【正文】 器件 圖 5 – 8 螺釘調(diào)配器 lT1T1T2d1d2法蘭負載波源 波源 負載yly1y2yaybbab yl y1 y( a )( b )第 5章 微波元器件 要使變換器在較寬的工作頻帶內(nèi)仍可實現(xiàn)匹配 , 必須用多階梯阻抗變換器 , 圖 5 9 所示分別為波導(dǎo) 、 同軸線 、 微帶的多階梯阻抗變換器 。 它們都可等效為如圖 5 10 所示的電路 。 分別為 T0, T1, T2, …, TN共 (N+1)個 , 如果參考面上局部電壓反射系數(shù)對稱選取 , Γ0=ΓN Γ1=ΓN1 Γ2=ΓN2 則輸入?yún)⒖济?T0上總電壓反射系數(shù) Γ為 第 5章 微波元器件 圖 5 – 9 各種多階梯阻抗變換器 ( a ) ( b ) ( c )第 5章 微波元器件 圖 5 – 10 多階梯阻抗變換器的等效電路 ? ? ?Z0Ze1Ze NZlTNT2T1T0Ze2第 5章 微波元器件 ???? NjNNjNjj eeee 2)1(242210 . .. ????? ????????????.. .).()( )1(212120 ????????? ????? ??? NjNjNjN eee. ..)()([ )2()2(10 ??????? ????? ????? NjNjjNjNjN eeeee.. .])2c o s (c o s[2 10 ?????? ? ??? NNe jN于是反射系數(shù)模值為 |Γ|=|Γ0cosNθ+Γ1cos(N2)θ+…| 當 Γ0, Γ1, … 等值給定時 , 上式右端為余弦函數(shù) cosθ的多項式 , 滿足 |Γ|=0的 cosθ有很多解 , 亦即有許多 λg使 |Γ|=0。 這就是說 ， 在許多工作頻率上都能實現(xiàn)阻抗匹配 , 從而拓寬了頻帶 。 顯然 , 階梯級數(shù)越多 , 頻帶越寬 。 第 5章 微波元器件 (3) 漸變型阻抗變換器 由前面分析可知 , 只要增加階梯的級數(shù)就可以增加工作帶寬 , 但增加了階梯級數(shù) , 變換器的總長度也要增加 , 尺寸會過大 , 結(jié)構(gòu)設(shè)計就更加困難 , 因此產(chǎn)生了漸變線代替多階梯 。 設(shè)漸變線總長度為 L, 特性阻抗為 Z(z), 并建立如圖 5 11所示坐標 , 漸變線上任意微分段 z→z+Δz, 對 應(yīng) 的 輸 入 阻 抗 為Zin(z)→Z in(z)+ΔZin(z), 由傳輸線理論得 )t a n()]()([)()t a n()()]()([)(zzZzZjzZzxjzzZzZzZininininin ???????????第 5章 微波元器件 圖 5 –11 漸變型阻抗變換器 Z0zz z ＋ ? z2L2L0第 5章 微波元器件 式中 , β為漸變線的相移常數(shù) 。 當 βΔz→ 0時 , tanβΔz≈βΔz, 代入上式可得 ])( )(1)][()()([)(2zzz zzzjZzZzZzZ ininininin ??????? ??忽略高階無窮小量 , 并整理可得 )]()([)(2zzzz zjdz zdz inin ?? ?若令電壓反射系數(shù)為 Γ(z), 則 )()()()(zzzzzzzzinin????第 5章 微波元器件 代入式 (5 1 9)并經(jīng)整理可得關(guān)于 Γ(z)的非線性方程 0)(ln)](1[21)(2)( 2 ??????? dz zzdzzjdz zd ? 當漸變線變化較緩時 , 近似認為 1Γ2(z)≈1, 則可得關(guān)于 Γ(z)的線性方程 dzedz zzdzjdz zd zj ?? 2)(ln)(2)( ?????其通解為 dzedz xzdez xjzj ?? 22 )(ln21)( ????故漸變線輸入端反射系數(shù)為 dzedzxzde zjLLLjin?? 222)(ln ?????