《微波技術(shù)與天線》傅文斌習(xí)題答案第4章

1、第4章無(wú)源微波器件 #第4章無(wú)源微波器件 # 第4章無(wú)源微波器件4.1微波網(wǎng)絡(luò)參量有哪幾種？線性網(wǎng)絡(luò)、對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)、互易網(wǎng)絡(luò)的概念在其中有何應(yīng)用？答微波網(wǎng)絡(luò)參量主要有轉(zhuǎn)移參量、散射參量、阻抗參量和導(dǎo)納參量。線性網(wǎng)絡(luò)的概念使網(wǎng)絡(luò)參量可用線性關(guān)系定義；對(duì)二口網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)的概念使轉(zhuǎn)移參量的ad，散射參量的Sn=S22阻抗參量的Z11Z22，導(dǎo)納參量的YnY22?；ヒ拙W(wǎng)絡(luò)的概念使轉(zhuǎn)移參量的ad-b1，散射參量的SS，阻抗參量的ZZ，導(dǎo)納參量的YY。1221122112214.2推導(dǎo)Z參量與A參量的關(guān)系式（4-1-13）。解定義A參量的線性關(guān)系為UaU+b(-1)12IcU+12d(-12定義Z參量的線性關(guān)

2、系為UZI+ZI1111122UZI+ZI2211222ZZZ1112ZZ2122ac1cadbc4.3從StS*I出發(fā)，寫出對(duì)稱互易無(wú)耗三口網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)獨(dú)立方程。解由對(duì)稱性，SSS；由互易性，SS，SS，SS。三口網(wǎng)絡(luò)的散112233122113312332射矩陣簡(jiǎn)化為S11S12S一13SSSS121123SSS132311由無(wú)耗性，STS*I，即SSS-S*s*S*一1001112131213SSS|s*s*S*0101211231123SSSs*s*S*001132311L132311第4章無(wú)源微波器件 #Is2+Is2+Is2=1111112113ss*+SS*+SS*01112121

3、11323ss*+SS*+SS*0111312231311ss*+SS*+SS*0121311232311組合網(wǎng)絡(luò)的端口1，4.4二口網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)如圖所示。寫出參考面兒、T2之間的組合網(wǎng)絡(luò)的A參量。（參考面T1處即T2處即組合網(wǎng)絡(luò)的端口2）Z2胡jBjBcossinjZ0血COS0第4章無(wú)源微波器件 # #第4章無(wú)源微波器件 # #胡胡胡胡123cos1jB+jsinjZsin0一BZsin+cos01jBcosBZsin1)jB1+sin，平均長(zhǎng)度為Q的pp整數(shù)倍。長(zhǎng)度為訂2的整數(shù)倍頻帶寬，功率容量大，起始衰減量小，穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是精度較差。頻帶寬，精度高，起始衰減量小，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較昂貴

4、。頻帶寬，精度高，可用作標(biāo)準(zhǔn)衰減器。缺點(diǎn)是起始衰減量太大。通過(guò)典型舉例介紹（均可等效第4章無(wú)源微波器件 高通帶通帶阻信號(hào)通過(guò)，而阻止其它頻率范圍的微波信號(hào)通過(guò)。為對(duì)應(yīng)的集中參數(shù)濾波器的原型電路）隔離器旋轉(zhuǎn)式場(chǎng)移式諧振吸收式微波鐵氧體隔離器一種單向傳輸器件。它使正向波順利通過(guò)，反向波被完全衰減。利用法拉第效應(yīng)，利用場(chǎng)移效應(yīng)利用鐵磁諧振效應(yīng)鎖式移相器微波鐵氧體移相器使通過(guò)的微波信號(hào)產(chǎn)生預(yù)定的相移量。鎖式移相器多為數(shù)字式結(jié)構(gòu)。4.7簡(jiǎn)述4結(jié)構(gòu)的工作原理。它被應(yīng)用于哪些微波元件中？答4結(jié)構(gòu)的工作原理（以扼流式短路活塞為例，圖4-2-1b）：將BA、DC看成4傳輸線段,因AC點(diǎn)短路，由倒置性BD點(diǎn)開路。

