微波工程基礎(chǔ)(李宗謙)-第五章-2

1、2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路15.9.1 從波導(dǎo)雙從波導(dǎo)雙T到魔到魔T(a) 4(a) 4輸入，輸入，2 2、3 3等幅反相輸出等幅反相輸出 s s2424= -s= -s3434 ，功率均分（，功率均分（3dB)3dB)(b) (b) 1 1輸入，輸入，2 2、3 3等幅同相輸出等幅同相輸出 s s3131= s= s2121 ，功率均分（，功率均分（3dB)3dB)(c) (c) 1 1、4 4端口相互隔離端口相互隔離s s4141= s= s1414 0 0ijjiss (d) (d) 結(jié)構(gòu)的對稱性和互易性結(jié)構(gòu)的對稱性和互易性( (1)1)波導(dǎo)雙波導(dǎo)雙T T結(jié)構(gòu)

2、結(jié)構(gòu) 111212122223241223222424244400sssssssssssssss 特性：2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路2 111212122223241223222424244400sssssssssssssss (2) 匹配雙T分支魔T(a)魔魔T的特性的特性：當(dāng)TE10波自E臂輸入，其它各端口接匹配負載時，端口4無反射；當(dāng)TE10波自H臂輸入，其余各端口均接匹配負載時，端口1無反射。即S11=S44=0。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路3(b)魔魔T接頭的匹配：接頭的匹配：方法一：方法一： 當(dāng)(2)、(3)、(4)三個端口接匹配

3、負載，在接頭內(nèi)部的對稱面插入一根金屬圓棒，調(diào)整其粗細、位置及插入深度，使H臂端口呈現(xiàn)匹配狀態(tài)，然后鎖緊。因金屬圓棒與H臂中的電場力線相平行，對電場有反射，起調(diào)配作用，對E臂中的TE10波幾乎不起作用，因為E臂中電場力線方向與金屬圓棒相垂直。然后讓(1)、(2)、(3)三個端口均接匹配負載，TE10波自E臂輸入，在接頭區(qū)E臂中加入一些感性膜片，使產(chǎn)生一新的反射與接頭處的反射相抵消。膜片的大小、厚度和位置由實驗調(diào)整確定。由于膜片與E臂中電場力線相平行，故對E臂中的場有反射作用，而對H臂的場無影響。方法二：匹配元件是一個金屬圓錐體，頂部有一金屬圓棒，錐體部分在底部被削去一塊。圓棒對調(diào)配H臂起作用，圓

4、錐部分對H臂、E臂的匹配均起作用，這種結(jié)構(gòu)的匹配雙T性能較好，在 10頻帶內(nèi)。駐波比可小于1.2。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路4(c)魔T性質(zhì)：1、4端口匹配，2、3端口會自動達到匹配。證：證： 1212122223241223222424240000sssssssssssss 無耗：無耗： 1HSS SSH H第一行與第一行與ss第一列相乘第一列相乘21221s 1212jse SSH H第四行與第四行與ss第四列相乘第四列相乘22421s 2412jse 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路51212jse 2412jse 12121222232

5、41223222424240000sssssssssssss 適當(dāng)選取參考面適當(dāng)選取參考面T T1 1 、 T T2 2 、 T T3 3 和和 T T4 4位置位置, ,使得使得0122412ss SSH H第二行與第二行與ss第二列相乘第二列相乘2222122223241ssss 2222230ss 2222230ss 011010011100120110s 魔魔T T的玄妙特性：的玄妙特性： 1 1、4 4端口匹配，端口匹配，2 2、3 3端口會自動達到匹配；端口會自動達到匹配； 1 1、4 4端口隔離，端口隔離，2 2、3 3端口也互相隔離端口也互相隔離2022-2-4第五章第五章 無

6、源微波電路無源微波電路65.9.2 魔T的應(yīng)用(1) 微波電橋阻抗測量由H臂輸入的信號等幅、同相地被分到(2)、(3)兩端口中去，(2)端口接的阻抗和(3)端口相等時，則兩個阻抗引起的反射波也是等幅、同相的，因此E臂不會有輸出，指示器的指示值為零，如果兩個阻抗不相等，則它們會引起反射波，不僅不同相，且幅度也不相等，因此E臂有輸出，指示也就不等于零，此時可調(diào)整端口(2)的已知阻抗，直到指示器顯示為零，則端口3所測的阻抗就等于調(diào)整后的已知阻抗。42311()2ba 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路75.9.2 魔T的應(yīng)用(2) 平衡混頻器 在超外差接收機混頻電路中，將本振信號

7、和接收信號分別接匹配雙T的E臂和H臂，而主線上的兩個臂內(nèi)裝接混頻二極管。這樣本振和接收信號都能以相等的幅度、適當(dāng)?shù)南辔患釉趦蓚€二極管上進行混頻，其差頻信號送到中放電路中進行放大。如果兩個二極管的特性完全一致，則本振功率不會傳到天線而輻射出去，天線接收的信號也不會漏到本振源電路中。采用平衡混頻頻電路，本振與信號互相隔離，并可以抑制本振源噪聲，有利于降低噪聲系數(shù)，提高混頻器性能。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路85.9.3 附：波導(dǎo)中的電抗元件1. 電容膜片 在波導(dǎo)寬壁的橫向放置一塊金屬膜片,在其上對稱或不對稱之處開一個與波導(dǎo)寬壁尺寸相同的窄長窗孔。當(dāng)波導(dǎo)寬壁上的軸向電流到達

