第 20章 多口元件
Multi - Port Element
多口网络在微波工程中承担分路 (功率
分配 ),和差, 环行, 耦合等等重要功能 。
一, 三口网络的一般性质
1,无耗互易网络的么正性
[ S ]+ [ S ]=[ I ]
具体应用互易条件有
S S S
S S S
S S S
S S S
S S S
S S S
11 12 13
12 22 23
13 23 33
11 12 13
12 22 23
13 23 33
1 0 0
0 1 0
0 0 1
* * *
* * *
* * *
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(20-1)
将上述矩阵展开后可分别得到两组方程, 我们
称之为振幅条件和相位条件
| | | | | |
| | | | | |
| | | | | |
S S S
S S S
S S S
11
2
12
2
13
2
12
2
22
2
23
2
13
2
23
2
33
2
1
1
1
? ? ?
? ? ?
? ? ?
?
?
?
?
?
振幅条件
(20-2)
S S S S S S
S S S S S S
S S S S S S
11 12 12 22 13 23
11 13 12 23 13 33
12 13 22 23 23 33
0
0
0
* * *
* * *
* * *
? ? ?
? ? ?
? ? ?
?
?
?
?
?
相位条件(20-3)
[性质 ] 无耗互易三端口网络不可能同时匹配, 即
S11=S22=S33=0
一、三口网络的一般性质
一、三口网络的一般性质
[ 证明 ]采用反证法:假定 S11=S22=S33=0,可知
S S
S S
S S
13 23
12 13
12 23
0
0
0
*
*
*
?
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?
?
?
?
?
?
[S]
a
N
.
.
.
.
.
.
a
i
a
2
a
1
b
N
b
1
S
b
2
1
i
2
N
分路
和差
D
环行
耦合
图 20-1 多端口元件功能
一、三口网络的一般性质
N e t w o r k
1 2
3
[ ]S
S S S
S S S
S S S
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
11 12 13
21 22 23
31 32 33
于是在 S12,S13,S23至少有两个为 0,但这与式
(20-2)的振幅条件相悖,得证。
作为例子, 有
(20-4)
[ ]S ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
0 1 0
0 0 1
1 0 0
一、三口网络的一般性质
2,无耗非互易三口网络
[ 性质 ] 无耗非互易三口网络的三个端口可以完全匹配 。
二, 三口元件
1,E面 T和 H面 T— 分路元件
32
2
1
1 3
3
4 42
E面 T H面 T
串接元件 并接元件
① 端输入, ② 和 ③ 端功率平分,
相位相反 。
用于和差,② 和 ③ 同相等幅输入

① 端无输出; ② 和 ③ 反相等幅输
入, ① 端输出最大 。
④ 端输入, ② 和 ③ 端功率平分相位
相同 。
用于和差,② 和 ③ 端同相等幅输入
,④ 端输出最大; ② 和 ③ 端反相等
幅输入, ④ 端无输出 。
二、三口元件
2,铁氧体环行器 —— 环行元件
3
21
[ ]S ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
0 0 1
1 0 0
0 1 0
理想 s矩阵
[例 1] 理想环行器端口 ③ 接匹配负载, 即可构
成二端口隔离器 。
?L o?
二、三口元件
[解 ] 由 [ S] 参数定义写出 b a
b a
b a
1 3
2 1
3 2
?
?
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?
?
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??
而, 计及这一条件即可导得
写出双口网络的 [ S] 矩阵
? L a b? 3 3/ b b a
b a
L L1 3 2
2 1
? ?
?
??
?
? ?
b
b
a
a
L1
2
1
2
0
1 0
?
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?
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??
?
??
?
??
?
??
? (20-5)
只要 ?L很小,即可得到典型的隔离器。
三, 四口网络的一般性质
1,定向耦合网络
定向耦合网络是一种常用的四端口网络, 它一般
规定,是无耗互易网络,每对端口相互隔离,
S S12 34 0? ? (20-6)
其中一对匹配,
S S11 22 0? ? (20-7)
符合上述条件的即可称为定向耦合器,其[ S]矩阵是
三、四口网络的一般性质
[ ]S
S S
S S
S S S
S S S
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
0 0
0 0
0
0
13 14
23 24
13 23 33
14 24 44
4
32
1
图 20-3 定向耦合器
根据么正性又写出
三、四口网络的一般性质
| | | |
| | | |
| | | | | |
| | | | | |
S S
S S
S S S
S S S
13
2
14
2
23
2
24
2
13
2
23
2
33
2
14
2
24
2
44
2
1
1
1
0
? ?
