微波技术基础第八章常用微波元件课件.ppt

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1、第8章 常用微波元件 第第8章章 常用微波元件常用微波元件 8.1 一端口元件一端口元件 8.2 二端口元件二端口元件 8.3 三端口元件三端口元件 8.4 四端口元件四端口元件 8.5 微波周期结构微波周期结构 本章提要本章提要 第8章 常用微波元件 8.1 一一 端端 口口 元元 件件一端口元件是一类负载元件，种类不多，常用的有短路负载、匹配负载和失配负载。下面分别加以介绍。1.短路负载短路负载短路负载(short-circuiting load)又称短路器，其作用是将电磁波能量全部反射回去。将波导或同轴线的终端短路(用金属导体全部封闭起来)即构成波导或同轴线短路负载。实用中的短路负载都做

2、成可调的，称为可调短路活塞。对短路活塞(shorting piston)的主要要求是：保证接触处的损耗小，其反射系数的模应接近1；当活塞移动时，接触损耗的变化要小；大功率运用时,活塞与波导壁(或同轴线内外导体壁)间不应发生打火现象。第8章 常用微波元件 可调短路器可用作调配器、标准可变电抗，广泛用于微波测量中。短路器的输入阻抗为Zin=jZ0 tg (8.1-1)式中，Z0为波导或同轴线的特性阻抗，=2l/g，l是短路面与参考面之间的长度，g为波导波长。短路器的输入端反射系数为 (8.1-2)这表明短路器输入端反射系数的模应等于1，而相角是可变的。第8章 常用微波元件 为保证反射系数接近于1，

3、在结构上，短路活塞可做成接触式和扼流式两种形式。(1)接触式活塞在小功率时，常采用直接接触式短路活塞。它由细弹簧片构成，如图8.1-1所示。弹簧片长度应为g/4，使接触处位于高频电流的节点，以减小损耗。接触式活塞的优点是结构简单；缺点是活塞移动时接触不恒定，弹簧片会逐渐磨损，大功率时容易发生打火现象。目前接触式活塞已很少采用。第8章 常用微波元件 第8章 常用微波元件 图8.1-2 扼流活塞的早期结构 (a)波导型；(b)同轴线型；(c)等效电路第8章 常用微波元件(2)扼流式活塞早期的扼流活塞如图8.1-2所示。其有效短路面不在活塞与传输线内壁直接接触处，而是向左移动了半波长。由图8.1-2

4、(c)所示的等效电路可以得到ab面的输入阻抗为(8.1-3)式中，RK为接触电阻。由图可知，Z01Z02，故(Zin)ab很小，使活塞与波导(或同轴线)有良好的电接触。第8章 常用微波元件 图8.1-2所示的扼流活塞的优点是损耗小，且损耗稳定；缺点是活塞太长。为了减小长度，可采用图8.1-3所示山字形和S形扼流活塞。在这种活塞中，具有较大特性阻抗的第二段被“卷入”第一段活塞内部。此时接触电阻Rk不在高频电流波腹处，而是在波节处，因此可使损耗减至最小。实验表明，这种活塞的驻波比可做到大于100，且当活塞移动时，接触的稳定性也令人满意。在同轴元件中，广泛采用S形(或称Z字形)扼流活塞，如图8.1-

5、3(d)所示。S形活塞的频带宽，其最大特点是活塞与同轴线完全分开，因此同轴线内外导体是分开的。这种结构特别适用于需要加直流偏置的有源同轴器件。扼流活塞的缺点是频带窄，一般只能做到1015%的带宽。第8章 常用微波元件 第8章 常用微波元件 2.匹配负载匹配负载匹配负载(matched load)是一种能全部吸收输入功率的一端口元件。它是一段终端短路的波导或同轴线，其中放有吸收物质。匹配负载在微波测量中常用作匹配标准；在调整仪器和机器(例如调整雷达发射机)时，常用作等效天线。匹配负载的主要技术指标是工作频带、输入驻波比和功率容量。根据所吸收的功率大小，匹配负载分为低功率负载(小于1 W)和高功率

6、负载(大于1 W)。低功率负载一般用于实验室作终端匹配器，对其驻波比要求较高，在精密测量中，要求其驻波比小于1.01以下。第8章 常用微波元件 低功率波导匹配负载一般为一段终端短路的波导，在其里面沿电场方向放置一块或数块劈形吸收片或楔形吸收体，如图8.1-4所示。吸收片是由薄片状介质(如陶瓷片、玻璃、胶木片等)上面涂以金属碎末或炭末制成的。其表面电阻的大小需根据匹配条件用实验确定。吸收片劈面长度应是g/2的整数倍。楔形吸收体则是用羟基铁和聚苯乙烯混合物做成的。低功率波导匹配负载的驻波比通常在1015%频带内可做到小于1.01。第8章 常用微波元件 第8章 常用微波元件 同轴线匹配负载是在内外导