8、膜片時,要流進膜片。而電流到達膜片窗口時,傳導(dǎo)電流被截斷,在窗孔的邊緣上積聚電荷而進行充放電,因此兩膜片間就有電場的變化,而儲存電能。這相當(dāng)于在橫截面處并接一個電容器,故這種膜片稱為電容膜片,2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路95.9.3 附：波導(dǎo)中的電抗元件2. 電感膜片 矩形波導(dǎo)中的電感膜片及其等效電路。當(dāng)在波導(dǎo)橫向插進該膜片以后,使波導(dǎo)寬壁上的軸向電流產(chǎn)生分流,于是在膜片的附近必然會產(chǎn)生磁場,并集中一部分磁能,因此這種膜片為電感膜片。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路105.9.3 附：波導(dǎo)中的電抗元件3. 諧振窗 在橫向金屬膜片上開有一個小窗,

9、稱為諧振窗。可看成電感膜片和電容膜片的組合；當(dāng)工作頻率等于諧振頻率時，信號可無反射的通過；當(dāng)工作頻率低于諧振頻率，呈感性；當(dāng)工作頻率高于諧振頻率，呈容性。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路115.9.3 附：波導(dǎo)中的電抗元件4 銷釘 在矩形波導(dǎo)中采用一根或多根垂直對穿波導(dǎo)寬壁的金屬圓棒,稱為電感銷釘,其結(jié)構(gòu)和等效電路如圖所示。 電感銷釘?shù)碾娂{與銷釘?shù)拇旨毤案鶖?shù)有關(guān),銷釘愈粗,電感電納愈大;根數(shù)愈多,電納愈大。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路125.9.3 附：波導(dǎo)中的電抗元件5. 螺釘 膜片和銷釘在波導(dǎo)內(nèi)的位置和尺寸不容易調(diào)整,故只能作固定電抗元件使用

10、。而螺釘插入波導(dǎo)的深度可以調(diào)節(jié),電納的性質(zhì)和大小也隨之改變,使用方便,是小功率微波設(shè)備中常采用的調(diào)諧和匹配元件。 當(dāng)螺釘插入波導(dǎo)較淺時,一方面和電容膜片一樣,會集中電場具有容性電納的性質(zhì);另一方面波導(dǎo)寬壁的軸向電流會流進螺釘從而產(chǎn)生磁場,故又具有感性電納的性質(zhì)。但由于螺釘插入波導(dǎo)的深度較淺,故總的作用是容性電納占優(yōu)勢,故可調(diào)螺釘?shù)牡刃щ娐窞椴⒔右粋€可變電容器；當(dāng)插入深度增加到約1/4波長時可等效為串聯(lián)諧振；當(dāng)進一步增大時，磁場起主要作用，螺釘可等效為一電感。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路135.9.3 附：波導(dǎo)中的電抗元件5. 螺釘波導(dǎo)可調(diào)螺釘及其等效電路2022-2-

11、4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路145.10 定向耦合器定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件, , 它是由耦合裝置聯(lián)它是由耦合裝置聯(lián)系在一起的兩對傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的。系在一起的兩對傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的。Z1Z4Z2Z3ABCDZt1Zt2Z0pZ0pg/ 4g/ 4二分支定向耦合器二分支定向耦合器2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路155.10.1 定向耦合器的簡單機理端口端口1 1激勵時激勵時4 4端口：端口：a a和和aa兩路信號合成，相差兩路信號合成，相差 ，抵消，抵消，隔離端隔離端3 3端口：端口：b b和和bb兩路信

12、號同相疊加，兩路信號同相疊加，耦合端耦合端2 2端口：端口：直通端直通端為了增加定向耦合器的耦合度，拓寬工作頻帶為了增加定向耦合器的耦合度，拓寬工作頻帶, , 可采用多孔定向耦合器?？刹捎枚嗫锥ㄏ蝰詈掀?。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路165.10.2 定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)（1）耦合度）耦合度主波導(dǎo)輸入功率與輔波導(dǎo)耦合臂輸出主波導(dǎo)輸入功率與輔波導(dǎo)耦合臂輸出功率之比，也稱過渡衰減。功率之比，也稱過渡衰減。1313110lg20lg()PLdBPs（2）方向性）方向性輔波導(dǎo)耦合臂與隔離臂輸出功率之比，輔波導(dǎo)耦合臂與隔離臂輸出功率之比，31341410lg2

13、0lgPsDPs一般情況下愈大愈好一般情況下愈大愈好2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路17其他端口都接匹配負載時的輸入端口的其他端口都接匹配負載時的輸入端口的駐波比定義為輸入駐波比，駐波比定義為輸入駐波比， （3）輸入駐波比）輸入駐波比111111ss輸入端的輸入功率輸入端的輸入功率P P1 1和隔離端的輸出功率和隔離端的輸出功率P P4 4之比定義為隔離度之比定義為隔離度, , 1414110lg20lg()PIdBPs（4） 隔離度隔離度 （5） 工作帶寬工作帶寬 工作帶寬是指定向耦合器的上述參數(shù)均滿足要求時的工作頻率范圍。工作帶寬是指定向耦合器的上述參數(shù)均滿足要求時的

