第十三讲四端口器件

S11 S12
S12 S11

0 S12 S13 S14
[
S
]


S12
0
S14
S13


S13 S14
S14 S13
0 S12
S12 0

定向耦合器的网络参数
无耗 [S]T [S] I
|SSS11**3212SS11|244

| S13 |2 S12 S1*4 S12 S1*4
[S
]


S12
S11
S13
S14


S13 S14
S13 S14
0 0
0
0

定向耦合器的网络参数
无耗 [S]T [S] I
S11
S12
S13
S14 S11
S12
S13
S14
*

1
00
0

S12
S11
S13

S14


S12
S11
S13
S14

| S14 0 0
|2

1
S1*2S13 S12S1*3 0
S12, S13, S14必须有一个为0
定向耦合器的网络参数
正定向
S14 0
S| 1S*21S21|32
| S13 |2 S12S1*3

1 0

S12
S13
| |
S12 S13

k
2 z

2
y -z
x 0
d2E dx 2

k
2 x
E

0
d2E dy 2

k
2 y
E

0
d2E dz 2

k
2 x
E

0
k2

k
2 x

k
2 y

k
2 z
谐振频率0
可见,谐振腔在三个方向都是纯驻波，而传输线kc 是二维谐振。
传输线—二维 kc
传输腔—三维 k
图 31-3 二维谐振和三维谐振
S13 1 2
S14 1 2
| S11 |2 | S12 |2 | S13 |2 | S14 |2 1 | S11 |2 | S12 |2 0 | S11 |2 0，| S12 |2 0
魔T元件
［例2］1端输入时 3，4同相输出，2 端口隔离 2端输入时 3，4反相输出，1端口隔离
选频
谐振腔
滤波
灵敏测量
波长计
图 31-1 谐振腔应用
介质抽量
谐振频率0
传输线x、y方向是驻波，而z方向假定是行波。 谐振腔x、y、z方向均是驻波。
传输线
谐振腔
y -z
x 0
d2E dx 2

k
2 x
E

0
d2E dy 2

k
2 y
E

0
d2E dz 2

2E

0
k
2 x

k
2 y

k
2 z
k2
孔阵定向耦合器
典型定向耦合器
波导定向耦合器
(1)耦合度 C 20log | S31 |
dB
(2)定向性 D 20log S31 dB
一般耦合度 20 dB, S4110 dB, 6 dB,
一般定向性 30～40 dB 愈大愈好。
3 dB
魔T元件
魔Ｔ特性可以看作是E-T和H-T的结合，也可能看

0
1
0
0

S13 S14
S13 S14
0 0
0 0


S13 S14
S13 S14
0 0
0 0 0 1 0
0

0 0 0 1
3行3列
4行4列
1行1列
| S13 |2 | S13 |2 1 | S14 |2 | S14 |2 1
S12 S21, S13 S31, S14 S41, S23 S32 , S24 S42 , S34 S43,
S11 S12 S13 S14
[S
]


S12
S22
S23
S24


S13 S14
S23 S24
S33 S34
S34 S44

定向耦合器的网络参数

2
2，4 端口输出功率之和为1端口输入功率。两
个非隔离端口输出相位相差 / 2 令:S12 ,S14 j
定向耦合器的网络参数
0 S12 0 S14 0 0 j
[S
]


S12
0 S14
0




0
j
0

0

S14
S14 0
0 S12
S12 0
矩形腔TE101模的场和λ0
矩形腔TE101模是最基本而重要的模式，它是由传 输线TE10模在z方向加两块短路板而构成的金属封闭 盒。
图 31-5 矩形TE101模
矩形腔TE101模的场和λ0
归纳起来TE101模的场
Ey

E0
sin

a
x
sin

l
z
Hx
P4
S41
输入驻波： 频带宽度
1 S11
1 S11
定向耦合器的网络参数
S11 S12 S13 S14
[S
]


