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1、微波技微波技术术与天与天线线第第4章章14.0 绪论绪论1.微波网络的概念微波网络的概念2.在分析电磁场分布的基础上，用“路”的分析方法将微波元件用电阻或电抗网络来等效，将导波传输系统用传输线来等效，从而将实际的微波系统简化为微波网络。2.微波网络分析与综合微波网络分析与综合 微波网络理论包括网络分析和网络综合两部分内容：网络分析借助于“路”的分析方法，通过分析网络的外部特性，总结出系统的一般传输特性，如功率传递、阻抗匹配等。网络综合是根据微波元件的工作特性设计出要求的微波网络，从而用一定的微波结构来实现它。微波网络的分析与综合是分析和设计微波系统的有力工具,而微波网络分析是综合的基础.微波元
2、件及其等效网络3.微波网络的分类：微波网络的分类：（1）线性与非线性网络）线性与非线性网络 若微波网络参考面上的模式(或等效)电压和电流呈线性关系,网络方程便是一组线性方程,这种网络就称为线性微波网络,否则是非线性微波网络.（2）互易与非互易网络）互易与非互易网络 填充有互易媒质的微波器件,其对应的网络称为互易微波网络,否则是非互易微波网络.各向同性媒质就是互易媒质,微波铁氧体材料为非互易媒质.（3）有耗与无耗网络）有耗与无耗网络 根据微波无源元件内部有无损耗,将其等效的微波网络分为有耗和无耗网络两种.严格地说,任何微波网络均有损耗,当其损耗很小时,以致损耗可以忽略而不影响该元件的特性时,就可
3、以认为是无耗网络.（4）对称与非对称网络）对称与非对称网络 如果微波元件的结构具有对称性,则称为对称微波网络,否则是非对称微波网络.4.1 等效传输线等效传输线 均匀传输理论是建立在TEM传输线的基础上的,因此电压和电流有明确的物理意义,而且电压和电流只与纵向坐标z有关,与横截面无关。实际的非TEM传输线,如金属波导等,其电磁场 E 与 H 不仅与z有关,还与x、y有关,这时电压和电流的意义十分不明确,例如在在矩矩形形波波导导中中,电电压压值值取取决决于于横横截截面面上上两两点点的的选选择择,而电流还可能有横向分量。而电流还可能有横向分量。因此有必要引入等效电压和等效电流的概念因此有必要引入等
4、效电压和等效电流的概念,从而将均匀传从而将均匀传输线理论应用于任意导波系统输线理论应用于任意导波系统,这就是等效传输线理论。这就是等效传输线理论。例:对于矩形波导TE10模可见电压取决于位置x与沿y方向的积分等高线长度.1.等效电压和等效电流等效电压和等效电流 由于非TEM模的电压、电流不是唯一的，所以对波导的等效电压、等效电流的定义有许多方法。为定义任意传输系统某一参考面上的电压和电流,作以下规定:(1)电压U(z)和电流I(z)分别与Et和Ht成正比;(2)电压U(z)和电流I(z)共轭乘积的实部应等于平均传输功率;(3)电压和电流之比应等于对应的等效特性阻抗值。对任一导波系统,不管其横截
5、面形状如何（双导线、矩形波导、圆形波导、微带等）,也不管传输哪种波形（TEM波、TE波、TM波等）,其横向电磁场总可以表示为 式中:ek(x,y)、hk(x,y)是二维实函数,代表了横向场的模式横向分布函数,Uk(z)、Ik(z)都都是是一一维维标标量量函函数数,它它们们反反映映了了横横向向电电磁磁场场各各模模式式沿沿传传播播方方向向的的变变化化规规律律,故故称称为为模模式式等等效效电电压压和和模模式等效电流。式等效电流。值得指出的是这里定义的等效电压、等效电流是形式上的,它具有不确定性,上面的约束只是为讨论方便,下面给出在上面约束条件下模式分布函数应满足的条件。(4-1-1)由规定可知,ek