14、工作頻率范圍。 IDL2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路185.10.3 對稱理想定向耦合器的散射矩陣第一類：端口第一類：端口1 1、4 4完全隔離完全隔離隔離、結(jié)構(gòu)對稱特性隔離、結(jié)構(gòu)對稱特性144123320ssss結(jié)構(gòu)對稱特性結(jié)構(gòu)對稱特性11223344ssss13421243,ssss假設(shè)各端口匹配假設(shè)各端口匹配112233440ssss 121312131312131200000000sssssssss只有兩個參量獨立只有兩個參量獨立2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路19 121312131312131200000000sssssssss無耗互易

15、：無耗互易： 1HSS 2212131,ss第一行乘第一列*121313120,ssss第一行乘第四列*12 1312 130s ss s*12 13s s 為純虛數(shù)1213,ssj設(shè)221 00000000jjsjj此類對稱定向耦合器直通臂和耦合臂的外向波存在著此類對稱定向耦合器直通臂和耦合臂的外向波存在著9090o o的相位差的相位差( (正交正交(90(90度度) )混合網(wǎng)絡(luò)混合網(wǎng)絡(luò)) )。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路20第二類：端口第二類：端口1 1、3 3完全隔離完全隔離隔離、結(jié)構(gòu)對稱特性隔離、結(jié)構(gòu)對稱特性133124420ssss結(jié)構(gòu)對稱特性結(jié)構(gòu)對稱特性1

16、1223344ssss14231243,ssss假設(shè)各端口匹配假設(shè)各端口匹配112233440ssss 00000000jjsjj利用無耗互易性，同理可得利用無耗互易性，同理可得同樣，此類對稱定向耦合器直通臂和耦合臂的外向波也存在著同樣，此類對稱定向耦合器直通臂和耦合臂的外向波也存在著9090o o的相位差。的相位差。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路215.10.4 應(yīng)用奇偶模理論分析定向耦合器奇偶模理論是分析對稱結(jié)構(gòu)定向耦合器的奇偶模理論是分析對稱結(jié)構(gòu)定向耦合器的有力工具，此處分析的定向耦合器結(jié)構(gòu)不有力工具，此處分析的定向耦合器結(jié)構(gòu)不僅上下對稱、左右也對稱。僅上下對稱、

17、左右也對稱。偶模激勵偶模激勵奇模激勵奇模激勵定向耦合器散射矩陣定向耦合器散射矩陣結(jié)構(gòu)對稱性：結(jié)構(gòu)對稱性：11223344ssss23324114ssss42243113ssss43342112ssss 11121314121114131314111214131211sssssssssssssssss2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路22 11121314121114131314111214131211sssssssssssssssss偶模激勵偶模激勵偶模激勵偶模激勵111121314212111413313141112414131211120012eeeebssssbsss

18、sbssssbssss1111421213313124141111(),()2211(),()22eeeebssbssbssbss偶模反射系數(shù)偶模反射系數(shù)14111414eeeeebbssaa 偶模透射系數(shù)偶模透射系數(shù)23121314eeeeebbTssaa1 12 2和和4 43 3中間為磁壁，好似中間為磁壁，好似兩根獨立相同的波導(dǎo)，兩根獨立相同的波導(dǎo)， 為其中之一的反射系數(shù)和透射為其中之一的反射系數(shù)和透射系數(shù)。系數(shù)。eeT 、2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路231111421213313124141111(),()2211(),()22oooobssbssbssbss

19、奇模反射系數(shù)奇模反射系數(shù)14111414ooooobbssaa 奇模透射系數(shù)奇模透射系數(shù)23121314ooooobbTssaa1 12 2和和4 43 3中間為電壁，好似中間為電壁，好似兩根獨立相同的波導(dǎo)，兩根獨立相同的波導(dǎo)， 為其中之一的反射系數(shù)和投射為其中之一的反射系數(shù)和投射系數(shù)。系數(shù)。ooT 、奇模激勵奇模激勵奇模激勵奇模激勵111121314212111413313141112414131211120012oooobssssbssssbssssbssss 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路241114ess 1213eTss1114oss 1213oTss1112

20、1314,22,22eoeoeoeoTTssTTss 兩種可能的定向耦合器：兩種可能的定向耦合器：1402eos 0,eoeoTT 1302eoTTs ,eoeoTT 111213140,2,02eoeoTTssTTss 111213140,0,eessTss 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路25第一種情況：第一種情況：111213140,2,02eoeoTTssTTss 0022002200220022eoeoeoeoeoeoeoeoTTTTTTTTsTTTTTTTT第二種情況：第二種情況：111213140,0,eessTss 00000000eeeeeeeeTTsT

21、T2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路26例：矩形波導(dǎo)縫隙定向耦合器偶模：偶模：奇模：奇模：zejk leTezojk loTe2222102222zeTEka222220222zoTEka調(diào)節(jié)螺釘，使得調(diào)節(jié)螺釘，使得0eo 111214130,1()220,1()22zezozezojk ljk leojk ljk leosTTseesTTsee TE10TE202022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路2712131()221()22zezozezojk ljk leojk ljk leoTTseeTTsee 111()()()222121()2zezozez