5、再將AB、AB也看成4傳輸線段，因BD點(diǎn)（即BB點(diǎn)）開路，故AA點(diǎn)短路（即電接觸良好）。應(yīng)用于扼流式短路活塞、抗流接頭4.8欲利用階梯波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)兩段尺寸分別為2.5X1.3cm2和2.5X0.8cm2的波導(dǎo)的連接。當(dāng)工作波長(zhǎng)=3cm時(shí)，試求（1）階梯波導(dǎo)段的窄邊b=？（2）階梯波導(dǎo)段的長(zhǎng)度l=？（3）階梯波導(dǎo)段的單模傳輸條件。解(1)b=bb=1.3,0.8=1.02cm12(2)=p=4=3.754=0.9375cmp=3.75cm，1-(2a（3）a2a，2.5cm5cm4.9什么是禁戒規(guī)則？在T形接頭分析中它有何作用？答指偶模激勵(lì)只能激勵(lì)起對(duì)稱場(chǎng)，不能激勵(lì)起反對(duì)稱場(chǎng)，或者說(shuō)反對(duì)稱場(chǎng)被禁戒；

6、奇模激勵(lì)只能激勵(lì)起反對(duì)稱場(chǎng)而對(duì)稱場(chǎng)被禁戒。作用：（1）可用于分析TE10波的場(chǎng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性；（2）可用于分析E-T、H-T和魔To4.10E-T接頭的端口1、2匹配，證明適當(dāng)選擇參考面后，其S矩陣是解三口網(wǎng)絡(luò)的S矩陣是:依題意：S11=S22=0，由互易性,由無(wú)耗性，STS*=1，有0S12S13S120-S13Is由式，S13=0;由式,|S12010S=100001SSS一111213S=SSS212223SSS313233S=S，S=S，S1221323132-0SS1213S=S0-S1213S-SS1-131333=S23由反對(duì)稱場(chǎng)性質(zhì)，S=-S231313S130-SS*1312S

7、s*3313S*120-S*13100,=010001S*13-S*13S33S122+I132HS*2+S13332SS*=01313=1，=1若適當(dāng)選擇參考面，S=1；12由式，|S33=1。若適當(dāng)選擇參考面，S=1。因此有33010S=1000014.11推導(dǎo)魔T的S矩陣并利用該S矩陣簡(jiǎn)述其特性。（提示：利用魔T等效網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性、互易性和無(wú)耗性，以及魔T中場(chǎng)的對(duì)稱性和反對(duì)稱性）解四口網(wǎng)絡(luò)的S矩陣是第4章無(wú)源微波器件 #第4章無(wú)源微波器件 # SSSS，11121314SSSS21222324SSSS31323334SSSS41424344依題意：當(dāng)E臂、H臂為端口匹配狀態(tài)時(shí)，/二0，S4

8、4=0；由旁臂1、旁臂2的對(duì)稱性，a=S22由互易性，S=SG,j二1，2,3,4；i工j）,由E-T接頭的反對(duì)稱場(chǎng)性質(zhì)和H-T接頭的對(duì)稱場(chǎng)性質(zhì),ijjiS二一S，S=S，S二S二0。得231324143443SSSS，11121314S=SSSS12112324SS001323SS0014241由無(wú)耗性，STS*二I，有SSSS,S*S*S*S*，1000,1112131411121314SSSSS*S*-S*S*01001211232412111314=SS00S*-S*00001013231313SS00S*S*0000011424141411即IS2ISI2IS卩S2二1111I121

9、I13114SS*+SS*-SS*+SS*二011121211131314141）2）SS*-SS*二0111312133）SS*SS*二0（4）11141214由式（3）、式（4），S-S=0，SS:=0故S=S=0。由式（2）,SI=S，代1112111211121131114入式（1），并適當(dāng)選擇參考面得S=S=12。因此，得魔T的S矩陣是13140011,100-11S=21-1001100由上述S矩陣，易知魔具有:匹配性。例如，若使S33二S44二0，則自動(dòng)有S11=S22=0。第4章無(wú)源微波器件 #均分性。例如，若從端口1輸入，則從E臂、H臂等分輸出；若從E臂輸入，則從端口1、2等