? ?
? ? ?
? ? ?
?
?
?
?
?
?
?
(20-9)
要满足上式当且仅当
|S33|=|S44|=0 (20-10)
| | | |
| | | |
S S
S S
13 24
14 23
?
?
?
?
?
(20-11)
三、四口网络的一般性质
从相位关系得到的方程是
S S S S
S S S S
13 23 14 24
13 14 23 24
0
0
* *
* *
? ?
? ?
?
??
??
(20-12)
若选择 适当 的参考面使
S13=S24=a (20-13)
是实数, 则
S j14 ? ? (20-14)
三、四口网络的一般性质
而从上面方程能给出
S S j23 14? ? ?
这样 [ S] 矩阵是
[ ]S
a j
j a
a j
j a
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
0 0
0 0
0 0
0 0
?
?
?
?
也就是说, 理想的定向耦合器, 主路和副路相位差
90°, 也称为 90° 定向耦合器 。
三、四口网络的一般性质
2,对称定向耦合器网络
我们研究一种四端全对称的定向耦合器网络, 有
S S S S
S S S S
S S S S
S S S S
11 22 33 44
12 21 34 43
13 31 24 42
14 41 23 32
? ? ?
? ? ?
? ? ?
? ? ?
?
?
?
?
?
?
?
(20-17)
于是, 散射矩阵成为
[ ]S
S S S S
S S S S
S S S S
S S S S
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
11 12 13 14
12 11 14 13
13 14 11 12
14 13 12 11
(20-18)
三、四口网络的一般性质
且由无耗的么正性条件写出
| | | | | | | |
* * * *
* * * *
* * * *
S S S S
S S S S S S S S
S S S S S S S S
S S S S S S S S
11
2
12
2
13
2
14
2
11 12 12 11 13 14 14 13
11 13 12 14 13 11 14 12
11 14 12 13 13 12 14 11
1
0
0
0
? ? ? ?
? ? ? ?
? ? ? ?
? ? ? ?
?
?
?
?
?
?
?
(20-19)
把方程 (20-19)重新排列
( )( ) ( )( )* * * * * * * *S S S S S S S S S S S S S S S S11 13 12 14 11 14 12 13 13 11 14 12 12 13 14 11? ? ? ? ?
三、四口网络的一般性质
进一步可简化为
(| | | | )( ) (| | | | )( )* * * *S S S S S S S S S S S S11 2 12 2 13 14 13 14 13 2 14 2 11 12 11 12? ? ? ? ?
现在我们讨论一种比较接近实际的情况, 即端口 ①
和端口 ② 理想隔离 S12= 0 (20-20)
则可得到
| | | | | |
| | ( )
* *
* *
* *
* *
S S S
S S S S
S S S S
S S S S
S S S S S
11
2
13
2
24
2
13 14 14 13
11 14 14 11
11 14 14 11
11
2
13 14 13 14
1
0
0
0
0
? ? ?
? ?
? ?
? ?
? ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
(20-21)
三、四口网络的一般性质
对于实际的定向耦合器, S13=0和 S14=0是我们所不
希望的, 将它们排除在讨论之外, 那么, 要满足式
(20-21)当且仅当
S11=0 (20-22)
且方程 (20-21)进一步简化为
| | | |
* *
S S
S S S S
13
2
14
2
13 14 14 13
1
0
? ?
? ?
?
?
?
??
(20-23)
由此可得到 c o s ( )? ?
3 4 0? ?
(20-24)
三、四口网络的一般性质
或者说 ? ?
3 4 90? ? ?
