微波网络基础.pptx

1在微波传输的过程中，需要应用许多微波元器件在微波传输的过程中，需要应用许多微波元器件分析微波元器件的方法分析微波元器件的方法电磁场分析法电磁场分析法网络分析法网络分析法利用麦克斯韦方程组利用麦克斯韦方程组和边界条件求出元件和边界条件求出元件中场分布，在求其传中场分布，在求其传输特性，由于边界条输特性，由于边界条件复杂，因此一般求件复杂，因此一般求解非常困难解非常困难在微波系统中，通常关心在微波系统中，通常关心元器件的外部传输参量，元器件的外部传输参量，而不关心其内部场分布。而不关心其内部场分布。因此可采用网络法因此可采用网络法2网络分析方法网络分析方法是是以以微微波波元元件件及及其其组组合合系系统统为为对对象象，利利用用等等效效电电路路的的方法研究他们的传输特性及其设计和实现方法方法研究他们的传输特性及其设计和实现方法微波元件微波元件用网络等效用网络等效应用电路和传输线理论应用电路和传输线理论求求取取网网络络个个端端口口间间信号的相互关系信号的相互关系注注意意：这这种种方方法法不不能能得得到到元元件件内内部部的的场场分分布布，工工程程上上关心的是元件的传输特性和反射特性（相对于端口）关心的是元件的传输特性和反射特性（相对于端口）3微波网络分类微波网络分类单单口口网网络络 负负载载，振振荡器荡器双双口口网网络络 滤滤波波器器，放放大大器器，衰衰减减器器，隔隔离器离器多多口口网网络络 混混频频器器，功功分分器器，环环行行器器，合合成器成器微波网络主要特点微波网络主要特点必须指定工作波形；（规定只有单一主模）必须指定工作波形；（规定只有单一主模）必须规定端口的参考面；（参考面外只传主模）必须规定端口的参考面；（参考面外只传主模）4等效网络概念等效网络概念等效：只描述微波网络的外特性，即等效：只描述微波网络的外特性，即Black Box方法方法有损网络有损网络有损耗有损耗无损网络无损网络无损耗无损耗对称网络对称网络元件的结构对称元件的结构对称互易网络互易网络媒质均匀、各向同性媒质均匀、各向同性6.1 等等 效效 传传 输输 线线u 在集总参数低频电路中，电压和电流不仅有明确的定义，而且可在集总参数低频电路中，电压和电流不仅有明确的定义，而且可以直接测量。以直接测量。u在微波系统中，大多采用波导作为传输线。波导传输的是色散波在微波系统中，大多采用波导作为传输线。波导传输的是色散波（和频率有关），因此电压和电流的定义就失去了原有的意义。（和频率有关），因此电压和电流的定义就失去了原有的意义。u为使所有的微波传输系统都可以用传输线理论来处理分析，我们为使所有的微波传输系统都可以用传输线理论来处理分析，我们需要需要 引入引入等效电压等效电压和和等效电流等效电流的概念的概念,从而将均匀传输线理论应用从而将均匀传输线理论应用于任意导波系统。于任意导波系统。u建立在等效电压、建立在等效电压、等效电流和等效特性阻抗基础上的传输线称为等效电流和等效特性阻抗基础上的传输线称为等效传输线等效传输线,而将传输系统中不均匀性引起的传输特性的变化归结为而将传输系统中不均匀性引起的传输特性的变化归结为等效微波网络。等效微波网络。566.1.1 导波系统等效为双线传输线导波系统等效为双线传输线矢量模式函数矢量模式函数代表了横向场的模代表了横向场的模式横向分布函数式横向分布函数 模式电压和模式电流模式电压和模式电流反映了横向电磁场各模式沿传播方反映了横向电磁场各模式沿传播方向的变化规律向的变化规律,故称为模式。故称为模式。1矢量模式函数的归一化条件矢量模式函数的归一化条件 通过此条件任何导波系统都可以等效为双线传输线。通过此条件任何导波系统都可以等效为双线传输线。从而利用传输线理论分析导波系统从而利用传输线理论分析导波系统 7场场路路86.1.2 归一化参量归一化参量思考：思考：如果满足这两式，如果满足这两式，得到的得到的U(z),I(z)是否唯一？