微波网络1汇编

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1、近代微波网络理论及应用 第一章 微波网络基础 第二章 微波网络分析 第四章 微波网络中的数值计算方法 第三章 微波网络综合 参考书目 1.现代滤波器的结构与设计 甘本祓 2.现代微波网络理论 邓次平 3.微波网络 林为干 4.微波元件原理与设计 李嗣范 5.微波匹配网络理论与设计 陈惠开 6.反馈系统中波导元件理论与计算机辅助设计 杨乃恒 参考书目 7.Theory and design of Microwave Filter Lan Hunter 8.Microwave Filters，Impendence Matching Network，and Coupling structure(19

2、64,1980) G.L.Matthaei, L. Young, 第 1 章 微波网络基础 1.1 引言 1.2 微波网络参量 1.3 二端口网络的组合 1.1 引 言 一、研究微波系统的方法 二、如何将微波系统化为微波网络 三、微波网络的分类 一、研究微波系统的方法 1.什么是微波系统？组成？ 2.微波网络主要的研究对象 微波电路：有源、无源 整个系统级联 3.研究微波网络理论的主要目的 (1)分析微波器件、部件和系统的工作特性 (2)微波电路和元器件的综合设计 4.研究微波系统的方法： (1)电磁场分析法：利用麦克斯韦方程组加边界条件求出元 件中场分布，再求其传输特性。 由于元件的边界条件

3、复杂，因此一般求解很困难。 优点： 结果精确 是“路”分析方法的基础 缺点： 计算过程复杂 计算工作量大 无法对复杂的电路进行分析，无 法得出系统特性 (2)微波网络方法 以微波元件及组合系统为对象，利用等效电路的方法研 究它们的传输特性及其设计和实现的方法。 此方法为微波电路和系统的等效电路分析方法。把微波 元件用一个网络来等效，应用电路和传输线理论，求取网 络各端口间信号的相互关系。 这种方法不能得到元件内部的场分布，工程上关心的是 元件的传输特性和反射特性（相对于端口）。因此可采用 网络法。 优点 方法简单，可借鉴低频电路 的一些分析方法 电路和系统的特性清晰 网络参量可以测定（晶体管

4、） 计算速度快 缺点 结果近似 实际上电磁场理论、网络理论两者是相辅相成的，实 际中应根据所研究的对象，选取适当的研究方法。 微波电路与系统的完整实现是两种方法结合的结果 微波网络分析的基本过程？场 路 二、如何将微波系统化为微波网络 任何微波系统或元件都可看成是由某些边界封闭的不 均匀区和几路与外界相连的微波均匀传输线所组成的，如 下图所 示。 微波系统及其等效电路 不均匀区：是指与均匀传输线具有不同边界或不同介质的 区域，如波导中的膜片、金属杆等。在不均匀区域(V)及其 邻近区域(V1、V2)，虽然满足电磁场的边界条件，但场分 布是复杂的。 微波系统及其等效电路 在 V1、V2 中它们可以

5、表示为多种传输模式的某种叠加 ，但是由于在均匀传输线中通常只允许单模传输，而所有其 他高次模都将被截止，从而在远离不均匀区的传输线远区 (W1、W2)中就只剩有单一工作模式的传输波。 把微波系统化为微波网络的基本步骤是： 1选定微波系统与外界相连接的参考面，它应是单模 均匀传输的横截面(在远区) 。 微波系统及其等效电路 2把参考面以内的不均匀区等效为微波网络。 3把参考面以外的单模均匀传输线等效为传输线 。 网络的特性是用网络参量来描述的，网络参量可用电 磁场理论严格计算，也可直接利用实验测量的方法来得到 。 三、微波网络的分类 微波网络(Microwave Network)可以按不同的方法

6、进行 分类。 按照与网络连接的传输线数目，微波网络可分为单端 口、双端口、三端口和四端口网络等。 按端口划分 单端口网络：谐振腔 双端口网络：滤波器 三端口网络：双工器 四端口网络：耦合器 端口数超过五以上的网络在实践中很少遇到。 按照网络的特性是否与所通过的电磁波的场强有关， 微波网络可分成线性和非线性两大类。 按照网络的特性是否线性划分 线性网络 非线性网络 按照网络的特性是否可逆划分 可逆（互易）网络 不可逆（非互易）网络 当微波系统内部的媒质是可逆的，即媒质的介电常数 、磁导率和电导率的值与电磁波的传输方向无关时，该网 络的特性亦是可逆的。 这种具有可逆媒质的微波系统所 构成的网络称为

