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1、5.1 微波系统的网络等效方法 5.2 单口网络 5.3 双端口网络的阻抗与转移矩阵 5.4 散射矩阵与传输矩阵 5.5 多端口网络的散射矩阵,第5章 微波网络基础,返回主目录,第 5 章 微波网络基础,5.1 微波系统的网络等 效 方法 微波系统的分析方法有场分析法和路分析法 TEM传输线上由于可以定义唯一的电压和电流，而且有明确的物理意义, 因此， TEM传输线可以用集总参数电路理论来分析，由于电压和电流与纵向坐标z有关, 分析TEM传输线的电路理论也与纵向坐标z有关,这样就成为分布参数电路理论。 对于波导等不能定义唯一电压电流的微波系统，可以用等效的方法定义等效电压和电流,将系统分解为部
2、分，对每部分用一个二端网络或多端网络来等效，这样一个微波网络就可以用网络的方法进行分析。,微波系统等效为网络的方法,1、将均匀系统转换为等效的TEM波均匀传输线 2、将微波系统中的非均匀区（微波元件）等效为集总参数网络 微波系统等效为网络需要注意的问题 1、等效是针对特定的频率范围来进行 2、等效是对确定的参考面来进行 3、等效是对单一确定的模式来说的，如果一个微波系统工作在多个模式，则它的等效网络就该有多个。 均匀波导等效 为均匀传输线,1. 等效电压和等效电流 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: 电压U(z)和电流I(z)分别与Et和Ht成正比; 电压U(z)和电流
3、I(z)共轭乘积的实部应等于平均传输功率; 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, Uz(z)、Iz(z)都是一维标量函数, 它们反映了横向电磁场各模式沿传播方向的变化规律, 故称为模式等效电压和模式等效电流。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
4、函数应满足的条件。 由电磁场理论可知, 各模式的传输功率可由下式给出:,由规定可知, ek、 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。,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。 例 求出矩形波导TE10模的等效电压、 等效电流和等效特性阻抗。 解:,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,式中,Ze为模式特性阻抗, 现取Ze= , 我们来确定A1。,可推得,于是唯一确定了矩形波导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
5、率为,与式（2. 2. 26）相同, 也说明此等效电压和等效电流满足第条规定。,在离开不均匀处远一些的地方, 高次模式的场就衰减到可以忽略的地步, 因此在那里只有工作模式的入射波和反射波。通常把参考面选在这些地方, 从而将不均匀性问题化为等效网络来处理。如图 4-2 所示是导波系统中插入了一个不均匀体及其等效微波网络。 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等效微波网络, 这样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。,5.2 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,
6、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。 1. 单口网络的传输特性 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,图 4 3 端接微波元件的传输线及其等效网络,(z)=|l|e j(l-2z) (4 2 1) 而等效传输线上任意点等效电压、 电流分别为 U(z)=A11+(z) I(z)= 1-(z),式中, Ze为等效传输线的等效特性阻抗。 传输线上任意一点输入阻抗
7、为 Zin(z)=Ze,任意点的传输功率为,2. 归一化电压和电流 由于微波网络比较复杂, 因此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:,分别为归一化电压和电流, 显然作归一化处理后, 电压u和电流i仍满足:,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。,4.3 双端口网络的阻抗与转移矩阵,由前面分析可知, 当导波系统中插入不均匀体(如图 4- 2 所示)时, 会在该系统中产生反射和透射, 从而改变原有传输分布, 并且可能激起高次模, 但由于将参考面设置在离不均匀体较远的地方, 高次模的影响可忽略, 于是可等
8、效为如图 4- 4 所示的双端口网络。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。,图 4 4 双端口网络,1. 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+Z12I2 U2=Z21I1+Z22I2,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
9、, 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T2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),对于对称网络则有 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
10、,代入式(4 3 2)后整理可得,其中，,(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,简写为 Z=YI (4 3 9b) 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,示T1面短路时, 端口“2”的输入导纳,由上述定义可知, Y矩阵中的各参数必须用短路法测得, 称这些参数为短路导纳参数。 其中, Y11
11、、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i= (4 3 10) 其中,而,=,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。 例 4 2HT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:,图4-5 双端口网络,于是,而,2. 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U
12、1和电流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。这样规定， 在实用中更为方便。 将式(4. 3 - 13)写成矩阵形式, 则有,简写为 1=A2 (4 3 15) 式中,A= 称为网络的转移矩阵, 简称A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,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:
13、 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=A1A23,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。 ,当双端口网络输出端口参考面上接任意负载时, 用转移参量求输入端口参考面上的输入阻抗和反射系数也较为方便, 如图 4 - 7 所示。 参考面T2处的电压U2和电流-I2之间关系为 , 而参考面T
14、1处的输入阻抗为,图 4- 7 双端口网络终端接负载时的情形,而输入反射系数为,前述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。,4.4 散射矩阵与传输矩阵,前面讨论的三种网络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, 因为在微波系统中无法实现真正的恒压源和恒流源, 所以电压和电流在微波频率下已失去明确的物理意义。 另外这三种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。 但在信源匹配的条件下, 总可以对驻波系数、 反
15、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；而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 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。 即:,ai=u+i,ai=u-i,(i=1, 2, , n) (4 .4. 1),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 (4
16、. 4. 2) 于是,同理可得,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 (4. 4. 5) 写成矩阵形式为,或简写为 b=S 式中,称为双端口网络的散射矩阵, 简称为S,矩阵, 它的各参数的意义如下,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。 ,对于互易网