是否唯一？这种模式电压和模式电流的不确定这种模式电压和模式电流的不确定性实际上是反映了阻抗的不确定性性实际上是反映了阻抗的不确定性双线中电压和电流可以唯一确定双线中电压和电流可以唯一确定而等效双线模型中中电压和电流不能唯一确定而等效双线模型中中电压和电流不能唯一确定长线理论：长线理论：9矢量函数模式归一化矢量函数模式归一化还不足以确定模式电压或电流，还不足以确定模式电压或电流，还需引入另一种关系：还需引入另一种关系：归一化阻抗归一化阻抗。Z0：特性阻抗（：特性阻抗（TEM)归一化电压归一化电压归一化电流归一化电流 归入一化射波归入一化射波 归一化反射波归一化反射波 10传输的有功功率为传输的有功功率为入射波功率入射波功率反射波功率反射波功率116.2 微波元件的等效网络微波元件的等效网络6.2.1 6.2.1 微波网络参考面的选择微波网络参考面的选择1.1.参考面的位置尽量远离不连续性区域参考面的位置尽量远离不连续性区域2.参考面必须与传输方向相垂直参考面必须与传输方向相垂直对对于于单单模模传传输输情情况况来来说说,微微波波网网络络的的外外接接传传输输线线的的路路数数与与参参考考面面的的数目相等数目相等126.2.2 6.2.2 微波元件等效为微波网络的原理微波元件等效为微波网络的原理唯一性定理：唯一性定理：如果一个封闭曲面上的切向电场如果一个封闭曲面上的切向电场(或切向磁场或切向磁场)给定给定,或者一部或者一部分封闭面上给定切向电场分封闭面上给定切向电场,另一部分封闭面上给定切向磁场另一部分封闭面上给定切向磁场,那么这个封闭面内的电磁场就被唯一确定那么这个封闭面内的电磁场就被唯一确定如果参考面上的电压给定，则参考面上的模式电流也被确定如果参考面上的电压给定，则参考面上的模式电流也被确定13 叠加原理：叠加原理：对于对于n n端口线性网络端口线性网络,如果各个参考面上都有电流作用时如果各个参考面上都有电流作用时,应用叠加原理应用叠加原理,则任意参考面上的电压为各个参考面上的则任意参考面上的电压为各个参考面上的电流单独作用时在该参考面上引起的电压响应之和电流单独作用时在该参考面上引起的电压响应之和Z Zmnmn为阻抗参量为阻抗参量,若若m=nm=n为自为自阻抗阻抗,若若mnmn为转移阻抗为转移阻抗如果如果n n端口网络的各个参考面上同时有电压作用端口网络的各个参考面上同时有电压作用时时,则在任意参考面上的电流为各个参考面上电则在任意参考面上的电流为各个参考面上电压单独作用时压单独作用时,在该参考面上的电流响应之和在该参考面上的电流响应之和,即即YmnYmn为导纳参量为导纳参量,若若m=nm=n为自导纳为自导纳,若若mnmn为转移导纳为转移导纳写成矩阵写成矩阵简写：简写：Z为阻抗矩阵为阻抗矩阵电压用电流表示电压用电流表示-阻抗矩阵阻抗矩阵 简写：简写：写成矩阵写成矩阵Y为导纳矩阵为导纳矩阵电流用电压表示电流用电压表示-导纳矩阵导纳矩阵任何一个微波系统的不均匀性问题都可以用网络观任何一个微波系统的不均匀性问题都可以用网络观点来解决点来解决,网络的特性可以用网络的特性可以用网络参量网络参量来描写来描写6.2.3 6.2.3 微波网络的分类微波网络的分类1.1.线性与非线性网络线性与非线性网络网络参考面上模式电压和模式电流呈线性关系网络参考面上模式电压和模式电流呈线性关系2.2.可逆与不可逆网络可逆与不可逆网络 IiUjiI=0I=0 IjUijI=0I=0如果如果Uij Uji，则该网络为可逆网络，则该网络为可逆网络 3.3.有耗与无耗微波网络有耗与无耗微波网络无耗网络：网络损耗功率为无耗网络：网络损耗功率为0 0进入网络各端口的功率之和等于网络各端口的输出进入网络各端口的功率之和等于网络各端口的输出功率之和功率之和 4.4.