22、ozezojkkljkkljkklseee1()21cos()2zezojkklzezokkl e 111()()()222131()2zezozezozezojkkljkkljkklseee 1()21sin()2zezojkklzezojkkl e 1()24zezokkl 若若1213112()122jzezojsekklsje 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路281213112()122jzezojsekklsje 01010010012010jjjj選擇參考面位置，使得選擇參考面位置，使得0 0022002200220022eoeoeoeoeoeoeoeoTTT

23、TTTTTsTTTTTTTT功率平均分配功率平均分配相位差相位差90度度2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路295.11.1 微帶耦合線定向耦合器特性：特性：若若1 1端口輸入，端口輸入，4 4端口為耦合端口，端口為耦合端口，3 3端口為隔離端口，端口為隔離端口，2 2端口為直端口為直通端口；通端口；1.1. 耦合端口與直通端口輸出電壓間有耦合端口與直通端口輸出電壓間有9090度的相位差度的相位差 00000000jjsjj 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路300elll 設(shè)設(shè)： /4微帶平行線定向耦合器微帶平行線定向耦合器(反向）反向）1. 偶模激勵偶

24、模激勵0000000000000000cossinsincos()sin2cos()sin222cos()sineeeeeeeeeeeeeeZjZabcdZjZZZjZZabcdZZabcdjZZTZZabcdjZZ 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路312.奇模激勵奇模激勵0000000000000000cossinsincos()sin2cos()sin222cos()sinooooooooooooooZjZabcdZjZZZjZZab cdZZabcdjZZTZZabcdjZZ 0elll 設(shè)設(shè)：2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路320110000

25、0000222cos()sineeoeoeooesZZ ZTTZZjZZ 02121490 :1-sjCjsC 3. s213122142000010221cossin 21(eoeoeoeoeoTTTTCssCjjCtgsCjtgZZCZZ 耦耦合合系系數(shù)數(shù)）匹配條件匹配條件2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路335.11.2 微帶分支線定向耦合器結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：分支導(dǎo)帶的長度及其間隔均為分支導(dǎo)帶的長度及其間隔均為1/41/4線上波長。線上波長。其中，其中，1 1、G G、H H為對輸入端的歸一化特性導(dǎo)納為對輸入端的歸一化特性導(dǎo)納奇偶模分析法奇偶模分析法1、4端口偶模激

26、勵，對稱面開路端口偶模激勵，對稱面開路并聯(lián)阻抗為：并聯(lián)阻抗為：1121()8ggZjctg ljctgjGGG 并1YjGZ并并并聯(lián)導(dǎo)納為：并聯(lián)導(dǎo)納為：1、4端口奇模激勵，對稱面短路端口奇模激勵，對稱面短路并聯(lián)阻抗為：并聯(lián)阻抗為：11Zjtg ljGG并1YjGZ 并并并聯(lián)導(dǎo)納為：并聯(lián)導(dǎo)納為：2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路34偶模激勵：偶模激勵：123 eaaaa110000jHHjGjjGHHHH21GjHHGGjHjHH 奇模激勵：奇模激勵：21 oGjHHaGGjHjHH 同理：同理：2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路3521 eGjHHaGG

27、jHjHH 21 oGjHHaGGjHjHH ss和和aa的關(guān)系：的關(guān)系：11abcdsabcc 212sabcc 221()21()eGjHHHGGj HHHH 221()21()oGjHHHGGj HHHH 2221()eTGGj HHHH2221()oTGGj HHHH2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路3614412eoss 0eo 112eos 理想定向耦合器：理想定向耦合器：1102eos 1402eos 221()021()eGjHHHGGj HHHH 210GHHH221GH2221()eTGGj HHHH22211()GHj HHHHHjG2221()oHT

28、GGjGj HHHH2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路37eHTjG0eo oHTjG11140202eoeoss 12212133122121eoeoTTjHssGTTGHssG 特性：特性：2 2、3 3端口輸端口輸出電壓相位出電壓相位差為差為9090度；度；輸入端口無輸入端口無反射；反射；隔離端口無隔離端口無輸出輸出213120lg20lg1()LsGdBGH耦合度：3dB3dB定向定向耦合器：耦合器：212GGH221GH12GH12j 12 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路38110s 1212sj 1312s 140s 0100011100

29、2010jjjj 11121314121114131314111214131211sssssssssssssssss應(yīng)用：微帶平衡混頻器應(yīng)用：微帶平衡混頻器2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路395.11.4 微帶環(huán)形定向耦合器 11121314122223131323221214131211sssssssssssssssss結(jié)構(gòu)特點：上下結(jié)構(gòu)對稱，左右結(jié)構(gòu)不對稱結(jié)構(gòu)特點：上下結(jié)構(gòu)對稱，左右結(jié)構(gòu)不對稱11442233,ssss根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性和互易性可得：根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性和互易性可得：12434213,ssssijjiss散射矩陣：散射矩陣：2022-2-4第五章第五章 無源微波

30、電路無源微波電路40 1、4端口激勵奇偶模分析（對稱面端口激勵奇偶模分析（對稱面AA） 1 1、4 4端口偶模激勵，端口偶模激勵，對稱面開路對稱面開路 1 1、4 4端口奇模激勵，端口奇模激勵，對稱面短路對稱面短路2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路41偶模激勵偶模激勵221122221000 10eHHjajHjHjHHHH1222112221HjHHjHHjHHH奇模激勵奇模激勵1222112221 oHjHHajHHjHHH2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路421222112221 eHjHHajHHjHHH1222112221 oHjHHajHHj

