1、第三節 三端口元件 三端口元件在微波技術中常用作分路元件或功率分配器和合成器等。常用的有E T分支、 H T分支。 一、無耗三端口網絡的性質 1. 無耗互易(可逆)三端口網絡不可能完全匹配。 證明 用反證法：假定無耗互易三端口網絡可完全匹配，則 s11= s22 = s33 =0，于是:由無耗網絡的幺正性有:由( 2- d ) ,如設則由( 2-a ) 得由( 2-b ) ，應有與( 2-c ) 矛盾同理，如在( 2-d ) 中設同樣會導致矛盾。 因此，無耗互易(可逆)三端口網絡不可能完全匹配。如果要無耗三端口網絡完全匹配，則網絡不可能是互易的。 推論：對于無耗互易三端口網絡，若要1、2口匹配

2、，則必須3口與網絡完全隔離，即s13= s23 =0。 證明 此時的S矩陣應為：由無耗網絡的幺正性有：得 s13= s23 =0此時網絡退化成全通的二端口網絡(相當于一段傳輸線)。 2. 任何完全匹配的無耗三端口網絡一定是非互易的。 證明 完全匹配的三端口網絡有以上方程可用下列條件之一得到滿足:由無耗網絡的幺正性則或表明，當i j 時， si j sj i，即網絡是非互易的。 (1)、(2)兩個解的S矩陣表示的非可逆無耗三端口元件稱為完全匹配的無耗理想三端口環形器。如下圖所示，二者的區別只是端口間功率流的方向不同。123三端口環形器的SR矩陣 S21=1表示由端口1輸入的功率完全傳輸到端口2，

3、而S31=0表示由端口1輸入的功率不能傳輸到端口3。同理，S=ST的情況為123三端口環形器的ST矩陣 二、 三端口分路 / 合成元件 在微波系統中，往往要將傳輸功率分成兩路或更多路，或將幾路功率合成一路。可用三端口分路 / 合成元件實現這種功能。 這里介紹波導的T接頭。常用的波導T接頭(又稱T形分支)有ET分支、 HT分支。 若分支寬面與TE10模的電力線平行，稱為ET分支(串聯分支)；若分支寬面與TE10模的磁力線平行，稱為HT分支(并聯分支)。 下面討論ET分支、 HT分支的基本特性和等效電路。這里不考慮分支區域中產生的高次模。 1. ET接頭 分支寬面與TE10模的電場所在的平面平行,

4、 即分支波導接在主波導的寬壁上。 首先，定性分析E-T分支： 、 對臂是幾何對稱的。設各端口波導中只有H10模傳輸，且各輸出端口接匹配負載。則1) 當信號由端口輸入時，端口 、 有同相輸出；2) 當信號由端口輸入時，端口、 有同相輸出； 3) 當信號由端口輸入時，端口 、 有等幅反相輸出；E-T接頭的工作特性示意圖(圖中為電力線) 4) 當信號由端口 、 同相輸入時，端口輸出最小, 為二者之差；若由端口 、 輸入的信號既同相又等幅，則端口輸出為零。對稱面處在電場駐波波腹點。 5) 當信號由端口 、 反相輸入時，端口輸出最大,為二者之和。對稱面處在電場駐波波節點。 由H10模波導管壁的縱向電流分

5、布可知，E分支相當于串接在主波導上，如果在E分支中加一個可調的短路活塞，上下改變活塞的位置就可改變串接電抗的大小。E 分支中加短路活塞的E-T接頭及其等效電路 E-T接頭的 S 矩陣 互易：si j=sj i ( i , j=1, 2, 3; i j ) ； 、 口對稱：s11=s22；由口輸入時, 、 口等幅反相輸出: s13=- s23 。故 2. HT接頭 分支波導的寬面與TE10模的磁場所在的平面平行, 即分支波導接在主波導的窄壁上。其工作特性為： 1) 當信號由端口輸入時，端口 、有同相輸出； H-T接頭及其工作特性示意圖(圖中為電力線) 2) 當信號由端口 輸入時，端口 、 有等幅

6、同相輸出； 4) 當信號由端口 、 反相輸入時，端口輸出最小,為二者之差；若由端口 、 輸入的信號既反相又等幅，則端口輸出為零。對稱面處在電場駐波波節點。 H-T接頭主波導寬壁電流被分流，因此H-T接頭的H臂相當于并接在主波導上。如果在 H 分支中加一個可調的短路活塞，改變活塞的位置就可改變并接電抗的大小。3) 當信號由端口 、 同相輸入時，端口 輸出最大,為二者之和。對稱面處在電場駐波波腹點。 H-T接頭的 S 矩陣與E-T接頭相似，不同之處在于s13=s23 。即H 分支中加短路活塞的H-T接頭及其等效電路 四端口網絡的基本性質: 無耗互易四端口網絡可以完全匹配，且為一理想定向耦合器。(將

