中科院微波工程基础第四章.

中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件主要参考书：1.李宗谦，佘京兆，高葆新，《微波工程基础》，清华大学出版社，2004中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.1基本微波网络参数阻抗矩阵和导纳矩阵n端口线性网络阻抗矩阵和导纳矩阵给出了电压和电流之间的关系，即VZIIYV123...TnVVVVV123...TnIIIII111211112121222212221212............,......nnnnnnnnnnnnZZZYYYZZZYYYZYZZZYYY(4.1)(4.2)中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.1基本微波网络参数阻抗矩阵和导纳矩阵的性质1.互易网络的阻抗矩阵和导纳矩阵,,TijjiZZZZij,,TijjiYYYYij矩阵的转置与矩阵本身相等(矩阵元素对称性)中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.1基本微波网络参数阻抗矩阵和导纳矩阵的性质2.无耗网络的阻抗矩阵和导纳矩阵HZZHYY(反厄米特阵)矩阵的共轭转置的负值与矩阵本身相等(对角元素是纯虚数)3.无耗互易网络的阻抗矩阵和导纳矩阵ZZYY矩阵的共轭的负值与矩阵本身相等(元素是纯虚数)中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.1基本微波网络参数散射矩阵散射矩阵和散射参量的意义11111221221122221122nnnnnnnnnnbsasasabsasasabsasasa(4.3)式中，ai、bi、Sij都是复数，是第i端口的内向波，bi是第i端口的外向波，ai和bi都是相对于某一截面而言，此截面称为第i端口的参考面或端面。,1,2,,,iijna中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.1基本微波网络参数散射矩阵散射矩阵和散射参量的意义(续）bsa,iijjbSa(4.4)111212122212.........nnnnnnSSSSSSSSSS(4.4)和是列矩阵，是阶方阵，称为散射矩阵，表示为abns中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.1基本微波网络参数11s散射矩阵散射矩阵和散射参量的意义2311110naaabsa代表网络本身的第1端口的反射系数。2322110naaabsa第1端口到第2端口的传输系数。21s中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.1基本微波网络参数散射矩阵散射矩阵的性质1.互易网络的散射矩阵,TijjiSSSS矩阵的转置与矩阵本身相等(矩阵元素对称性)2.无耗网络的散射矩阵1,HSS110nkikjkijssij(酉矩阵)矩阵的共轭转置与矩阵本身的乘积等于单位矩阵中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.1基本微波网络参数散射矩阵散射矩阵的性质3.无损互易网络的散射矩阵1,ss110nikkjkijssij矩阵的共轭与矩阵本身的乘积等于单位矩阵中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.2模式的激励和耦合激励的方式（电激励和磁激励）1.源激励场:电流源或等效磁流源在空间激励电磁场自由空间,传输线,波导,谐振腔等2.场激励场:从一种场模式到另一种场模式的激励转换3.源激励源:从一种类型的电流源转换为另一种类型的电流源三种类型的激励耦合是相关的,一个具体的激励耦合问题可以从不同的角度不同的类型分析中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.2模式的激励和耦合激励的原则广义麦克斯韦方程组,,meemEjBJHjDJDB****1()()2emVVdSjEDHBdVJEHJdV是等效电流源和等效磁流源激励的电场和磁场.如果是被激励单元中某个模式的场,EH和eJmJEH和**()0emVJEHJdV则：意味着该模式不能被激起.中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.2模式的激励和耦合激励的原则推论:1.放在电场为零的位置,放在磁场为零的位置(平行理想导体或者磁体附近)2.垂直于电场和垂直于磁场也不能激起相应模式的场3.都是旋转矢量,且与的旋转方向相反,与的旋转方向相反4.,如源和场具有相反的对称性(奇不能激起偶,偶不能激起奇)eJmJeJmJ,,,emJJEHeJEHmJ0000(),()(),()eemmJJxjyEExjyJJxjyHHxjy00emVVJEdVHJdV和**()0emVJEHJdV中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.2模式的激励和耦合激励的原则5.,但是00emVVJEdVHJdV和()0emVJEHJdV电流源作用与磁流源作用互相抵消中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.2模式的激励和耦合激励耦合举例1.