(20-25)
从对称定向耦合器中我们可以得到十分重要的性质:
·定向耦合器的端对隔离和端口固有反射密切相关;
·定向耦合器的主副路相差也和端对隔离密切相关;
·因此, 在工程中常常采用考察输入反射和路间相
差来别断这类定向耦合的质量优劣 。
3,3 dB桥网络
我们把主副路功率相等的称之为 3dB网络, 重新写出
(| | | | )( ) (| | | | )( )* * * *S S S S S S S S S S S S11 2 12 2 13 14 13 14 13 2 14 2 11 12 11 12? ? ? ? ?
三、四口网络的一般性质
也即
(| | | | )| | | | s in ( )
(| | | | )| | | | s in ( )
S S S S
S S S S
11
2
12
2
13 14 3 4
13
2
14
2
11 12 1 2
? ?
? ? ?
? ?
? ?
(20-26)
对于理想的 3 dB桥
| | | |S S13 14 12 2? ?
(20-27)
代入上式可知
|S11|≈ |S12| (20-28)
另一方面, 由
S S S S S S S S11 12 12 11 13 14 14 13 0* * * *? ? ? ?
又可得到
三、四口网络的一般性质
| | | | c o s ( ) | | | | c o s ( )S S S S11 12 1 2 13 14 3 4 0? ? ? ?? ? ? ?
| c o s ( )| | | | || | | | | c o s ( )|? ? ? ?3 4 11 12
13 14
1 2 0? ? ? ?
S S
S S
(20-29)
(20-30)
考虑最坏可能性, 即 ?1=?2
| c o s ( )| | |? ?3 4 12 2
1
102 210? ? ? ?S
(20-31)
其中,I是隔离度,定义为,式 (20-31)可
由相差确定隔度离。 I S? 10
1
12
2l o g | |
三、四口网络的一般性质
( )? ?3 4 90? ? ?
1
2
3
4
图 20-4 隔离度 I与相差关系
四, 定向耦合器
1,典型的定向耦合器是四口网络, ① -④ 是主波导,
② -③ 是副波导, 主副波导之
1
2 a- a+ 3
4
θ
图 20-5 孔阵定向耦合器
间采用孔耦合 。
2,孔阵定向耦合器
为了加强定向性和耦合度, 一般均采用多孔排阵
四、定向耦合器
4
4
3
3
2
2
2
1
1
波导定向耦合器
(1)耦合度
(2)定向性
一般耦合度 20 dB,10 dB,6 dB,3 dB
一般定向性 30~ 40 dB 愈大愈好。
C S? ? 20 11l o g | | dB
D SS? 20 31
21
l o g dB
四、定向耦合器
若 N个孔完全相同
b a e a e a e
a ne
j n j n j n
j n
3
1) 1) 1)
1)
? ? ? ?
?
? ? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ?
( ( (
(
? ? ?
?
?
(20-32)
b a a e a e a e
a e e e
a
e
e
a e
n
j j j n
j j j n
j n
j
j n
2
2 4 2 1
2 4 2 1
2
2
1
1
1
1
? ? ? ? ?
? ? ? ? ?
?
?
?
?
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? ? ? ? ? ? ? ?
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? ? ?
? ? ?
? ? ?
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?
?
?
( )
( )
( )
( )
s in
s in
(20-33)
于是耦合度 C a n
C nS
? ? ?
? ?
?20 20
20
lo g lo g
lo g
(20-34)
四、定向耦合器
其中, CS 是单孔耦合度 。
定向性
D
a
a
n
n
D
n
n
S
? ?
? ?
?
?
20 20
2
log log
sin
sin
log
sin
sin
?
?
?
?
其中 DS表示单孔定向性, 后项表示阵列定向性,
只要取 ?在合适的范围, D可以很大 。
O
Sin X
X
图 20-6 阵列函数
四、定向耦合器
五, 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
作是特殊的 3 dB桥 。
[ ]S ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
1
2
0 0 1 1
0 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 0
魔 T
五、魔 T元件
b
b
b
b
1
2
3
4
1
2
0 0 1 1
0 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 0
1
1
0
0
0
0
0
2
?
?
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?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
①, ② 端反相输入时
b
b
b
b
1
2
3
4
1
2
0 0 1 1
0 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 0
1
1
0
0
0
0
2
0
?
?
?
?
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?
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?
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?
?
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?
[ 例 2] ①, ② 端同相输入时