7、体之间放入圆锥形或阶梯形吸收体，如图8.1-5所示。图 8.1-5 低功率同轴匹配负载(a)锥形吸收体；(b)阶梯吸收体第8章 常用微波元件 第8章 常用微波元件 图 8.1-6 高功率波导水负载示意图第8章 常用微波元件 3.失配负载失配负载失配负载(mismatched load)是既吸收一部分功率又反射一部分功率的负载。实用中的失配负载都做成标准失配负载，具有某一固定的驻波比。失配负载常用于微波测量中作标准终端负载。失配负载的结构与匹配负载一样，只是波导口径的尺寸b不同而已。第8章 常用微波元件 第8章 常用微波元件 8.2 二二 端端 口口 元元 件件1.无耗二端口网络的基本性质无耗二

8、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 (8.2-1)若网络无耗，可互易，则由幺正性得到:(8.2-2)和(8.2-3)第8章 常用微波元件 由此可得S11=S22 2 argS12-(argS11+argS22)=若S11=0，则S12=S21=1，S22=0；若S12=1，则S11=S22=0，或相反。因此得到如下无耗互易二端口网络的基本性质:若一个端口匹配，则另一个端口自动匹配；若网络是完全匹配的，则必然是完全传输的,或相反；S11、S12、S22的相角只有两个是独立的，已知其中两个相角，则第三个相角便可确定。第8章 常用微波元件 2.连接元件连接元件连接元件(co

9、nnection component)的作用是将作用不同的微波元件连接成完整的系统。其主要指标要求是接触损耗小、驻波比小、功率容量大、工作频带宽。这里只介绍单纯起连接作用的接头、拐角、弯曲和扭转元件。(1)波导接头波导连接方法分接触连接和扼流连接两种。它们是借助于焊在待连接元件波导端口上的法兰盘来实现的。法兰盘结构形式分平法兰盘和扼流式法兰盘两种，如图8.2-1所示。两个平接头连接时用螺栓和螺帽旋紧，或用弓形夹夹紧。第8章 常用微波元件 图 8.2-1 波导接头(a)平接头；(b)扼流接头第8章 常用微波元件 扼流式接头是由一个刻有扼流槽的法兰和一个平法兰对接而成，如图8.2-1(b)所示。扼

10、流槽短路端到波导宽边中心的距离近似为0/2，0为信号波长，因此在波导端口呈电接触。平接头的优点是加工方便、体积小、频带宽，主要用于宽带波导元件和测试装置中。其驻波比可以做到小于1.002。扼流接头的优点是加工简单、安装方便、功率容量大,常用于雷达的天线馈电设备中；其主要缺点是频带较窄，其驻波比在中心频率的典型值为1.02。第8章 常用微波元件 第8章 常用微波元件 图 8.2-2(a)波导拐角；(b)波导扭转;(c)波导E面弯曲；(d)波导H面弯曲第8章 常用微波元件 同轴90弯接头用得很广。容易理解，弯曲部分的特性阻抗将随弯曲度加大而变小，一般比直同轴线部分特性阻抗降低约15%。用缩小内导体

11、直径或加大外导体直径的办法可以补偿这种变化。实验结果表明，若按衰减最小条件设计同轴线尺寸，直同轴线内外径比为13.6，弯曲部分的内外径比则应为约14。补偿特性阻抗的变化，减小弯曲部分对驻波系数的影响的方案有：全介质填充，内导体切角，减小内导体尺寸，内外导体直径不变，内导体直接弯成90，外导体由两个尺寸相同的圆管端头加工成45后焊接成直角。第8章 常用微波元件 3.匹配元件匹配元件匹配元件(matched component)的种类很多，这里只介绍膜片、销钉和螺钉匹配器。(1)膜片波导中的膜片(iris)是垂直于波导管轴放置的薄金属片，有对称和不对称之分，如图8.2-3所示。膜片是波导中常用的匹

12、配元件，一般在调匹配时多用不对称膜片，而当负载要求对称输出时，则需用对称膜片。第8章 常用微波元件 第8章 常用微波元件 显然，在波导中放入膜片后必然引起波的反射，反射波的大小和相位随膜片的尺寸及放置的位置不同而变化。利用膜片进行匹配的原理便是利用膜片产生的反射波来抵消由于负载不匹配所产生的反射波。膜片的分析方法与其厚度有关。当膜片比较厚，与波导波长相比不能忽略时，应将膜片当作一段波导来分析；通常膜片很薄，如忽略其损耗，则可等效为一并联电纳。第8章 常用微波元件 图8.2-3(a)、(b)所示薄膜片，使波导中TE10 模的磁场在膜片处集中而得以加强，呈电感性。称之为电感性膜片。薄对称电感膜片相