第 5章 微波元器件 這樣 ， 當漸變線特性阻抗 Z(z)給定后 , 由式 (5 1 14)就可求得漸變線輸入端電壓反射系數(shù) 。 通常漸變線特性阻抗隨距離變化的規(guī)律有：指數(shù)型 、 三角函數(shù)型及切比雪夫型 , 下面就來介紹指數(shù)型漸變線的特性 , 其特性阻抗?jié)M足 ]ln)21e xp[()(010 zzLzzzz ?? 可見當 z= 時 ， Z(z)=Z0, 而當 z= 時 ， Z(z)=Zl, 于是有 2L?2L?01ln1)(lnzzLdzzzd ? 輸入端反射系數(shù)為 第 5章 微波元器件 01lns i n21zzLLin ????0122201 lns i n21ln21zzLLdzezzLezjLLLjin ???? ??? ???兩邊取模得 圖 5 12 給出了 |Γin|與 βL的關(guān)系曲線 。 由圖可見 , 當漸變線長度一定時 , |Γin|隨頻率的變化而變 。 λ越小 , βL越大 , |Γin|越小 。 極限情況下 λ→ 0, 則 |Γin|→ 0, 這說明指數(shù)漸變線阻抗變換器工作頻帶無上限 , 而頻帶下限取決于 |Γin|的容許值 。 第 5章 微波元器件 圖 5 –12 |Γin|隨 βL的變化曲線 00 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 7? L2 ?? 3 ? 4 ??in401?ZZ301?ZZ201?ZZ第 5章 微波元器件 在微波系統(tǒng)中 , 往往需將一路微波功率按比例分成幾路 , 這就是功率分配問題 。 實現(xiàn)這一功能的元件稱為功率分配元器件 , 主要包括 : 定向耦合器 、 功率分配器以及各種微波分支器件 。 這些元器件一般都是線性多端口互易網(wǎng)絡(luò) , 因此可用微波網(wǎng)絡(luò)理論進行分析 。 下面就分別介紹這三類元器件 。 1. 定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件 , 它是由耦合裝置聯(lián)系在一起的兩對傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的 , 第 5章 微波元器件 如圖 5 13 所示 。 圖中 “ ① 、 ② ” 是一條傳輸系統(tǒng) , 稱為主線； “ ③ 、 ④ ” 為另一條傳輸系統(tǒng) , 稱為副線 。 耦合裝置的耦合方式有許多種 , 一般有孔 、 分支線 、 耦合線等 , 形成不同的定向耦合器 。 本節(jié)首先介紹定向耦合器的性能指標 , 然后介紹波導(dǎo)雙孔定向耦合器 、 雙分支定向耦合器和平行耦合微帶定向耦合器 。 1) 定向耦合器是四端口網(wǎng)絡(luò) , 端口 “ ① ” 為輸入端 , 端口“ ② ” 為直通輸出端 , 端口 “ ③ ” 為耦合輸出端 , 端口 “ ④ ”為隔離端 , 并設(shè)其散射矩陣為 ［ S］ 。 描述定向耦合器的性能指標有 : 耦合度 、 隔離度 、 定向度 、 輸入駐波比和工作帶寬 。下面分別加以介紹 。 第 5章 微波元器件 圖 513 定向耦合器的原理圖 耦合裝置①④②③P1P2P4P3第 5章 微波元器件 )(1lg20lg101331 dBsppc ?? (2) 輸入端 “ ① ” 的輸入功率 P1和隔離端 “ ④ ” 的輸出功率 P4之比定義為隔離度 , 記作 I。 )(1lg20lg101441 dBsppI ?? (3) 耦合端 “ ③ ” 的輸出功率 P3與隔離端 “ ④ ” 的輸出功率 P4之比定義為定向度 ， 記作 D。 1443 13lg20lg10ssppD ??第 5章 微波元器件 (4) 端口 “ ② 、 ③ 、 ④ ” 都接匹配負載時的輸入端口 “ ① ”的駐波比定義為輸入駐波比 ， 記作 ρ。 111111ssp??? (5) 工作帶寬是指定向耦合器的上述 C、 I、 D、 ρ等參數(shù)均滿足要求時的工作頻率范圍 。 