S21
S22
S23
S24


S31 S41
S32 S42
S33 S43
S34 S44

定向耦合器的网络参数
互易
[S]T [S]
[
S
]


S12
S11
S14
S13


S13 S14
S14 S13
S11 S12
S12 S11

定向耦合器的网络参数
两端口匹配 S11 S22 0
S11 S12 S13 S14
[S
]


S12
S11
S14
S13


S13 S14
S14 S13
定向耦合器简介
1端口输入的能量在2，3 端口输出，4 端口隔离 功率分配 信号监测 频率、频谱测量
定向耦合器分类
传输线种类：波导、同轴线、微带 耦合方式：分支线耦合、平行耦合、小孔耦合 耦合方向：正定向、反定向
定向耦合器的技术指标
耦合度：输入端输入功率/耦合端输出功率
3dB为强定向耦合（功分器） 20-30dB为弱定向耦合（测量）
C 10 log( P1 ) P3
P1

1 2
a1
2
, P3

1 2
b3
2
C 10 log( S31 2 )
隔离度：输入端输入功率/隔离端输出功率
D

10
log(
P1 P4
)

10
log(
S41
2
)
定向耦合器的技术指标
定向系数：耦合端输出功率/隔离端输出功率
2
D 10 log( P3 ) 10 log( S31 ) D C
定向耦合器的网络参数
0 S12 S13 0 0 j 0
[S
]


S12
0
0
S13




0
0
j


S13 0
0 S13
0 S12
S12 0

j

0
0
j
0


0

定向耦合器的网络参数
反定向
S13 0
S| 1S*21S21|42
需要注意的是，4端口的相位正负要相对传输线方向 选择
3端输入时 1，2反相输出，4端口隔离 4端输入时 1，2同相输出，3 端口隔离
谐振腔简介
Rectangular Resonator
如果说微波传输线充当低频的R、L、C部件，那
么微波谐振腔相当于低频振荡电路。这是振荡器、 滤波器和耦合器应用中所必须涉及的。

0

j
j
0
0


0

特别的： 1 2
0 1 0 j
[S] 1 1 0 j 0
2 0 j 0 1

j
0
1
0
3dB耦合器：
2
10 log 1 3 S31
典型定向耦合器
典型的定向耦合器是四口网络，①-2是主波导，4-③ 是副波导，主副波导之间采用孔阵耦合。

j
E0

0
2a
sin
x
a

cos
z
l

Hz

j
E0

0
2a
cos
x
a

sin

l
z

(31-28)
矩形腔TE101模的场和λ0
由于
k2

பைடு நூலகம்

2 0

2

kx2

k
2 y

kz2



a

2



l

2
| S14 |2 S12S1*4

1 0

S12
S13
| |
S12 S13
| |
e j12 e j13
| S12 |2 | S14 |2 1
e
j14
12

e-j14 12

0
cos 14
12


0,14
12

可知
0
2al a2 l2
(31-29)
其场结构如图31-6所示。值得提出：如果是TE10p模，
只要作代换
l l 即l 可，这时有
p
0
2al
pa2 l 2
(31-30)
矩形腔TE101模的场和λ0
图 31-6 TE101模的场结构
| |
e j12 e j13
| S12 |2 | S13 |2 1
e
j13
12

e-j13 12

0
cos 13
12


0,13
12


2
2，3 端口输出功率之和为1端口输入功率。两
个非隔离端口输出相位相差 / 2 令:S12 ,S13 j
作是特殊的3dB桥。
0 0 1 1 [S] 1 0 0 1 1
2 1 1 0 0 1 1 0 0
魔T
魔T
在双T结构中3 4 端口匹配，又称为匹配双T
S33 S44 0，由对称性可知：S11 S22 S24 S14 S23 S13
S11 S12 S13 S14
对S称11 S22 , S33 S44 , S12 S43, S13 S24.S23 S14
S11 S12 S13 S14
[S
]


S12
S22
S23
S24


S13 S14
S23 S24
S33 S34
S34 S44

S11 S12 S13 S14