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1、中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件主要参考书：主要参考书：1.李宗谦，佘京兆，高葆新，微波工程基础，清李宗谦，佘京兆，高葆新，微波工程基础，清华大学出版社，华大学出版社，2004中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.1 基本微波网络参数基本微波网络参数 阻抗矩阵和导纳矩阵阻抗矩阵和导纳矩阵n n端口端口线性网络
2、线性网络阻抗矩阵和导纳矩阵阻抗矩阵和导纳矩阵给出了电压和电流之间的关系，即给出了电压和电流之间的关系，即(4.1)(4.2)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.1 基本微波网络参数基本微波网络参数 阻抗矩阵和导纳矩阵的性质阻抗矩阵和导纳矩阵的性质1.1.互易网络的阻抗矩阵和导纳矩阵互易网络的阻抗矩阵和导纳矩阵 矩阵的转置与矩阵本身相等矩阵的转置与矩阵本身相等(矩阵元素矩阵元素对称性对称性)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute
3、 of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.1 基本微波网络参数基本微波网络参数 阻抗矩阵和导纳矩阵的性质阻抗矩阵和导纳矩阵的性质2.2.无耗网络的阻抗矩阵和导纳矩阵无耗网络的阻抗矩阵和导纳矩阵 (反厄米特阵反厄米特阵)矩阵的共轭转置的负值与矩阵本身相等矩阵的共轭转置的负值与矩阵本身相等(对角元素是对角元素是纯虚数纯虚数)3.3.无耗互易网络的阻抗矩阵和导纳矩阵无耗互易网络的阻抗矩阵和导纳矩阵矩阵的共轭的负值与矩阵本身相等矩阵的共轭的负值与矩阵本身相等(元素是纯虚数元素是纯虚数)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研
4、究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.1 基本微波网络参数基本微波网络参数 散射矩阵散射矩阵 散射矩阵和散射参量的意义散射矩阵和散射参量的意义 (4.3)式中，式中，a ai i、b bi i、S Sijij都是复数，都是复数， 是第是第i i端端口的内向波，口的内向波，b bi i是第是第i i端口的外向波，端口的外向波，a ai i和和b bi i都是相对都是相对于某一截面而言，此截面称为第于某一截面而言，此截面称为第i i端口的参考面或端端口的参考面或端面。面。 中国科学院电子学研究所
5、中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.1 基本微波网络参数基本微波网络参数 散射矩阵散射矩阵 散射矩阵和散射参量的意义散射矩阵和散射参量的意义( (续）续） (4.4)(4.4) 和和 是列矩阵，是列矩阵， 是是 阶方阵，称为散射矩阵，表示为阶方阵，称为散射矩阵，表示为 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.1 基本微波网络参数基本
6、微波网络参数 散射矩阵散射矩阵 散射矩阵和散射参量的意义散射矩阵和散射参量的意义 代表网络本身的第代表网络本身的第1 1端口的反射系数。端口的反射系数。 第第1 1端口到第端口到第2 2端口的传输系数。端口的传输系数。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.1 基本微波网络参数基本微波网络参数 散射矩阵散射矩阵 散射矩阵的性质散射矩阵的性质 1.1.互易网络的散射矩阵互易网络的散射矩阵矩阵的矩阵的转置转置与矩阵与矩阵本身本身相等相等(矩阵元素对称性矩阵
7、元素对称性)2. 无耗网络的散射矩阵无耗网络的散射矩阵 (酉矩阵酉矩阵)矩阵的矩阵的共轭转置共轭转置与矩阵与矩阵本身本身的乘积等于的乘积等于单位矩阵单位矩阵中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.1 基本微波网络参数基本微波网络参数 散射矩阵散射矩阵 散射矩阵的性质散射矩阵的性质 3.3.无损互易网络的散射矩阵无损互易网络的散射矩阵矩阵的矩阵的共轭共轭与矩阵与矩阵本身本身的乘积等于的乘积等于单位矩阵单位矩阵中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所In
8、stitute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.2 模式的激励和耦合模式的激励和耦合 激励的方式（电激励和磁激励）激励的方式（电激励和磁激励）1.源激励场源激励场: 电流源或等效磁流源在空间激励电电流源或等效磁流源在空间激励电磁场磁场自由空间自由空间, 传输线传输线, 波导波导, 谐振腔等谐振腔等2.场激励场场激励场: 从一种场模式到另一种场模式的激从一种场模式到另一种场模式的激励转换励转换3.源激励源源激励源: 从一种类型的电流源转换为另一种从一种类型的电流源转换为另一种类型的电流源类型的电流源4.三种类型
9、三种类型的激励耦合是相关的的激励耦合是相关的, 一个具体的一个具体的激励耦合问题可以从不同的角度不同的类型分激励耦合问题可以从不同的角度不同的类型分析析中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.2 模式的激励和耦合模式的激励和耦合 激励的原则激励的原则广义麦克斯韦方程组广义麦克斯韦方程组 是等效电流源是等效电流源 和等效磁流源和等效磁流源 激励的电场激励的电场和磁场和磁场. 如果如果 是被激励单元中是被激励单元中某个模式某个模式的场的场, 意味着意味着该模
10、式该模式不能被激起不能被激起.中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.2 模式的激励和耦合模式的激励和耦合 激励的原则激励的原则推论推论: 1. 放在电场为零的位置放在电场为零的位置, 放在磁场为零的位放在磁场为零的位 置置(平行理想导体或者磁体附近平行理想导体或者磁体附近) 2. 垂直于电场和垂直于电场和 垂直于磁场也不能激起相垂直于磁场也不能激起相 应模式的场应模式的场 3. 都是旋转矢量都是旋转矢量,且且 与与 的旋转方向的旋转方向 相反相反, 与
11、与 的旋转方向相反的旋转方向相反4. , 如源和场具有相反的如源和场具有相反的对对5.称性称性 (奇不能激起偶奇不能激起偶, 偶不能激起奇偶不能激起奇)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.2 模式的激励和耦合模式的激励和耦合 激励的原则激励的原则5. , 但是但是电流源作用与磁流源作用互相抵消电流源作用与磁流源作用互相抵消中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy o