31、HHHss和和aa的關(guān)系：的關(guān)系：11abcdsabcc 212sabcc 221212212121eHHjHHH 221212212121oHHjHHH 2221221ejHTHH2221221ojHTHH2212212121121eoHHsHH 0 22121HH 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路43221212212121eHHjHHH 221212212121oHHjHHH 2221221ejHTHH2221221ojHTHH11122221201,222eoeoTTssjHHH 1311221240,2221eoeojHHHTTss 特性：特性：1 1端口輸入，

32、端口輸入，3 3端口為隔離端口；端口為隔離端口；1.1. 1 1端口輸入，端口輸入，2 2、4 4端口同相輸出端口同相輸出1 12 2：上分支，：上分支，9090度相移；下分支，度相移；下分支，450450度相移；兩路同相位。度相移；兩路同相位。1 14 4：上分支，：上分支，450450度相移；下分支，度相移；下分支，9090度相移；兩路同相位。度相移；兩路同相位。路程路程差差0度度2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路44 2、3端口激勵，奇偶模分析（對稱面端口激勵，奇偶模分析（對稱面AA） 2 2、3 3端口偶模激勵，端口偶模激勵，對稱面開路對稱面開路 2 2、3 3端口

33、奇模激勵，端口奇模激勵，對稱面短路對稱面短路2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路45偶模激勵偶模激勵221122221000 10eHHjajHjHjHHHH1222112221HjHHjHHjHHH奇模激勵奇模激勵1222112221 oHjHHajHHjHHH2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路461222112221 eHjHHajHHjHHH1222112221 oHjHHajHHjHHHss和和aa的關(guān)系：的關(guān)系：11abcdsabcc 212sabcc 221212212121eHHjHHH 221212212121oHHjHHH 2221221

34、ejHTHH2221221ojHTHH2212222122121eoHHsHH 0 22121HH 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路472 21 1：左分支，：左分支，9090度相移；右分支，度相移；右分支，450450度相移；兩分支同相位。度相移；兩分支同相位。2 23 3：左分支，：左分支，270270度相移；右分支，度相移；右分支，270270度相移；兩分支同相位。度相移；兩分支同相位。221212212121eHHjHHH 221212212121oHHjHHH 2221221ejHTHH2221221ojHTHH22122221201,222eoeoTTssjH

35、HH 1221242320,2221eoeoTTssjHHH 特性：特性：2 2端口輸入，端口輸入，4 4端口為隔離端口；端口為隔離端口；1.1. 2 2端口輸入，端口輸入，1 1、3 3端口反相輸出端口反相輸出路程差路程差180度度2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路482221222120,21jHsHHs 1221242320,21jHsHsH2221211120,21jHsHHs 1221213140,21jHsHHs 3dB3dB定向耦合器定向耦合器1412ss 12HH 22121HH 1212HH3dB3dB環(huán)形電橋環(huán)形電橋1212sj 1412sj 3212s

36、j 11121314122223131323221214131211sssssssssssssssss0000000102jjjjjjjj2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路490000100002jjjjsjjjj3dB3dB環(huán)形電橋環(huán)形電橋特性：特性：1 1輸入，輸入，2 2、4 4等幅同相輸出，功率均分等幅同相輸出，功率均分2 2輸入，輸入，1 1、3 3等幅反相輸出，功率均分等幅反相輸出，功率均分1.1. 1 1、3 3端口相互隔離，端口相互隔離，2 2、4 4端口相互隔離端口相互隔離環(huán)形定向耦合器和魔環(huán)形定向耦合器和魔T T比較：比較：4 4輸入，輸入，2 2、3

37、3等幅反相輸出，功率均分等幅反相輸出，功率均分1 1輸入，輸入，2 2、3 3等幅同相輸出，功率均分等幅同相輸出，功率均分1 1、4 4端口相互隔離，端口相互隔離，2 2、3 3端口相互隔離端口相互隔離魔魔T T 011010011100120110s 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路505.15 鐵氧體器件 以上所介紹的各種微波元件, 都是線性、互易的, 但在許多情況下, 我們卻需要具有非互易性的器件。例如, 在微波系統(tǒng)中, 負載的變化對微波信號源的頻率和功率輸出會產(chǎn)生不良影響, 使振蕩器性能不穩(wěn)定。 了解決這樣的問題, 最好在負載和信號源之間接入一個具有不可逆?zhèn)鬏斕匦?/p>

38、的器件, 即微波從振蕩器到負載是通行的, 反過來從負載到振蕩器是禁止通行的。這樣當(dāng)負載不匹配時, 從負載反射回來的信號不能到達信號源, 從而保證了信號源的穩(wěn)定, 這種器件具有單向通行、反向隔離的功能, 因此稱為單向器或隔離器。 另一類非互易器件是環(huán)行器, 它具有單向循環(huán)流通功能。 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路51 在非互易器件中, 非互易材料是必不可少的, 微波技術(shù)中應(yīng)用很廣泛的非互易材料是鐵氧體。鐵氧體是由Fe2O3 與其它二價金屬氧化物（如：錳、鎂、鎳、鋅、鋇）合成的一種黑褐色、具有各向異性磁性的陶瓷材料。 鐵氧體電阻率很大, 當(dāng)微波頻率的電磁波通過鐵氧體時, 導(dǎo)