13、对电纳的近似式为(8.2-4)图8.2-3(c)、(d)所示薄膜片，使波导中TE10模的电场在膜片处集中而得以加强，呈电容性。称之为电容性膜片。其相对电纳近似式为(8.2-5)第8章 常用微波元件 第8章 常用微波元件 图 8.2-4 波导谐振窗第8章 常用微波元件(2)销钉销钉(post)是垂直对穿波导宽边的金属圆棒，如图8.2-5所示。它在波导中起电感作用，可用作匹配元件和谐振元件，常用于构成波导滤波器。销钉的相对感纳与棒的粗细有关，棒越细，电感量越大，其相对电纳越小；同样粗细的棒，根数越多，相对电纳越大。置于a/2处的单销钉相对电纳的近似式为(8.2-6)式中r为销钉的半径。第8章 常用

14、微波元件 图 8.2-5 波导中的销钉 第8章 常用微波元件(3)螺钉调配器用膜片和销钉匹配时，膜片和销钉在波导中的位置固定后就不容易再进行调整，因而使用不方便。采用如图8.2-6所示的螺钉调配器(screw tuner)调整则较为方便。螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配元件。实用时，为了避免波导短路和击穿，通常设计螺钉呈容性，作可变电容用，螺钉旋入波导的深度应小于3b/4，b为矩形波导窄边尺寸。螺钉调配器分单螺钉、双螺钉、三螺钉和四螺钉调配器。其作用原理与支节调配器相似，所不同的只是螺钉只能当电容用。第8章 常用微波元件 图 8.2-6 波导中的螺钉第8章 常用微波元件 4.衰减与相

15、移元件衰减与相移元件衰减与相移元件(attenuation and phase-shift component)分别是用来改变导行系统中电磁场强的幅度和相位,衰减器和相移器联合使用，可以调节导行系统中电磁波的传播常数。衰减器和相移器的结构都可以做成固定式和可变式。在一般情况下，设计衰减器时并不苛求其相位关系，而设计相移器时则要求不引入附加的衰减。理想衰减器应该是一个相移为零，衰减量可变的二端口网络，其散射矩阵为 (8.2-7)式中，为衰减常数，l为衰减器长度。第8章 常用微波元件 衰减器的种类很多，使用最多的是吸收式衰减器。它是在一段矩形波导中平行电力线放置衰减片而构成的，衰减片的位置可以调节

16、，如图8.2-7所示。衰减片一般是由胶布板表面上涂复石墨或在玻璃上蒸发很薄的电阻膜做成的。为了消除反射，衰减片两端通常做成渐变形。由=l可知，利用改变导行系统的相移常数(=/p)可以改变相移，而相移常数与成正比。因此，将图8.2-7所示衰减器的衰减片换成介质片便可构成可调相移器。由=l也可知，改变导行系统的等效长度也可以改变相移。为此可在矩形波导宽边中心加一个或多个螺钉，构成螺钉相移器。第8章 常用微波元件 图 8.2-7 吸收式波导衰减器第8章 常用微波元件 5.波型变换元件波型变换元件一个微波系统常需用几种不同的导行系统，并由许多作用不同的元件组成。每种导行系统的主模都不同，每个元件都有一

17、定的工作模式。因此，为了从一种导行系统元件过渡到另一种导行系统元件，或过渡到同种导行系统的另一种元件并要求产生所需要的工作模式，就需要采用波型变换元件(mode transformationcomponent)。第8章 常用微波元件 波型变换元件又称波型变换器。设计波型变换器的主要要求是阻抗匹配、频带宽、功率容量大、不存在杂模。设计的一般原则是抑制杂模的产生和阻抗匹配。由于波型变换器是两种波型的过渡装置，容易产生杂模，引起反射，所以当变换器不同波型部分的等效阻抗相同或接近时，主要问题是尽量减小杂模的激励，并选择适当的形状使一种波型缓慢地过渡到另一种波型，其尺寸则应逐渐过渡(渐变过渡或阶梯过渡)

18、；若变换器两部分的等效阻抗不相同，则需加调配元件或选择变换器的形状和尺寸，使各处产生的反射波在一定频带内相互抵消，或采取阻抗匹配方法使其阻抗相等。第8章 常用微波元件(1)同轴-矩形波导过渡器同轴线的主模是TEM模，矩形波导的主模是TE10模。设计同轴-矩形波导过渡器，即要求由同轴线到矩形波导的几何形状改变的同时，相应地使TEM模变换成TE10模。根据频带和功率的不同要求，同轴-矩形波导过渡器有很多的结构形式。图8.2-8(a)示出一种最简单的结构。为了加宽频带，增大功率容量，可将同轴线外导体做成锥形过渡，如图8.2-8(b)所示。这种结构可在20%的带宽内获得优于1.1的驻波比。这种过渡器可