12、f Science第四章第四章 微波元件微波元件4.2 模式的激励和耦合模式的激励和耦合 激励耦合举例激励耦合举例1. 同轴波导转换（电激同轴波导转换（电激励）励）: 同轴线的内导体从同轴线的内导体从矩形波导宽边的中央伸矩形波导宽边的中央伸到波导中构成到波导中构成. 如图矩形如图矩形波导的左端短路波导的左端短路, 且同轴且同轴线内导体与短路面的距线内导体与短路面的距离为离为TE10模的模的1/4波导波波导波长。波从同轴向波导和长。波从同轴向波导和从波导向同轴的传输性从波导向同轴的传输性能是一致的（互易性）能是一致的（互易性）同轴波导转换示同轴波导转换示意图（源和场）意图（源和场）中国科学院电子
13、学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.2 模式的激励和耦合模式的激励和耦合 激励耦合举例激励耦合举例2. 同轴线耦合环（磁激励）同轴线耦合环（磁激励） 同轴线和波导之间的耦同轴线和波导之间的耦合也可以通过内导体的延合也可以通过内导体的延伸和弯曲环状，再和外导伸和弯曲环状，再和外导体闭合连接，构成耦合环。体闭合连接，构成耦合环。波导中交变磁场穿过耦合波导中交变磁场穿过耦合环会在耦合环中产生感应环会在耦合环中产生感应电流；同时通过耦合环的电流；同时通过耦合环的交变电流将
14、在波导中激起交变电流将在波导中激起交变电磁场。交变电磁场。同轴线中激起同轴线中激起TEM波（源和场）波（源和场）波导中激起波导中激起TE10波（源和场）波（源和场）TE10TEM中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.2 模式的激励和耦合模式的激励和耦合 激励耦合举例激励耦合举例3. 小孔耦合小孔耦合(电耦合和磁耦电耦合和磁耦合同时存在合同时存在): 两个波导重两个波导重迭在一起迭在一起, 在它们的公共壁在它们的公共壁上开一个或多个小孔或缝上开一个或多个
15、小孔或缝, 波导中的电磁场将向外辐波导中的电磁场将向外辐射射. 在有法向电场的壁上开在有法向电场的壁上开孔孔, 场的辐射和电耦极子的场的辐射和电耦极子的辐射类似辐射类似;在有切向磁场的在有切向磁场的壁上开孔壁上开孔, 场的辐射和磁耦场的辐射和磁耦极子的辐射类似极子的辐射类似定向耦定向耦合器合器波导壁上孔的耦合波导壁上孔的耦合(场或源和场场或源和场)两波导宽壁上耦合孔（场和场）两波导宽壁上耦合孔（场和场）中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.2 模式的激
16、励和耦合模式的激励和耦合 激励耦合举例激励耦合举例4. 同轴微带转换和波导同轴微带转换和波导微带转换微带转换同轴微带转换结构同轴微带转换结构(电流连续电流连续源和源源和源)波导微带转换结构波导微带转换结构(场和电流）场和电流）中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.2 模式的激励和耦合模式的激励和耦合 激励耦合举例激励耦合举例5. 方圆过渡方圆过渡( , )场和场场和场中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electron
17、ics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.3 简单不均匀性的等效电路简单不均匀性的等效电路条件条件: 简单不均匀性由良导体组成简单不均匀性由良导体组成, 忽略损耗忽略损耗, 不均匀性等效不均匀性等效成电容或电感，由激起高次模式所储的是磁能还是电能决定成电容或电感，由激起高次模式所储的是磁能还是电能决定 截面尺寸突变截面尺寸突变同轴线同轴线横截面尺寸横截面尺寸突突变或矩形波导变或矩形波导高度高度尺尺寸突变寸突变, 电场分布发电场分布发生变化生变化, 高次高次E模截模截止止等效电容等效电容; 矩形矩形波导波导宽度宽度尺寸突变尺寸突变, 磁场分布
18、发生变化磁场分布发生变化, 高次高次H模截止模截止等效等效电感电感.中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.3 简单不均匀性的等效电路简单不均匀性的等效电路 矩形波导宽边向波导中伸进导体片矩形波导宽边向波导中伸进导体片电容窗电容窗膜片附近激起膜片附近激起纵向电场纵向电场, TM模截止场模截止场, 等效等效并联电容并联电容中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of S
19、cience第四章第四章 微波元件微波元件4.3 简单不均匀性的等效电路简单不均匀性的等效电路 矩形波导窄边向波导中伸进导体片矩形波导窄边向波导中伸进导体片电感窗电感窗膜片附近激起膜片附近激起纵向磁场纵向磁场, TE模截止场模截止场, 等效等效并联电感并联电感中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.3 简单不均匀性的等效电路简单不均匀性的等效电路 矩形波导矩形波导宽边和窄边宽边和窄边同时向波导中伸进导体片同时向波导中伸进导体片谐振窗谐振窗可能存在可能存在
20、某个频率某个频率 0, 使并联导纳等于零使并联导纳等于零, 对波的传输对波的传输影响最小影响最小波导密封窗波导密封窗: 隔离真空和大气且不影响波隔离真空和大气且不影响波传输传输真空密封谐振窗及其等效电路真空密封谐振窗及其等效电路中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.3 简单不均匀性的等效电路简单不均匀性的等效电路 波导销钉波导销钉波导宽边中心插入一个可调销波导宽边中心插入一个可调销钉，钉， 它部分改变了边界条件。它部分改变了边界条件。进入波导的上半部分
21、影响进入波导的上半部分影响波导波导壁上电流的分布，导致壁上电流的分布，导致z方向磁方向磁场，引起场，引起H模的截止场模的截止场，相当，相当于于电感电感作用；销钉的作用；销钉的端面附近端面附近出现出现z方向的电场，引起方向的电场，引起E模的模的截止场，相当于电容作用截止场，相当于电容作用。销。销钉钉谐振频率高于工作频率则相谐振频率高于工作频率则相当于电容，低于工作频率相当当于电容，低于工作频率相当于电感，于电感，接近于工作频率引起接近于工作频率引起强反射。强反射。可移动销钉及其等效电路可移动销钉及其等效电路中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronic
