微波技术与天线课件16.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,多口元件,Multi-Port Element,多于双端口的元件称为,“,多端口,”,。,上节课讲的,S,参数对于双端口很有效，它适用于任何端口，,没有传输与非传输之分，也没有哪个端口传输之分,。,多口网络在微波工程中承担,分路,(,功率分配,),、和差、环行、耦合,等等重要功能。,如图：假设有,N,个端口。我们大概就用这样一个,S,矩阵来分析多端口元件。,多口元件,它的物理概念非常清楚，由入射进去的激励波,a,1,a,2,a,n,，通过网络，出来变成,b,1,b,2,b,n,。因此上面矩阵可以简化为,Sa,=b,。,注意可以见,s,看成广义的反射系数,，,a,看成广义的入射波,，,b,看成广义反射波,，它的物理概念就是入射波通过反射系数变成了反射波。,多口元件,多口元件就其功能来说主要分为四个功能，第一个功能我们叫做,分路（功率分配）、和差、环形、耦合,等。,多口元件,1,、分路元件：,（功率分配）,多口元件,分路元件：发射机出来，一分为二，再一分为二就变成四，再分就变成八。端口显然多于两个端口。,2,、环行元件：,多口元件,环行：环行是三口网络最典型的器件。它可以从,1,端口到,2,端口，从,2,端口到,3,端口，这就构成环行器件。,环行网络也是多于两个端口,。,3,、和差元件：,多口元件,和差元件：它出来两路，和的和用,S,表示，和的差用,D,表示是。,两端进去，,“,和,”,经过一个支路，,“,差,”,经过另外一个支路,。在雷达里面比较常用。,4,、耦合元件：,多口元件,耦合：是主支路，它除了到下面一路外，还要耦合到上面一个支路。,复习双端口网络：,【,性质,】,：,如果端口,i,和端口,j,对称，那么有,S,ii,=,S,jj,如果网络互易，则有,S,ij,=,S,ji,如果网络无耗，则,S,+,S=I,多口元件,【,定理,】,：,反射系数的网络变换定理,对于双口网络有两个概念要清楚：,【,概念,】,1,、什么叫,S,11,：,2,端口匹配，,1,端口的反射系数。,2,、,什么叫,S,21,：,2,端口匹配，,1,端口向,2,端口的传输系数。,多口元件,一、三口网络的一般性质,1.,无耗互易网络,S,+,S,=,I,具体应用互易条件有,(16-1),将上述矩阵展开后可分别得到两组方程，我们称之为,振幅条件和相位条件,一、三口网络的一般性质,(16-2),(16-3),性质,无耗互易三端口网络不可能同时匹配，即,S,11,=,S,22,=,S,33,=0,一、三口网络的一般性质,证明：反证法,如果三个端口都匹配，那么,S,矩阵可写作：,一、三口网络的一般性质,假定,S,11,=,S,22,=,S,33,=0,可知,一、三口网络的一般性质,假定,S,23,=0,，那么,S,12,和,S,13,至少有一个为零。假定,S,12,=0,带入振幅条件：,不满足振幅条件，因此可证明无耗互易三端口网络的三个端口不可能同时匹配。除了三端口以外，二端口以上的网络都可以全匹配。,典型的就是环形器,有两种典型的理想矩阵对应不同的环行器：,一、三口网络的一般性质,2.,无耗非互易三口网络,无耗非互易网络：,S,ij,S,ji,性质,无耗非互易三口网络的三个端口可以完全匹配。,一、三口网络的一般性质,【,例,1】,用环行器做为隔离器,，这是由于环行器可以做得非常小，而隔离器不行，因此通信中经常采用环行器做为隔离器适用。,环形元件：由于,3,对外接匹配负载，因此对外只有,1,2,两个口，如图，,1,到,2,传输，构成隔离器。,一、三口网络的一般性质,分析：根据前面将的,S,参数网络矩阵可知：,整理可得：,一、三口网络的一般性质,3,端口反射系数,对于负载来说，,a,3,是反射波，,b,3,是入射波。,将三端口网络等效成二端口网络：,根据网络参数可知：,b,1,=a,3,，反射系数 ，以及,b,3,=a,2,可得：,一、三口网络的一般性质,写成矩阵形式：,这是三端口接负载以后对外两端口的矩阵。,根据 表示端口,2,向端口,1,的传输，因此，表示端口,2,向端口,1,几乎没有传输，,S,21,=1,而表示,1,端到,2,端几乎全部传输,。因此它是个非常好的隔离器，如果放在发射机或接收机前面会起到一个很好的保护作用。,一、三口网络的一般性质,【,例,2】,分路、和差元件（也是重点内容，经常用到）。