微波技术基础_微波网络基础

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1、北京交通大学 Beijing Jiaotong University微波技术基础 微波网络基础北京交通大学 Beijing Jiaotong University 内容：了解波导传输线与双线传输线的等效 ，了解微波元件等效为微波网络的原理；掌握 二端口微波网络的阻抗和导纳矩阵、散射矩 阵、传输矩阵；掌握基本电路单元的参量矩阵 ；掌握微波网络的工作特性参量；理解波导激 励。重点：阻抗和导纳矩阵，散射矩阵，传输矩 阵，基本电路单元的参量矩阵。难点：微波网络的工作特性参量；波导激 励。教学学时：4学时教学大纲北京交通大学 Beijing Jiaotong University 引言 波导传输线与双线

2、传输线等效 微波元件等效为微波网络的原理 二端口微波网络 基本电路单元的参量矩阵 微波网络的工作特性参量内容提要 北京交通大学 Beijing Jiaotong University 引言 波导传输线与双线传输线等效 微波元件等效为微波网络的原理 二端口微波网络 基本电路单元的参量矩阵 微波网络的工作特性参量内容提要 北京交通大学 Beijing Jiaotong Universityn任何一个复杂的微波系统都可以用电磁场理论 （场）（在确定的边界条件下解麦克斯韦方程） 来求解，但该方法非常复杂，不适合工程应用。n将属于电磁场的问题，在一定条件下，转化为 与之等效的电路问题求解，即采用电磁场理

3、论 与低频网络理论（路）相结合的方法来分析， 这种理论称为微波网络理论。北京交通大学 Beijing Jiaotong University微波工程中，不总是需要详细求出系统内部的场 结构，只需要知道电信号通过系统后幅度和相位 等量的变化(外部特性)。在一定条件下，可以将均匀波导等效为双导线传 输线，微波元件(即不均匀波导)等效为网络。用 “路”的方法分析微波系统的特性。“场”的方法是基础。北京交通大学 Beijing Jiaotong University微波系统由若干段传输线和微波元件组成，微 波元件可视为不连续性的微波传输线段。各种微波元件，不论其特性、构造如何，都破 坏了传输线的均匀性

4、，可统称为“不均匀区”。 它们在微波系统中起着重要的作用：吸收或分 配微波功率、控制变换微波信号、实现阻抗变 换作用。微波元件对电磁波的控制是通过特有 的边界条件和填充的媒质来实现的。北京交通大学 Beijing Jiaotong University微波网络分析模型微波系统课抽象化为一个“黑箱”N及其与外部(通过均匀双线)相连接的若干端口(端对)所构成 的物理模型(网络)。北京交通大学 Beijing Jiaotong University“黑箱”表示不均匀性。电信号由端口输入或输出，一个端口由两个端子 构成，流入一个端子的瞬时电流必须与另一个端 子流出的电流相等。可以利用电路的和传输线的理

5、论求各端口信号量 之间的关系，即信号通过网络后幅度，相位和衰 减等量的变化情况(外部特性)。避免对于不均匀 性结构内部场分布的复杂计算。北京交通大学 Beijing Jiaotong University微波网络的特点微波网络与低频网络相似，都是用网络参数表征 其外特性。但由于微波电路属于分布参数系统， 和低频网络相比，微波网络具有以下特点：1. 单模传输特性微波网络的参量是在微波传输线中只存在单一 工作模式下确定的，对于不同的模式有不同的 等效网络结构和参量。通常希望传输线工作于 主模，即同轴线与微带线的工作模式为TEM 模，矩形波导为TE10模。北京交通大学 Beijing Jiaoton

6、g University2.有特定的参考面整个网络参考面要严格规定，一旦参考面移动， 则网络参量就会改变（分布参数效应）。参考面 必须选在均匀传输线段上，距离不均匀处足够远 ，使不均匀处激起的高次模衰减到足够小，此时 高次模对工作模式的影响仅相当于引入一个电抗 值，可计入网络参量之内。微波网络的特点北京交通大学 Beijing Jiaotong University3.频率适用性微波网络的等效电路及其参量只适用于特定窄带 频段（色散特性）。频率范围大幅度变化时，网 络结构的阻抗导纳会发生量变甚至质变，致使等 效电路及其参量发生变化微波网络的特点北京交通大学 Beijing Jiaotong U

7、niversity4. 等效电压、等效电流的不确定性波导中的电压和电流仅是一个等效概念，而不 是单值的，需要与低频传输线加以区分。在微波网络中，通过网络端口的能量由端口横 截面上的横向电场和横向磁场唯一确定。然而 ，该处的等效电压、等效电流都存在着不确定 性，这是由于选取传输线的等效特性阻抗不同 的缘故。故而，在端口参考面处，其传输线一 定要有相应的等效特性阻抗并加以注明。微波网络的特点北京交通大学 Beijing Jiaotong University 引言 波导传输线与双线传输线等效 微波元件等效为微波网络的原理 二端口微波网络 基本电路单元的参量矩阵 微波网络的工作特性参量内容提要 北京

8、交通大学 Beijing Jiaotong Universityl 任何一个微波元件均需外接传输线，将微波元件等效 为网络，而将外接传输线等效为双线传输线。波导传输线与双线传输线的等效l 由于波导的边界是闭合的导体， 因此无法测量边界上哪两点的电压 和哪条线路上的电流，波导中不存 在像TEM传输线上的单值电压波和 电流波，而且即使对于TEM传输线 ，在微波频率下电压和电流也难以 测量，因此需要建立模式电压、模 式电流、模式特性阻抗及传输参量 的概念。北京交通大学 Beijing Jiaotong University一、模式电压与模式电流行波状态下，波导中某一模式电场的横向分量 与磁场的横向分