22、s, Chinese Academy of Science 问题问题1。我们讨论波导不均匀性时认为。我们讨论波导不均匀性时认为H模式的截止场模式的截止场的储能以磁能为主，的储能以磁能为主，E模式的截止场的储能以电能模式的截止场的储能以电能为主，从场分量表达式或能量储存的角度解释为为主，从场分量表达式或能量储存的角度解释为什么可以这样做？什么可以这样做？2。针对。针对TE10模单模工作，矩形波导宽边突变等效模单模工作，矩形波导宽边突变等效于为一电感，窄边突变等效为一电容。从传输线于为一电感，窄边突变等效为一电容。从传输线阻抗变化的角度，分析非常薄的金属膜片变化以阻抗变化的角度，分析非常薄的金属膜
23、片变化以解释这一电感或电容为主的数学物理过程。解释这一电感或电容为主的数学物理过程。中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍1. 线性互易元件线性互易元件线性变换线性变换, 不改变频率不改变频率, 满足互满足互 易定理易定理(匹配负载匹配负载, 衰减器衰减器, 移相器移相器, 短路活塞短路活塞, 功功 分器分器, 微波电桥微波电桥, 定向耦合器定向耦合器, 阻抗匹配器阻抗匹配器, 阻抗阻抗变变 换器等换器等)2. 线性
24、非互易元件线性非互易元件各向异性媒质各向异性媒质(磁化铁氧体磁化铁氧体), 具有非互易性具有非互易性, 散射矩阵不对称散射矩阵不对称(隔离器隔离器, 环行器环行器)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 匹配负载匹配负载(一种终端器件一种终端器件)理想情况吸收入射波的所有能量理想情况吸收入射波的所有能量, 不产生反射不产生反射精密系统精密系统1.02, 测试系统测试系统 1.11. 小功率负载小功率负载: 在短路波导
25、宽壁中央放置一表层在短路波导宽壁中央放置一表层涂敷微波吸收电阻渐变介质片涂敷微波吸收电阻渐变介质片, 其表面平行其表面平行TE10场的力线场的力线. 为宽带匹配为宽带匹配, 吸收片通常做成尖劈形吸收片通常做成尖劈形, 长度长度1-2个波长个波长.中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 匹配负载匹配负载(一种终端器件一种终端器件)2. 大功率负载大功率负载水负载水负载: 流动的水作为流动的水作为微波吸收载体微波吸收载体
26、, 同时带同时带走热量走热量. 入出水的温度入出水的温度差可以用于功率测量差可以用于功率测量. 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 匹配负载匹配负载(一种终端器件一种终端器件)2. 大功率负载大功率负载干负载干负载: 固体吸收材料固体吸收材料(碳化硅碳化硅, 烃基铁等烃基铁等)作作为微波吸收载体为微波吸收载体, 同时采用散热片带走热量同时采用散热片带走热量. 屏蔽后热偶检测温度差可以用于功率测量屏蔽后热偶检测温度
27、差可以用于功率测量. 3. 微波暗室微波暗室: 在室内六面墙安装尖劈形微波吸在室内六面墙安装尖劈形微波吸收材料收材料, 使波无反射使波无反射. 应用应用: 模拟自由空间均模拟自由空间均匀平面波和球面波匀平面波和球面波高功率实验高功率实验, 电磁波的辐电磁波的辐射和散射等的研究射和散射等的研究中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 匹配负载匹配负载(一种终端器件一种终端器件)4. 负载匹配的意义负载匹配的意义(无反射无
28、反射,无驻波无驻波 )a.匹配负载可以从匹配源中提取最大功率匹配负载可以从匹配源中提取最大功率b.行波状态时传输效率最高行波状态时传输效率最高c.行波状态时损耗最小行波状态时损耗最小d.行波状态时传输线功率容量最大行波状态时传输线功率容量最大e.行波状态时微波源工作稳定行波状态时微波源工作稳定f.行波状态时测量的数据更可靠行波状态时测量的数据更可靠g.行波状态时可以改进系统的信噪比（天线）行波状态时可以改进系统的信噪比（天线）h.行波状态时可以降低振幅和相位的误差（公行波状态时可以降低振幅和相位的误差（公分和合成网络）分和合成网络）中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute
29、 of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导接头和同轴接头波导接头和同轴接头1. 平接头平接头(法兰法兰): 连接端面是连接端面是平面平面两个连接端面两个连接端面必须必须对准且有良好的机械接触对准且有良好的机械接触，否则会引起反射和，否则会引起反射和微波功率泄漏微波功率泄漏. 适合适合宽频带宽频带使用使用.2. 扼流接头扼流接头(法兰法兰): 平法兰与一扼流接头连接平法兰与一扼流接头连接, 使使波导宽边连接缝隙处位于等效短路波导宽边连接缝隙处位于等效短路( /2). 波导宽波导
30、宽壁无直接的机械接触壁无直接的机械接触, 但电接触良好但电接触良好, 不过不过频带窄频带窄.适合高功率使用适合高功率使用3. 同轴接头同轴接头: 实现同轴线之间的连接实现同轴线之间的连接. N型型, SMA型型, L16型等型等. 这种接头有阴阳之分这种接头有阴阳之分.中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导接头和同轴接头波导接头和同轴接头等效短路点等效短路点中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Insti
31、tute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 短路活塞短路活塞一种可移一种可移 动式短路器动式短路器(全反射全反射)接触式接触式用富有弹用富有弹性的金属片做成梳性的金属片做成梳妆接触片妆接触片, 触点频繁触点频繁移动和与波导内壁移动和与波导内壁磨损磨损, 大功率容易打大功率容易打火（火（1/4波长的作用波长的作用是使接触点电流为是使接触点电流为零，接触损耗最小，零，接触损耗最小，避免打火避免打火）.中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Elec
32、tronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 短路活塞短路活塞一种可移动式短路器一种可移动式短路器(全反射全反射)扼流式扼流式( /4变换变换) c点无接触点无接触, 但但等效等效为短路面为短路面, b点等效为点等效为开路面开路面, a 点为点为真正的短路面真正的短路面. 无机械接无机械接触触, 频带窄频带窄.缝隙缝隙中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4
33、 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 衰减器衰减器1. 吸收式矩形波导衰减器吸收式矩形波导衰减器: 利用置于波导中的微波吸收利用置于波导中的微波吸收片引起波的损耗得到衰减片引起波的损耗得到衰减衰减量由吸收片与波导窄壁衰减量由吸收片与波导窄壁的距离决定的距离决定, 吸收片的平面吸收片的平面与矩形波导的窄壁与矩形波导的窄壁TE10波的波的电场平行电场平行. 衰减器两端尽可衰减器两端尽可能匹配能匹配, 吸收材料与匹配负吸收材料与匹配负载的类似载的类似. 应用应用: 输入信号输入信号控制控制, 大功率测量大功率测量, 高增益高增益测量等测量等中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute
