微波技术-第6章常用微波元件.

S

S11 S 21
S12
S
22

网络互易：
S12 S21
无耗（互易），满足幺正性： [S][S]* [U ]
对于二端口为： S11 2 S12 2 1 S12 2 S22 2 1
和 S1*1S12 S1*2 S22 0
S1*2 S11

S
* 22
理想衰减器（对相移不要求）的散射矩阵：
0 el
[S] el
0

有耗 e- al 2 ¹ 1
横移式吸收式衰减器
刀形吸收式衰减器
理想相移器（要求不引入附加的衰减）的散射矩阵为：
0 e j
[S] e j
0

式中 l 为相移器的相移量。
4．波型变换元件 导行系统的主模不同，因此从一种模式过渡到另一模 式 的电磁波需使用波型变换元件。 设计的一般原则是抑制杂模的产生和阻抗匹配。 同轴—矩形波导过渡器 （要求在20%带宽内， 驻波比小于1.1）。
以常用的互易无耗[S04]为例。 由其幺正性
S12 2 S13 2 1 S12 2 S 24 2 1 S13 2 S 34 2 1 S 24 2 S 34 2 1
由前两式
S13 S24
由①③两式
S12 S34
耦合端口的耦合系数为: 直通端口的耦合系数为:
S13 2 2 S12 2 2 1 2
输入阻抗：
Zin jZ 0tg jZ 0tg(2l / g )
2．匹配负载
全部吸收输入功率的元件。 ZL Z0
主要技术指标：工作频率f、输入驻波比、功率容量。
3.单端口部件
天线
主要参数 VSWR( f ), G( f )
§6.2 二端口元件
一、无耗二端口网络的基本性质：
二端口元件可等效为二端口网络，其散射矩阵为：
种网络称为理想定向耦合器。
如①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] 。
0 S12 S13 0
S04
S12 S013
0 0 S24
0 0 S34
S24

S34 0

2．定向耦合器的技术参数
线圆极化变换器。
§6.3 三端口元件
三端口元件常用作分路元件或功率分配器/合成器。 1、无耗三端口网络的基本性质
三端口元件是具有三个端口的接头，可等效为三端 口网络，其散射矩阵为：
S11 S12 S13
S S21
S 22
S
23

S31 S32 S33
网络互易：
Sij S ji j i
又由 S13 2 S23 2 及(8. 3-18a~b) 可得：
S11
2

S12
2
1
S13
2

1 2
另由(8.3-18e)，得：
S12 =
S11 =
1 2
端口③输入时，E-T的S矩阵为： [S ]= 轾 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 臌111222
1 2 1 2 -1
2
1 2 -1 2
(8.3-18a~c)
S13 2 S23 2 1
S11S1*2

S12 S1*1

S13
S
* 23

0
S11S1*3

S12
S
* 23

0
S12 S1*3

S11
S
* 23

0
(8.3-18d~f)
由 S13 S23 和(8. 3-18c)，可得： S13 S23 1/ 2 0.707
若信号由端口④输入，则由 端口②和③等幅反相输出， 端口①无输出。
当用作功率合成器时，输入信号 分别加于端口②和③，则在端口 ①输出和信号（和端口），在端 口④输出差信号（差端口）。
[S ]=
轾 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 臌--
0 j j 0
2 2
-j 2 0 0
j2
-j 2 0 0
-j 2
P4
S14
隔离度(表明输入端口与隔离端口之间的关系)：
I
10lg
P1 P4
20lg S14
(dB)
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。 1）波导定向耦合器 定向耦合器中[S04]中，
①~②线称为主线， ③~④线称为副线。
孔（槽缝）、分支线、耦合线段等。 作用：功率测量或监视装置等。
1）T形接头
对于无耗 T 形接头，传输线模型如图。
接头处将存在与不连续性有关的 边缘场和高次模，故在接头附近
有储能，用jB 表示。
a. 波导 T 形接头
T形分支，单T。--- E-T接头和H-T接头。 E-T接头：分支波导的宽边与TE10模电场
所在平面平行者称为E-T H-T接头：分支波导的宽边与TE10模磁场
耦合臂③：一路经2g/4、另一路经2g/4（等幅同相）在③口输 出，输出相位比①口输入的相位滞后,
隔离口④：一路经g/4、另一路经3g/4（等幅反相）在④口输 出，④无输出。
l环形电桥 混合环各支路特性阻抗为Z0，
根据λ /4变换性可知，环行线
的特性阻抗应为 2Z0 。
信号由端口①输入时，端口 ②和③为等幅同相输出，端 口④无输出（隔离端口）；
接头的S矩阵为：
S11 S12 S13
S S12
S11
S
23

