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微波波长和频率的关系

时间:2022-06-24 百科知识 版权反馈
【摘要】:所以,定向耦合器是微波传输系统中非常有用的一类微波器件。下面将分别介绍微波功率定向耦合器和微波取样定向耦合器。微波取样定向耦合器的种类很多,从结构上来看有波导型、同轴型或微带元件等。1.环形桥 环形桥也叫做混合桥或混合环,是一种非常有用的4端分支微波取样定向耦合器。通常定向耦合器的特性与耦合孔的数目、形状、尺寸及位置有关。表征一个定向耦合器性能的参数是“耦合度”和“方向性”,分别用C

定向耦合器是一种具有方向性的微波功率或微波信号分配器,可以对微波进行耦合叠加或耦合抵消,以达到定向传输目的;也可以对主传输系统中的入射波和反射波分别取样,用于监测微波传输系统的频率、相位或频谱特性,以便提供自动控制电路所需要的电平信号。所以,定向耦合器是微波传输系统中非常有用的一类微波器件。下面将分别介绍微波功率定向耦合器和微波取样定向耦合器。

(一)微波功率定向耦合器

在微波能量的传输过程中,有时需要实现微波功率的合成分配或定向传输,这就需要设计各种类型的定向耦合器。几种常用的T形微波分支耦合波导,见图2-9-24。三种分支耦合波导的传输特性介绍如下。

图2-9-24 常用T形微波分支耦合波导

A.是H-T型分支耦合波导;B.是E-T型分支耦合波导;C.双-T型分支耦合波导

1.E-T分支波导 从场的对称性判断可知,如果从3口输入微波功率,将从1口和2口输出等幅反相的微波功率;反之,如果从1口和2口同时输入等幅反相的微波功率,将在3口合成后输出微波功率;而在1口和2口同时输入等幅同相的微波功率,则3口无微波输出。

2.H-T分支波导 同样从场的对称性判断可知,如果从3口输入微波功率,将从1口和2口输出等幅同相的微波功率;反之,如果从1口和2口同时输入等幅同相的微波功率,将在3口合成后输出微波功率;而在1口和2口同时输入等幅反相的微波功率,则3口无微波输出。

3.双-T分支波导 顾名思义,并从图中可见,双-T分支波导管是由E-T分支波导管与H-T分支波导管组合而成的,因此,它不但兼具两者的某些特点,还具有不同于二者的新特点。

微波网络理论推导并为实验所证实,对于单独的E-T分支波导管与H-T分支波导管,通常,当从1口输入微波功率时,与其共臂的2口会有微波功率输出,反之亦然。但对于双T分支波导管,3口(E臂)和4口(H臂)是相互隔离的,共臂的两个端口(1口和2口)也是互不相通。要实现从1口到2口之间的微波传输,通常要利用3口和4口的反射波才有可能。双-T分支波导有时也叫作魔-T分支波导。

(二)微波取样定向耦合器

微波取样定向耦合器的种类很多,从结构上来看有波导型、同轴型或微带元件等。不同的微波场合要采用不同的微波耦合与信号取样器件。医用电子直线加速器中常用的主要有环形桥和4端双孔定向耦合器,现分述如下。

1.环形桥 环形桥也叫做混合桥或混合环,是一种非常有用的4端分支微波取样定向耦合器。它有4个分支接口,各端口之间的距离,见图2-9-25。环路总长度为1.5λg,对应的总相移角为3π(540°)。这种环形桥可由微带或带状线构成(后者常采用同轴线输出)。在医用驻波电子直线加速器上用到的一种鉴相式自动稳频系统就利用了这种元件作为鉴相器件。混合环的结构原理,见图2-9-25A。其微波传输特性是:当微波信号从1口输入时,会从3口和4口输出矢量合成信号,但2口不可能有信号输出;反之,当微波信号从2口输入时,也会从3口和4口输出矢量合成信号,但1口不可能有信号输出,即1口与2口之间相互隔离。这一特性可用叠加原理加以说明:因为微波信号从1口到2口有两条传输途径,一条长为λg/2,另一条长为λg,两条路径差为λg/2,即1口与2口之间的相位差永远是π(180°),叠加结果永远是相互抵消。