34、 of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 衰减器衰减器2.截止式衰减器截止式衰减器主体主体是一段处于截止状态的是一段处于截止状态的圆波导圆波导. 选择圆波导半选择圆波导半径使径使TE11模处于过截止模处于过截止 c=3.41R, 截止衰减截止衰减系数为系数为:截止反射使系统处于严截止反射使系统处于严重失配状态重失配状态, 输入输出输入输出的匹配是保证测试条件的匹配是保证测试条件的基本要求的基本要求 可以精确计算可以精确计算, 可用于可用于定标定标中国科学院电子学研究所中国科学院电
35、子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 衰减器衰减器3.旋转极化式衰减器旋转极化式衰减器主体是两端的方圆主体是两端的方圆过渡和中间的圆波导过渡和中间的圆波导段构成段构成.吸收片吸收片I和和III平行于波导的宽边平行于波导的宽边, 圆波导中的吸收片圆波导中的吸收片II则可以绕轴旋转则可以绕轴旋转.衰减衰减量严格由旋转角度决量严格由旋转角度决定定, 与三个吸收片的与三个吸收片的衰减量无关衰减量无关.可以用可以用 作为精确定标衰减量作为精确定标衰减量.中国
36、科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 移相器移相器a.改变传输线长度改变传输线长度b.改变传输相位常数改变传输相位常数 普通移相普通移相1.普通移相器普通移相器( )波导宽边中心开一纵向窄波导宽边中心开一纵向窄缝缝, 压缩宽边尺寸改变传压缩宽边尺寸改变传输常数输常数引入介质改变波导波长引入介质改变波导波长, 类似于衰减器类似于衰减器, 只要将衰只要将衰减片用低损耗介质片替换减片用低损耗介质片替换即可即可.2.旋转相移器
37、旋转相移器类似于旋转式类似于旋转式衰减器衰减器精确定标移相精确定标移相旋转移相旋转移相中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 模式抑制器模式抑制器: 在波导中设置某些特殊边界以容许某些在波导中设置某些特殊边界以容许某些特定模式通过特定模式通过, 其他模式不能通过其他模式不能通过.在圆波导中在圆波导中设置与波导同轴线的金属圆环将抑制设置与波导同轴线的金属圆环将抑制TE0n模模的传输的传输, 容许容许TM0n通过通过;
38、设置穿过轴线的金设置穿过轴线的金属平面将抑制属平面将抑制TM0n模的传输模的传输, 容许容许TE0n通过通过中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导波导T型分支型分支(功率分配和合成单元功率分配和合成单元)1. ET和和HT分支分支功能：用于功率的功能：用于功率的分配或合成。分配或合成。分支分支平面与主波导中平面与主波导中TE10波的电场平行波的电场平行称为称为E T分支；分支；分支平面与主波导分支平面与主波导中
39、中TE10波的磁场平波的磁场平行行称为称为H T分支分支分支在主波导宽壁分支在主波导宽壁分支在主波导窄壁分支在主波导窄壁中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science电场激励图解电场激励图解中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导波导T型分支型分支(功率分配和合成单元功率分配和合成单元)1.ET和和HT分支分支
40、对于对于ET分支，由于其结构的对称性，有分支，由于其结构的对称性，有因其是互易网络，必有因其是互易网络，必有 同时同时设在端口设在端口3 3上将网络本身上将网络本身调好匹配调好匹配，即，即 ，则则E ET T分支的散射矩阵分支的散射矩阵可以写成可以写成 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science由于网络无损耗，故应满足酉条件，即由于网络无损耗，故应满足酉条件，即 的第一行乘以的第一行乘以 的第一列，得的第一列，得 的第三行乘以的第三行乘以 的第三列，得的第三列，得 (4.5)第四章第四章
41、微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导波导T型分支型分支(功率分配和合成单元功率分配和合成单元)1.ET和和HT分支分支中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 的第三行乘以的第三行乘以 的第一列，得的第一列，得 由由(4.5)得得(4.6)第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导波导T型分支型分支(功率分配和合成单元功率分配和合成单元)1.ET和和HT分支分支 选择参考面选择参考面, 使使 = =0, 则则E T分分支散射矩阵
42、为支散射矩阵为(4.7)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导波导T型分支型分支(功率分配和合成单元功率分配和合成单元)1.ET和和HT分支分支 同理同理HT分支的散射矩阵为分支的散射矩阵为(4.8)ET和和HT分支的分支的S参量表明，当参量表明，当TE10波从端口波从端口1输入输入, 将将有有1/4的功率被反射的功率被反射, 1/4的功率被传输到端口的功率被传输到端口2, 1/2的功率传的功率传送到端口送到端
43、口3. 信号从端口信号从端口3输入输入, 将不存在反射将不存在反射, 端口端口1和和2各各得一半功率得一半功率, 3dB功分器功分器, 作为功率合成器作为功率合成器, 端口端口1和和2的输的输入驻波比比较大入驻波比比较大( =3), 且且端口端口1和和2不相互隔离不相互隔离.中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导波导T型分支型分支(功率分配和合成单元功率分配和合成单元)2.2.无耗互易三端口网络的性质无耗互易三
44、端口网络的性质 性性质质1:1:无无耗耗互互易易三三端端口口网网络络不不可可能能同同时时实实现现匹匹配配，即散射参量即散射参量 不可能全为零不可能全为零. .假如假如Sii全为零，有全为零，有无耗互易酉条件：无耗互易酉条件：中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导波导T型分支型分支(功率分配和合成单元功率分配和合成单元)2.2.无耗互易三端口网络的性质无耗互易三端口网络的性质 或或 , ,但不论是但不论是 还是还