,第一种：,E,面,T,接在宽面上,（串联）。,一、三口网络的一般性质,第二种：,H,面,T,接在窄面上（并联）,一、三口网络的一般性质,二、三口元件,1.,E,面,T,和,H,面,T,分路元件,E面T,H面T,串接元件,并接元件,端输入，和端功率平分，相位相反。,用于和差：和同相等幅输入，,端无输出；和反相等幅输入，端输出最大。,端输入，和端功率平分相位相同。,用于和差：和端同相等幅输入，端输出最大；和端反相等幅输入，端无输出。,二、三口元件,2.,铁氧体环行器,环行元件,理想,s,矩阵,例,1,理想环行器端口接匹配负载 ，即可构成二端口隔离器。,二、三口元件,解,由,S,参数定义写出,而 ，计及这一条件即可导得,写出双口网络的,S,矩阵,(20-5),只要,L,很小，即可得到典型的隔离器。,三、四口网络的一般性质,1.,定向耦合网络,定向耦合网络是一种常用的四端口网络，它一般规定,是无耗互易网络,每对端口相互隔离,:,(20-6),其中一对匹配,:,(20-7),符合上述条件的即可称为定向耦合器，其,S,矩阵是,三、四口网络的一般性质,图,20-3,定向耦合器,根据么正性又写出,三、四口网络的一般性质,(20-9),要满足上式当且仅当,|,S,33,|=|,S,44,|=0,(20-10),(20-11),三、四口网络的一般性质,从相位关系得到的方程是,(20-12),若选择,适当,的参考面使,S,13,=,S,24,=a,(20-13),是实数，则,(20-14),三、四口网络的一般性质,而从上面方程能给出,这样,S,矩阵是,也就是说，理想的定向耦合器，主路和副路相位差,90,，也称为,90,定向耦合器。,三、四口网络的一般性质,2.,对称定向耦合器网络,我们研究一种四端全对称的定向耦合器网络，有条件,(20-17),于是，散射矩阵成为,(20-18),三、四口网络的一般性质,且由无耗的么正性条件写出,(20-19),把方程,(20-19),重新排列,三、四口网络的一般性质,进一步可简化为,现在我们讨论一种比较接近实际的情况，即端口和端口理想隔离,S,12,0,(20-20),则可得到,(20-21),三、四口网络的一般性质,对于实际的定向耦合器，,S,13,=0,和,S,14,=0,是我们所不希望的，将它们排除在讨论之外，那么，要满足式,(20-21),当且仅当,S,11,=0,(20-22),且方程,(20-21),进一步简化为,(20-23),由此可得到,(20-24),三、四口网络的一般性质,或者说,(20-25),从对称定向耦合器中我们可以得到十分重要的性质：,定向耦合器的端对隔离和端口固有反射密切相关；,定向耦合器的主副路相差也和端对隔离密切相关；,因此，在工程中常常采用考察输入反射和路间相,差来别断这类定向耦合的质量优劣。,3.3 dB,桥网络,我们把主副路功率相等的称之为,3dB,网络，重新写出,三、四口网络的一般性质,也即,(20-26),对于理想的,3 dB,电桥,(20-27),代入上式可知,|,S,11,|,|,S,12,|,(20-28),另一方面，由,又可得到,三、四口网络的一般性质,(20-29),(20-30),考虑最坏可能性，即,1,=,2,(20-31),其中，,I,是隔离度，定义为 ，式,(20-31),可由相差确定隔度离。,三、四口网络的一般性质,图,20-4,隔离度,I,与相差关系,四、定向耦合器,1.,典型的定向耦合器是四口网络，,-,是主波导，,-,是副波导，主副波导之,图,20-5,孔阵定向耦合器,间采用孔耦合。,2.,孔阵定向耦合器,为了加强定向性和耦合度，一般均采用多孔排阵,四、定向耦合器,波导定向耦合器,(1),耦合度,(2),定向性,一般耦合度,20 dB,10 dB,6 dB,3 dB,一般定向性,30,40 dB,愈大愈好。,四、定向耦合器,若,N,个孔完全相同,(20-32),(20-33),于是耦合度,(20-34),四、定向耦合器,其中，,C,S,是单孔耦合度。,定向性,其中,D,S,表示单孔定向性，后项表示阵列定向性，只要取,在合适的范围，,D,可以很大。,图,20-6,阵列函数,四、定向耦合器,五、魔,T,元件,魔,特性可以看作是,E-T,和,H-T,的结合，也可能看作是特殊的,3 dB,桥。,魔T,五、魔,T,元件,，端反相输入时,例,2,，端同相输入时,