对称与非对称网络对称与非对称网络对称网络：微波网络的结构具有对称性对称网络：微波网络的结构具有对称性6.2.2 6.2.2 微波网络的特性微波网络的特性单端口网络：单端口网络：网络的阻抗参量和导纳参量为对应的输入阻抗和输入导纳网络的阻抗参量和导纳参量为对应的输入阻抗和输入导纳（1 1）如果网络有耗，）如果网络有耗，R0R0，G0G0（2 2）如果网络无耗，）如果网络无耗，R R0 0，G G0 0，Z Z和和Y Y为纯虚数为纯虚数（4 4）如果网络内部储存的平均磁能大于平均电能，网络参考）如果网络内部储存的平均磁能大于平均电能，网络参考 面上的阻抗呈感性，面上的阻抗呈感性，X0X0（5 5）如果网络内部储存的平均磁能小于平均电能，网络参考）如果网络内部储存的平均磁能小于平均电能，网络参考 面上的阻抗呈容性，面上的阻抗呈容性，X0X0（3 3）如果网络内部储存的平均磁能等于平均电能，）如果网络内部储存的平均磁能等于平均电能，X X0 0，B B 0 0，表示网络内部发生谐振，表示网络内部发生谐振(1)(1)对于无耗网络对于无耗网络,网络的全部阻抗参量与导纳参量均为纯网络的全部阻抗参量与导纳参量均为纯虚数虚数,即即(2)对于可逆网络对于可逆网络,则有下列互易特性则有下列互易特性:(3)对于对称网络对于对称网络,则有则有将单端口网络的结论推广到多端口网络将单端口网络的结论推广到多端口网络6.3 二端口微波网二端口微波网络23在规则导波系统中插入其他微波元件时，原有的传输分在规则导波系统中插入其他微波元件时，原有的传输分布会发生改变，形成二端口网络。布会发生改变，形成二端口网络。当导波系统中间出现不均匀时也会形成二端口网络当导波系统中间出现不均匀时也会形成二端口网络任意具有两个端口的微波元件均可视之为二端口网络任意具有两个端口的微波元件均可视之为二端口网络在各种微波网络中在各种微波网络中,二端口网络是最基本的二端口网络是最基本的,也是最常见也是最常见用的最多的。用的最多的。衰减器、移相器、阻抗变换器和滤波器都属于二端口微衰减器、移相器、阻抗变换器和滤波器都属于二端口微波网络。波网络。24反应参考面上反应参考面上电压与电流电压与电流之间关系的参量，之间关系的参量，由此得其由此得其阻抗矩阵阻抗矩阵Z、导纳矩阵、导纳矩阵Y和和转移矩阵转移矩阵A反反应应参参考考面面上上入入射射波波电电压压和和反反射射波波电电压压之之间间关关系系的的参参量量，由此得其由此得其散射矩阵散射矩阵S和其和其传输矩阵传输矩阵T表征二端口网络的参量可以分为两大类：表征二端口网络的参量可以分为两大类：U1=Z11I1+Z12I2 U2=Z21I1+Z22I2256.3.1 二端口微波网二端口微波网络参量参量设参考面设参考面T1处的电压和电流为处的电压和电流为U1和和I1 而参考面而参考面T2处电压和电流为处电压和电流为U2、I2 连接连接T1、T2端的传输线的特性阻抗为端的传输线的特性阻抗为Z01和和Z02 1、阻抗矩阵阻抗矩阵现取现取I1、I2为自变量为自变量,U1、U2为因变量为因变量,对线性网络有对线性网络有Z11、Z22分别是端口分别是端口“1”和和“2”的自阻抗的自阻抗 Z12、Z21分别是端口分别是端口“1”和和“2”的互阻抗。的互阻抗。26T1面开路时面开路时,端口端口2至端口至端口1的转移阻抗的转移阻抗 T2面开路时面开路时,端口端口1至端口至端口2的转移阻抗的转移阻抗T1面开路时面开路时,端口端口2的输入阻抗的输入阻抗 T2面开路时面开路时,端口端口1的输入阻抗的输入阻抗U1=Z11I1+Z12I2 U2=Z21I1+Z22I227做变形，两边除以做变形，两边除以 I1=Y11U1+Y12U2 I2=Y21U1+Y22U228 2、导纳矩阵导纳矩阵 取取U1、U2为自变量为自变量,I1、I2为因变量为因变量T2面短路时面短路时,端口端口1的输入导纳的输入导纳T1面短路时面短路时,端口端口2至端口至端口1的转移导纳的转移导纳T2面短路时面短路时,端口端口1至端口至端口2的转移导纳的转移导纳T1面短路时面短路时,端口端口2的输入导纳的输入导纳2930例例题题：求求如如图图所所示示双双端口网络阻抗矩阵端口网络阻抗矩阵解解：31 3、转移矩移矩阵A A 用用T2参考面上的电压和电流参考面上的电压和电流表示表示T1参考面的电压和电流。