Ch19-双口元件.ppt

1、第19章,双口元件,Two - Port Element,双口元件是在微波中应用最多的一种元件，按功能分类如下图所示。与单口元件相似，双口元件一般采用网络理论进行分析。但是，在这里值得指出：元件的网络参数本身还是需要用场论方法求得，或者实际测量得到。从这个意义上讲，场论是问题的内部本质，而网络则是问题的外部特性。,一、双口网络的S参数,已经知道，双口网络可以用S参数加以表示。,图 19-2 双口网络的S参数,(19-1),双口网络的无耗约束,对于一般的S+S=I具体到双口网络是,展开可得,具体写为,(19-2),(19-3),上式中第一个称为振幅条件，第二个称为相位条件。,双口网络的无耗约束,

2、例1特性阻抗阶跃，如图所示。如果忽略其不连续电纳jB，则构成反对称网络，即,S22=S11,图 19-3 反对称网络,解：根据S参数的定义可知,双口网络的无耗约束,很明显有 S22=S11， 但|S11|=|S22| 例2 无耗网络匹配定理 定理 |L|1,采用无耗网络S予以匹配，其条件是,双口网络的无耗约束,双口网络的无耗约束,简单演算可知,匹配条件是,更简洁的形式为,特别应该提及，无耗网络匹配定理不单纯是理论问题，而且已经应用到实际中，我们要做的一个微波实验即采用单螺钉调配器匹配L。其中，单螺钉可调深度(即变化|S22|),也可调左右位置(即变化 )。,(19-4),双口网络的无耗约束,测

3、出|S11|=|L|,接匹配负载时，调螺钉，使|S11|=|L|,接待匹配L，左右移动螺钉使in=0,双口网络的无耗约束,为了加深印象，进一步讨论共轭匹配的物理意义。首先要看到，所谓匹配仅仅是网络前端无反射波。事实上，失配负载PL始终是有反射的。因此问题的核心是要把反射的功率，再次“喂给”负载，恰如给婴孩喂食。振幅要恰当|S22|=|L|，时间要恰当，即相位22=L，才能使它“吃完”。,图 19-5 多次提供负载的图象,方向变换元件包括连接元件、拐角、扭波导，一般情况见图所示。,二、方向变换元件,图 19-6 方向变换元件,二、方向变换元件,例3 直角拐角的网络分析,图 19-7 典型数据,解

4、任何微波元件的网络参数都有参考面，即它对参考面等效。元件的网络参数是利用场论的方法获得的。,二、方向变换元件,二、方向变换元件,据分析，直角拐角的反射系数 ，对应驻波比=2.618。,三、信号变换元件,信号变换元件的种类最多，我们将选典型的给以讨论 1膜片 膜片可分成感性膜片、容性膜片和谐振窗。,容性膜片一压缩电场,感性膜片一压缩磁性,谐振窗,三、信号变换元件,根据要求，容性膜片区域把电场压缩而使 ，感性膜片区域把磁场压缩使 ，它们都可成为匹配元件。 谐振窗可以看作是感性膜片和容性膜片的结合，构成无反射元件。(窗的特性阻抗等于波导主模的特性阻抗，它在概念上有力地说明：有障碍未必有反射)。由特性

5、阻抗定义,三、信号变换元件,也即,这里把a和b看作动点，即令 ,可得,(19-5),谐振窗轨迹是双曲线方程。 例4在平板波导中，采用保角变换法给出容性膜片的电容C和归一化电纳,三、信号变换元件,图 19-9 容性膜片,(19-6),三、信号变换元件,实际上，它是由下述两个多角形变换构成,因此，可消去z1直接得到z与z2的变换关系,注意到z2平面已成均匀场，求出变换系数K,(19-7),三、信号变换元件,很易求出,(19-8),考察y和y2时均匀场，由于z平面的电力线弯曲有,这一块正是膜片的电容(一半)，考虑无究条件,(19-9),三、信号变换元件,图 19-10 Schwarz-Christo

6、ffel变换,略去 和 项，两边取对数,(19-10),计及式(19-9)条件，得到,(19-11),考虑双边影响后的电容,(19-12),三、信号变换元件,上述结果是平板波导。如要把结果用到矩形波导中去，则归一化电纳为,最后得到,(19-13),三、信号变换元件,2. 相移器和衰减器 相移器和衰减器是最基本的两种元件，它们可以起调节相移和衰减的作用。,三、信号变换元件,三、信号变换元件,图 19-11 极化衰减器,特别要提及的是圆波导(采用H11模)极化衰减器，它利用高损耗材料的吸收片，将其中一种极化吸收掉。 如图所示，它专门吸收u向极化波。,图 19-12 极化衰减器分析框图,因此全部变换

7、可写成,三、信号变换元件,我们可以用网络给出完整的分析(输入v 输出都是y 向极化)。,也即,具体问题中 Ex in=0，则有,三、信号变换元件,三、信号变换元件,一般做到e-al0，这时衰减,(19-15),这是极化衰减器的最基本的公式。,y模式,u模式,v模式,当=90时理论衰减为，实际上只需计及(19-14)式可知,三、信号变换元件,maxL=8.686al50dB,(19-16),极化衰减器的最大优点是与频率无关，所以它是宽带器件。,3. 铁氧体隔离器 铁氧体隔离器也称单向器。,三、信号变换元件,注意：这是一种非互易网络S12S21。一般正向衰减0.5dB，反向衰减20dB,四、波型变换元件,典型的是同轴-波导转换，为了提高转换效率，可调节探针深度和短路活塞位置。,图 19-13 同轴-波导转换,附 录,APPENDIX,SCHWARZ-CHRISTOFFEL 变换,z-plane,w-plan