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1、微波技术第四章微波网络基础第1页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础1.引言引言2.均匀微波传输线（波导）与长线的等效均匀微波传输线（波导）与长线的等效3.微波元件等效为微波网络微波元件等效为微波网络4.微波网络的各种参量矩阵微波网络的各种参量矩阵5.微波网络工作特性参量分析微波网络工作特性参量分析第2页，共88页，编辑于2022年，星期六4-1引引言言1.系统组成系统组成2.研究内容研究内容网络分析网络分析网络综合网络综合返回返回第3页，共88页，编辑于2022年，星期六系统组成系统组成任何一个微波系统都是由各种微波元件和微波传输线组成的。任何一个复杂的微波系统都可以用的方
2、法来分析，这种理论称为返回返回第4页，共88页，编辑于2022年，星期六系统组成系统组成返回返回第5页，共88页，编辑于2022年，星期六860-890MHZ40w3阶互调大于62dbc功放内部图第6页，共88页，编辑于2022年，星期六元件与波导的等效方法波导等效为长线波导等效为长线元件等效为网络元件等效为网络返回返回第7页，共88页，编辑于2022年，星期六网络广播网络电视网络计算机网络电路网络（低频电路网络/）交通网络神经网络（NN)人际关系网络返回返回微波网络微波网络第8页，共88页，编辑于2022年，星期六微波元件1.单端口元件2.二端口元件3.三端口元件4.四端口元件5.多端口元件
3、第9页，共88页，编辑于2022年，星期六所所谓谓单单口口元元件件，也也就就是是向向外外只只有有一一个个端端口口，它它是是作作为为负负载来应用的。载来应用的。单口元件(18-14)(18-14)图图18-4单口元件单口元件第10页，共88页，编辑于2022年，星期六美国高频实验室生产的电阻3G100欧30W驻波小于1.06第11页，共88页，编辑于2022年，星期六双口元件双口元件方向变换信号变换波形变换连接元件，拐角，扭转移相器，衰减器，滤波器同轴波导转换，方圆转换第12页，共88页，编辑于2022年，星期六narda驻波1.035G20W50W衰减器第13页，共88页，编辑于2022年，星
4、期六矩形波导-园波导转换器第14页，共88页，编辑于2022年，星期六三口元件第15页，共88页，编辑于2022年，星期六环形器第16页，共88页，编辑于2022年，星期六多口元件第17页，共88页，编辑于2022年，星期六三维和二维电场的叠加图魔Tcst本例介绍一个常用的高频无源器件的仿真魔T。实际上，它是一个TE和一个TM波导三通组合构成的。此时，端口1与4是相互隔离的。返回返回第18页，共88页，编辑于2022年，星期六已知微波元件结构，求等效电路，已知微波元件结构，求等效电路，分析其网络参量及各种工作特性分析其网络参量及各种工作特性返回返回第19页，共88页，编辑于2022年，星期六根
5、据微波元件的工作特性要求，综根据微波元件的工作特性要求，综合出它的等效电路，最后以微波结合出它的等效电路，最后以微波结构实现。构实现。返回返回第20页，共88页，编辑于2022年，星期六4-2波导等效为平行双线波导等效为平行双线为了定义任意截面沿z方向单模传输的均匀波导参考面上的模式电压和模式电流，一般作如下规定：(1)令模式电压U(z)正比于正比于横向电场ET；模式电流I(z)正比于正比于横向磁场HT；(2)模式电压与模式电流共轭的乘积等于波导传输的复功率(3)模式电压与模式电流之比等于模式特性阻抗返回返回第21页，共88页，编辑于2022年，星期六微波传输线的微波传输线的电压电流等效方法电