参考面的电压和电流。取取U2、电流电流-I2为自变量为自变量,U1、I1为因变量为因变量 进网络的方向为电流正方向，出网络的方向为电流的负方向进网络的方向为电流正方向，出网络的方向为电流的负方向注意注意I2前的负号前的负号T2开路时电压的转移参数开路时电压的转移参数T2短路时转移阻抗短路时转移阻抗T2开路时转移导纳开路时转移导纳T2短路时电流的转移参数短路时电流的转移参数各参量如下各参量如下:323334对于两个网对于两个网络的络的级联级联T1T2T3参考面参考面T1，T3之间的网络组合后的转移矩阵之间的网络组合后的转移矩阵 对于对于n个二端口网络的级联个二端口网络的级联很明显：很明显：用用A矩阵来研究级联网络很方便，矩阵来研究级联网络很方便，可以将可以将一个复杂网络分解成多个简单网络的级联。一个复杂网络分解成多个简单网络的级联。p 在多端口微波网络中，用电压与电流的概念来分析不太方在多端口微波网络中，用电压与电流的概念来分析不太方便，因为电压和电流值随参考面选择的不同而不同。便，因为电压和电流值随参考面选择的不同而不同。p但在微波技术中，不管电路如何变化，但在微波技术中，不管电路如何变化，电源输出功率总是可电源输出功率总是可以保持不变以保持不变，因而采用入射波、反射波的概念更甚于用电压、，因而采用入射波、反射波的概念更甚于用电压、电流，用反射系数、驻波比等概念更甚于阻抗和导纳。电流，用反射系数、驻波比等概念更甚于阻抗和导纳。p为此再引入一个为此再引入一个归一入射波归一入射波和和归一反射波归一反射波的定义，从而得到的定义，从而得到其其散射矩阵散射矩阵和和传输矩阵传输矩阵。这样，就使网络参考面和入射波、。这样，就使网络参考面和入射波、反射波对应，而其网络参量则和反射系数、传输系数等对应。反射波对应，而其网络参量则和反射系数、传输系数等对应。从而有利于去研究微波电路。从而有利于去研究微波电路。4 4、散射矩阵、散射矩阵S(重点重点)35S即为散射矩阵即为散射矩阵36归一化电压入射波归一化电压入射波归一化电压反射波归一化电压反射波规定：二端口网络参考面规定：二端口网络参考面T1，T2的的归一化入射波电压的正方向为进网络方向归一化入射波电压的正方向为进网络方向归一化反射电压波的正方向为出网络方向归一化反射电压波的正方向为出网络方向 端口端口2匹配时匹配时,端口端口1的反射系数的反射系数 端口端口1匹配时匹配时,端口端口2的反射系数的反射系数 端口端口1匹配时匹配时,端口端口2到端口到端口1的传输系数的传输系数 端口端口2匹配时匹配时,端口端口1到端口到端口2的传的传 输系数输系数S矩矩阵阵的的参参数数是是建建立立在在端端口口接接匹匹配配负负载载基基础础上上的的反反射射系系数数或或传输系数。传输系数。这这样样利利用用网网络络输输入入输输出出端端口口的的参参考考面面上上接接匹匹配配负负载载即即可可测测得得散散射射矩阵的各个参量。矩阵的各个参量。各参量的实验测量值分别为：各参量的实验测量值分别为：37当传输矩阵用于网络级联时比较方便当传输矩阵用于网络级联时比较方便5.5.传输矩阵传输矩阵同转移矩阵同转移矩阵A一样，为了描述多个二一样，为了描述多个二端口之间的级联方便，引入传输矩阵，端口之间的级联方便，引入传输矩阵，38T为二端口网络的传输矩阵为二端口网络的传输矩阵表示参考面表示参考面T2接匹配负载时接匹配负载时,端口端口1至端口至端口2的电压传输系数的倒数的电压传输系数的倒数6.3.2 6.3.2 参量之间的相互转换参量之间的相互转换各个参量同是用来描述同一双端口，则知道其一，其他各个参量同是用来描述同一双端口，则知道其一，其他 均可转换得到均可转换得到常见端口的转换关系如常见端口的转换关系如P213表表6.1所示。