6、、hk应满足:由电磁场理论可知,各模式的波阻抗为:其中,Zek为该模式等效特性阻抗。(4-1-2)(4-1-3)(4-1-4)由电磁场理论可知,各模式的传输功率可由下式给出:综上所述,为唯一地确定等效电压和电流,在选定模式特性阻抗条件下各模式横向分布函数还应满足下面以例子来说明这一点。(4-1-5)其中,TE10的波阻抗可见所求的模式等效电压、等效电流可表示为(4-1-6)例 4.1求出矩形波导TE10模的等效电压、等效电流和等效特性阻抗。Ze为模式特性阻抗(4-1-7)取 我们来确定A1。由式（4-1-6）及（4-1-7）可得由式（4-1-5）可推得(4-1-8)(4-1-9)于是唯一确定了
7、矩形波导TE10模的等效电压和等效电流,即 此时波导任意点处的传输功率为 与P46页式2-2-28相同,也说明此等效电压和等效电流满足第条规定。(4-1-10)(4-1-11)2.模式等效传输线模式等效传输线 不不均均匀匀性性的的存存在在使使传传输输系系统统中中出出现现多多模模传传输输,由由于于每每个个模模式式的的功功率率不不受受其其它它模模式式的的影影响响,而而且且各各模模式式的的传传播播常常数数也也各各不不相相同同,因因此此每每一一个个模模式式可可用用一一独独立立的的等等效效传传输输线线来来表表示示。这样可把传输N个模式的导波系统等效为N个独立的模式等效传输线,每根传输线只传输一个模式,其
8、特性阻抗及传播常数各不相同,如图 4.1 所示。图 4 1 多模传输线的等效 由不均匀性引起的高次模,通常不能在传输系统中传播,其振幅按指数规律衰减。因因此此高高次次模模的的场场只只存存在在于于不不均均匀匀区区域域附附近近,它它们们是是局局部部场场。在在离离开开不不均均匀匀处处远远一一些些的的地地方方,高高次次模模式式的的场场就就衰衰减减到到可可以以忽忽略略的的地地步步,因因此此在在那那里里只只有有工工作作模模式式的的入入射射波波和和反反射射波波。通通常常把把参参考考面面选选在在这这些些地地方方,从从而而将将不不均均匀匀性性问问题题化化为为等等效效网网络络来来处处理理。如图 4-2 所示是导波
9、系统中插入了一个不均匀体及其等效微波网络。图 4 2 微波传输系统的不均匀性及其等效网络 建建立立在在等等效效电电压压、等等效效电电流流和和等等效效特特性性阻阻抗抗基基础础上上的的传传输输线线称为等效传输线称为等效传输线 传传输输系系统统中中不不均均匀匀性性引引起起的的传传输输特特性性的的变变化化归归结结为为等等效效微微波波网络网络 均匀传输线中的许多分析方法均可用于等效传输线的分析均匀传输线中的许多分析方法均可用于等效传输线的分析。结结 论论4.2 单口网络单口网络 当一段规则传输线端接其它微波元件时,则在连接的端面引起不连续,产生反射。若将参考面T选在离不连续面较远的地方,则在参考面T左侧
10、的传输线上只存在主模的入射波和反射波,可用等效传输线来表示,而把参考面T以右部分作为一个微波网络,把传输线作为该网络的输入端面,这样就构成了单口网络,如图 4-3 所示。1.单口网络的传输特性单口网络的传输特性 (1)反射系数:令参考面T处的电压反射系数为l,由均匀传输线理论可知,等效传输线上任意点的反射系数为 而等效传输线上任意点等效电压、电流分别为(4-2-1)(4-2-2)式中,Ze为等效传输线的等效特性阻抗。图 43 端接微波元件的传输线及其等效网络 传输线上任意一点输入阻抗为(4-2-3)任意点的传输功率为(4-2-4)2.归一化电压和电流归一化电压和电流 由于微波网络比较复杂,因此