7、可逆网络，亦称为互易网络。 反之，则称为不可逆网络(或非互易网络)，这时媒质 的参量及网络的特性与电磁波的传输方向有关，如某些含 铁氧体的微波网络就是不可逆网络。 按照微波网络内部是否具有功率损耗可分成无耗与有 耗的两大类； 按照微波网络是否具有对称性可分成对称与非对称两 大类。 按照网络的特性是否有耗划分 有耗网络 无耗网络 按照网络的特性是否对称划分 对称网络 非对称网络 1.2 微波网络参量 一、网络参考面 二、微波网络参量的定义 三、网络参量的性质 四、常用基本电路单元的网络参量 五、参考面移动时网络参量的变化 微波电路中的不均匀性可等效为微波网络，n 路微波传 输线所构成的微波接头或

8、具有 n 个端口的微波元件都可作 为一个多端口微波网络来处理。 一、网络参考面 为了研究微波网络，首先必须确定微波网络与其相连 的传输线的分界面，即网络参考面（T1 和 T2） 。 微波系统及其等效电路 网络参考面位置的选择原则： 第一，参考面必须是微波传输线的横截面，因为这样 参考面上的场为横向场，从而参考面上的等效电压、等效 电流才有确切意义。 第二，对于单模传输线，参考面通常应选择在高次模 可忽略的远离不均匀性的远区。 第三，除了上述限制外，参考面位置的选择是任意的 ，可根据解决问题的方便而定。 注意：网络参考面一经选定，网络的所有参量都是对于这 种选定的参考面而定的，如果改变参考面，则

9、网络的各参 量也必定跟着一起改变，网络将变成另外一个网络。 二、微波网络参量的定义 等效电压与电流和阻抗 在微波频率下,电压和电流不可能直接测量。需 要引入等效电压和电流的概念。 以TEM波传输线为例 TEM传输线存在着唯一的电压和电流定义，由此 定义的传输线特征阻抗等参量也是唯一的。 二、微波网络参量的定义 任何复杂的微波元件都可以用一个网络来代替，并可 用网络端口参考面上两个选定的变量及其相互关系来描述 特性。 对于 n 端口网络，可用 n 个方程来描述其特性。 如果网络是线性的，则这些方程就是线性方程，方程 中的系数完全由网络本身确定，在网络理论中将这些系数 称为网络参量。 若选定端口参

10、考面上的变量为电压和电流，就得到 Z 参量、Y 参量和 A 参量；若选定端口参考面上的变量为入 射波电压和反射波电压就得到 s 参量和 t 参量。 下面以二端口网络为例逐一介绍。 1阻抗参量 Z (Z Parameter) 二端口网络两个端口电压和电流的示意图。 V1V2 (1)端口参考面 T1 处的电压为 V1，电流为 I1；(2)端口 参考面 T2 处的电压为 V2，电流为 I2 。 阻抗参量是用两个端口电流表示两个端口电压的参量 V1V2 上式也可以表示为矩阵形式 也可简单表示为 V = Z I 可见，由 Z 参量可将两端口的电压和电流联系起来。 V1V2 二端口网络共有 4 个阻抗参量

11、，具体的物理意义？ T2 面开路(I2 = 0)时， T1 面的输入阻抗定义为 T1 面开路(I1 = 0)时， T2 面的输入阻抗定义为 V1V2 T1 面开路(I1 = 0)时，端口(2)至端口(1)的转移阻抗为 T2 面开路(I2 = 0)时，端口(1)至端口(2)的转移阻抗为 在微波网络中，为了理论分析的普遍性，常把各端口 电压、电流对端口传输线的特性阻抗归一化。 若 T1 和 T2 面外接传输线的特性阻抗分别为 Z01、Z02， 则以 Z01 作为参考阻抗对 V1 和 I1 归一化，以 Z02 作为参考 阻抗对 V2 和 I2 归一化 。 改写为 把上式改写成归一化参量的形式，即 上

