第19章 雙口元件 Two PortElement 雙口元件是在微波中應用最多的一種元件 按功能分類如下圖所示 與單口元件相似 雙口元件一般采用網絡理論進行分析 但是 在這里值得指出 元件的網絡參數本身還是需要用場論方法求得 或者實際測量得到 從這個意義上講 場論是問題的內部本質 而網絡則是問題的外部特性 一 雙口網絡的S參數 已經知道 雙口網絡可以用S參數加以表示 圖19 2雙口網絡的S參數 19 1 雙口網絡的無耗約束 對于一般的 S S I 具體到雙口網絡是 展開可得 具體寫為 19 2 19 3 上式中第一個稱為振幅條件 第二個稱為相位條件 雙口網絡的無耗約束 例1 特性阻抗階躍 如圖所示 如果忽略其不連續電納jB 則構成反對稱網絡 即 S22 S11 圖19 3反對稱網絡 解 根據S參數的定義可知 雙口網絡的無耗約束 很明顯有S22 S11 但 S11 S22 例2 無耗網絡匹配定理 定理 L 1 采用無耗網絡 S 予以匹配 其條件是 雙口網絡的無耗約束 雙口網絡的無耗約束 簡單演算可知 匹配條件是 更簡潔的形式為 特別應該提及 無耗網絡匹配定理不單純是理論問題 而且已經應用到實際中 我們要做的一個微波實驗即采用單螺釘調配器匹配 L 其中 單螺釘可調深度 即變化 S22 也可調左右位置 即變化 19 4 雙口網絡的無耗約束 測出 S11 L 接匹配負載時 調螺釘 使 S11 L 接待匹配 L 左右移動螺釘使 in 0 雙口網絡的無耗約束 為了加深印象 進一步討論共軛匹配的物理意義 首先要看到 所謂匹配僅僅是網絡前端無反射波 事實上 失配負載PL始終是有反射的 因此問題的核心是要把反射的功率 再次 喂給 負載 恰如給嬰孩喂食 振幅要恰當 S22 L 時間要恰當 即相位 22 L 才能使它 吃完 圖19 5多次提供負載的圖象 方向變換元件包括連接元件 拐角 扭波導 一般情況見圖所示 二 方向變換元件 圖19 6方向變換元件 二 方向變換元件 例3 直角拐角的網絡分析 圖19 7典型數據 解 任何微波元件的網絡參數都有參考面 即它對參考面等效 元件的網絡參數是利用場論的方法獲得的 二 方向變換元件 二 方向變換元件 據分析 直角拐角的反射系數 對應駐波比 2 618 三 信號變換元件 信號變換元件的種類最多 我們將選典型的給以討論1 膜片膜片可分成感性膜片 容性膜片和諧振窗 容性膜片一壓縮電場 感性膜片一壓縮磁性 諧振窗 三 信號變換元件 根據要求 容性膜片區域把電場壓縮而使 感性膜片區域把磁場壓縮使 它們都可成為匹配元件 諧振窗可以看作是感性膜片和容性膜片的結合 構成無反射元件 窗的特性阻抗等于波導主模的特性阻抗 它在概念上有力地說明 有障礙未必有反射 由特性阻抗定義 三 信號變換元件 也即 這里把a 和b 看作動點 即令 可得 19 5 諧振窗軌跡是雙曲線方程 例4 在平板波導中 采用保角變換法給出容性膜片的電容C和歸一化電納 三 信號變換元件 圖19 9容性膜片 19 6 三 信號變換元件 實際上 它是由下述兩個多角形變換構成 因此 可消去z1直接得到z與z2的變換關系 注意到z2平面已成均勻場 求出變換系數K 19 7 三 信號變換元件 很易求出 19 8 考察y 和y2 時均勻場 由于z平面的電力線彎曲有 這一塊 正是膜片的電容 一半 考慮無究條件 19 9 三 信號變換元件 圖19 10Schwarz Christoffel變換 略去和項 兩邊取對數 19 10 計及式 19 9 條件 得到 19 11 考慮雙邊影響后的電容 19 12 三 信號變換元件 上述結果是平板波導 如要把結果用到矩形波導中去 則歸一化電納為 最后得到 19 13 三 信號變換元件 2 相移器和衰減器相移器和衰減器是最基本的兩種元件 它們可以起調節相移和衰減的作用 三 信號變換元件 三 信號變換元件 圖19 11極化衰減器 特別要提及的是圓波導 采用H11模 極化衰減器 它利用高損耗材料的吸收片 將其中一種極化吸收掉 如圖所示 它專門吸收u向極化波 圖19 12極化衰減器分析框圖 因此全部變換可寫成 三 信號變換元件 我們可以用網絡給出完整的分析 輸入v輸出都是y向極化 也即 具體問題中Exin 0 則有 三 信號變換元件 三 信號變換元件 一般做到e al 0 這時衰減 19 15 這是極化衰減器的最基本的公式 y模式 u模式 v模式 當 90 時理論衰減為 實際上只需計及 19 14 式可知 三 信號變換元件 maxL 8 686al 50dB 19 16 極化衰減器的最大優點是與頻率無關 所以它是寬帶器件 3 鐵氧體隔離器鐵氧體隔離器也稱單向器 三 信號變換元件 注意 這是一種非互易網絡S12 S21 一般正向衰減 0 5dB 反向衰減 20dB 四 波型變換元件 典型的是同軸 波導轉換 為了提高轉換效率 可調節探針深度和短路活塞位置 圖19 13同軸 波導轉換 附錄 APPENDIX SCHWARZ CHRISTOFFEL變換 z plane w plane