11、在分析时通常采用归一化阻抗,即将电路中各个阻抗用特性阻抗归一,与此同时电压和电流也要归一。一般定义:u,i分别为归一化电压和电流.(4-2-5)任意点的归一化输入阻抗为 于是,单口网络可用传输线理论来分析。归一化处理后,电压u和电流i仍满足:微波天线微波天线等效模型等效模型4.3 双端口网络的阻抗与转移矩阵双端口网络的阻抗与转移矩阵 当当导导波波系系统统中中插插入入不不均均匀匀体体(如如图图 4-2 所所示示)时时,会会在在该该系系统统中中产产生生反反射射和和透透射射,从从而而改改变变原原有有传传输输分分布布,并并且且可可能能激激起起高高次次模模,但但由由于于将将参参考考面面设设置置在在离离不
12、不均均匀匀体体较较远远的的地地方方,高高次次模的影响可忽略模的影响可忽略,于是可等效为如图于是可等效为如图 4-4 所示的双端口网络。所示的双端口网络。图 44 双端口网络 在各种微波网络中,双端口网络是最基本的,任意具有两个端口的微波元件均可视之为双端口网络。下面介绍线性无源双端口网络各端口上电压和电流之间的关系。1.阻抗矩阵与导纳矩阵阻抗矩阵与导纳矩阵 设参考面T1处的电压和电流分别为U1和I1,而参考面T2处电压和电流分别为U2、I2,连接T1、T2端的广义传输线的特性阻抗分别为Ze1和Ze2。(1)阻抗矩阵 现取I1、I2为自变量,U1、U2为因变量,对线性网络有 U1=Z11I1+Z
13、12I2 U2=Z21I1+Z22I2(4-3-1)写成矩阵形式 或简写为 U=ZI 式中,U为电压矩阵,I为电流矩阵,而Z是阻抗矩阵,其中Z11、Z22分别是端口“1”和“2”的自阻抗;Z12、Z21分别是端口“1”和“2”的互阻抗。各阻抗参量的定义如下:为T2面开路时,端口“1”的输入阻抗为T1面开路时,端口“2”至端口“1”的转移阻抗为T2面开路时,端口“1”至端口“2”的转移阻抗为T1面开路时,端口“2”的输入阻抗 由上述定义可见,Z矩阵中的各个阻抗参数必须使用开路法测量,故也称为开路阻抗参数,而且由于参考面选择不同,相应的阻抗参数也不同。对于互易网络有Z12=Z21 (4-3-3)对
14、于对称网络则有(4-3-4)若将各端口的电压和电流分别对自身特性阻抗归一化,则有代入式(4-3-2)后整理可得其中，(4-3-5)(4-3-6)(4-3-7)(2)导纳矩阵 在上述双端口网络中,以U1、U2为自变量,I1、I2为因变量,则可得另一组方程:I1=Y11U1+Y12U2 I2=Y21U1+Y22U2写成矩阵形式(4-3-8)(4-3-9a)(4-3-9b)简写为 其中,Y是双端口网络的导纳矩阵,各参数的物理意义为:表示T2面短路时,端口“1”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”的转移导纳表示T1面短路时,端口“2”的输
15、入导纳 其中,Y11、Y22为端口1和端口2的自导纳,而Y12、Y21为端口“1”和端口“2”的互导纳。对于互易网络有Y12=Y21 对于对称网络有Y11=Y22 用归一化表示则有 (4-3-10)其中:(4-3-11)对于同一双端口网络阻抗矩阵Z和导纳矩阵Y有以下关系:ZY=I Y=Z-1式中,I为单位矩阵。(4-3-12)图4-5 双端口网络例 4-2求如图 4-5 所示双端口网络的Z矩阵和Y矩阵。解：由Z矩阵的定义:2.转移矩阵转移矩阵 转移矩阵也称为A矩阵,它在研究网络级联特性时特别方便。在图 4.4 等效网络中,若用端口“2”的电压U2、电流-I2作为自变量,而端口“1”的电压U1和
16、电流I1作为因变量,则可得如下线性方程组:U1=AU2+B(-I2)I1=CU2+D(-I2)由于电流I2的正方向如图4.4所示,而网络转移矩阵规定的电流参考方向指向网络外部,因此在I2前加负号。式中,A称为网络的转移矩阵,方阵中各参量的物理意义如下:表示T2开路时电压的转移参数表示T2短路时转移阻抗表示T2开路时转移导纳 表示T2短路时电流的转移参数简写为简写为 若将网络各端口电压、电流对自身特性阻抗归一化后,得 对于互易网络:AD-BC=ad-bc=1 对于对称网络:a=d 对于如图 4-6 所示的两个网络的级联,有 1=A12 (4-3-17a)而 2=A23 (4-3-17b)故有 1