19、看成一种特殊的阻抗变换器，其变换比可以通过改变短路活塞位置l1和探针深度l2来进行调节。第8章 常用微波元件 图 8.2-8 同轴-矩形波导过渡器第8章 常用微波元件(2)线圆极化变换器在雷达、通讯和电子对抗等设备中，常需用到圆极化波，而一般馈电系统多采用矩形波导，其主模TE10模是线极化波。为了获得圆极化波，就需用线圆极化变换器。其原理图如图8.2-9(a)所示，首先用方圆过渡使矩形波导TE10模变换成圆波导TE11模，然后在圆波导中与TE11模的电场Ein 成45角放置长度为l的薄介质板。Ein 可分解成平行于介质板的分量Eu和垂直于介质板的分量Ev。前者受介质板影响，传播速度将变慢；后者

20、基本上不受介质板的影响，以与空气圆波导中相同的相速度传播。假如介质板足够长，使Eu和Ev的相位差90，即可获得一圆极化波。极化波导段也可采用方形波导，并将介质板沿对角线放置而做成，如图8.2-9(b)所示。第8章 常用微波元件 图 8.2-9 线圆极化变换器第8章 常用微波元件 8.3 三三 端端 口口 元元 件件三端口元件是具有三个端口波导(或同轴线或微带线)的接头，在微波技术中常用作分路元件或功率分配器/合成器，如图8.3-1所示。常用的有E-T、H-T和Y分支。本节在论述无耗三端口网格基本性质的基础上，介绍常用的各种T形接头和威尔金森功率分配器的特性与应用。第8章 常用微波元件 图 8.

21、3-1 三端口元件原理图(a)功率分配；(b)功率合成第8章 常用微波元件 1.无耗三端口网络的基本性质无耗三端口网络的基本性质三端口元件可等效为三端口网络。任意三端口网络的散射矩阵为(8.3-1)若元件是互易的，其S矩阵是对称的(Sij=Sji)，则式(8.3-1)变成(8.3-2)第8章 常用微波元件 性质性质1 无耗互易三端口网络不可能完全匹配，即是说，三个端口不可能同时都匹配。证明证明 假若所有端口均匹配，则Sii=0(i=1，2，3)，则散射矩阵(8.3-2)简化为(8.3-3)第8章 常用微波元件 若网络也是无耗的，则由散射矩阵的幺正性，得到如下条件:(8.3-4a)(8.3-4b

22、)(8.3-4c)(8.3-4d)(8.3-4e)(8.3-4f)式(8.3-4df)说明，三个参数(S12，S13，S23)中至少二个必须为零。但此条件与式(8.3-4ac)不相容。这说明一个三端口网络不可能做到无耗、互易和完全匹配。性质1得证。第8章 常用微波元件 性质2 任意完全匹配的无耗三端口网络必定非互易，且为一环行器。其正、反旋环行器的散射矩阵可表示为(8.3-5)证明 一个匹配的三端口网络的S矩阵为(8.3-6)第8章 常用微波元件 若网络无耗，则其S矩阵为幺正矩阵，即有(8.3-7a)(8.3-7b)(8.3-7c)(8.3-7d)(8.3-7e)(8.3-7f)在如下两种情况

23、下这些方程是满足的:S12=S23=S31=0,S21=S32=S13=1 (8.3-8a)S21=S32=S13=0,S12=S23=S31=1 (8.3-8b)第8章 常用微波元件 结果表明SijSji(ij)。这意味着此器件必定是非互易的。情况条件下的S矩阵为(8.3-9)情况条件下的S矩阵为(8.3-10)于是性质2得证。第8章 常用微波元件 由上述ST和SR表示的非互易无耗三端口元件为一理想三端口环行器，如图8.3-2所示。两者的区别仅在于端口之间功率流的方向不同。式(8.3-10)对应于功率流方向为端口的环行器，如图8.3-2(a)所示；式(8.3-9)则对应功率流方向为端口的环行

24、器，如图8.3-2(b)所示。环行器的具体结构我们将在第九章的9.6节讨论。第8章 常用微波元件 图 8.3-2 两种三端口环行器的S矩阵第8章 常用微波元件 性质性质3 无耗互易三端口网络的任意两个端口可以实现匹配。证明证明 假定端口1和2为此匹配端口，则其S矩阵可以写成(8.3-11)因网络无耗，由幺正性得到 (8.3-12a)(8.3-12b)(8.3-12c)和S122+S132=1 (8.3-12d)S122+S232=1 (8.3-12e)S132+S232+S332=1 (8.3-12f)第8章 常用微波元件 式(8.3-12de)表明，S13=S23，于是由式(8.3-12a)