45、是 ，都不，都不能使能使(4.9),(4.10),(4.11)(4.9),(4.10),(4.11)同时成立，即说明前面的同时成立，即说明前面的 假设全为零不成立，亦即说明假设全为零不成立，亦即说明无耗互易三无耗互易三分支的三个端口不可能同时实现匹配分支的三个端口不可能同时实现匹配。 (4.9)(4.10) (4.11)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导波导T型分支型分支(功率分配和合成单元功率分配和合成单
46、元)2.2.无耗互易三端口网络的性质无耗互易三端口网络的性质 性质性质2:2:无耗互易三分支的两个端口不可能同时实现无耗互易三分支的两个端口不可能同时实现匹配，否则退化为二端口网络。匹配，否则退化为二端口网络。 假设假设 , , 有有 酉条件酉条件:中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导波导T型分支型分支(功率分配和合成单元功率分配和合成单元)2.2.无耗互易三端口网络的性质无耗互易三端口网络的性质 (4.12
47、)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 波导波导T型分支型分支(功率分配和合成单元功率分配和合成单元)2.2.无耗互易三端口网络的性质无耗互易三端口网络的性质 要求要求 或或 ，若，若 , ,代入上式有代入上式有 ，由于此时由于此时 不能为零（不能为零（由性质一由性质一），只能是），只能是 ，以上条件代入得以上条件代入得 若无耗互易三分支的端口若无耗互易三分支的端口1 1和和2 2同时实现匹配，则第三分支同时实现匹
48、配，则第三分支对外已被对外已被“封闭封闭”(S(S1313和和S S2323均为零均为零),),对内已被隔离对内已被隔离(S(S3333=1)=1)，而，而端口端口1 1和和2 2之间实现全通之间实现全通(S(S1212=1)=1)，亦即此时的，亦即此时的三分支已三分支已退化为一个二端口网络退化为一个二端口网络。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 从波导双从波导双T T到魔到魔T T1.1.端口端口
49、1 1进入的波在端口进入的波在端口2 2和和3 3是等幅是等幅同相输出；同相输出；2.2.端口端口4 4进入的波在端口进入的波在端口2 2和和3 3是等幅反相输出；是等幅反相输出；3.3.端口端口1 1和和4 4应是应是互相隔离互相隔离( (偶对称场不能激起奇对称场偶对称场不能激起奇对称场).).考虑到结构的对称性和网络的互易考虑到结构的对称性和网络的互易性：性： (4.13)(结构对称结构对称性性)（互易性）（互易性）中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元
50、件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 从波导双从波导双T T到魔到魔T T于是双于是双T T分支的散射矩阵可为如下形式：分支的散射矩阵可为如下形式： 在在E-TE-T和和H-TH-T分支的汇分支的汇合处，可以对称的放合处，可以对称的放置调配元件，使得网置调配元件，使得网络本身的端口络本身的端口1 1和和4 4匹匹配，即配，即: S: S1111=S=S4444=0=0(4.14)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介
51、绍微波无源元件介绍 魔魔T T 从波导双从波导双T T到魔到魔T T中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 从波导双从波导双T T到魔到魔T T当时，散射矩阵变为当时，散射矩阵变为( (四个独立四个独立) ) 设魔设魔T T无损耗，它满足酉条件，即无损耗，它满足酉条件，即 (4.16)(4.17)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese
52、 Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 从波导双从波导双T T到魔到魔T T 的第一行与的第一行与 的第一列相乘得的第一列相乘得 的第四行与的第四行与 的第四列相乘得的第四列相乘得 适当选取参考面适当选取参考面 、 和和 的位置，使的位置，使 ，于是，于是 (4.18)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 从波导双从波导双
53、T T到魔到魔T T 的第二行与的第二行与 的第二列相乘得的第二列相乘得 的第一行与的第一行与 的第二列相乘得的第二列相乘得 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 从波导双从波导双T T到魔到魔T T魔魔T T散射矩阵变为散射矩阵变为 当端口当端口1 1和和4 4匹配后，端口匹配后，端口2 2和和3 3将自动实现匹将自动实现匹配，除端口配，除端口1 1和和4 4互相隔离外，端口互相隔离外，端口2 2和和
54、3 3也是也是互相隔离的互相隔离的 (4.19)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 问题问题1.1.在推导魔在推导魔T的的S参量矩阵过程中，曾认为在参量矩阵过程中，曾认为在E-T和和H-T分支的汇合处，可以对称的放置分支的汇合处，可以对称的放置调配元件，使得网络本身的端口调配元件，使得网络本身的端口1和和4匹配，匹配，即即: S11=S44=0。为什么？。为什么？2.2.对于魔对于魔T, T, 当端口当端口1 1和和4 4匹配后，端口匹配后，端口2 2和和3 3将将自动实现匹配，除
55、端口自动实现匹配，除端口1 1和和4 4互相隔离外，互相隔离外，端口端口2 2和和3 3也是互相隔离的也是互相隔离的. .这是由一般性质这是由一般性质从数学上推出的物理结果从数学上推出的物理结果, ,讨论导致这些结讨论导致这些结果的物理原因果的物理原因. . 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 魔魔T T的的应用应用微波电桥微波电桥条件：魔条件：魔T T的端口的端口1 1接匹配信号源，端接匹配信号源，
56、端口口4 4接匹配功率计，接匹配功率计，端口端口2 2和和3 3分别接分别接Z Z2 2和和Z Z3 3，对应的反射对应的反射系数为系数为 2 2和和 3 3 (4.20)(4.21)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 魔魔T T的的应用应用( (微波电桥微波电桥) ) 2= 3,亦即亦即 时，时， ，端口，端口4 4的功率计的功率计指示为零，说明指示为零，说明此时的电桥平衡此时的电桥平衡; ;否则否