17、=A1A23(4-3-16)(4-3-18)图 4-6 双端口网络的级联 级联后总的A矩阵为 A=A1A2 (4 3-19)推而广之,对n个双端口网络级联,则有 A=A1A2An (4-3-20)显然，用A矩阵来研究级联网络特别方便。图 4-7 双端口网络终端接负载时的情形 当当双双端端口口网网络络输输出出端端口口参参考考面面上上接接任任意意负负载载时时,用用转转移移参参量量求求输输入入端端口口参参考考面面上上的的输输入入阻阻抗抗和和反反射射系系数数也也较较为为方方便便,如图如图 4-7 所示。所示。参考面T2处的电压U2和电流-I2之间关系为,而参考面T1处的输入阻抗为而输入反射系数为 前述
18、的三种网络矩阵各有用处,并且由于归一化阻抗、导纳及转移矩阵均是描述网络各端口参考面上的归一化电压、电流之间的关系,因此存在着转换关系,具体转换方式如表4.1所示。(4-3-21)(4-3-22)4.4 散射矩阵与传输矩阵散射矩阵与传输矩阵 Z、Y、A矩阵及其所描述的微波网络,都是建立在电压和电流概念基础上的,因为在在微微波波系系统统中中无无法法实实现现真真正正的的恒恒压压源源和和恒恒流流源源,所所以以电电压压和和电电流流在在微微波波频频率率下下已已失失去去明明确确的的物物理理意义。意义。Z、Y、A网络参数的测量不是要求端口开路就是要求端口短路,这在微波频率下也是难以实现的。信源匹配的条件下,总
19、可以对驻波系数、反射系数及功率等进行测量,也即在与网络相连的各分支传输系统的端口参考面上入射波和反射波的相对大小和相对相位是可以测量的；散射矩阵和传输矩阵就是建立在入射波、反射波的关系基础上的网络参数矩阵。图 4-8 双端口网络的入射波与反射波 1.散射矩阵散射矩阵 考虑双端口网络如图 4-8 所示。定义ai为入射波电压的归一化值u+i,其有效值的平方等于入射波功率;定义bi为反射波电压的归一化值u-i,其有效值的平方等于反射波功率。(i=1,2,)(4-4-1)即:这样端口1的归一化电压和归一化电流可表示为 u1=a1+b1 i1=a1-b1 同理可得(4-4-2)(4-4-3)(4-4-4
20、)于是 对于线性网络,归一化入射波和归一化反射波之间是线性关系,故有线性方程 b1=S11a1+S12a2 b2=S21a1+S22a2 写成矩阵形式为或简写为(4-4-5)(4-4-6a)(4-4-6b)散射矩阵散射矩阵 表示端口2匹配时,端口1的反射系数 表示端口1匹配时,端口2的反射系数表示端口1匹配时,端口2到端口1的反向传输系数表示端口2匹配时,端口1到端口2的正向传输系数 可见,S矩阵的各参数是建立在端口接匹配负载基础上的反射系数或传输系数。这样利用网络输入输出端口的参考面上接匹配负载即可测得散射矩阵的各个参量。S矩阵的各参数的意义如下:对于互易网络:S12=S21对于对称网络:S
21、11=S22对于无耗网络:S+S=I 其中,S+是S的转置共轭矩阵,I为单位矩阵。式中,T为双端口网络的传输矩阵,其中T11表表示示参参考考面面T2接接匹匹配配负负载载时时,端端口口1至至端端口口2的的电电压压传传输输系系数数的的倒倒数数,其其余余三个参数没有明确的物理意义。三个参数没有明确的物理意义。(4-4-8)2.传输矩阵传输矩阵 当用a1、b1作为输入量,a2、b2作为输出量,此时有以下线性方程:(4-4-7)写成矩阵形式为图 4-9 双端口网络的级联 当传输矩阵用于网络级联时比较方便,如图 4-9 所示两个双端口网络级联,有:由于a2=b2,b2=a2,故有 (4-4-9)(4-4-