25、得到S13=S23=0，因此S12=S33=1，这样，其S矩阵可以写成 (8.3-13)式(8.3-13)所示矩阵即表示二个端口(端口和端口)匹配的无耗互易三端口网络。此时，网络实际上由二个无关的元件组成：一个是匹配的二端口传输线，另一个是全失配的一端口(端口)。性质3得证。性质4 若三端口网络允许有耗，则网络可以是互易的和完全匹配的，且有耗的三端口网络可做到其输出端口之间隔离(例如S23=S32=0)。第8章 常用微波元件 2.三端口功率分配三端口功率分配/合成元件合成元件在微波系统中，有时需要将传输功率分几路传送到不同的负载中去，或将几路功率合成为一路功率，以获得更大的功率。此时便需要应用

26、三端口功率分配/合成元件。对这种元件的基本要求是损耗小、驻波比小、频带宽。三端口功率分配/合成元件的结构型式很多，这里介绍常用的E-T、H-T、对称Y分支、电阻性功率分配器和威尔金森功率分配器。(1)T形接头T形接头是一种可用作功率分配/合成的最简单的三端口网络，可用任何一种导行系统来构成。如上所述，若不考虑接头的损耗，则这样的无耗三端口接头不可能做到所有端口同时匹配，如波导E-T、H-T、和Y分支；电阻性功率分配器则可以做到三个端口同时匹配，但却非无耗。第8章 常用微波元件 图 8.3-3 无耗T形接头的传输线模型第8章 常用微波元件 对于无耗T形接头，可用图8.3-3所示的传输线模型来表示

27、。容易理解，接头处将存在与不连续性有关的边缘场和高次模，因而在接头附近有储能，可用集总电纳B表示之。为使功率分配器对特性阻抗为Z0的输入线匹配，则必须有(8.3-14)若传输线无耗(或低耗)，则传输线特性阻抗为实数。若又假设B=0，则式(8.3-14)简化为 (8.3-15)实用中，若B不可忽略，则通常可加入某种型式的电抗调谐无件以消除此电纳。这至少在一窄频带内是可以做到的。第8章 常用微波元件 可以选择输出线的特性阻抗Z01和Z02来获得不同的功率分配比。例如，对于50 输入线，3 dB(等分)功率分配器的两条输出线特性阻抗应为100。如果需要，可采用/4变换器来使输出线阻抗变回到所需要的值

28、。若输出线匹配，则输入线将是匹配的，但两输出线之间无隔离，向输出端口看将是失配的。第8章 常用微波元件 例例8.3-1 如图8.3-3所示无耗T形接头功率分配器，要求输入功率以21比率分配，求输出线的特性阻抗与向输出端口看去的反射系数。解解 如图8.3-3所示，设接头处电压为V0，则输入功率为而输出功率分别为由此解得输出线特性阻抗为Z01=3Z0=150()Z02=3Z0/2=75()第8章 常用微波元件 接头处的输入阻抗则为Zin=75150=50()因此输入线对50 源是匹配的。向150 输出线看去的阻抗为5075=30，而向75 输出线看去的阻抗为50105=37.5，因此向输出端口看去

29、的反射系数分别为第8章 常用微波元件 a.波导T形接头波导T形接头又称T形分支，简称单T，是在波导某个方向上的分支。矩形波导T形接头分E-T接头和H-T接头，如图8.3-4所示。分支波导宽面与TE10模电场E所在平面平行者称为E面 T形接头，简称E-T接头；分支波导宽面与TE10模磁场H所在平面平行者称为H面T形接头，简称H-T接头。第8章 常用微波元件 图 8.3-4 T形接头及其等效电路第8章 常用微波元件 E-T接头。假定各端口波导中只有TE10模传输，E-T接头具有如下特性(见图8.3-5):当信号由端口输入时，端口和都有输出，如图8.3-5(a)所示；当信号由端口输入时，端口和都有输

30、出，如图8.3-5(b)所示；当信号由端口输入时，端口和都有输出且反相，如图8.3-5(c)所示；当信号由端口和同相输入时，在端口的对称面上可得电场的驻波波腹，端口输出最小；若、口信号等幅，则端口的输出为零，如图8.3-5(d)所示；当信号由端口和等幅反相输入时，在端口的对称面上可得到电场的波节，端口输出最大，如图8.3-5(e)所示。第8章 常用微波元件 图 8.3-5 E-T接头的特性第8章 常用微波元件 由波导的管壁纵向电流分布容易看出，分支波导3相当于串联在主波导上，故得到如图8.3-4中所示的等效电路1；如考虑到接头处高次模的影响，则等效电路如图8.3-4中的等效电路2。E-T 接头