57、则 , , , , 不不平衡平衡, ,比较或测量比较或测量阻抗阻抗 (4.22)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 魔魔T T的的应用应用移相器移相器条件条件: :魔魔T T端口端口1 1接匹接匹配信号源，端口配信号源，端口2 2和和3 3接短路活塞，同步接短路活塞，同步移动两活塞以保持移动两活塞以保持下列关系下列关系 端口端口4接匹配负载接匹配负载当魔当魔T T的端口的端口2 2和和3 3的短路活塞
58、的短路活塞同步移动同步移动时，端口时，端口4 4和和1 1之间相之间相当于一个移相器当于一个移相器 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 魔魔T T的的应用应用 调配器调配器条件条件: :魔魔T T端口端口2 2接匹接匹配信号源，端口配信号源，端口3 3接接任意负载任意负载Z Z3 3, ,端口端口1 1和和4 4接短路活塞，调接短路活塞，调节短路活塞节短路活塞, ,总可以总可以使端口使端口2 2向负载
59、看的向负载看的反射系数反射系数中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 魔魔T T的的应用应用( (调配器调配器) )(4.23)(4.24)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 魔魔T T 魔魔T T的的应用应用( (调配器调
60、配器) )消除消除b b1 1,b,b3 3和和b b4 4,b,b2 2和和a a2 2表示为表示为要使端口要使端口2匹配匹配, 必须必须b2=0(4.25)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 定向耦合器定向耦合器 定向耦合器的机理、技术指标和分析方法定向耦合器的机理、技术指标和分析方法 定义：定向耦合器是一种具有方向性的功率分配定义：定向耦合器是一种具有方向性的功率分配器器 中国科学院电子学研究所中国科学院电
61、子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍端口端口3 3称为耦合臂，端口称为耦合臂，端口4 4称为隔称为隔离臂，端口离臂，端口2 2称为直通臂。称为直通臂。(4.26)xz 定向耦合器定向耦合器 定向耦合器的机理、技术定向耦合器的机理、技术指标和分析方法指标和分析方法 定向耦合器的简单机理：定向耦合器的简单机理：耦耦合孔位于波导的公共窄壁上，合孔位于波导的公共窄壁上，两孔大小形状相同，间距为两孔大小形状相同，间距为 。若功率从端口。若功率从端口1 1输入
62、，则称输入，则称端口端口1 1和和2 2之间的波导之间的波导为为主波主波导导，端口，端口3 3和和4 4之间的波导为之间的波导为副波导副波导。振幅为。振幅为 的入射波，的入射波，携带功率携带功率 由端口由端口1 1输入，经输入，经小孔小孔 耦合。耦合。a a波和波和b b波两者波两者幅度相等，均为幅度相等，均为 . . y中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 定向耦合器定向耦合器 双孔定向耦合器明显的缺陷是只能在窄
63、频带情况下使双孔定向耦合器明显的缺陷是只能在窄频带情况下使用，单十字孔定向耦合器，两波导互相垂直，铣去下用，单十字孔定向耦合器，两波导互相垂直，铣去下面波导的一部分宽壁，使两波导重合部分只有一层波面波导的一部分宽壁，使两波导重合部分只有一层波导壁。十字孔开在波导壁中心线的一侧（不对称结构）导壁。十字孔开在波导壁中心线的一侧（不对称结构）。当波从端口。当波从端口1 1输入时，小孔在波前进方向的右侧，适输入时，小孔在波前进方向的右侧，适当选择小孔位置使该处磁场为逆时针旋转圆极化磁场，当选择小孔位置使该处磁场为逆时针旋转圆极化磁场，小孔在副波导中也将激励起这种逆时针旋转圆极化磁小孔在副波导中也将激励
64、起这种逆时针旋转圆极化磁场，并且也应位于波前进方向的右侧，于是可以推断场，并且也应位于波前进方向的右侧，于是可以推断端口端口4 4无功率输出，端口无功率输出，端口3 3有功率输出有功率输出，从而形成功率，从而形成功率的定向耦合。的定向耦合。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 定向耦合器定向耦合器 定向耦合器的技术指标定向耦合器的技术指标 定量描述定向耦合器的性能优劣有四项指标定量描述定向耦合器的性能优劣有四项指
65、标( (1 1).).耦合度定义为主波导输入功率耦合度定义为主波导输入功率 与副波导中耦合与副波导中耦合臂的输出功率臂的输出功率 之比之比 ( (2).).方向性方向性D定义为副波导耦合臂与隔离臂输出功率之定义为副波导耦合臂与隔离臂输出功率之比比 (4.27)(4.28)越大越好越大越好中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 定向耦合器定向耦合器 定向耦合器的技术指标定向耦合器的技术指标 定量描述定向耦合器的性能优劣
66、有四项指标定量描述定向耦合器的性能优劣有四项指标( (续续) )( (3 3).).输入驻波比输入驻波比 定义为从主波导输入端口定义为从主波导输入端口1 1测得的驻测得的驻波系数，此时其余各端口均接以匹配负载波系数，此时其余各端口均接以匹配负载(4.29) ( (4).).工作频带定义为上述三项指标皆满足要求时，定工作频带定义为上述三项指标皆满足要求时，定向耦合器的工作频率范围（向耦合器的工作频率范围（带内平坦度带内平坦度） 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science(对称性对称性)第四章
67、第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 定向耦合器定向耦合器 对称理想定向耦合器的散射矩阵对称理想定向耦合器的散射矩阵存在两类对称理想定向耦合器。第一类，假设端口存在两类对称理想定向耦合器。第一类，假设端口1 1和和4 4完全隔离，由于结构对称，端口完全隔离，由于结构对称，端口2 2和和3 3也完全隔离也完全隔离 设网络各端口均已调匹配，即设网络各端口均已调匹配，即 ，考虑，考虑到网络的互易性，散射矩阵应有下面的形式到网络的互易性，散射矩阵应有下面的形式 (4.30)xz y中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,
68、 Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 定向耦合器定向耦合器 对称理想定向耦合器的散射矩阵对称理想定向耦合器的散射矩阵理想无耗定向耦合器满足酉条件理想无耗定向耦合器满足酉条件: : 的第一行与的的第一行与的 第一列相乘得第一列相乘得 的第一行与的的第一行与的 第四列相乘得第四列相乘得也可以写为也可以写为:(是纯虚数是纯虚数)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微