S13 S23 0
由上述E-T的特性有； S13 S23 即输出等幅反相。
由无耗网络S矩阵的幺正性：
S11 2 S12 2 S13 2 1
S12 2 S11 2 S23 2 1
相相减，端口③的输出最小；
若①和②口信号等幅，则③口 的输出为零。
(e)当信号由①和②端口等幅 反相输入时，在端口③的 对称面上，电场为同相相 加，端口③的输出最大。
分路器：可得到 大小相等，方向
相反的电场
合路器：对输入 幅度相等、方向 相反的电场进行
合成
E—T的[S]矩阵
端口③为输入端，为匹配状态 (S33=0)，由于结构对称，端口①和 ②的驻波相等（S11=S22），则E-T
故 E 臂称为差臂；H 臂称为和臂。
对口隔离、邻口3 dB 耦合、完全匹配
波导魔 T 的S矩阵：
[S ]=
1 2
轾 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 臌1100
1 0 0 -1
1 0 0 1
0 -1 1 0
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。
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：
耦合度(表明输入与耦合之间的关系) :
C 10lg
P1 P3
10lg
1 S13
2
20lg
(dB)
定向性(表明耦合线上耦合端口与隔离端口之间的关系):
D 10lg P3 20lg
(dB)
第六章 常用微波元件
§6.1 一端口元件 §6.2 二端口元件 §6.3 三端口元件 §6.4 四端口元件
§6.1 一端口元件
一端口元件
短路负载 匹配负载 单端口部件
一端口散射参量：
S11

Z Z
Z0 Z0
1 ．短路负载
短路器，可调短路活塞。 ZL 0
要求： 1）保证接触处的损耗小， 1 ； 2）当活塞移动时，接触损耗变化小； 3）大功率时，活塞与波导壁间不应产生打火现象。 可用为调配器、纯电抗元件。
1 V22 2 Z0
由 E-T 的散射矩阵可知：
S31 =
S13
=
V1 V3
=
1 2
S123 =
Pout,1 = Pin,3
1 2
[S ]= 轾 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 犏 臌111222
1 2 1 2 -1
2
1 2 -1 2
0
∴
Pout,1 = Pout,2 = Pin,3 / 2 = 12.5W
0
结构对称:
S13 S23
同时由端口③输入时，端口①和②的输出场的方向相反，故
S23 = - S13
故一般情况下
S11 S12 S13
S S12
S11

S13

S13 S13 S33
例： 已知E-T，当由③的输入功率为25W时，①和②两 端口的输出功率为多少？
所在平面平行者称为H-T
(1)E-T接头
当波导中只有主模TE10 模传输，E-T
接头（E面T形接头）的特性：
(a)当信号由①口输入时， ②和③口都有输出；
E
(b)当信号由②口入时， ①和③口都有输出；
(c)当信号由③口入时， ①和②口都有输出且 幅度相同相位相反。
(d)信号由①和②口同相输入时， 在③口的对称面上，电场为反
S12

0
1、连接元件 3、相移与衰减元件
2、匹配元件 4、波型变换元件
1. 连接元件 连接元件的作用是将作用不同的微波元件连接成完整的系统。
波导平法兰接头
特点：体积小，频带宽 加工方便， 接触表面光洁度较高
波导扼流法兰接头
特点：功率容量大， 频带较窄， 接触表面光洁度要求不高