31、的特性可用S矩阵来表示。E-T接头使用时多由端口输入。假定端口匹配(S33=0)，由于结构对称，端口和的驻波比应相等(S11=S22)，于是E-T接头的S矩阵可以写成 (8.3-16)第8章 常用微波元件 由上述E-T的特性，有S13=-S23 (8.3-17)根据无耗网络S矩阵的幺正性，有S112+S122+S132=1 (8.3-18a)S122+S112+S232=1 (8.3-18b)S132+S232=1 (8.3-18c)(8.3-18d)(8.3-18e)(8.3-18f)第8章 常用微波元件 由式(8.3-17)和(8.3-18c)，得到(8.3-19)因为S132=S232，

32、故式(8.3-18a)和式(8.3-18b)完全一样，于是 (8.3-20)由式(8.3-18e)，得到S11=S12 (8.3-21)合并式(8.3-20)和式(8.3-21)，得到(8.3-22)第8章 常用微波元件 因此得到由端口输入时E-T的S矩阵为 (8.3-23)由式(8.3-23)可知，由端口输入且匹配时，端口和并不匹配，有着(1+S11)/(1-S11)=3的驻波比。第8章 常用微波元件 一般情况下，E-T的三个端口不匹配，但由于结构对称，S13=S23，S11=S22，故其S矩阵一般为(8.3-24)H-T接头。H-T接头的特性与E-T接头相似。其主要特性是：当信号由端口输入

33、时，端口和有等幅同相输出，。因此，H-T接头可用作功率分配器或功率合成器。与E-T接头一样，H-T接头端口匹配时，端口和并不匹配，其驻波比等于3。H-T接头的S矩阵与E-T的式(8.3-23)和式(8.3-24)相似，只须注意S13=S23。H-T接头的分支波导3相当于并联在主波导上，其简分等效电路与考虑接头处高次模的等效电路如图8.3-4所示。第8章 常用微波元件 b.对称Y分支矩形波导对称Y分支结构及其等效电路如图8.3-6所示，分E面分支和H面分支两种；前者为串联分支，后者为并联分支。由图可见，这种对称Y分支，各个端口都具有对称性。由等效电路1各端口电压的方向可以看出，S11=S22=S

34、33；若以相同的功率分别输入到端口p1(p2、p3)，则在端口p2(p3、p1)的输出功率相等，于是有S21=S32=S13；同理有S31=S12=S23。因此得到E面和H面对称Y分支的S矩阵相同，即(8.3-25)第8章 常用微波元件 图 8.3-6 波导对称Y分支及其等效电路第8章 常用微波元件 由性质1可知，对称Y分支不可能完全匹配，则有0S11；显然最佳状态是S11为最小而S12为最大，且 (8.3-26)第8章 常用微波元件 对称Y分支任一端口的最大影像衰减量可求得为 从任一端口到其它端口的最小工作衰减量则可求得为如要求功率二等分，则要求S11=0，此时两者之差为0.96 dB，显然

35、是由于输入端口不匹配所引起的。第8章 常用微波元件 图8.3-7表示三种作功率分配器用的波导Y分支。图8.3-7(a)所示的Y分支，是在TE10模矩形波导内与电场垂直的平面内插入一块薄金属片，把高度为b的波导分成高度分别为b1和b2的两个分支波导。由于在高度b方向上电场是均匀分布的，所以两个分支波导上的电压之和等于主波导上的电压。两个电压之比为 (8.3-27)两个分支波导内的磁场分布与主波导相同，故管壁电流彼此相等，因而分支波导与主波导是串联连接，分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当地选择高度b1和b2就可以得到任意的功率分配比。图8.3-7(b)和(c)的分支波导与主波导相同，为

36、此，需采用ng/2渐变波导进行过渡，使高度由b1(或b2)渐变至b。第8章 常用微波元件 图 8.3-7 三种波导Y形功率分配器第8章 常用微波元件 C.电阻性功率分配器如上所述，假如三端口分配器含有有耗元件，便可以做到所有端口匹配，而二个输出端口则可能不隔离。图8.3-8表示使用集总电阻的分配器电路。此电路是一种等分(-3 dB)功率分配器；当然也可以做成不等分的功率分配比。如图8.3-8所示，假定所有端口均以特性阻抗Z0端接，则在接头处向输出线看去的阻抗为(8.3-28)分配器的输入阻抗则为 (8.3-29)这表明输入端口匹配。由于网络是对称的，故输出端口也是匹配的，因此S11=S22=S

