第8章 常用微波元件

定向耦合器的技术参数
耦合度：
P 1 1 C 10 lg 10 lg P3 S13
2
20 lg
定向性：
P3 D 10 lg 20 lg dB P4 S14
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隔离度： 有：
P I 10 lg 1 20 lg S14 dB P4
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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：假定端口1和2为匹配端口，则其S矩阵可以写成
0 S S 21 S31
* S13 S23 0
S12 0 S32
S13 S 23 S33
因网络无耗，由幺正性得到
S12 S13 1
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b.对称Y分支 矩形波导对称Y分支结构及其等效电路图如图所示，分为 E面分支和H面分支；前者为串联分支，后者为并联分支。
E-Y分支
H-Y分支
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三种作为功率分配器的波导Y分支
分配给分支波导的功率与其高度成正比。因此，适当的 选择高度和就可以得到任意的功率分配比。
I D C dB
不同形式的定向耦合器 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宽壁上，如图所示
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工作原理：小孔可用电和磁偶极矩构成的等效源来代替， 调节两个等效源的相对振幅可以消除在隔离端口方向的 辐射，而增强在耦合端口方向的辐射，从而获得理想的 定向性。
E-T接头
H-T接头
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E-T特性分析
a
左图说明： 信号从1臂输入时，主波导2、3臂中距1臂等距离的T2、T3 处为等幅反向输出。 当T2、T3处有等幅反相信号输入时，则二者在1臂内同向叠 加输出。
a
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右图说明： 当在2、3臂的T2、T3处输入等幅同相信号时，二者在1臂 中反向抵消而不能从1臂输出，只能在2、3臂中形成驻波。 H-T特性分析: ③
任意三端口网络的散射矩阵为
S11 S S 21 S 31 S12 S 21 S 32 S13 S 23 S 33
若元件是互易的，有
S ij S ji i j

性质1：无耗互易三端口网络不可能完全匹配，即三个 端口不可能同时都匹配。
第8章 常用微波元件
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180°混合电桥
③
①
该图为混合环 1.5lTEM线（带状线或微带 线）并联连接而成。 信号由端口①输入时，端口 ④ ② ②和③等幅同相输出，端口 ④无输出； 信号由端口④输入时，端口 ②和③等幅反相输出，端口 ①无输出。 当用作功率合成器时，信号同时加于端口②和③，则端口 ①输出和信号，端口④输出差信号。
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性质2：任意完全匹配的无耗三端口网络必定非互易， 且为环行器，其正、反旋环行器的散射矩阵为
0 1 0 0 0 1 ST 1 0 0
和
0 0 1 1 0 0 SR 0 1 0
证明：一个匹配的三端口网络的S矩阵可表示为
0 S S 21 S31 S12 0 S32 S13 S 23 0
若网络无耗，则其S矩阵为幺正矩阵，即有
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* S31 S32 0 * S21 S23 0
* S12 S13 0
S12 S13 1
2
2
S 21 S 23 1
0 0 1 0 1 1 0 1
第8章 常用微波元件
魔T的重要特性： 1）四个端口完全匹配 2）臂④和臂①相互隔离，两侧臂②和③相互隔离； 3）进入一侧臂的信号，由臂④和臂①等分输出，而另 一侧臂无输出； 4）进入H臂④的信号，由两侧臂等幅同相输出，而E臂 ①无输出； 5）进入E臂①的信号，由两侧臂等幅反相输出，而H臂 ④无输出； 6）两侧臂②和③同时输入信号，E臂输出的信号等于 1 两输信号相量差的 倍；H臂输出的信号等于两输信 2 1 号相量和的 2 倍。
第8章 常用微波元件

Lange耦合器
要求紧耦合（耦合度大于-6dB）时使用；
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正交混合电桥
分支线耦合器的特性是：当所有端口匹配时，由端口① 输入的功率在端口②和③之间平分且有90°相位差，端 口④无输出（隔离端口）。其S矩阵为
0 j 1 0 1 j 0 0 1 S 2 1 0 0 j 0 1 j 0
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三端口功率分配/合成元件

