20的标准失配负的标准失配负 图图 18-11 18-11 ab=40.4020.20 mmab=40.4020.20 mm 2 2 0 0 =50 mm=50 mm 四、失配负载 则方程可变为则方程可变为 采用迭代法采用迭代法 b=3.36 mmb=3.36 mm，带宽很宽。带宽很宽。 四、失配负载 一、求图示网络的一、