39、電損耗是很小的。電特性 鐵氧體是一種非線性各向異性磁性物質(zhì), 它的磁導(dǎo)率隨外加磁場而變, 即具有非線性; 在加上恒定磁場以后, 它在各方向上對微波磁場的磁導(dǎo)率是不同的, 就是說其具有各向異性的。由于這種各向異性, 當(dāng)電磁波從不同的方向通過磁化鐵氧體時, 便呈現(xiàn)一種非互易性。利用這種效應(yīng), 便可以做成各種非互易微波鐵氧體元件。 3468102010101010/rtgcm 微微波波可可進進入入其其內(nèi)內(nèi)部部（不不像像一一般般的的金金屬屬材材料料）2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路525.15.1 鐵氧體的張量導(dǎo)磁率鐵氧體的張量導(dǎo)磁率00HzHh 設(shè)設(shè)直直流流偏偏置置磁磁場場為為

40、，微微波波信信號號為為0000001則交變磁感應(yīng)強度 與磁場強度 的關(guān)系為：xxyyrzzbhbjkhbjkhhbh 022001mm22k 00000)12.8/),)4：微波的工作頻率：，鐵磁共振角頻率，（:直流磁化強度（電子旋磁比mHMMKHzA m 00000 xxyyxyzzbhjkhbjkhhbh 各向異性：不僅感應(yīng)出也感應(yīng)出xxyhbb2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路535.15.2 鐵氧體的標(biāo)量導(dǎo)磁鐵氧體的標(biāo)量導(dǎo)磁率率h若微波磁場 只有分量zh 0zzbh 0bh 000000000 xxyyzzjkhhjkhhhh 0000000000jkjk 本征值非

41、零的充要條件本征值非零的充要條件102030(k )(k ) 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路54000000000 xxyyzzjkhhjkhhhh 102030(k )(k ) 10(k ) 0000000000 xxyyzzjkhhjkh(k ) hhh 00000000 xyxxyyzzhjkh(k )hjkhjh(k )hh(k )h 0yxzhjhh 010120hhjh 020120hhjh 300102hh 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路5510(k ) 010120hhjh 20(k ) 020120hhjh 30 300102h

42、h 右旋極化波右旋極化波左旋極化波左旋極化波線極化波線極化波右旋極化波作用下：右旋極化波作用下：01mk 左旋極化波作用下：左旋極化波作用下：01mk 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路56右旋極化波作用下：右旋極化波作用下：01mk 左旋極化波作用下：左旋極化波作用下：01mk 1 0：時，諧振（旋磁諧振） 01時，甚至為負數(shù)，排斥磁場 01()時，進入，吸引bh 0時， 出現(xiàn)峰值，磁損耗最大，稱為諧振吸收效應(yīng)。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路575.15.3 矩形波導(dǎo)場移式隔離器2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路585.15.3

43、 矩形波導(dǎo)場移式隔離器向正向正z z方向傳播的波：方向傳播的波：1010sincoszzjk zzxjk zzk aHjHx eaHHx ea tan()xzzHaxjkHa tan()1zaxka j 左旋圓極化波左旋圓極化波1tan()zxaak 21設(shè)：xax21tan()tan()xaxaa 1tan()xa zak xzHjH 右旋圓極化波右旋圓極化波2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路59-Z方向傳播：左旋圓極化波方向傳播：左旋圓極化波在在X X2 2處，處，+Z方向傳播：右旋圓極化波方向傳播：右旋圓極化波0Z1時，向 方向傳播，右旋，排斥磁場，不衰減 Z1向 方

44、向傳播，左旋，吸引磁場，衰減 對偏置來說是低場區(qū)2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路605.15.4 矩形波導(dǎo)諧振式隔離器-Z方向傳播：右旋圓極化波方向傳播：右旋圓極化波在在X X1 1處，處，+Z方向傳播：左旋圓極化波方向傳播：左旋圓極化波0Z左旋圓極化， 傳播，不衰減。時，較小， Z右旋圓極化， 傳較大播，衰減。， 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路615.15.5 對稱Y形環(huán)形器1. 理想環(huán)行器理想環(huán)行器 001S100010 010S001100 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路62在在X X1 1處，處，+Z方向傳播：左旋圓

45、極化波方向傳播：左旋圓極化波在在X X2 2處，處，+Z方向傳播：右旋圓極化波方向傳播：右旋圓極化波01時，12，右旋，排斥磁場 113，左旋，吸引磁場 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路63環(huán)行器的應(yīng)用環(huán)行器的應(yīng)用吸收負載隔離器隔離器四端口雙四端口雙Y Y結(jié)環(huán)行器結(jié)環(huán)行器2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路64定理：旋轉(zhuǎn)對稱的無耗非互易三端口網(wǎng)絡(luò)，若各端口全匹配，則該網(wǎng)定理：旋轉(zhuǎn)對稱的無耗非互易三端口網(wǎng)絡(luò)，若各端口全匹配，則該網(wǎng)絡(luò)必定是一個理想環(huán)行器。絡(luò)必定是一個理想環(huán)行器。證：旋轉(zhuǎn)對稱性旋轉(zhuǎn)對稱性122331211332ssssss 端口匹配端口匹配0