22、10)可见当网络级联时,总的T矩阵等于各级联网络T矩阵的乘积,这个结论可以推广到n个网络的级联,即T总=T1T2Tn(4-4-11)3.散射参量与其它参量之间的相互转换散射参量与其它参量之间的相互转换 与其它四种参量一样，散射参量用以描述网络端口之间的输入输出关系,因此对同一双端口网络一定存在着相互转换的关系。由于S矩阵是定义在归一化入射波电压和电流基础上,因此与其它参量的归一化值之间转换比较容易.(1)S与 的转换 由式（4-4-3）得代入式（4.4.6）得于是可得S与 相互转换公式(4-4-12)(4-4-13)(4-4-14)(4-4-15)类似可推得类似可推得 (2)S与a的转换 在式
23、（4-3-17）中令 u1=a1+b1,i1=a1-b1;u2=a2+b2,i2=a2-b2 则有a1+b1=a(a2+b2)-b(a2-b2)a1-b1=c(a2+b2)-d(a2-b2)整理可得(4-4-16)类似可以推得 4.S参数测量参数测量 对于互易双端口网络,S12=S21,故只要测量求得S11、S22及S12三个量就可以了。设被测网络接入如图4-10 所示系统,终端接有负载阻抗Zl,令终端反射系数为l,则有:a2=lb2,代入式（4-4-5）得 b1=S11a1+S12lb2，b2=S12a1+S22lb2(4-4-20)图 4-10 S参数的测量于是输入端参考面T1处的反射系数
24、 令终端短路、开路和接匹配负载时,测得的输入端反射系数分别为s,o和m,代入上式并解出(4-4-22)由此可得S参数,这就是三点测量法。实际测量时,往往用多点法以保证测量精度。对无耗网络而言,在终端接上精密可移短路活塞,在g/2范围内,每移动一次活塞位置,就可测得一个反射系数,理论上可以证明这组反射系数在复平面上是一个圆,但由于存在测量误差,测得的反射系数不一定在同一圆上,我们可以采用曲线拟合的方法,拟合出in圆,从而求得散射参数,这部分详见附录三。当然更为精确的测量可用网络分析仪进行测量。4.5 多端口网络的散射矩阵多端口网络的散射矩阵 前面介绍的各种参数矩阵均是以双端口网络为例的,实际上推
25、广到由任意N个输入输出口组成的微波网络均可用前述参量描述。本节着重介绍多端口网络散射矩阵及其性质。设由N个输入输出口组成的线性微波网络如图 4-11 所示,各端口的归一化入射波电压和反射波电压分别为ai,bi(i=1N),则有(4-5-1)图4-11 多端口网络 上式简写为 其中:它表示当ij,除端口i外,其余各端口参考面均接匹配负载时,第i个端口参考面处的反射系数。多端口网络S矩阵具有以下性质:(1)互易性质 若网络互易,则有 Sij=Sji (i,j=1,2,N,ij)或 ST=S (2)对称性质 若网络的端口i和端口j具有面对称性,且网络互易,则有 Sij=Sji Sii=Sjj (3)
26、无耗性质 若网络无耗,则有 S+S=I 其中 S+是S的共轭转置矩阵。下面对此性质略作证明。对于无耗网络,输入的总功率应等于输出的总功率,即有上式还可写作 a+a=b+b 基基 本本 要要 求求掌握微波等效传输线的概念，了解用网络的观点研究问题掌握微波等效传输线的概念，了解用网络的观点研究问题的优点；的优点；掌握单口网络的传输特性分析；掌握单口网络的传输特性分析；掌握双口网络的几种网络矩阵特别是转移矩阵、散射矩阵掌握双口网络的几种网络矩阵特别是转移矩阵、散射矩阵等矩阵参数的性质及其求解；等矩阵参数的性质及其求解；掌握转移矩阵、散射矩阵与阻抗和反射系数的关系的分析掌握转移矩阵、散射矩阵与阻抗和反射系数的关系的分析与计算；与计算；了解各种网络矩阵参数之间的相互转换关系；了解各种网络矩阵参数之间的相互转换关系；掌握散射参数的测量方法；掌握散射参数的测量方法；了解多口网络散射矩阵参数的性质。了解多口网络散射矩阵参数的性质。