69、波无源元件介绍微波无源元件介绍 定向耦合器定向耦合器 对称理想定向耦合器的散射矩阵对称理想定向耦合器的散射矩阵假定假定: : ( 和和 是正实数是正实数)故这一类故这一类对称对称定向耦合器的散射矩阵为定向耦合器的散射矩阵为 (3.31)直通臂与耦合臂的外向直通臂与耦合臂的外向波之间有波之间有90度的相位差度的相位差中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 定向耦合器定向耦合器 对称理想定向耦合器的散射矩阵对称理想定向耦
70、合器的散射矩阵第二类对称理想定向耦合器假设端口第二类对称理想定向耦合器假设端口1 1和和3 3完全隔离，完全隔离，由于结构的对称性，端口由于结构的对称性，端口2 2和和4 4也完全隔离也完全隔离 考虑到对称四端口考虑到对称四端口网络的无耗互易性，网络的无耗互易性，第二类对称理想定第二类对称理想定向耦合器的散射矩向耦合器的散射矩阵为阵为 (3.32)xz y中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 定向耦合器定向耦合器
71、定向耦合器的分类和应用定向耦合器的分类和应用1 1、种类：、种类：波导定向耦合器（高频率，大功波导定向耦合器（高频率，大功率），微带定向耦合器（小功率，低频率）；率），微带定向耦合器（小功率，低频率）；2 2、方式：、方式：同一模式的耦合（功率检测，微同一模式的耦合（功率检测，微波测量），不同模式的耦合（高次模式的检波测量），不同模式的耦合（高次模式的检测和测量）；测和测量）；3 3、结构：、结构：小孔耦合，十字缝耦合，微带线小孔耦合，十字缝耦合，微带线耦合耦合中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of
72、Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 圆极化器圆极化器圆极化器的功能：将圆极化器的功能：将线极化波变换成圆极线极化波变换成圆极化波。如果两个线极化波。如果两个线极化波的振幅相等并且化波的振幅相等并且在空间方向互相垂直，在空间方向互相垂直，相位相差相位相差90900 0，那么，那么它们可以形成圆极化波。假设介质片与它们可以形成圆极化波。假设介质片与x x轴平行，入轴平行，入射波为圆波导中的射波为圆波导中的TETE1111模，模，E Ei i可分解为可分解为x x方向和方向和y y方向方向的两个分量之和。的两个分量之和。(3.33)中国科学院电子学研
73、究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.4 微波无源元件介绍微波无源元件介绍 圆极化器圆极化器设水平极化的设水平极化的 波的传播常数为波的传播常数为 ，垂直极化的，垂直极化的 波的传播常数为波的传播常数为 ，这两个线性极化波传输，这两个线性极化波传输一段距离后，会引起相位差一段距离后，会引起相位差 ，取，取 ，同时取，同时取 ，故两个线性极化波的幅度相等，故两个线性极化波的幅度相等，那么会在输出端口形成圆极化波。那么会在输出端口形成圆极化波。 中国科学院电子学研究所中国科
74、学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.5 铁氧体器件铁氧体器件铁氧体是一种陶瓷类材料，它由金属氧化物的混合铁氧体是一种陶瓷类材料，它由金属氧化物的混合物烧结而成。铁氧体的电阻率很高，损耗较小，相物烧结而成。铁氧体的电阻率很高，损耗较小，相对介电常数对介电常数 r=1020，导磁率在一定条件下呈现出，导磁率在一定条件下呈现出各向异性。各向异性。 铁氧体的张量导磁率铁氧体的张量导磁率 在恒定磁场在恒定磁场 和微波磁场和微波磁场 的共同作用下铁氧体的共同作用下铁氧体呈现出各向异性。具体
75、表现为在材料的各个方向呈现出各向异性。具体表现为在材料的各个方向上，它的导磁率不同，为张量导磁率。上，它的导磁率不同，为张量导磁率。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 铁氧体的张量导磁率铁氧体的张量导磁率 第四章第四章 微波元件微波元件4.5 铁氧体器件铁氧体器件当偏置磁场为当偏置磁场为 场时，磁感应强度和磁场强场时，磁感应强度和磁场强度的交变分量度的交变分量 和和 间将满足下列关系式：间将满足下列关系式： (4.34)其中：其中： 为微波场的角频率；为微波场的角频率； , ,
76、0 0为铁磁共振角频为铁磁共振角频率率, , , , 为直流磁化强度为直流磁化强度; ; 为旋磁比为旋磁比 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 铁氧体的张量导磁率铁氧体的张量导磁率 第四章第四章 微波元件微波元件4.5 铁氧体器件铁氧体器件微波磁场分量不仅产生与自身方微波磁场分量不仅产生与自身方向一致的磁感应强度，同时还产向一致的磁感应强度，同时还产生与自身方向垂直的方向上的磁生与自身方向垂直的方向上的磁感应强度。感应强度。 的本征矢和本征值问题，令的本征矢和本征值问题，令 中国科
77、学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.5 铁氧体器件铁氧体器件 铁氧体的张量导磁率铁氧体的张量导磁率 它们分别称作它们分别称作右旋右旋（或正旋（或正旋x x超前超前y)y)圆圆极化磁场、极化磁场、左旋（或左旋（或负旋负旋y超前超前x）圆极化圆极化波磁场和波磁场和z z向线极化向线极化磁场。相对导磁率分磁场。相对导磁率分别用别用 + +、 - -和和 0表示表示 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, C
78、hinese Academy of Science 铁氧体的张量导磁率铁氧体的张量导磁率 第四章第四章 微波元件微波元件4.5 铁氧体器件铁氧体器件 + +有有谐谐振振特特性性，称称之之为为铁铁磁磁共共振振现现象象，而而 - -没没有有这这种种效效应应。当当考考虑虑到到损损耗耗时时， + +和和 - -出出现现了了代代表表磁磁损损耗耗的虚部。实部的虚部。实部 + +和和 - -以及虚部以及虚部 ”+ +和和 ”- - 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of ScienceX第四章第四章 微波元件微波元