6、压电流等效方法特特性性阻阻抗抗（无无穷穷长长均均匀匀传传输输线线或或者者端端接接匹匹配配负负载时）载时）第22页，共88页，编辑于2022年，星期六归一化阻抗故归一化电压和电流的定义为复功率4-2波导等效为平行双线波导等效为平行双线第23页，共88页，编辑于2022年，星期六等效双线上的电压和电流可写成入射波和反射波之和，即电压、电流进行归一化即4-2波导等效为平行双线波导等效为平行双线第24页，共88页，编辑于2022年，星期六微波元件等效为微波网络微波网络特性微波网络特性网络参考面的选择网络参考面的选择不均匀区等效为微波网络不均匀区等效为微波网络微波网络的分类微波网络的分类返回返回第25页
7、，共88页，编辑于2022年，星期六微波网络特性微波网络特性(1)对于不同的模式有不同的等效网络结构及参量。对于不同的模式有不同的等效网络结构及参量。通常希望传输线工作于主模状态。通常希望传输线工作于主模状态。(2)电路中不均匀区附近将会激起电路中不均匀区附近将会激起高次模高次模，此时高次模对工作模式的影响仅增加一个此时高次模对工作模式的影响仅增加一个电电抗值抗值，可计入网络参量之内，可计入网络参量之内。(3)整个整个网络参考面网络参考面要严格规定，一旦参考面移要严格规定，一旦参考面移动，则网络参量就会改变。动，则网络参量就会改变。(4)微波网络的等效电路及其参量微波网络的等效电路及其参量只适
8、用于一个频只适用于一个频段段返回返回第26页，共88页，编辑于2022年，星期六网络参考面的选择网络参考面的选择（1）单模传输时，参考面的位置应尽量远离不连续性区域，这样参考面上的高次模场强可以忽略，只考虑主模的场强只考虑主模的场强；（2）选择参考面必须与传输方向相垂直选择参考面必须与传输方向相垂直，这样使参考面上的电压和电流有明确的意义（3）规定参考面上流流入入网络方向的电电流流为为正电流，流出流出网络方向的电流为负电电流为负电流。返回返回第27页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础对于单模传输情况来说，微波网络的 与与 相等。如图所示微波元件及其等效网络参考面的数目参考面
9、的数目第28页，共88页，编辑于2022年，星期六不均匀区等效为微波网络不均匀区等效为微波网络微波元件对电磁波的控制作用是通过微波元件内部的不均匀区(不连续性边界)和填充媒质的特性来实现的。将不均匀区等效为微波网络，需要用到电磁场的唯一性原理和线性叠加原理。返回返回第29页，共88页，编辑于2022年，星期六电磁场的唯一性定理在一个封闭的区域的边界上或如果是确定的确定的，则封闭区域内的电磁场就切向磁场切向磁场返回返回第30页，共88页，编辑于2022年，星期六如如果果不不均均匀匀区区域域填填充充线线性性媒媒质质，即即媒媒质质特特性性参参量量均均与与场场强强无无关关，因因而而麦麦克克斯斯韦韦方方
10、程程呈呈线线性性微微分分方方程程，因因此此不不均均匀匀性性等等效效为微波网络。为微波网络。不不管管不不均均匀匀性性如如何何复复杂杂，各各参参考考面面上上的的场场量量之之间间呈呈线线性性关关系系，与与之之对对应应的的电电路路量量即即电电压压、电电流流之之间间自自然然也也呈呈现现性性关关系系。对对线线性性网网络络，即即可以用叠加原理可以用叠加原理。返回返回第31页，共88页，编辑于2022年，星期六对于n端口线性网络，式中Zmn为阻抗参量，若m=n称它为自阻抗，若mn称它为转移阻抗。第32页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础如果n端口网络的各个参考面上同时有电压作用时式中Ymn
11、为导纳参量，若m=n称它为自导纳，若mn称它为转移导纳。返回返回第33页，共88页，编辑于2022年，星期六微波网络的分类微波网络的分类按网络的特性进行分类1.线性与非线性网络2.可逆与不可逆网络3.无耗与有耗网络4.对称与非对称网络返回返回第34页，共88页，编辑于2022年，星期六微波网络的分类微波网络的分类按微波元件的功能来分1.阻抗匹配网络2.功率分配网络3.滤波网络4.波型变换网络返回返回第35页，共88页，编辑于2022年，星期六阻抗匹配网络调配器宽带阻抗变换器渐变线第36页，共88页，编辑于2022年，星期六功率分配网络第37页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基