2) 波導(dǎo)雙孔定向耦合器是最簡單的波導(dǎo)定向耦合器 , 主 、 副波導(dǎo)通過其公共窄壁上兩個相距 d=(2n+1)λg0/4 的小孔實現(xiàn)耦合 。 第 5章 微波元器件 其中 ， λg0是中心頻率所對應(yīng)的波導(dǎo)波長 , n為正整數(shù) , 一般取 n=0。 耦合孔一般是圓形 , 也可以是其它形狀 。 定向耦合器的結(jié)構(gòu)如圖 5 14(a)所示 , 下面簡單介紹其工作原理 。 根據(jù)耦合器的耦合機理 , 畫出如圖 5 14(b)所示的原理圖 。 設(shè)端口 “ ① ” 入射 TE10波 (u+1=1), 第一個小孔耦合到副波導(dǎo)中的歸一化出射波為 u41=q和 u31=q, q為小孔耦合系數(shù) 。 假設(shè)小孔很小 , 到達第二個小孔的電磁波能量不變 , 只是引起相位差 (βd), 第二個小孔處耦合到副波導(dǎo)處的歸一化出射波分別為u42=qejβd和 u32=qejβd, 在副波導(dǎo)輸出端口 “ ③ ” 合成的歸一化出射波為 第 5章 微波元器件 514 波導(dǎo)雙孔定向耦合器 d?1u?41ud?31u?42u?32u④ ③②①( b )( a )第 5章 微波元器件 u3=u31ejβd+u32 =2qejβd 副波導(dǎo)輸出端口 “ ④ ” 合成的歸一化出射波為 u4=u41+u42ejβd=q(1+ej2βd )=2qcosβdejβd 由此可得波導(dǎo)雙孔定向耦合器的耦合度為 3234)(1 raabq???小圓孔耦合的耦合系數(shù)為 quuc 2lg20lg2031 ????? 式中 , a、 b分別為矩形波導(dǎo)的寬邊和窄邊； r為小孔的半徑；β是 TE10模的相移常數(shù) 。 而波導(dǎo)雙孔定向耦合器的定向度為 第 5章 微波元器件 ddquuD ?? s e clg20c os2 2lg20lg2043 ???? 當工作在中心頻率時 , βd=π/2, 此時 D→∞ 。 當偏離中心頻率時 , secβd具有一定的數(shù)值 , 此時 D不再為無窮大 。 實際上雙孔耦合器即使在中心頻率上 , 其定向性也不是無窮大 , 而只能在30dB左右 。 由式 (5 2 9)可見 , 這種定向耦合器是窄帶的 。 總之 , 波導(dǎo)雙孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而實現(xiàn)主波導(dǎo)的定向輸出 , 在耦合口上同相疊加 , 在隔離口上反相抵消 。 為了增加定向耦合器的耦合度 ， 拓寬工作頻帶 , 可采用多孔定向耦合器 , 關(guān)于這方面的知識 , 讀者可參閱有關(guān)文獻 。 第 5章 微波元器件 3) 雙分支定向耦合器由主線 、 副線和兩條分支線組成 , 其中分支線的長度和間距均為中心波長的 1/4, 如圖 5 15 所示 。 設(shè)主線入口線 “ ① ” 的特性阻抗為 Z1=Z0, 主線出口線 “ ② ” 的特性阻抗為 Z2=Z0k(k為阻抗變換比 ), 副線隔離端 “ ④ ” 的特性阻抗為 Z4=Z0, 副線耦合端 “ ③ ” 的特性阻抗為 Z3=Z0k, 平行連接線的特性阻抗為 Z0p, 兩個分支線特性阻抗分別為 Zt1和 Zt2。 下面來討論雙分支定向耦合器的工作原理 。 假設(shè)輸入電壓信號從端口 “ ① ” 經(jīng) A點輸入 , 則到達 D點的信號有兩路 , 一路是由分支線直達 , 其波行程為 λg/4, 另一路由A→B→C→D, 波行程為 3λg/4。 故兩條路徑到達的波行程差為λg/2, 相應(yīng)的相位差為 π, 即相位相反 。 第 5章 微波元器件 圖 515 雙分支定向耦合器 Z1Z4Z2Z3A BCDZt 1Zt 2Z0pZ0p①④②③?g/ 4?g/ 4第 5章 微波元器件 因此若選擇合適