46、iis 121313121213000ssSssss 無耗網(wǎng)絡(luò)：無耗網(wǎng)絡(luò)： 1HSS 2212131ss ，第第二二行行乘乘第第二二列列*12 130s s ，第第二二行行乘乘第第三三列列解為解為121313120011和ssss 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路65 121313121213000ssSssss 121313120101ssss 001100010S 010001100S 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路665. 16 諧振腔諧振腔 在低頻電路中, 諧振回路是一種基本元件, 它是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)而成, 在振蕩器中作為振蕩回路，

47、用以控制振蕩器的頻率; 在放大器中用作諧振回路; 在帶通或帶阻濾波器中作為選頻元件等。在微波頻率上, 也有上述功能的器件, 這就是微波諧振器件, 它的結(jié)構(gòu)是根據(jù)微波頻率的特點從LC回路演變而成的。微波諧振器一般有傳輸線型諧振器和非傳輸線諧振器兩大類, 傳輸線型諧振器是一段由兩端短路或開路的微波導(dǎo)行系統(tǒng)構(gòu)成的, 如金屬空腔諧振器、 同軸線諧振器和微帶諧振器等, 如下頁圖1所示, 在實際應(yīng)用中大部分采用此類諧振器。2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路67圖1 各種微波諧振器2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路68 5.16.1 諧振腔的基本參數(shù)諧振腔的基本參數(shù)

48、低頻電路中的LC回路是由平行板電容C和電感L并聯(lián)構(gòu)成， 如圖 2(a)示。它的諧振頻率為 當(dāng)要求諧振頻率越來越高時, 必須減小L和C。 減小電容就要增大平行板距離, 而減小電感就要減少電感線圈的匝數(shù), 直到僅有一匝如圖 2(b)所示; 如果頻率進一步提高, 可以將多個單匝線圈并聯(lián)以減小電感L, 如圖 2(c)所示; 進一步增加線圈數(shù)目, 以致相連成片, 形成一個封閉的中間凹進去的導(dǎo)體空腔， 如圖2(d)所示, 這就成了重入式空腔諧振器; 繼續(xù)把構(gòu)成電容的兩極拉開, 則諧振頻率進一步提高, 這樣就形成了一個圓盒子和方盒子, 如圖2(e)所示, 這也是微波空腔諧振腔的常用形式。 LCf210202

49、2-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路69圖 2 微波諧振腔的演化過程2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路70 雖然它們與最初的諧振電路在形式上已完全不同, 但兩者之間的作用完全一樣, 只是適用于不同頻率而已。對于諧振腔而言, 已經(jīng)無法分出哪里是電感、哪里是電容, 腔體內(nèi)充滿電磁場, 因此只能用場的方法進行分析。 集總參數(shù)諧振回路的基本參量是電感L、電容C和電阻R, 由此可導(dǎo)出諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)和諧振阻抗或?qū)Ъ{。但是在微波諧振腔中, 集總參數(shù)L、R、C已失去具體意義, 所以通常將諧振腔頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q0和等效電導(dǎo)G0作為微波諧振腔的三個基本參量。 2022-2-

50、4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路71 (1) 諧振頻率 諧振頻率f0是微波諧振腔最主要的參數(shù)。對于金屬空腔諧振腔, 可以看作一段金屬波導(dǎo)兩端短路, 因此腔中的波不僅在橫向呈駐波分布, 而且沿縱向也呈駐波分布, 所以為了滿足金屬波導(dǎo)兩端短路的邊界條件, 腔體的長度l和波導(dǎo)波長g應(yīng)滿足,.)2 , 1(2pplg于是有l(wèi)p由規(guī)則波導(dǎo)理論得22222()()gc 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路72故諧振頻率為122202()() 2cvpfl 式中，v為媒質(zhì)中波速，c為對應(yīng)模式的截止波長。 可見諧振頻率由振蕩模式、腔體尺寸以及腔中填充介質(zhì)(, )所確定, 而且在諧振器

51、尺寸一定的情況下, 與振蕩模式相對應(yīng)有無窮多個諧振頻率。 求諧振頻率 有三種方法： (a) 集中參數(shù)法：適用于電場、磁場相對集中的腔體，計算出腔體的電容和電感，用公式 計算。0f012fLC2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路73 (b) 場解法，由波動方程、邊界條件求出腔體中各模式的場分量，各模式對應(yīng)一個波數(shù) ，已知波數(shù)后可計算腔體的諧振頻率，適用于形狀規(guī)則的腔體。 (c) 電納法：先要求出諧振腔的等效電路，諧振時，在等效電路的任一截面上總電納為零，即： Bl和B2分別為等效電路的任一截面向左、向右看輸入的電納。 (2) 品質(zhì)因數(shù) 品質(zhì)因數(shù)Q0是表征微波諧振腔頻率選擇性的重

52、要參量, 它的定義為k02cfk01020()()()0B fBfBf2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路742012TWWQWp 式中，W為諧振腔中的儲能, WT為一個周期內(nèi)諧振腔損耗的能量, Pl為諧振腔的損耗功率。 而諧振腔的儲能為221122emvvWWWu H dvE dv 諧振器的平均損耗主要由導(dǎo)體損耗引起, 設(shè)導(dǎo)體表面電阻為RS, 則有dsHRdsRJPstsSSS2212121 式中, Ht為導(dǎo)體內(nèi)壁切向磁場，而JS=nHt, n為法向矢量。 于是有2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路752200222vvsttssuHdvHdvQRHdsH

