第6.4章四端口元件

6 4四端口元件 定向耦合器魔T电桥 常用四端口元件 1 无耗互易四端口网络的基本性质 无耗互易四端口网络可以完全匹配 且为一理想定向耦合器 性质1 性质2 有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四个端口均匹配 即是说四个端口匹配是定向耦合器的充分条件 而不是必要条件 性质3 有两个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口电路必然为一理想定向耦合器 且其余两个端口亦匹配并相互隔离 如 口为输入端口 其它三个为输出口或隔离口 由隔离口的端口的不同 其相应的矩阵为 S02 S03 S04 理想定向耦合器 一个可逆无耗四端口网络 各个端口完全匹配 有一个端口同输入端口完全隔离 输入功率在其余两个端口上分配输出 这种网络称为理想定向耦合器 对于上图中 a 其散射矩阵为 性质1无耗互易四端口网络可以完全匹配 且为一理想定向耦合器 可由互易网络的幺正性证明 对于 b 则有 对于 c 则有 常用的一种情况 性质2有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四个端口均匹配 即是说四个端口匹配是定向耦合器的充分条件 而不是必要条件 性质3有两个端口匹配且相隔离的无耗互易四端口电路必然为一理想定向耦合器 且其余两个端口亦匹配并相互隔离 可由其幺正性得到证明 S参数小结 隔离 传输 匹配 以常用的互易无耗 S04 为例 由其幺正性 由前两式 由 两式 2 定向耦合器的技术参数 为进一步简化 我们选取四个端口上的相位 使 则得 其中 和 为实数 和 为待定相角 由 S04 的第二行与第三行相乘 得 即S13和S24的相位选取相同 其S矩阵为 1 对称耦合器 可得实用中两种特殊选择 即S13和S24的相位相差180o 其S矩阵为 2 不对称耦合器 注意 这两种耦合器的区别仅在于参考面的选取不同 而振幅 和 不是独立的 而具有关系 因此除相位参考面以外 理想定向耦合器仅有一个自由度 这种定向耦合器的常用符号如图所示 例 耦合端口的耦合系数为 直通端口的耦合系数为 表征定向耦合器性能的主要参数是耦合度C 定向性D和隔离度I 以 S04 定义如下 隔离度 表明输入端口与隔离端口之间的关系 定向性 表明耦合线上耦合端口与隔离端口之间的关系 耦合度 表明输入与耦合之间的关系 此三参数有如下关系 一理想的定向耦合器应具有无限大的定向性和隔离度 S14 0 和 则可根据给定的耦合度C求得 作用 功率测量或监视装置 组合或反射计等 3 定向耦合器的分析与设计 波导定向耦合器 耦合线定向耦合器和Lange耦合器 1 波导定向耦合器 定向耦合器中 S04 中 线称为主线 线称为副线 孔 槽缝 分支线 耦合线段等 单孔耦合器 为获得定向性 该单孔需用开在两个矩形波导的公共宽壁上 设TE10模由端口1入射 其场分量可以写成 式中是TE10模的波阻抗 a 孔耦合 单孔耦合器的缺点是频带窄 采用双孔耦合器可展宽频带 一般为窄带滤波器 公共宽臂 或窄臂 上相距的双孔耦合器 如图 b 波导双孔定向耦合器 设电磁波由端口 输入 大部分波向端口 传输 一部分波通过两个孔耦合到副波导中 由于两孔相距 结果在端口 方向的波相位同相而增强 在端口 方向则因相位反相而相互抵消 注意 在端口 方向波的抵消是与频率有关的 故其定向性是频率的敏感函数 而耦合度则受频率的影响较小 式中为第一个小孔的 对于双孔尺寸一样 则 dB 定向性则为 dB 因此在多孔耦合器的综合设计中总是选择定向性的响应作为综合设计用的频率响应 正交混合电桥是由主线 副线和两条分支线组成 4 正交混合电桥 其特性是当所有端口匹配时 由端口 输入的功率 直通臂 一路经lg 4 另一路经3lg 4 不幅度反相 在 口相减输出 输出相位比 口输入的相位滞后p 2 耦合臂 一路经2lg 4 另一路经2lg 4 等幅同相 在 口输出 输出相位比 口输入的相位滞后p 