T形接头
对于无耗形接头，可用传输线型来表示：
1 1 1 Yin jB Z 01 Z 02 Z 0
可以选择输出线的特性阻抗和来获得不同的功率分配 比。
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a.矩形波导T形接头 矩形波导工作在主模工作TE10，分E-T和H-T接头：

P3 K 为功率分配比 P2
2
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8.4 四端口元件



四端口[S]参数性质 性质1:无耗互易四端口网络可以完全匹配，而为一理 想定向耦合器。 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的充 分条件，而不是必要条件。 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。
第8章 常用微波元件 微波技术基础
徐锐敏 教授
电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼C309 电话：61830173 电邮：rmxu@
第8章 常用微波元件
8.3 三端口元件
在微波技术中常用作分路元件或功率分配器/合成器：

无耦三端口网络的基本性质
第8章 常用微波元件
第8章 常用微波元件
c.电阻性功率分配器
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，而二个输出端口则不可能隔离。 威尔金森功率分配器
第8章 常用微波元件
设计公式Z 0ຫໍສະໝຸດ Z 021 K 2 K3
2
Z 02 K Z 03 Z 0 K 1 K 1 R Z0 K K
第8章 常用微波元件
波导多孔定向耦合器 单孔耦合器的缺点是频带窄。宽频带应用时可采用多 孔耦合器。 以双孔耦合器为例说明工作原理

设波导由端口①输入，大部分波向端口②传输，一部分波 通过两个孔耦合到副波导中。由于两孔相距/4，结果在端 口③方向的波相位同向而增强，在端口④方向则因相位反 向而相互抵消。
2
2
S S S S 0
* 12 13 * 23 33
S12 S 23 1
S13 S23 S33 1
2 2 2
2
2
S S S S 0
* 23 12 * 33 13
第8章 常用微波元件
上式表明 S13 S23 ， S12 S23 0 ， S12 S33 1
第8章 常用微波元件

耦合线定向耦合器
其特性是:由端口①输入的信号一部分传至端口②，一部 分耦合至副线由端口③输出，端口④无输出。 对耦合微带线或其它非TEM线，奇，偶模速度不相同，耦 合器的定向性就要变差。为改变性能，需要采取相应的速 度补偿措施，如加介质覆盖层，采用各向异性基片，耦合 段做成锯齿形等。
b
②
④
b
第8章 常用微波元件
左图说明： 如上图当信号从分支4臂输入时， 2、3臂的T2、T3处信 号等幅同相输出； 2、3臂的T2、T3处输入等幅同相信号时，二者在4臂同相 叠加输出。 右图说明： 当2、3臂的T2、T3处输入等幅反相信号时，二者在4臂反 相抵消，4臂无输出。
总结：
E-T特性：主臂①输入支臂②臂、 ③臂等幅反相输出； H-T特性：主臂④输入支臂②臂、 ③臂等幅同相输出。
S31 S32 1
2 2
2
2
在如下两种情况下这些方程式满足 1. S12 S23 S13 0, S21 S32 S13 1 2. S21 S32 S13 0, S12 S23 S31 1 结果表明 Sij S ji (i j ) 。这意味着此器件必定是非互易的。 情况1： 情况2： 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 S S S SR R 0 1 0 1 0 0
证明：假如所有端口均匹配，则 Sii 0(i 1, 2,3) ，则有
0 S S 21 S31 S12 0 S32 S13 S 23 0
若网络也是无耗的，由散射矩阵可得如下条件： 2 2 * S12 S13 1 S13 S 23 0 2 2 * S12 S 23 1 振幅关系 S 23 S12 0 相位关系 2 2 * S13 S 23 1 S S 0 12 13 可见：三个参数 S12 , S 23 , S13 中至少有两个必须为零，但又 不能成立，这说明一个三端口网络不可能做到无耗、互易 和完全匹配。
第8章 常用微波元件
波导匹配魔T
② ③ ④ ①
①臂—E臂 ④臂—H臂
②和③—侧臂
将一个E-T接头和一个H-T接头（波导 尺寸相同）组成在一起形成波导双 T。 波导双T和波导单T一样，基本身是不 匹配的。在臂④和臂①加入一些匹配 元件（螺钉、膜片或锥体），可以使 臂④和臂①同时达到匹配
0 1 1 0 1 S 2 1 0 0 1