12、式中，两个端口的归一化电压和电流分别为 而网络的归一化阻抗参量分别为 也可以表示为矩阵形式，即 2导纳参量 Y (Y Parameter) V1V2 导纳参量是用两个端口电压表示两个端口电流的参量 上式也可以用矩阵来表示 V1V2 由上式可以为导纳参量做出定义。 T2 面短路(V2 = 0)时，T1 面的输入导纳定义为 T1 面短路(V1 = 0)时，T2 面的输入导纳定义为 V1V2 T1 面短路(V1 = 0)，端口(2)至端口(1)的转移导纳为 T2 面短路(V2 = 0)，端口(1)至端口(2)的转移导纳为 V1V2 比较 Z 参量和 Y 参量 注意：虽然两种参量都是反映两个端口电压和

13、电流关系之 间的关系，但是对应的元素却不是互为倒数关系。 因为阻抗参量是在两个端口分别开路的前提下定义的 ；而导纳参量是在两个端口分别短路的前提下定义的。 若 T1 面和 T2 面外接传输线的特性导纳分别为 Y01 和 Y02，则对导纳方程式中的电压、电流归一化便得 上式中端口(1)和端口(2)的归一化电流与归一化电压 归一化导纳参量与非归一化导纳参量之间的关系为 V1V2 v1 v2 i1i2 归一化导纳参量也可以表示为矩阵形式，即 3转移参量 A (A Parameter) V1V2 在二端口网络中，转移参量是用端口(2)的电压和电流 表示端口(1)电压和电流的参量 或用矩阵表示为 (I2

14、 前的负号表示与下图中的电流正方向相反) V1V2 在端口(2)开路(I2 = 0)时，定义电压转移系数为 在端口(2)短路(V2 = 0)时，定义电流转移系数为 V1V2 在端口(2)短路(V2 = 0)时，可定义转移阻抗为 在端口(2)短路(V2 = 0)时，可定义转移导纳为 图 4.3-1 二端口网络电压、电流的示意图 V1V2 用 Z01、Z02 对 A 参量方程式归一化得 上式中 称为归一化转移参量，它们都是无量纲的参数。 归一化 a 参量方程式也可以表示为矩阵形式，即 V1V2 在微波电路的分析和综合中，常用 A 参量来表示电路 的各种性能指标，如若在网络输出端的(2)端口连接负载

15、阻 抗为 的负载，则其输入端(1)端口的输入阻抗为 4散射参量 s (s Parameter) Z参量 、Y参量 及A参量 都是表示端口间电压、电流关 系的参量。 但是，在微波网络中，各端口上的电压和电流 均为等效值，无法进行直接测量。 在微波网络中，应用最广泛的是便于测量的散射参量 。 散射参量有归一化和非归一化之分，通常所说的散射 参量是指归一化散射参量，用 s 表示，它给出的是各端口 归一化入、反射波电压之间的关系； 而非归一化散射参量则 称为电压散射参量，用 S 表示，它给出的是各端口非归一 化的入、反射波电压之间的关系。 实际工程中最常用的散射参量是归一化散射参量。 下图给出了分析二

16、端口网络归一化散射参量的示意图。 用上标“+”表示入射波，即进入网络的波；“-”表 示反射波，即离开网络的波。 注意： “+”， “-”是相对的。如 对“2”端口是入射波， 而对负载就是反射波了。 入射波和反射波可由参考面处的电压和电流进行计算。 假设T1面处的电压为V1(T1)，电流为I1(T1)，则有： 归一化入射波和反射波定义 两边除以 ，定义归一化入射波和反射波 归一化散射参量是用各端口入射波表示反射波的参量 。 用散射参量表示的归一化入、反射波电压的关系为 或简写成 v = s v 归一化散射参量各参量的物理含义： 端口(2)接匹配负载时，端口(1)的电压反射系数 端口(1)接匹配负载时，端口(2)的电压反射系数 端口(1)接匹配负载时，端口(2)到端口(1)的归一化电压 传输系数 端口(2)接匹配负载时，端口(1)到端口(2)的归一化电压 传输系数 图 4.3-2 二