隔离口 一路经lg 4 另一路经3lg 4 等幅反相 在 口输出 无输出 正交混合电桥 正交混合电桥是一种直通臂和耦合臂输出有90 相位差的3dB定向耦合器 正交混合电桥的S参数 S参数为 分支耦合线具有结构对称性 其任一端口都可作输入端口 两输出端口总是在与输入端口相反的一边 由端口 输入的功率 端口 匹配无反射 直通臂 输出功率为一半 相位滞后p 2 耦合臂 输出功率为一半 相位滞后p 隔离口 无输出 1800混合电桥是一种两输出端口有1800相位差的四端口网络 返回 5 1800混合电桥 环形电桥 渐变耦合线电桥 波导魔T 理想3dB1800混合电桥的S矩阵为 l环形电桥 1 5 混合环路的带宽受环形长度的限制 约为20 30 增加带宽的办法是采用对称的1 混合环 混合环各支路特性阻抗为Z0 根据 4变换性可知 环行线的特性阻抗应为 当用作功率合成器时 输入信号分别加于端口 和 则在端口 输出和信号 和端口 在端口 输出差信号 差端口 信号由端口 输入时 端口 和 为等幅同相输出 端口 无输出 隔离端口 若信号由端口 输入 则由端口 和 等幅反相输出 端口 无输出 返回 l波导魔T 波导魔T是匹配双T 由双T波导接头处加入匹配元件 螺钉 膜片或小锥体 构成 四个端口完全匹配 不仅E臂和H臂相互隔离 而且两侧臂也相互隔离 进入一侧臂的信号 将由E臂和H臂等分输出 而不进入另一臂 魔T具有如下特性 进入E臂的信号 将由两侧臂等幅反相输出 而不进入H臂 若两臂同时加入信号 E臂输出的信号等于两输入信号相量差的倍 H臂输出的信号等于两输入信号相量和的倍 进入H臂的信号 将由两侧臂等幅同相输出 而不进入E臂 故E臂称为差臂 H臂称为和臂 魔T在微波技术中有着广泛的应用 可用来组成微波阻抗电桥 平衡混频器 功率分配器 和差器 相移器 天线双工器 平衡相位检波器 鉴频器 调制器等 波导魔T的S矩阵 8 18 如图所示E T分支 其臂2接短路活塞 请问短路活塞与对称中心平面的距离l为多少时 臂3的负载得到最大功率或最小功率 解 2端口输出的信号经短路器全部反射回来 当第二个端口的反射信号与1端口的信号同相时 3端口输出的信号为差信号 如果反射波与1端口的信号反相时 3端口输出为最大 又由于短路器的反射系数为 1 即有p的相位差 当l lg 4时 波由A点经短路器的反射回至A点所走过的路程为2l lg 2 由路程所提相位差为p 加上短路反射所得相位差p 因此 当波回A点时与1端口的入射波为同相 因此 3端口的输出为最小功率 当l lg 2时 波由A点经短路器的反射回至A点所走过的路程为2l lg 由路程所提相位差为2p 加上短路反射所得相位差p 因此 当波回A点时与1端口的入射波为反相 因此 3端口的输出为最大功率 采用插入损耗法 利用微波综合技术设计滤波器 以获得完全指定的频响 6 5滤波器铁氧体器件 设计方法 1 滤波器 微波滤波器是一二端口网络 在微波系统中用来控制频率响应 使信号在滤波器的通带内得以传输 阻带内则给出衰减 低通 高通 带通 带阻 产生微波电磁振荡的具有储能和选频特性的微波谐振元件 其作用和工作为在微波系统中广泛用途滤波器 振荡器 频率计 调谐放大器等 在300MHz以下 谐振器是用集总电容器和电感器做成 高于300MHz时 LC回路的欧姆损耗 介质损耗 辐射损耗都增大 使回路的Q值降低 而回路的电感量和电容时则要求很小 难为实现 采用传输线技术用一段纵向两端封闭的传输线或波导来实现高Q微波谐振电路 种类 矩形波导空腔谐振器 圆波导空腔谐振器 同轴线谐振器 微带线谐振器 介质谐振器 2 谐振器 分析方法 边值问题 微波谐振器 驻波法求场解 金属波导谐振腔 传输线理论分析 TEM传输线谐振器 准静态方法 非传输线型谐振器 等效电路方法 单模工作的谐振器 微扰法 谐振腔的微小变形 在微波器件使用各向异性材料 则可得到非互易性能 由此可做成大量具有方向特性的器件 对于互易网络 元件的任意两个端口i和j之间的响应与信号传输的方向无关 3 微波铁氧体器件 它们在微波波