7、在討論魔T時給予驗證)注：這里是說可以有完全匹配的無耗互易四端口網絡，但有理想定向性的無耗互易四端口網絡不一定四個端口都匹配。 一、雙T和魔T 1. 雙T接頭 由具有共同分支對稱面的E-T和H-T接頭的組合。通常，稱 E臂為 臂， H 臂為臂； 、臂又稱平分臂或側臂， 、又稱隔離臂。第四節 四端口元件 根據E-T、H-T接頭的特性可得雙T接頭的特性： 1) 當、端口接匹配負載時，從口(E臂)輸入的功率將由、口(側臂)反相等分輸出，而不進入口(H臂)。即 s13= s23 ， s43=0 。(a) 結構(b) 原理圖雙 T 接 頭 2) 當、端口接匹配負載時，從口(H臂)輸入的功率將由、口(側臂

8、)同相等分輸出，而不進入口(E臂)。即 s14= s24 ， s34=0 。 3) 如果 (E臂) 、 (H臂)均接匹配負載，當信號由、口(側臂)等幅同相輸入時，則功率進入口(H臂)而不進入口(E臂)；當信號由、口(側臂)等幅反相輸入時，則功率進入口(E臂) 而不進入口(H臂)。 可見， 、臂互為平分， 、臂互為隔離。根據雙T的結構(互易si j=sj i , 、對稱 s11=s22 )、特性(s13=s23 ， s43=0 ； s14= s24 ， s34=0 )可得雙T的S矩陣為 2. 魔T 雙T 接頭即使各臂都接匹配負載，但由于聯接處的結構突變，在接頭處仍不能達到匹配。為得到理想的雙T

9、特性，通常在保證雙T 、口結構對稱的前提下，在接頭處加入匹配元件(如螺釘、膜片或錐體等電抗元件)來消除反射。這種經匹配后的雙T稱為魔T (又稱雙匹配雙T接頭)，魔T有非常有趣而又可貴的特性。 在雙T內接頭處置入匹配元件, 使E、H臂同時得到匹配，則、端口將自動獲得匹配。即魔T的四個端口是全匹配的。 證明 E、H臂匹配，有s33=s44=0 , 代入式(5-55)魔T無耗互易，有 S*S=1，由(5-55b)得(3),(3)(4),(4)(3),(1)(4),(1)得魔T的S矩陣為全匹配性s33=s44=0 (調配) s11=s22=0 (自動匹配) 即 s11=s22=0, 亦即、端口自動獲得

10、匹配。適當選取參考面,使可見,魔T除具有雙T的特性外, 還具有以下特性: 2) 對口隔離性 s34=s43=0 ，即E、H臂相互隔離，由結構嚴格對稱的雙T獲得； 又 s12=s21=0 ，側臂、之間也是相互隔離的，這是由、口的匹配來保證的。 3) 均分性 當輸出端口均接匹配負載時,由E臂輸入的功率, 反相等分從、 端口輸出, 不進入H臂；由H臂輸入的功率, 同相等分從、 端口輸出, 不進入E臂；由端口輸入的功率, 同相等分從E 、 H臂輸出, 不進入端口；且相鄰兩口有3分貝的耦合度由端口輸入的功率, 反相等分從E 、 H臂輸出, 不進入端口。 綜上所述，魔T是全匹配的、對口相互隔離的、相鄰兩口

11、有3dB耦合度的理想定向耦合器。魔T應用廣泛，可作為波阻抗電橋、平衡混頻器、和差器、平衡天線收發開關、相移器等。 3. 魔T應用舉例 1) 阻抗電橋 微波阻抗電橋: 用來測量微波阻抗,其結構如圖示. 信號由魔T的端口(H臂)輸入，口接標準負載，其阻抗值可調； 口接被測負載，口(E臂)接指示器。應保證、對稱，即兩個負載與魔T的對稱平面等距。標準負載被測負載指示器信號源魔T用作阻抗電橋 工作原理：信號由端口輸入， 將向、口傳送等幅同相波。如果調整標準負載使之與被測負載的阻抗相等，則兩個負載反射回來的波亦保持等幅同相；由魔T的特性可知，這兩路反射波將不進入口，因而口的指示為零。當然，若二負載不等，則

12、反射波的相位、振幅必不等，則口上將有指示。這時，可調整標準負載直至指示為零，則標準負載上的讀數即為被測負載的阻抗值。 2) 平衡天線收發開關 微波通訊及雷達系統中，接受機與發射機共用一副天線，這就必須解決大功率的發射機不干擾高靈敏度接收機工作的問題。因而需要收、發轉換裝置天線收發開關。這里介紹由兩個魔T組成的平衡式天線收、發開關。如圖示，所用的兩個魔T I、II的平分臂(1)(1)、(2)(2)相互相互連接，在兩個連接支路中各放一個氣體放電器件，彼此相距 lg / 4。在魔T I 的(4)臂(H臂)中的發射機發射時，由于大功率使氣體放電器件擊穿形成短路，其功率由兩個支路反射回來。由于反射回來的