37、33=0。第8章 常用微波元件 图 8.3-8 等分三端口电阻性功率分配器第8章 常用微波元件 设端口1处的电压为V1，则在接头处的电压为 (8.3-30)输出电压则为(8.3-31)因此S21=S31=S23=1/2，为-6 dB分配器。此网络是互易的，故其S矩阵是对称的，且可表示成 (8.3-32)读者容易证明此矩阵不是幺正矩阵(习题8-26)。第8章 常用微波元件 传递给分配器输入端口的功率为(8.3-33)而输出功率为(8.3-34)这表明有一半信源功率被消耗在电阻内。第8章 常用微波元件(2)威尔金森功率分配器上述无耗 T形接头的缺点是三个端口不能做到完全匹配，输出端口之间无任何隔离

38、；电阻性分配器可以做到完全匹配，但输出端口之间仍然达不到隔离要求。然而，从三端口网络的基本性质得知，有耗三端口网络可以做到完全匹配且输出端口之间具有隔离。威尔金森(Wilkinson)功率分配器就是这样一种三端口网络。它可以实现任意的功率分配比，且可以很方便地用微带线或带状线来做,广泛应用于阵列天线馈电网络、固态发射机放大链等装置中。图8.3-9示出其三种常用结构。第8章 常用微波元件 图 8.3-9 威尔金森等分功率分配器结构(a)一般型；(b)分叉型；(c)环型第8章 常用微波元件 不等分威尔金森功率分配器的结构如图8.3-10所示。图中R为隔离电阻。根据功率关系可求得如下设计方程:(8.

39、3-35)式中K2=P3/P2为端口2和3之间的功率比。如图8.3-10所示，注意到输出线阻抗分别为R2=Z0K和R3=Z0/K，若要求对Z0匹配，则另需加/4变换器。第8章 常用微波元件 图 8.3-10 不等分威尔金森功率分配器第8章 常用微波元件 对于等分情况，K=1，设计公式则简化为(见图8.3-9)：(8.3-36)需要指出的是，威尔金森功率分配器也可做成N路功率分配器/合成器，且可以做到所有端口匹配，输出端口之间具有隔离。但此时电路存在这样的缺点，即当N3时，功率分配器各输出线之间的隔离电阻需要立体交叉，这就使电路难以做成平面结构。为了增加带宽，威尔金森功率分配器需要做成多节，但相

40、应的要增加隔离电阻。第8章 常用微波元件 8.4 四四 端端 口口 元元 件件1.无耗互易四端口网络的基本性质无耗互易四端口网络的基本性质无耗互易四端口网络的S矩阵为(8.4-1)接照习惯，规定端口为输入端口，其它三个都可为输出端口或隔离端口，相应的S矩阵用S02、S03和S04表示，如图8.4-1所示。第8章 常用微波元件 图 8.4-1 无耗互易四端口网络的S矩阵第8章 常用微波元件 性质性质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。这可由无耗互易四端口网络S矩阵的幺正性得到证明。事实上，我们先假定其中三个端口匹配，即假定S11=S22=S33=0，则由式(8.4-1)的幺

41、正性，得到S122+S132+S142=1 (8.4-2a)S122+S232+S242=1 (8.4-2b)S132+S232+S342=1 (8.4-2c)S142+S242+S342+S442=1 (8.4-2d)(8.4-2e)由式(8.4-2b)减去式(8.4-2a)，得到(S232+S242)-(S132+S142)=0 (8.4-3)由式(8.42e)得到S13S23=S14S24 (8.4-4)第8章 常用微波元件 于是式(8.4-3)可以写成(8.4-5)第8章 常用微波元件 显然，当S14=S23 (8.4-6)时，式(8.4-5)成立，则由式(8.4-4)可得S13=S2

42、4 (8.4-7)将式(8.4-6)代入式(8.4-2a)，并与式(8.4-2e)比较，得到S12=S34 (8.4-8)将式(8.4-7)、(8.4-8)和式(8.4-2a)代入式(8.4-2d)，得到S442=1-(S142+S242+S342)=1-(S142+S132+S122)=1-1=0故得S11=S22=S33=S44=0 (8.4-9)第8章 常用微波元件 代入式(8.4-1)，则无耗互易四端口网络的S矩阵为(8.4-10)利用式(8.4-6)、(8.4-7)和式(8.4-8)，由式(8.4-10)所示S0矩阵幺正性得到S122+S132+S142=1 (8.4-11a)(8.