图2-9-25 混合环原理图

实线箭头表示2口没有输入时,3口和4口输出信号的幅值与相位;虚线箭头表示2口有微波输入时的信号以及3口和4口输出信号矢量和的幅值与相位

可见,环形桥波导的上述特性与双T分支波导管的特性类似。但双T分支波导管的特性是由微波传输路径的对称性决定的,与微波的传输频率关系不大;而环形桥的特性与导波长λg直接相关,或者说是由微波频率来决定的,因此,对微波频率的变化比较敏感,只能用于窄带宽的微波传输与微波取样,不能用于宽频带微波。

利用混合桥的特殊微波耦合特性,可以设计一种精度非常高的微波信号鉴相器。方法是,通过移相器将输入1口的微波信号移相π/2(90°),输入2口的微波信号相位不变,这时3口和4口输出信号的幅值与相位示于图2-9-25(B)。可见,此种情况下,3口和4口输出信号的幅值相等,相位相反。

如果2口输入的微波信号也有相移,则3口和4口输出信号的幅值与相位,见图2-9-26。相移角减小时,3口和4口输出信号的幅值增大(图2-9-26A);相移角增大时,3口和4口输出信号的幅值减小(图2-9-26B)。但无论输入相移角如何变化,3口和4口输出的信号始终是幅值相等,相位相反(互差180°)。这是一个非常重要的结论,根据这一特点设计的M型加速器驻波锁相自动稳频系统见本章第六节。

2.四端双孔定向耦合器 四端双孔定向耦合器是一种设在微波功率传输回路上的微波取样波导,图2-9-27就是画出了一种双孔定向耦合器的基本原理示意图,图2-9-28是这种双孔定向耦合器的外形结构实物图。现将其定向耦合原理分析如下。

图中的主波导是一段微波传输通路。微波从“端口1”输入,从“端口2”输出。副波导和“端口3”“端口4”是微波耦合通道。其中,“端口3”与“端口4”之间的距离为L=(2n+1)λg/4,n取任意正整数,λg为导波长。进入端口1的微波能量,在向端口2传输的过程中,会有一小部分微波能量进入副波导。由图2-9-29可见,进入端口4的正向波与反向波同相位,叠加之后有功率输出;而辐射到端口3的正向波与反向波相位相反(相位互差180°),所以叠加之后相互抵消,没有微波输出。同样道理,如果从端口2输入微波能量,在向端口1传输的过程中,会有一小部分微波能量进入副波导。进入端口3的正向波与反向波同相位,叠加之后有功率输出;而辐射到端口4的正向波与反向波相位相反(相位互差180°),所以叠加之后相互抵消,没有微波输出。这样,由于成品定向耦合器的结构尺寸是确定不变的,所以,当微波能量从主波导的一个端口向另一个端口传输时,如果两个耦合端口中的一个有微波信号输出,并且能量符合设定值,而另一个端口没有微波输出,则说明微波的传输频率与微波功率符合技术要求;反之,如果两个端口同时有微波输出,则说明传输微波的频率与微波功率偏离了所设定的工作频率,必须做出相应调整。

图2-9-26 任意信号混合原理

图2-9-27 双孔定向耦合器传输原理

通常定向耦合器的特性与耦合孔的数目、形状、尺寸及位置有关。表征一个定向耦合器性能的参数是“耦合度”和“方向性”,分别用C和D表示。见式2-9-17和式2-9-18:

图2-9-28 双孔定向耦合器

通常,耦合度C要按照实际需要来设计。例如:医用电子直线加速器所采用的微波脉冲能量一般为兆瓦(MW)数量级,若要取微波监测信号以瓦(W)为单位的数量级,考虑传输电缆会有一定的衰减,则耦合度C约为50dB。方向性D越大越好,一般应大于20dB。

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