13、波有 / 2 的相位差，故成等幅反相波，因而進入(3)口(E臂)由天線發射出去。通過氣體放電器件漏入第二個魔T II的功率，由于等幅同相，便進入H分支(4口)由匹配負載吸收。 接收時，由天線接收的回波信號經由(3)口(E臂) 向(1)、(2)兩路送出等幅反相波，因功率小，氣體放電器件不會擊穿，可順利通過而到達魔T II的(1)、(2)臂；由于這兩路波仍保持等幅反相，故可由E臂(3)口輸出送至接收機。達到收、發共用天線的目的。 二、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，由耦合機構聯系在一起的兩對傳輸線構成, 如圖5- 33示：為一條傳輸線, 稱為主線； 為另一條傳輸線，稱為副

14、線。耦合的形式多樣，如孔(或槽縫)耦合、分支波導、耦合線段等。定向耦合器網絡 理想的定向耦合器應有如下特點：當功率由主線的端口向端口傳輸時, 如果端口、 、都接匹配負載,則副線只有一個端口(如端口)有耦合輸出, 另一個端口(如端口)無輸出。副線中功率傳輸的方向取決于主線中波的傳輸方向與定向耦合器的結構。通常采用如圖示的形式，稱端口為輸入端，端口為直通端，端口為隔離端，端口為耦合端。 定向耦合器在微波技術中有廣泛的應用，常用來監視功率、頻率和頻譜；進行功率的分配和合成；測量功率和反射系數；構成雷達天線的收發開關、平衡混頻器和測量電橋等。1. 定向耦合器的技術指標 1) 耦合度C 耦合度C (又稱

15、過渡衰減)定義為副線耦合輸出功率P4o與主線輸入功率P1i 之比的分貝數：由于P4o P1i , C 為負值；習慣上只稱它的絕對值。耦合度的分貝數越大，耦合越弱 強耦合定向耦合器 中等耦合定向耦合器 弱耦合定向耦合器 2) 隔離度 I 隔離度 I 定義為主線輸入功率P1i 與副線隔離端的輸出功率P3o 之比的分貝數 有時用定向性D 反映定向耦合器隔離度的指標， D 定義為副線耦合輸出功率P4o 與隔離端的輸出功率P3o之比的分貝數D 越大，隔離端輸出功率越小，定向性越好。在理想情況下隔離口的輸出功率P3o =0，即D = ，實用中常對定向性提出一個最小值 Dmin。 3) 輸入駐波比 指端口、

16、 、都接匹配負載時，主線輸入端的駐波比 4) 工作頻帶寬度：定向耦合器滿足上述三個指標時的工作頻率范圍，簡稱工作帶寬。波導型定向耦合器 定向耦合器的結構型式很多，有波導型、同軸線型、微帶線型等。p165圖5-13為幾種波導型定向耦合器。下面以雙孔定向耦合器為例，介紹波導型定向耦合器的工作原理及其工作特性。 波導型雙孔定向耦合器，是在兩個波導的公共壁上開有形狀、尺寸完全相同、相距為 l g / 4 的兩個小孔。波導型雙孔定向耦合器 (a) 窄臂雙孔耦合 (b) 寬臂雙孔耦合 (a)(b)這種耦合器的定向耦合作用，是由兩孔耦合到副波導的波產生干涉的結果。設由端口輸入單位振幅的H10波，在第 I 孔

17、處向端口、耦合波的幅度分別用a+、a- 表示。顯然，d = l g / 4 1 e-jbdIIIa+a-a+e-jbda-e-jbd波導型雙孔定向耦合器原理圖a+、a- 即為小孔的正、反向耦合系數。由于孔很小，兩孔的形狀、大小又相同，故經第II孔耦合到副波導向、口傳輸的波的幅度與第 I 孔的幾乎相等，只有e-jbd 的相移，于是由耦合孔向、口方向傳輸的合成波分別為d = l g / 4 1 e-jbdIIIa+a-a+e-jbda-e-jbd波導型雙孔定向耦合器原理圖可見，當f = f0 時，由兩孔耦合到副波導的波，在端口方向上同相相加，在端口方向上反相抵消而無輸出；得到了定方向性的耦合。這里，耦合端口的輸出波與端口的輸入波方向相同，故稱為正向定向耦合。與魔T比較，魔T除對臂隔離外，其余兩臂中功率是平分的(C=