43、4-11b)(8.4-11c)(8.4-11d)第8章 常用微波元件 若要上式成立，即若四个端口完全匹配，则S12、S13和S14中必须有一个为零。这就是说，此四端口网络必定具有定向性，为一定向耦合器。事实上，由式(8.4-11c)S13-式(8.4-11d)S14可得(8.4-12)因此得到S12=0 (8.4-13)则式(8.4-10)变成(8.4-14)第8章 常用微波元件 式(8.4-14)即表示图8.4-1(a)完全匹配网络的S矩阵。若S13=0，则式(8.4-10)变成(8.4-15)式(8.4-15)即表示图8.4-1(b)的S矩阵。若S14=0，则得到图8.4-1(c)的S矩阵

44、为(8.4-16)第8章 常用微波元件 由上面的分析可知，无耗互易四端口元件可以完全匹配，其S矩阵只有S02、S03和S04三种形式，且均为一理想定向耦合器，分别称为双向定向耦合器、反向定向耦合器和同向定向耦合器。性质性质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。第8章 常用微波元件 事实上，按照理想定向性要求，若S12=S43=0，则由式(8.4-1)S矩阵的幺正性，得到S112+S132+S142=1(8.4-17a)(8.4-17b)(8.4-17c)(8.4-17d)(8.4-17e)(8.4-17f)(8.4-

45、17g)第8章 常用微波元件 将式(8.4-17b)除以式(8.4-17c)，得到S14=S23=C (8.4-18)式中C为一常数。将式(8.4-18)代入式(8.4-17b)，得到S13=S24=T (8.4-19)式中T亦为一常数。由式(8.4-17d)(8.4-17d)，可得S11=S22=S33=S44=(8.4-20)式中为常数。由式(8.4-17a)、(8.4-18)(8.4-20)，可得(8.4-21)第8章 常用微波元件 于是得到散射矩阵 (8.4-22)第8章 常用微波元件 选择参考面使11=22=33=44；由式(8.4-17d)(8.4-17g)知，13、14、23、2

46、4可为2或-/2，但为了同时满足式(8.4-17b)和式(8.4-17c)，13、14、23 和24中必须有一个与其余三个反号，如令13=14=24=/2，23=-/2，则散射矩阵变为 (8.4-23)这表明具有定向性S12=S43=0，四个端口并不一定匹配。性质2得证。第8章 常用微波元件 性质性质3 有二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。设端口和是匹配的且相互隔离，则散射矩阵为 (8.4-24)第8章 常用微波元件 由其幺正性得到S132+S142=1 (8.4-25a)S232+S242=1 (8.4-25b)S132+S23

47、2+S332+S342=1 (8.4-25c)S142+S242+S342+S442=1 (8.4-25d)将式(8.4-25c)和式(8.4-25d)相加，并将式(8.4-25a)和式(8.4-25b)代入，得到S332+S442+2S342=0于是应有S33=S44=S34=0。性质3得证。第8章 常用微波元件 2.定向耦合器的技术参数定向耦合器的技术参数以常用形式S04为例讨论。由其幺正性得到S122+S132=1 (8.4-26a)S122+S242=1 (8.4-26b)S132+S342=1 (8.4-26c)S242+S342=1 (8.4-26d)由式(8.4-26a、b)有S

48、13=S24；由式(8.4-26c、d)则有S12=S34。第8章 常用微波元件 为进一步简化，我们选取四个端口中三个端口上的相位，使S12=S34=，S13=ej，S24=ej，其中和为实数，和为待定相角。由S04的第二行与第三行相乘，得到(8.4-27)由此得到待定相角之间的关系为+=2n (8.4-28)第8章 常用微波元件 若不考虑式(8.4-28)右边第二项,则得实用中的两种特殊选择:对称耦合器：=/2，即S13和S24的相位选取相同，其S矩阵为(8.4-29)不对称耦合器：=0，=，即S13和S24的相位差180，其S矩阵则为(8.4-30)第8章 常用微波元件 注意到这两种耦合器

49、的区别仅在于参考面选取不同，而振幅和不是独立的。事实上，由式(8.4-26a),有关系2+2=1 (8.4-31)因此除相位参考面以外，理想定向耦合器仅有一个自由度。这种定向耦合器的两种常用符号如图8.4-2所示。耦合端口的耦合系数为S132=2；直通端口的耦合系数为S122=2=1-2。第8章 常用微波元件 图 8.4-2 定向耦合器的两种常用符号第8章 常用微波元件 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:(8.4-32)(8.4-33)(8.4-34)这三者有如下关系:I=D+C (dB)一个理想定向耦合器应具有无限大的定向性和隔离度(S14=0)。

50、和则可根据给定的耦合度C求得。第8章 常用微波元件 3.定向耦合器的分析与设计定向耦合器的分析与设计定向耦合器的具体结构形式很多，这里介绍常用的波导定向耦合器、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是一种具有定向传输特性的四端口元件,由以耦合机构相联系的两对传输线构成，常用符号如图8.4-2 所示。线称为主线，线称为副线。耦合机构的型式各种各样，一般为孔(或槽缝)、分支线、耦合线段等。定向耦合器在微波技术中的应用非常广泛，常用作功率测量或监视装置，组合成反射计等。a.Bethe 孔耦合器Bethe孔耦合器是一种单孔耦合器。为获得定向性，该单孔需开在两个矩形波导的公共