12、础(二)微波网络的性质对于无耗网络，网络的全部阻抗参量和导纳参量均为纯虚数，即有对于可逆网络，则有下列互易特性对于对称网络，则有(1)(2)(3)第38页，共88页，编辑于2022年，星期六4.4二端口二端口微波网络的微波网络的各种参量矩阵各种参量矩阵1 1。二端口微波网络简介。二端口微波网络简介返回返回2。两大类两大类（按照考查的电参量划分）（按照考查的电参量划分）3 3。二端口微波网络的各种参量矩阵。二端口微波网络的各种参量矩阵第39页，共88页，编辑于2022年，星期六4.4二端口二端口微波网络的微波网络的各种参量矩阵各种参量矩阵在各种微波网络中，二端口微波网络是最基本的。例如：衰减器、
13、移相器、阻抗变换器和滤波器等均属于二端口微波网络。1 1。二端口微波网络简介。二端口微波网络简介返回返回第40页，共88页，编辑于2022年，星期六4.4二端口二端口微波网络的微波网络的各种参量矩阵各种参量矩阵一、反映 之间关系的参量二、反映之间关系的参量。2。两大类两大类（按照考查的电参量划分）（按照考查的电参量划分）返回返回第41页，共88页，编辑于2022年，星期六一、反映 之间关系的参量4.4二端口二端口微波网络的微波网络的各种参量矩阵各种参量矩阵返回返回第42页，共88页，编辑于2022年，星期六二、反映之间关系的参量。4.4二端口二端口微波网络的微波网络的各种参量矩阵各种参量矩阵返
14、回返回第43页，共88页，编辑于2022年，星期六4.4微波网络的各种参量矩阵微波网络的各种参量矩阵返回返回Z矩阵矩阵Y矩阵矩阵A矩阵矩阵S矩阵矩阵T矩阵矩阵3 3。二端口微波网络的各种参量矩阵。二端口微波网络的各种参量矩阵第一类第一类第二类第二类第44页，共88页，编辑于2022年，星期六图第45页，共88页，编辑于2022年，星期六阻抗参量阻抗参量用T1和T2两个参考面上的电流表示两个参考面上的电压，其网络方程为返回返回电流电流电压电压第46页，共88页，编辑于2022年，星期六各阻抗参量元素定义如下表示T2面开路时，端口(1)的输入阻抗；返回返回表示T1面开路时，端口(2)的输入阻抗；表
15、示T1面开路时，端口(2)至端口(1)的转移阻抗；表示T2面开路时，端口(1)至端口(2)的转移阻抗。第47页，共88页，编辑于2022年，星期六阻抗参量的性质1.互易网络（可逆网络）互易网络（可逆网络）2.对称网络对称网络3.无耗网络无耗网络第48页，共88页，编辑于2022年，星期六归一化原则归一化原则归归一一化化原原则则第49页，共88页，编辑于2022年，星期六归一化T1和T2参考面上的归一化电压和归一化电流归一化第50页，共88页，编辑于2022年，星期六图第51页，共88页，编辑于2022年，星期六导纳参量导纳参量用T1和T2两个参考面上的电压表示两个参考面上的电流，其网络方程为返
16、回返回电压电压电流电流第52页，共88页，编辑于2022年，星期六各导纳参量元素定义如下表示T2面短路时，端口(1)的输入导纳；返回返回表示T1面短路时，端口(2)的输入导纳；表示T1面短路时，端口(2)至端口(1)的转移导纳；表示T2面短路时，端口(1)至端口(2)的转移导纳。第53页，共88页，编辑于2022年，星期六导纳参量的性质1.互易网络互易网络2.对称网络对称网络3.无耗网络无耗网络第54页，共88页，编辑于2022年，星期六归一化表示式如果T1和T2参考面所接传输线的特性导纳分别为Y01和Y02，则归一化表示式为第55页，共88页，编辑于2022年，星期六同一网络的Z与Y的关系或