10、分輸出。隔離性。例如，若從端口1輸入，則端口2無(wú)輸出；若從E臂輸入，則H臂無(wú)輸出。4.12由魔T組成的輸出調(diào)節(jié)器如圖所示，其中，功率從端口1輸入，從端口2輸出；端口3、4分別接短路活塞。為使端口2的輸出最大，試分析13和1應(yīng)滿足什么條件?解魔T的散射矩陣是001100-111-1001，100由表，魔T的工作條件是一計(jì)2a4匕皿4，式中，364=P4。代入上式有b=2Vb=3(a+0abeJ2O3beJ2O41234(a+0a+be-J2Q3一be-J2Q41234(a-a+0a+0a)12341(a+a+0a+0a)1234b=221(e-J2O33一be-J2O44(a2a)12(a+a1

11、2第4章無(wú)源微波器件 # #第4章無(wú)源微波器件 # #將式、式代入式第4章無(wú)源微波器件 # S21Is21cosP（-）=4312兀（-）COS43九p（a+a丄-j24L1aC-j2g+ej24LaCj23一ej24M12212功率從端口1輸入，為使端口2的輸出最大，也就是使電壓傳輸系數(shù)的模T=|S21|最大，即求下式的最大值：1二e-j23+e-j24234將上式化簡(jiǎn)：11二1+e-j2（4弋）二e-j（4弋）|ej（4弋）+e-j（4弋）第4章無(wú)源微波器件 # #第4章無(wú)源微波器件 # #顯然，上式取最大值的條件是2k(-)43二n兀九p即等功率饋電。第4章無(wú)源微波器件 # #第4章無(wú)源

12、微波器件 # #解畫出可變同軸型功分器的等效電路如左圖所示：第4章無(wú)源微波器件 (1)當(dāng)l=4時(shí)，l=l,4=2,1p21ppB點(diǎn)呈短路，信號(hào)不能到達(dá)負(fù)載2。由B點(diǎn)呈短路，知Ycb二0；由I4，知Yag二0；Ycd二Y0即CD段呈行波，故信號(hào)全部送到負(fù)載1。當(dāng)l=0時(shí)，A點(diǎn)呈短路信號(hào)不能到達(dá)負(fù)載1。與上述分析類似，信號(hào)全部送到負(fù)載2。當(dāng)l=3p8時(shí),D0YCAYCBY=Y,Y=-jYcot=jY,YAD0AG010A二Y+Y二Y1+j),AG0ADY20-YAY=Y,YBE0BF(=一jYcot+014丿-jY0，YB=Y+Y二Y1-j)BEBF0Y2-Q-YCYB二Yba+Ybc二Y0，主傳

13、輸線呈行波,故信號(hào)源輸入的功率全部進(jìn)入該功分器，被負(fù)載1、2所吸收。又由于Ya、Yc是共軛的，所以進(jìn)入該功分器的功率被負(fù)載】、2平分。4.14同軸型定向耦合器如圖所示，試分析其工作原理。圖中，主線通過(guò)耦合片將信號(hào)耦合到輸出端，耦合片的右邊接匹配負(fù)載。.主田厶LL耦合片TTTBA主同軸線匹配負(fù)載輸出端題4.14圖高頻能量輸入答（1）電耦合：耦合片與主線內(nèi)導(dǎo)體構(gòu)成耦合電容，產(chǎn)生耦合電流i、i；（2）磁耦合：主12線內(nèi)導(dǎo)體上的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，形成的磁力線與耦合片發(fā)生交鏈，產(chǎn)生耦合電流i；（3）定向性：由3于i和i同向，合成電流為i+i；由于i和i反向，合成電流為i-i，因而形成定向耦合。1313232

14、34.15簡(jiǎn)述波導(dǎo)型單孔定向耦合器的構(gòu)成和工作原理。答波導(dǎo)型單孔定向耦合器由主波導(dǎo)和副波導(dǎo)構(gòu)成，公共壁為寬壁，耦合機(jī)構(gòu)是開在公共寬壁中央的小孔。工作原理：圖（a）表示電場(chǎng)耦合。在耦合孔處，TE10波的電力線會(huì)發(fā)生如圖所示的畸變，故使副線的下寬壁出現(xiàn)負(fù)電荷分布（電力線終止于負(fù)電荷），它通過(guò)感應(yīng)使上寬壁出現(xiàn)正電荷分布，于是，在副線中激勵(lì)起如圖所示的電力線。圖（b）表示磁場(chǎng)耦合。在耦合孔處，TE10波的磁場(chǎng)所形成的壁電流被切斷，耦合孔右邊的壁電流流入副線，形成正電荷分布，耦合孔左邊的壁電流流出副線，形成負(fù)電荷分布，于是，在副線中激勵(lì)起如圖所示的電力線。圖（c）表示耦合的合成。副線中，耦合孔左邊由電場(chǎng)