79、件4.5 铁氧体器件铁氧体器件 矩形波导矩形波导场移式场移式隔离器隔离器 隔离器是一种单向衰减器，其隔离器是一种单向衰减器，其对正向传输的电磁波基本上不对正向传输的电磁波基本上不衰减衰减( (x=xx=x2 2右旋右旋, , H Hz z超前超前H Hx x ），），而对反向传输的电磁波衰减很而对反向传输的电磁波衰减很大（大（x=xx=x2 2左旋，左旋， H Hz z落后落后H Hx x ）。）。大大减小由于负载阻抗的变化大大减小由于负载阻抗的变化对振荡器输出功率和频率的影对振荡器输出功率和频率的影响。响。 YZXXYZ中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of E
80、lectronics, Chinese Academy of Science 矩形波导矩形波导场移式场移式隔离器隔离器 第四章第四章 微波元件微波元件4.5 铁氧体器件铁氧体器件 这这种种隔隔离离器器的的工工作作频频率率偏偏离离铁铁氧氧体体的的谐谐振振频频率率，只只考考虑虑的的 实实部部作作用用即即可可（集集中中场场）。设设 ，当当波波向向正正z方方向向传传输输时时，铁铁氧氧体体所所在在处处x2的的交交变变磁磁场场是是右右旋旋圆圆极极化化场场。其其对对应应的的 ，故故电电磁磁场场被被拒拒斥斥于于铁铁氧氧体体之之外外， 波波的的大大部部分分能能量量集集中中于于波波导导的的空空气气媒媒质质中中，因
81、因而而铁铁氧氧体体上上所所附附加加的的电电阻阻片片对对微微波波能能量量吸吸收收甚甚微微，而而当当波波向向z负负方方向向传传输输时时，x2处处的的交交变变磁磁场场是是左左旋旋圆圆极极化化场场。其其对对应应的的 ，故故电电磁磁场场趋趋向向于于铁铁氧氧体体中中，附附加加的的电电阻阻片片对对微微波波能能量量吸收严重。吸收严重。中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science矩形波导谐振式隔离器与矩形波导谐振式隔离器与场移式隔离器在结构上非场移式隔离器在结构上非常类似，只不过前者没有常类似，只不过前者没有
82、在铁氧体上附加电阻片，在铁氧体上附加电阻片，它是依靠铁氧体本身的铁它是依靠铁氧体本身的铁磁共振来吸收微波能量的。磁共振来吸收微波能量的。 设计制作时，将铁氧体放置在设计制作时，将铁氧体放置在波导中微波磁场的圆极化位置，波导中微波磁场的圆极化位置，并使工作频率并使工作频率 . .正向正向传输的传输的左旋左旋圆极化磁场基本上圆极化磁场基本上不衰减，而对反向传输的不衰减，而对反向传输的右旋右旋圆极化磁场，圆极化磁场， 出现峰值，铁出现峰值，铁氧体中产生强烈的铁磁共振吸氧体中产生强烈的铁磁共振吸收。收。 (注意左旋和右旋的定注意左旋和右旋的定义如何与前面讨论的义如何与前面讨论的一致）一致） 矩形波导矩
83、形波导谐振式谐振式隔离器隔离器中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 对称形环行器对称形环行器 第四章第四章 微波元件微波元件4.5 铁氧体器件铁氧体器件该环行器结构的主要特该环行器结构的主要特点是在旋转对称形分支点是在旋转对称形分支的中心区安放一块铁氧的中心区安放一块铁氧体圆柱，在其中心轴方体圆柱，在其中心轴方向外加偏置磁场向外加偏置磁场 使铁使铁氧体磁化，让环行器具氧体磁化，让环行器具有非互易特性。有非互易特性。 环行器的功能是保证微波功率的单向环行器的功能是保证微波功率的单向循环
84、传输，而反向则是隔离的，在理循环传输，而反向则是隔离的，在理想情况下，散射矩阵有如下两种形式：想情况下，散射矩阵有如下两种形式： 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 对称形环行器对称形环行器 第四章第四章 微波元件微波元件4.5 铁氧体器件铁氧体器件当当 波从环行器的端口波从环行器的端口1 1输入时，适当选择输入时，适当选择 的方向，使的方向，使得在得在x=xx=x1 1面上面上, ,微波磁场相对微波磁场相对 的方向而言是左旋圆极化磁的方向而言是左旋圆极化磁场，而在场，而在x=xx
85、=x2 2面上，微波磁场是右旋圆极化磁场。选取工作面上，微波磁场是右旋圆极化磁场。选取工作频率使频率使 , ,对应对应 、 . .从而可知在铁氧体柱中从而可知在铁氧体柱中靠近端口靠近端口3 3的一侧的的一侧的电磁场为电磁场为吸引场吸引场，而靠近端口，而靠近端口2 2的一侧的的一侧的电磁场为电磁场为排斥场排斥场。以上发生的场移效应使得环行器的端口。以上发生的场移效应使得环行器的端口3 3将有能量输出而端口将有能量输出而端口2 2无能量输出无能量输出; ; 若将偏置磁场若将偏置磁场 反向，反向，环行器的端口环行器的端口2 2将有能量输出而端口将有能量输出而端口3 3无能量输出无能量输出中国科学院电
86、子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第四章第四章 微波元件微波元件4.5 铁氧体器件铁氧体器件 对称形环行器对称形环行器 网络无耗应满足酉条件网络无耗应满足酉条件: : 性质性质: :旋转对称无耗非互易三端口网络。若各端口旋转对称无耗非互易三端口网络。若各端口全匹配，则该网络必定是一个理想的环行器。证明全匹配，则该网络必定是一个理想的环行器。证明: : 由于网络的旋转对称性，应有由于网络的旋转对称性，应有 （对应（对应12 3 1）（对应（对应13 2 1）（ 第二行乘以第二行乘以 第三列）第三
87、列）中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science通常环行器的外加恒定磁场通常环行器的外加恒定磁场 应满足使环行器尽量接近应满足使环行器尽量接近理想中的理想中的无耗无耗情况，同时调配元件的放置应以不破坏情况，同时调配元件的放置应以不破坏Y Y形形分支的分支的旋转对称性旋转对称性为前提，当各端口为前提，当各端口全匹配全匹配时，环行特性时，环行特性得以实现。得以实现。 三端口环行器的典型应用三端口环行器的典型应用: :雷达发雷达发射机的输出信号由端口射机的输出信号由端口1 1单向传输单向传输到端口
88、到端口2 2，经天线发射出去；回波，经天线发射出去；回波信号由同一天线接收下来，由端口信号由同一天线接收下来，由端口2 2单向传输到端口单向传输到端口3 3，送至匹配接收，送至匹配接收机进行放大机进行放大 ，由于环行器的单向，由于环行器的单向传输特性，功率较大的发射信号不传输特性，功率较大的发射信号不会由端口会由端口1 1传输到端口传输到端口3 3而损伤接收而损伤接收机。机。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 问题问题1.根据魔根据魔T的基本性质，利用两个魔的基本性质，利用两个魔T和一个单和一个单向向180 移相器（波从一个方向通过产生相移，移相器（波从一个方向通过产生相移，另一方向不产生相移）构成一个四端口环行器，另一方向不产生相移）构成一个四端口环行器，讨论其工作原理。讨论其工作原理。2.利用矩形波导利用矩形波导TE10模的场解，讨论其磁场模的场解，讨论其磁场由椭圆极化变为圆极化的条件，并从物理由椭圆极化变为圆极化的条件，并从物理上分析不同情况下上分析不同情况下TE10模成为左旋或右旋模成为左旋或右旋圆极化模的特点。圆极化模的特点。