9、量之比：(|Et|/ |Ht|)为一常数，称 为波形阻抗，与双线传输线的特性阻抗是相对应 的。 Et和Ht与双线传输线中的U和I，具有一一对 应的规律。因此在一定条件下，可以将Et等效为 电压， Ht等效为电流。北京交通大学 Beijing Jiaotong Universityn为了定义任意横截面沿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. 模式电压U(z)正比于横向电场Et ；模式电流 I(z)正比于横向磁场Ht ；2.平均功率波导传输线与双线传输线的等效北京交通大学 Beijing Jiaotong University3.模式电压与模式电流之比等于模

10、式特性阻 抗。不同的模式可以导出不同的模式电压和模式电 流。模式特性阻抗TE10波阻抗TE10等效阻抗横截面不变横截面变化矩形波导波导传输线与双线传输线的等效北京交通大学 Beijing Jiaotong University 由上面导出的模式电压和模式电流一定满足传输 线方程。等效双线的模式特性阻抗为波导的等效阻抗（或 波阻抗）。等效双线的相位常数b 即为波导内 电磁波的相位常数。任何一段均匀传输线都可以看成等效双线，并可 以应用传输线理论进行分析。 但：双线中的电压、电流是唯一可确定的，等效 双线中模式电压和模式电流不能唯一确定，由阻 抗不确定性引起。北京交通大学 Beijing Jiao

11、tong University归一化阻抗 电压反射系数 可以直接测量归一化电压归一化电流二、电压、电流和阻抗归一化。波导传输线与双线传输线的等效可以唯一确定北京交通大学 Beijing Jiaotong University归一化入射波电压和电流入射波功率传输的有功功率归一化反射波电压和电流反射波功率功率反射系数波导传输线与双线传输线的等效北京交通大学 Beijing Jiaotong University 引言 波导传输线与双线传输线等效 微波元件等效为微波网络的原理 二端口微波网络 基本电路单元的参量矩阵 微波网络的工作特性参量内容提要 北京交通大学 Beijing Jiaotong Un

12、iversityn参考面的位置可以任意选，但必须考虑： 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； 2.选择的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。n如果参考面位置改变，则网络参数也随之改 变。微波元件等效为微波网络北京交通大学 Beijing Jiaotong University 对于单模传输情况来说，微波网络的外接传输线 的路数与参考面的数目相等。微波元件等效为微波网络北京交通大学 Beijing Jiaotong University微波元件等效为微波网络原理 电磁场唯一性定理：如果一个闭

13、合曲面上的切 向电场（或切向磁场）给定，或者一部分闭合曲 面上给切向电场，另一个部分封闭面给切向磁场 ，那么封闭面内的电磁场就唯一确定。 微波网络的边界是由理想导体和网络参考面构 成的，理想导体表面的切向电场均为零，因此只 需要给定参考面上切向电场（或切向磁场），或 者一部分参考面上给出切向电场，另一部分参考 面给出切向磁场，则区域内的电磁场唯一确定。北京交通大学 Beijing Jiaotong University 切向电场-模式电压，切向磁场-模式电流， 因此如果各参考面上的模式电压都给定，则可以 确定各参考面的模式电流，反之亦然。 如果网络内部的媒质是线性媒质，则各个参 考面上的模式电

14、压和模式电流之间的关系也是 线性的，满足线性叠加原理，网络称为线性网 络。微波元件等效为微波网络北京交通大学 Beijing Jiaotong University线性叠加原理：对于n端口线性网络，如果各参考面上都有电流作用，则某参考面上的电压为各个参考 面上电流单独作用在该参考面时引起的电压响应之 和，即 式中Zmn为阻抗参量，若m=n则称为自阻抗，若 mn则称为转移阻抗（或互阻抗），表示参考面 n上的电流作用在参考面m上产生的电压响应。微波元件等效为微波网络北京交通大学 Beijing Jiaotong University同样，对于n端口线性网络，如果各参考面上都有电 压作用，则某参考面

15、上的电流为各参考面上电压单独 作用在该参考面时引起的电流响应之和，即:式中Ymn为导纳参量，若m=n称为自导纳，若mn称为 转移导纳（或互导纳），表示参考面n上的电压作用 在参考面m上产生的电流响应 。微波元件等效为微波网络北京交通大学 Beijing Jiaotong University矩阵方程阻抗矩阵导纳矩阵微波元件等效为微波网络北京交通大学 Beijing Jiaotong University微波网络的特性微波网络的分类按网络的特性分： 1. 线性与非线性网络：模式电压与电流是否呈线 性关系。一般，无源微波元件等效为线性网络， 有源元件等效为非线性网络。 2. 可逆（互易）与不可逆网

16、络：各向同性媒质。 3. 无耗与有耗网络：无耗媒质+理想导体 4. 对称与非对称网络：微波元件结构对称 按微波元件的功能分： 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 北京交通大学 Beijing Jiaotong University微波网络的性质 1. 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2. 对于可逆网络，则有下列互易特性3. 对于对称网络，则有 微波网络的特性北京交通大学 Beijing Jiaotong University 引言 波导传输线与双线传输线等效 微波元件等效为微波网络的原理 二端口微波网络 基本电路单元的参量矩阵 微波网络的工作特性参量内容提要 北京交通大学 Beijing Jiaotong University二端口微波网络 1.二端口微波网络的网络参量n二端口微波网络是最基本的微波网络。例如： 衰减器、移相器、阻抗变换器和滤波器等。 n表征二端口微波网