15、耦合和由磁場(chǎng)耦合形成的電力線方向相同，相互疊加；而耦合孔右邊形成的電力線則方向相反，相互抵消，于是呈現(xiàn)出定向性。波導(dǎo)型單孔定向耦合器的主線和副線間也存在一定夾角，作用是改善定向性。4.16如何分析TE10波中存在圓極化磁場(chǎng)？理解該圓極化磁場(chǎng)的特性對(duì)分析波導(dǎo)型十字縫定向耦合器有何作用？答分析如下：TE10波有兩個(gè)磁場(chǎng)分量，分別是即：（1）在xx2處，TER波的磁場(chǎng)是旋向相反的圓極化磁場(chǎng)。（2）旋向的規(guī)律是以TEW波的jfHocsmxtcosx由圓極化的定義，要求兩個(gè)磁場(chǎng)分量存在90。相位差，且Hx如下關(guān)系：sink(n、cosxVa丿解得atan1nxa-x21前者顯然滿足，后者則導(dǎo)出Xi處的旋

16、向正好滿足左手螺旋關(guān)傳播方向?yàn)閰⒖迹匆暰€沿其傳播方向），使大拇指垂直進(jìn)入紙面系，稱為左圓極化磁場(chǎng)；x處的旋向正好滿足右手螺旋關(guān)系，稱2為右圓極化磁場(chǎng)。作用：上述性質(zhì)可用于判斷波導(dǎo)型十字縫定向耦合器的副線正方向（如圖）。（1）若主線中TE10波的傳播方向向下，則十字縫位于視線的左邊，故十字縫處為左圓極化磁場(chǎng)（逆時(shí)針方向）。（2）耦合到副線后，十字縫處仍然應(yīng)為左圓極化磁場(chǎng)。（3）假設(shè)副線中TE10波的傳播方向向左。這時(shí)，由于十字縫位于視線的右邊，按照旋向判斷方法，十字縫處為右圓極化磁場(chǎng)。這與要求的極化旋向矛盾，因此假設(shè)錯(cuò)誤。（4）再假設(shè)副線中TE10波的傳播方向向右，這時(shí)，由于十字縫位于視線的左

17、邊，故十字縫處為左圓極化磁場(chǎng)。這與要求的極化旋向一致，因此副線的正方向應(yīng)該是向右。4.17判斷微波信號(hào)在下列定向耦合器的副線中的傳輸方向：（1）同軸型定向耦合器；（2）波導(dǎo)型單孔定向耦合器；（3）波導(dǎo)型十字縫定向耦合器答（1）同軸型定向耦合器PoutPin耦合孔副線主線3）波導(dǎo)型十字縫定向耦合器4.18寫出學(xué)過(guò)的三分貝電橋的散射矩陣，并比較它們的工作特性。答（1）二分支三分貝電橋10010jj01）從端口1輸入的功率被端口2、3工作特性：當(dāng)端口1接匹配源，其它端口接匹配負(fù)載時(shí)，均分輸出，端口1無(wú)反射，端口4被隔離。2）以端口1輸入信號(hào)的相位為基準(zhǔn)，端口2和端口3輸出信號(hào)的相位分別滯后90。和1