53、ds式中，為導(dǎo)體內(nèi)壁趨膚深度。因此只要求得諧振腔內(nèi)場分布, 即可求得品質(zhì)因數(shù)Q0。 為粗略估計諧振腔內(nèi)的Q0值, 近似認(rèn)為H|=Ht|, 這樣上式可近似為SVQ2 式中， S、 V分別表示諧振器的內(nèi)表面積和體積。 可見: Q0 V/S， 應(yīng)選擇諧振器形狀使其V/S大; 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路76 上述討論的品質(zhì)因數(shù)Q0 是未考慮外接激勵與耦合的情況, 因此稱之為無載品質(zhì)因數(shù)或固有品質(zhì)因數(shù)。 (3) 等效電導(dǎo)G0 等效電導(dǎo)G0是表征諧振器功率損耗特性的參量, 若諧振器上某等效參考面的邊界上取兩點a, b, 并已知諧振器內(nèi)場分布, 則等效電導(dǎo)G0可表示為220)(b

54、atSSdlEdsHRG可見等效電導(dǎo)G0具有多值性, 與所選擇的點a和b有關(guān)。 以上討論的三個基本參量的計算公式都是針對一定的振蕩模式而言的, 振蕩模式不同，所得參量的數(shù)值不同。因此上述公式只能對少數(shù)規(guī)則形狀的諧振器才是可行的。對復(fù)雜的諧振器, 只能用等效電路的概念, 通過測量來確定f0、Q0和G0。 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路775.16.2 矩形腔 矩形腔是由一段長為l、 兩端短路的矩形波導(dǎo)組成，如圖 3 所示。與矩形波導(dǎo)類似, 它也存在兩類振蕩模式，即TE和TM模式。 圖 3 矩形諧振器及其坐標(biāo)2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路78設(shè)波導(dǎo)中

55、設(shè)波導(dǎo)中TEmn、TMmn的橫向電場為：的橫向電場為：( , )mnmnjzjzTEe x yA eA e 000(1,2,.)TzTmnz lEAAElpp , 2gmnplpl 由邊界條件由邊界條件(1) 矩形諧振腔的解2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路79(1) 矩形諧振腔的解cos()cos()sin()zmnpmnpHHxyzabl221TTzczTTcjEzHkHHzkTE波TM波22sin()sin()cos()1zmnpzTTcTTzcmnpEExyzablEEzkjHzEk 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路80(1) 矩形諧振腔的解c

56、os()cos()sin()zmnpmnpHHxyzablTE波電場的橫向分量與磁場的橫向分量已不再同相，有了 的相位差。/22022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路8122222222022222011()()22112/1/()()mnpmnpcgcgmnpkablvvmnpfkvablmnpabl (2) 諧振頻率、波長 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路82(2) 矩形諧振腔的主模TE1010000000sinsin sincos2 =sincos cossin2 =cos()sin()yxTEzEExzalExzHjlalExzjZalExzHjaa

57、lExzjk aal 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路83allacf2220式中, c為自由空間光速, 對應(yīng)諧振波長為2202laal (b) 品質(zhì)因數(shù)Q0 由TE101模的場表達式可得22022221()28vTEuuablWH dvEZka而ZTE= , =10= , 代入上式整理得22)/(akk208ablWE(a) 主模諧振頻率和諧振波長2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路84導(dǎo)體損耗功率為2200122()2822SSStRREabblalPH dslala于是品質(zhì)因數(shù)Q0為3333231002212)(allablbaRbkalPWWQS

58、2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路85(3) 矩形諧振腔的模式圖022222222000102()225 (4)( )2 ()/3 10/mnpablaf amnplabcmfcccm s a=2b時矩形諧振腔的模式圖2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路86(4) (4) 相位法求諧振頻率相位法求諧振頻率波往返一周后與原信號同相，則兩個波同相疊加，如此下去發(fā)生諧振。即：1222lp 1jB2jB11je 22je l12121202(1)20(21)4ggglpplpl 當(dāng)2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路87(1) 圓柱諧振腔解5.1

59、6.3 圓柱諧振腔兩端短路的圓波導(dǎo)TE波波22()cossin() ()coscos()()sincos()()sinsin() ()cossin()0znipncrnipnccnipnccrnipnccnipncczpHHJk rnzlppHHJk rnzk llpnpHHJk rnzrlk ljnpEHJk rnzrlkjpEHJk rnzklE 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路88TM波(1) 圓柱諧振腔解22()coscos() ()cossin()()sinsin()()sincos() ()coscos()0znipncrnipnccnipnccrnipncc

60、nipncczpEEJk rnzlppEEJk rnzlk lpnpEEJk rnzrlk ljnpHEJk rnzrlkjpHEJk rnzklH 2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路89(2) 諧振波長及諧振頻率2glp 諧振時縱向長度222200222200/2222/2222mnmnmnpmnmnmnppp1 fv TMalalpp1 fv TEalal 模模模模諧振時的波長及頻率2022-2-4第五章第五章 無源微波電路無源微波電路90(3) 圓柱諧振腔的常用振蕩模式(a) TM010型振蕩模式型振蕩模式場分量TM010模的場結(jié)構(gòu)TM010模的壁電流分布001022