17、或返回返回第56页，共88页，编辑于2022年，星期六单位矩阵返回返回第57页，共88页，编辑于2022年，星期六转移参量网络转移参量网络图第58页，共88页，编辑于2022年，星期六图第59页，共88页，编辑于2022年，星期六转移参量转移参量用T2面上的电压、电流来表示T1面上的电压和电流的网络方程返回返回端口端口2端口端口1第60页，共88页，编辑于2022年，星期六各转移参量元素定义如下表示T2面开路时，端口(2)至端口(1)的电压转移系数；返回返回表示T2面短路时，端口(2)至端口(1)的转移阻抗表示T2面开路时，端口(2)至端口(1)的转移导纳；表示T2面短路时，端口(2)至端口(
18、1)的电流转移系数。第61页，共88页，编辑于2022年，星期六归一化方程第62页，共88页，编辑于2022年，星期六散射参量散射参量不管电路如何变化，信号源输出功率可以设法保持不变，而且很容易得到匹配的终端负载。返回返回第63页，共88页，编辑于2022年，星期六散射参量散射参量定义二端口网络参考面T1和T2面上的归一化入射波电压和归一化反射波电压应用叠加原理，可以用两个参考面上的入射波电压来表示两个参考面上的反射波电压返回返回第64页，共88页，编辑于2022年，星期六散射参量矩阵方程散射参量矩阵方程返回返回第65页，共88页，编辑于2022年，星期六散射参量的定义表示T2面接匹配负载时，
19、T1面上的电压反射系数；表示T1面接匹配负载时，T2面至T1面的电压传输系数；表示T2面接匹配负载时，T1面至T2面的电压传输系数；表示T1面接匹配负载时，T2面上的电压反射系数。第66页，共88页，编辑于2022年，星期六匹配负载第67页，共88页，编辑于2022年，星期六2.2.传输参量传输参量用T2面上的电压入射波和反射波来表示T1面上的电压入射波和反射波，其网络方程为矩阵形式为返回返回第68页，共88页，编辑于2022年，星期六2.2.传输参量传输参量表示表示T2面接匹配负载时，T1面至T2面的电压传输系数的倒数，其余参量没有直观的物理意义。返回返回第69页，共88页，编辑于2022年
20、，星期六二、二、二端口微波网络参量的性质二端口微波网络参量的性质一般情况下，二端口网络的五种网络参量均有四个独立参量，但当网络具有某种特性(如对称性或可逆性等)时，网络的独立参量个数将会减少。第70页，共88页，编辑于2022年，星期六(一一)可逆网络可逆网络如前所述，可逆网络具有互易特性其它几种网络参量的互易特性为第71页，共88页，编辑于2022年，星期六(二二)对称网络对称网络一个对称网络具有下列特性，其它几种网络参量的对称性为，由此可见，一个对称二端口网络的两个参考面上的输入阻抗、输入导纳以及电压反射系数等参量一一对应相等第72页，共88页，编辑于2022年，星期六(三三)无耗网络无耗
21、网络利用复功率定理和矩阵运算可以证明，一个无耗网络的散射矩阵一定满足“么正性”，即或写成代入得第73页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础4-5基本电路单元的参量矩阵基本电路单元的参量矩阵通常，一个较复杂的微波网络是由几个简单网络组成的。最常见的电路单元有串联阻抗、并联导纳、均匀传输线和理想变压器，如图所示。常用基本电路单元第74页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础4-6二端口微波网络的组合及参考面移动的影响二端口微波网络的组合及参考面移动的影响一一.二端口微波网络的组合二端口微波网络的组合通常，一个复杂的微波系统是由若干个简单电路(或元件)按一定方式连接