18、80。2）三分支三分貝電橋01j01100jS=2j0010j10工作特性是：當(dāng)端口1接匹配源，其它端口接匹配負(fù)載時(shí)，從端口1輸入的功率被端口2、3均分輸出，端口1無(wú)反射，端口4被隔離；以端口1輸入信號(hào)的相位為基準(zhǔn)，端口2和端口3輸出信號(hào)的相位分別滯后180。和270。3）環(huán)形三分貝電橋0j0jS=1j0j020j0jj0j0工作特性是：1）當(dāng)端口1接匹配源，其它端口接匹配負(fù)載時(shí)，從端口1輸入的功率被端口2、4均分輸出，端口1無(wú)反射，端口3被隔離；以端口1輸入信號(hào)的相位為基準(zhǔn)，端口2和端口4輸出信號(hào)的相位均滯后90。2）當(dāng)端口2接匹配源，其它端口接匹配負(fù)載時(shí)，從端口2輸入的功率被端口1、3均分

19、輸出，端口2無(wú)反射，端口4被隔離；以端口2輸入信號(hào)的相位為基準(zhǔn)，端口1和端口3輸出信號(hào)的相位分別滯后90。和270。4.19某雷達(dá)的頻段開關(guān)如圖所示，試分析其工作原理。該頻段開關(guān)由兩個(gè)三分支三分貝電橋和兩個(gè)高通濾波器組成。高通濾波器的特性是，對(duì)低頻段發(fā)射機(jī)的信號(hào)起短路作用，對(duì)高頻段發(fā)射機(jī)的信號(hào)起直通作用。頻段開關(guān)的端口1接低頻段發(fā)射機(jī)，端口2接高頻段發(fā)射機(jī)，端口3接雷達(dá)天線，端口4接匹配負(fù)載。答（1）來(lái)自端口1低頻段發(fā)射機(jī)的信號(hào)到達(dá)高通濾波器時(shí)，三分支三分貝電橋1呈短路特性，故信號(hào)從端口3輸出至雷達(dá)天線，端口2（高頻段發(fā)射機(jī)）、4被隔離。（2）來(lái)自端口2高頻段發(fā)射機(jī)的信號(hào)到達(dá)高通濾波器時(shí)，三分

20、支三分貝電橋1、2呈串聯(lián)特性，故信號(hào)從端口3輸出至雷達(dá)天線，端口1（低頻段發(fā)射機(jī)）、4被隔離。即頻段開關(guān)能夠使低頻段發(fā)射機(jī)和高頻段發(fā)射機(jī)的信號(hào)順利輸送至雷達(dá)天線，且二者互不影響。4.20衰減器的衰減量為L(zhǎng)dB,試寫出它的散射矩陣。（提示：設(shè)衰減器的端口與所接傳輸線匹配）解由衰減器的端口與所接傳輸線匹配得,S11S220IS?10-20L適當(dāng)選擇參考面，有S1020。21(、P+,由衰減量L10logP-20logS2J,2a2=0丿由互易性S21=S12。得0L10-20L10-2004.21微波濾波器與集中參數(shù)濾波器有何異同？答微波濾波器是分布參數(shù)電路,但利用長(zhǎng)線理論分析后,都可以等效成集中

21、參數(shù)濾波器的原型電路。4.22寫出微波鐵氧體的張量磁導(dǎo)率并解釋它的物理意義。答無(wú)耗鐵氧體的張量磁導(dǎo)率是jK0卩-jK00033式中，M0H0MK=P00。由上式可見,0H323200（1）在與H垂直的方向，h不僅對(duì)b有貢獻(xiàn)，而且對(duì)b也有貢獻(xiàn)。h亦然。即鐵氧體的磁0 xxyy導(dǎo)率為標(biāo)量，具有磁各向異性。（2）H為一特殊方向，該方向的b只與h有關(guān)，即在H方向鐵氧體與磁導(dǎo)率為標(biāo)量的介質(zhì)0zz0無(wú)異。（3）當(dāng)，即交變磁場(chǎng)的頻率接近于拉摩進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，有PTS，KT8。我們稱這0種現(xiàn)象為鐵氧體的鐵磁諧振效應(yīng)。在鐵磁諧振狀態(tài)下，鐵氧體強(qiáng)烈吸收交變磁場(chǎng)的能量。什么是正圓極化磁場(chǎng)？什么是負(fù)圓極化磁場(chǎng)？它們和左右圓極化磁場(chǎng)有何區(qū)別？答正圓極化磁場(chǎng)h+C）：指與外加恒定磁場(chǎng)H呈右手螺旋關(guān)系的圓極化磁場(chǎng)；負(fù)圓極化磁場(chǎng)0h-（t）：指