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1、第4章無源微波器件 #第4章無源微波器件 # 第4章無源微波器件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;對二口網(wǎng)絡(luò)對稱網(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),寫出對稱互易無耗三口網(wǎng)絡(luò)的4個獨立方程。解由對稱性,SSS;由互易性,SS,SS,SS。三口網(wǎng)絡(luò)的散112233122113312332射矩陣簡化為S11S12S一13SSSS121123SSS132311由無耗性,STS*I,即SSS-S*s*S*一1001112131213SSS|s*s*S*0101211231123SSSs*s*S*001132311L132311第4章無源微波器件 #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章無源微波器件 # #第4章無源微波器件 # #胡胡胡胡123cos1jB+jsinjZsin0一BZsin+cos01jBcosBZsin1)jB1+sin,平均長度為Q的pp整數(shù)倍。長度為訂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,缺點是精度較差。頻帶寬,精度高,起始衰減量小,缺點是結(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。缺點是起始衰減量太大。通過典型舉例介紹(均可等效第4章無源微波器件 高通帶通帶阻信號通過,而阻止其它頻率范圍的微波信號通過。為對應(yīng)的集中參數(shù)濾波器的原型電路)隔離器旋轉(zhuǎn)式場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,反向波被完全衰減。利用法拉第效應(yīng),利用場移效應(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的微波信號產(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點短路,由倒置性BD點開路。
5、再將AB、AB也看成4傳輸線段,因BD點(即BB點)開路,故AA點短路(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=3cm時,試求(1)階梯波導(dǎo)段的窄邊b=?(2)階梯波導(dǎo)段的長度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?答指偶模激勵只能激勵起對稱場,不能激勵起反對稱場,或者說反對稱場被禁戒;
6、奇模激勵只能激勵起反對稱場而對稱場被禁戒。作用:(1)可用于分析TE10波的場結(jié)構(gòu)的對稱性;(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由反對稱場性質(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矩陣簡述其特性。(提示:利用魔T等效網(wǎng)絡(luò)的對稱性、互易性和無耗性,以及魔T中場的對稱性和反對稱性)解四口網(wǎng)絡(luò)的S矩陣是第4章無源微波器件 #第4章無源微波器件 # SSSS,11121314SSSS21222324SSSS31323334SSSS41424344依題意:當(dāng)E臂、H臂為端口匹配狀態(tài)時,/二0,S4
8、4=0;由旁臂1、旁臂2的對稱性,a=S22由互易性,S=SG,j二1,2,3,4;i工j),由E-T接頭的反對稱場性質(zhì)和H-T接頭的對稱場性質(zhì),ijjiS二一S,S=S,S二S二0。得231324143443SSSS,11121314S=SSSS12112324SS001323SS0014241由無耗性,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,則自動有S11=S22=0。第4章無源微波器件 #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無輸出;若從E臂輸入,則H臂無輸出。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章無源微波器件 # #第4章無源微波器件 # #將式、式代入式第4章無源微波器件 # 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:11二1+e-j2(4弋)二e-j(4弋)|ej(4弋)+e-j(4弋)第4章無源微波器件 # #第4章無源微波器件 # #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章無源微波器件 # #第4章無源
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章無源微波器件 (1)當(dāng)l=4時,l=l,4=2,1p21ppB點呈短路,信號不能到達負(fù)載2。由B點呈短路,知Ycb二0;由I4,知Yag二0;Ycd二Y0即CD段呈行波,故信號全部送到負(fù)載1。當(dāng)l=0時,A點呈短路信號不能到達負(fù)載1。與上述分析類似,信號全部送到負(fù)載2。當(dāng)l=3p8時,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,故信號源輸入的功率全部進入該功分器,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,主線通過耦合片將信號耦合到輸出端,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,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,耦合機構(gòu)是開在公共寬壁中央的小孔。工作原理:圖(a)表示電場耦合。在耦合孔處,TE10波的電力線會發(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),它通過感應(yīng)使上寬壁出現(xiàn)正電荷分布,于是,在副線中激勵起如圖所示的電力線。圖(b)表示磁場耦合。在耦合孔處,TE10波的磁場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
15、耦合和由磁場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?理解該圓極化磁場的特性對分析波導(dǎo)型十字縫定向耦合器有何作用?答分析如下:TE10波有兩個磁場分量,分別是即:(1)在xx2處,TER波的磁場是旋向相反的圓極化磁場。(2)旋向的規(guī)律是以TEW波的jfHocsmxtcosx由圓極化的定義,要求兩個磁場分量存在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)傳播方向為參考(即視線沿其傳播方向),使大拇指垂直進入紙面系,稱為左圓極化磁場;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。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(逆時針方向)。(2)耦合到副線后,十字縫處仍然應(yīng)為左圓極化磁場。(3)假設(shè)副線中TE10波的傳播方向向左。這時,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。這與要求的極化旋向矛盾,因此假設(shè)錯誤。(4)再假設(shè)副線中TE10波的傳播方向向右,這時,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。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,均分輸出,端口1無反射,端口4被隔離。2)以端口1輸入信號的相位為基準(zhǔn),端口2和端口3輸出信號的相位分別滯后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,從端口1輸入的功率被端口2、3均分輸出,端口1無反射,端口4被隔離;以端口1輸入信號的相位為基準(zhǔn),端口2和端口3輸出信號的相位分別滯后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,從端口1輸入的功率被端口2、4均分輸出,端口1無反射,端口3被隔離;以端口1輸入信號的相位為基準(zhǔn),端口2和端口4輸出信號的相位均滯后90。2)當(dāng)端口2接匹配源,其它端口接匹配負(fù)載時,從端口2輸入的功率被端口1、3均分
19、輸出,端口2無反射,端口4被隔離;以端口2輸入信號的相位為基準(zhǔn),端口1和端口3輸出信號的相位分別滯后90。和270。4.19某雷達的頻段開關(guān)如圖所示,試分析其工作原理。該頻段開關(guān)由兩個三分支三分貝電橋和兩個高通濾波器組成。高通濾波器的特性是,對低頻段發(fā)射機的信號起短路作用,對高頻段發(fā)射機的信號起直通作用。頻段開關(guān)的端口1接低頻段發(fā)射機,端口2接高頻段發(fā)射機,端口3接雷達天線,端口4接匹配負(fù)載。答(1)來自端口1低頻段發(fā)射機的信號到達高通濾波器時,三分支三分貝電橋1呈短路特性,故信號從端口3輸出至雷達天線,端口2(高頻段發(fā)射機)、4被隔離。(2)來自端口2高頻段發(fā)射機的信號到達高通濾波器時,三分
20、支三分貝電橋1、2呈串聯(lián)特性,故信號從端口3輸出至雷達天線,端口1(低頻段發(fā)射機)、4被隔離。即頻段開關(guān)能夠使低頻段發(fā)射機和高頻段發(fā)射機的信號順利輸送至雷達天線,且二者互不影響。4.20衰減器的衰減量為LdB,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b有貢獻,而且對b也有貢獻。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無異。(3)當(dāng),即交變磁場的頻率接近于拉摩進動頻率時,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,鐵氧體強烈吸收交變磁場的能量。什么是正圓極化磁場?什么是負(fù)圓極化磁場?它們和左右圓極化磁場有何區(qū)別?答正圓極化磁場h+C):指與外加恒定磁場H呈右手螺旋關(guān)系的圓極化磁場;負(fù)圓極化磁場0h-(t):指
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