22、而成的。1.级联方式级联方式如图所示，有两个二端口网络N1和N2，现按级联方式将其组合起来。设两个网络的转移矩阵分别为A1和A2，组合后所构成的新二端口网络N的转移矩阵为A。二端口网络的级联第75页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础对于网络N1，有对于网络N2，有对于网络N，则有第76页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础于是可得若有n个二端口网络相级联，则级联后新二端口网络的转移矩阵为级联后新二端口网络的传输矩阵为第77页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础2.2.串联方式串联方式如图二端口网络的串联新二端口网络的阻抗矩阵为n个二端口网
23、络相串联，则串联后新二端口网络的阻抗矩阵为第78页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础3.3.并联方式并联方式如图组合后新二端口网络的导纳矩阵为若有n个二端口网络相并联，则并联后新二端口网络的导纳矩阵为第79页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础二、参考面移动对二端口网络参量的影响二、参考面移动对二端口网络参量的影响对于二端口网络来说，易用转移矩阵和散射矩阵分析其参考面移动后对网络参量的影响。1.1.参考面移动对转移矩阵的影响参考面移动对转移矩阵的影响参考面移动后的网络转移矩阵为移动后的A0与移动前的A的关系为二端口网络的参考面移动第80页，共88页，编辑于
24、2022年，星期六第四章微波网络基础二、参考面移动对散射矩阵的影响二、参考面移动对散射矩阵的影响上式可以简写成如果新的参考面是由原参考面向里(网络方向)移动得到的第81页，共88页，编辑于2022年，星期六二端口微波网络的工作特性参量二端口微波网络的工作特性参量4-7二端口微波网络的工作特性参量二端口微波网络的工作特性参量对于二端口网络来说，常用的工作特性参量有电压传输系数T、插入衰减A、插入相移以及输入驻波比。T即为网络散射参量S21，即一一、电压传输系数、电压传输系数T电压传输系数T定义为：网络输出端接匹配负载时，输出端参考面上的反射波电压与输入端参考面上的入射波电压之比，即可逆二端口网络
25、返回返回第82页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础二、插入衰减二、插入衰减A插入衰减A定义为：网络输出端接匹配负载时，网络输入端的入射波功率Pi与负载吸收功率PL之比，即由此可见，插入衰减等于电压传输系数平方的倒数。对于可逆二端口网络，则有第83页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础三、三、插入相移插入相移 插入相移定义为：网络输出端接匹配负载时，输出端的反射波对输入端的入射波的相移。因此根据定义，有对于可逆网络第84页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础四、四、输入驻波比输入驻波比 输入驻波比定义为：网络输出端接匹配负载时，输入端的驻波
26、比。当输出端接匹配负载时，输入端反射系数即为S11，所以有或对于可逆无耗网络，仅有反射衰减，因此插入衰减与输入驻波比有下列关系返回返回第85页，共88页，编辑于2022年，星期六多端口微波网络多端口微波网络描述多端口微波网络的参量矩阵只有 和和 三种。阻抗矩阵、阻抗矩阵、第86页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础4-8多端口微波网络多端口微波网络描述多端口微波网络的参量矩阵只有阻抗矩阵、导纳矩阵和散射矩阵三种。n端口网络各端口参考面上电压和电流关系的矩阵方程为或简写成第87页，共88页，编辑于2022年，星期六第四章微波网络基础散射参量矩阵方程为或简写成若n端口微波网络可逆，则网络参量矩阵具有下述性质若n端口微波网络的端口j与端口k 在结构上对称，则网络参量具有下述性质第88页，共88页，编辑于2022年，星期六