21微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)解析課件

第2章微波網(wǎng)絡(luò)2.1網(wǎng)絡(luò)的基本概念2.3雙端口微波網(wǎng)絡(luò)的Z、Y、A參數(shù)及其歸一化參數(shù)2.4散射矩陣[S]4.5雙端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸散射矩陣2.6雙端口網(wǎng)絡(luò)的功率增益與工作特性參數(shù)2.2微波元件等效為網(wǎng)絡(luò)第2章微波網(wǎng)絡(luò)2.1網(wǎng)絡(luò)的基本概念2.3雙端口微波網(wǎng)2.1網(wǎng)絡(luò)的基本概念

任何一個復(fù)雜的微波系統(tǒng)都可以用電磁場理論和低頻網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合的方法來求解，這種理論稱為微波網(wǎng)絡(luò)理論。微波系統(tǒng)的研究方法：微波網(wǎng)絡(luò)理論

任何一個微波系統(tǒng),都是由各種微波元件和微波傳輸線組成。2.1網(wǎng)絡(luò)的基本概念任何一個復(fù)雜的微波系統(tǒng)微波電路或系統(tǒng)微波傳輸線微波等效網(wǎng)絡(luò)等效平行雙線等效集總參數(shù)電路

微波元件（或不連續(xù)性）電磁場理論低頻電路理論微波網(wǎng)絡(luò)理論微波微波傳輸線微波等效平等效集總微波元件電磁場理論低頻電微波網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn):(1)等效電路及其參量是對一個工作模式而言的，對于不同的模式有不同的等效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參量。(2)電路中不均勻點(diǎn)附近將會激起高次模，因此不均勻區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)端面（即參考面）需取得稍遠(yuǎn)離不均勻區(qū)，使不均勻區(qū)激勵起的高次模衰減到足夠小,此時高次模對工作模式的影響僅增加一個電抗值，可計入網(wǎng)絡(luò)參量之內(nèi)。微波網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn):(1)等效電路及其參量是對一個工作模式而言的，(3)由于均勻傳輸線是微波網(wǎng)絡(luò)的一部分,它的網(wǎng)絡(luò)參量與線的長度有關(guān)，因此整個網(wǎng)絡(luò)參考面也要嚴(yán)格規(guī)定，一旦參考面移動，則網(wǎng)絡(luò)參量就會改變。(4)微波網(wǎng)絡(luò)的等效電路及其參量只適用于一個頻段，當(dāng)頻率范圍大幅度變化時，對于同一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的阻抗和導(dǎo)納不僅有量的變化，而且性質(zhì)也會發(fā)生變化，致使等效電路及其參量也發(fā)生改變，而且頻率特性會重復(fù)出現(xiàn)。(3)由于均勻傳輸線是微波網(wǎng)絡(luò)的一部分,它的網(wǎng)絡(luò)(4)微波網(wǎng)

將微波元件等效為微波網(wǎng)絡(luò)，必須解決如下三個問題：1、確定微波元件的參考面；2、由橫向電磁場定義等效（模式）電壓、等效（模式）電流和等效（模式）阻抗，以便將均勻傳輸線等效為雙線傳輸線；3、確定一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、建立網(wǎng)絡(luò)方程，以便將不均勻區(qū)等效為網(wǎng)絡(luò)。將微波元件等效為微波網(wǎng)絡(luò)，必須解決1、確定微波微波網(wǎng)絡(luò)分類：對稱與非對稱微波網(wǎng)絡(luò)線性與非線性微波網(wǎng)絡(luò)互易與非互易微波網(wǎng)絡(luò)有耗與無耗微波網(wǎng)絡(luò)微波網(wǎng)絡(luò)理論包括網(wǎng)絡(luò)分析和網(wǎng)絡(luò)綜合。網(wǎng)絡(luò)分析：對微波元件進(jìn)行分析，求其特性網(wǎng)絡(luò)綜合：根據(jù)工作特性要求，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)分類：對稱與非對稱微波網(wǎng)絡(luò)線性與非線性微波網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)傳輸線2.2微波元件等效為網(wǎng)絡(luò)平行雙線不均勻區(qū)域集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)傳輸線2.2微波元件等效為網(wǎng)絡(luò)平行雙線不均勻區(qū)域集總一、歸一化電壓和電流與阻抗的概念