同轴波导转换（电激励）:同轴线的内导体从矩形波导宽边的中央伸到波导中构成.如图矩形波导的左端短路,且同轴线内导体与短路面的距离为TE10模的1/4波导波长。波从同轴向波导和从波导向同轴的传输性能是一致的（互易性）同轴波导转换示意图（源和场）中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.2模式的激励和耦合激励耦合举例2.同轴线耦合环（磁激励）同轴线和波导之间的耦合也可以通过内导体的延伸和弯曲环状，再和外导体闭合连接，构成耦合环。波导中交变磁场穿过耦合环会在耦合环中产生感应电流；同时通过耦合环的交变电流将在波导中激起交变电磁场。同轴线中激起TEM波（源和场）波导中激起TE10波（源和场）TE10TEM中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.2模式的激励和耦合激励耦合举例3.小孔耦合(电耦合和磁耦合同时存在):两个波导重迭在一起,在它们的公共壁上开一个或多个小孔或缝,波导中的电磁场将向外辐射.在有法向电场的壁上开孔,场的辐射和电耦极子的辐射类似;在有切向磁场的壁上开孔,场的辐射和磁耦极子的辐射类似定向耦合器波导壁上孔的耦合(场或源和场)两波导宽壁上耦合孔（场和场）中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.2模式的激励和耦合激励耦合举例4.同轴微带转换和波导微带转换同轴微带转换结构(电流连续源和源)波导微带转换结构(场和电流）中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.2模式的激励和耦合激励耦合举例5.方圆过渡(,)01011TETE01001TETE场和场中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.3简单不均匀性的等效电路条件:简单不均匀性由良导体组成,忽略损耗,不均匀性等效成电容或电感，由激起高次模式所储的是磁能还是电能决定截面尺寸突变同轴线横截面尺寸突变或矩形波导高度尺寸突变,电场分布发生变化,高次E模截止等效电容;矩形波导宽度尺寸突变,磁场分布发生变化,高次H模截止等效电感.中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.3简单不均匀性的等效电路矩形波导宽边向波导中伸进导体片电容窗膜片附近激起纵向电场,TM模截止场,等效并联电容中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.3简单不均匀性的等效电路矩形波导窄边向波导中伸进导体片电感窗膜片附近激起纵向磁场,TE模截止场,等效并联电感中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.3简单不均匀性的等效电路矩形波导宽边和窄边同时向波导中伸进导体片谐振窗可能存在某个频率0,使并联导纳等于零,对波的传输影响最小波导密封窗:隔离真空和大气且不影响波传输真空密封谐振窗及其等效电路中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.3简单不均匀性的等效电路波导销钉波导宽边中心插入一个可调销钉，它部分改变了边界条件。进入波导的上半部分影响波导壁上电流的分布，导致z方向磁场，引起H模的截止场，相当于电感作用；销钉的端面附近出现z方向的电场，引起E模的截止场，相当于电容作用。销钉谐振频率高于工作频率则相当于电容，低于工作频率相当于电感，接近于工作频率引起强反射。可移动销钉及其等效电路201()()ZjLjLC=-=-中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences问题1。我们讨论波导不均匀性时认为H模式的截止场的储能以磁能为主，E模式的截止场的储能以电能为主，从场分量表达式或能量储存的角度解释为什么可以这样做？2。针对TE10模单模工作，矩形波导宽边突变等效于为一电感，窄边突变等效为一电容。从传输线阻抗变化的角度，分析非常薄的金属膜片变化以解释这一电感或电容为主的数学物理过程。中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.4微波无源元件介绍1.线性互易元件线性变换,不改变频率,满足互易定理(匹配负载,衰减器,移相器,短路活塞,功分器,微波电桥,定向耦合器,阻抗匹配器,阻抗变换器等)2.线性非互易元件各向异性媒质(磁化铁氧体),具有非互易性,散射矩阵不对称(隔离器,环行器)中国科学院电子学研究所InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences第四章微波元件§4.4微波无源