所示。39 一个可逆二端口网络只有三个独立参量一个可逆二端口网络只有三个独立参量阻抗矩阵阻抗矩阵转移矩阵转移矩阵散射矩阵散射矩阵传输矩阵传输矩阵导纳矩阵导纳矩阵406.3.3 6.3.3 二端口网络参量的性质二端口网络参量的性质1.可逆网络中的各个矩阵参量（互易）可逆网络中的各个矩阵参量（互易）一一般般情情况况下下，二二端端口口网网络络的的五五种种网网络络矩矩阵阵均均有有4个个独独立立参参量量，但当网络具有某种特性时，网络的独立参量将减少。但当网络具有某种特性时，网络的独立参量将减少。2.对称网络中的各个矩阵参量对称网络中的各个矩阵参量 41阻抗矩阵阻抗矩阵转移矩阵转移矩阵散射矩阵散射矩阵传输矩阵传输矩阵导纳矩阵导纳矩阵3.无耗网络中的各个矩阵参量无耗网络中的各个矩阵参量 42阻抗矩阵阻抗矩阵转移矩阵转移矩阵散射矩阵散射矩阵传输矩阵传输矩阵导纳矩阵导纳矩阵43例例题题6.1 求求一一段段均均匀匀无无耗传输线的散射参数耗传输线的散射参数在在T2面接匹配负载时，端口面接匹配负载时，端口1无反射无反射T1T2在在T1面面接接匹匹配配负负载载时时，T2面面的的电电压压端入射波到端入射波到T1面后无反射，为行波面后无反射，为行波 ,相位滞后相位滞后由于网络对称由于网络对称44T1T2例题例题6.2已知：已知：求求:分析：分析：6.5 微波网络的工作特性参量微波网络的工作特性参量微波元件相当于在均匀线中插入一些微波网络，这将影微波元件相当于在均匀线中插入一些微波网络，这将影响原有线的传输特性。响原有线的传输特性。不管是网络分析还是网络综合，都必须了解工作特性参不管是网络分析还是网络综合，都必须了解工作特性参量和网络参量之间的关系。量和网络参量之间的关系。常用的工作特性参量有插入反射系数，插入驻波比、插常用的工作特性参量有插入反射系数，插入驻波比、插入衰减、电压传输系数、插入相移。入衰减、电压传输系数、插入相移。插入反射系数不同于实际反射系数插入反射系数不同于实际反射系数插入驻波比不同于实际驻波比插入驻波比不同于实际驻波比实际反射系数实际反射系数接接有负载的二端口网络有负载的二端口网络 1 插入反射系数与插入驻波比插入反射系数与插入驻波比插入反射系数不同于插入反射系数不同于插入驻波比不同于实际驻波比插入驻波比不同于实际驻波比插入反射系数插入反射系数负载匹配情况下的反射系数称为负载匹配情况下的反射系数称为插入反射系数插入反射系数负载匹配情况下的驻波比称为负载匹配情况下的驻波比称为插入驻波比插入驻波比接匹配负载时接匹配负载时 2 电压传输系数电压传输系数 网络输出端接匹配负载时，网络输出端的反射波电压与网络输出端接匹配负载时，网络输出端的反射波电压与输入端的入射波电压之比。输入端的入射波电压之比。3 插入相移插入相移网络输出端接匹配负载时，网络输出端的反射波电压相对于网络输出端接匹配负载时，网络输出端的反射波电压相对于输入端的入射波电压的相移。输入端的入射波电压的相移。即电压传输系数的相位角。即电压传输系数的相位角。4 插入衰减插入衰减A网络输出端接匹配负载时，网络输入端的入射波功率和网络输出端接匹配负载时，网络输入端的入射波功率和负载吸收功率之比。负载吸收功率之比。本章小节本章小节1 1 微波网络的特点及分析方法。微波网络的特点及分析方法。2 2二端口网络以及其二端口网络以及其5 5种网络参量：种网络参量：ZZ、YY、AA（实际上是一个方程的三种表达方式）、（实际上是一个方程的三种表达方式）、SS、T T（一个方程的两种表达方式），了解他们之（一个方程的两种表达方式），了解他们之间一一对应的关系，会求各矩阵参数。（尤其是间一一对应的关系，会求各矩阵参数。（尤其是SS矩阵）（应用）矩阵）（应用）50