1、歸一化電壓和電流：任意一雙導(dǎo)體TEM傳輸線的正導(dǎo)體相對于負(fù)導(dǎo)體的電壓為：其積分路徑是從正導(dǎo)體到負(fù)導(dǎo)體。

正導(dǎo)體上總的電流為：積分回路是包圍正導(dǎo)體的任意閉合路徑。特性阻抗為：

TEM傳輸線等效電壓V、電流I和特性阻抗Z0是確定的！一、歸一化電壓和電流與阻抗的概念1、歸一化電壓和電流：任意對于非TEM傳輸線，以TE10模為例非TEM模的電壓、電流和和阻抗不是唯一的。對于非TEM傳輸線，以TE10模為例非TEM模的電壓、電流和

（1）電壓和電流僅對特定波導(dǎo)模式定義，且定義電壓與其橫向電場成正比，電流與其橫向磁場成正比。

（2）為了和電路理論中的電壓和電流應(yīng)用方式相似，等效電壓和電流的乘積應(yīng)當(dāng)?shù)扔谠撃Ｊ降墓β柿鳌?/p>

（3）單一行波的電壓和電流之比應(yīng)等于此線的特性阻抗。此阻抗可任意選擇。但通常選擇等于此微波傳輸線的波阻抗，或歸一化為1。三點(diǎn)規(guī)定：（1）電壓和電流僅對特定波導(dǎo)模式定義，且定義電

任何一段均勻傳輸線均可以看成等效雙線，并可應(yīng)用傳輸線理論來進(jìn)行分析。但必須指出：雙線中電壓和電流是唯一可以確定的，而等效雙線中模式電壓和模式電流不能唯一確定，這主要是由于阻抗的不確定性引起的，為了消除這種不確定性，必須引進(jìn)歸一化阻抗的概念，即任何一段均勻傳輸線均可以看成等效雙線，并可引入歸一化電壓和歸一化電流歸一化阻抗為功率為由此可得：引入歸一化電壓和歸一化電流歸一化阻抗為功率為由此可得：

傳輸線上的電壓、電流都是入射波與反射波的疊加，即

若傳輸線的特性阻抗為Z0，則任一點(diǎn)的歸一化電壓、電流為即傳輸線上任一點(diǎn)的歸一化電壓、電流僅由該點(diǎn)的歸一化入射波電壓（用a表示）和歸一化反射波電壓（用b

表示）確定。傳輸線上的電壓、電流都是入射波與反射波的傳輸線上的功率為即歸一化電壓、電流的量綱為傳輸線上的功率為即歸一化電壓、電流的量綱為三種阻抗形式：

a媒質(zhì)的固有阻抗它僅決定于媒質(zhì)的材料參數(shù)，且等于平面波的波阻抗。

b波阻抗。是特定導(dǎo)行波的特性參數(shù)，TEM、TM和TE導(dǎo)行波具有不同的波阻抗（、和）。它們與導(dǎo)行系統(tǒng)（傳輸線或波導(dǎo)）的類型、材料和工作頻率有關(guān)。

2、阻抗的概念c特性阻抗。是行波的電壓與電流之比。TEM導(dǎo)波的特性阻抗是唯一確定的；但TE和TM導(dǎo)波無唯一定義的電壓和電流，所以這種導(dǎo)波的特性阻抗可用不同方法定義。三種阻抗形式：a媒質(zhì)的固有阻抗它僅決二、均勻波導(dǎo)等效為平行雙線

可以證明，等效電壓、電流同樣滿足傳輸線方程，即：

式中Z1、Y1分別為串聯(lián)分布阻抗和并聯(lián)分布導(dǎo)納。1、若特性阻抗Z0選取為波阻抗，則有：對TE模：二、均勻波導(dǎo)等效為平行雙線可以證明，等效電壓、電流同樣對TM模：

這樣即可分別畫出TE和TM模波導(dǎo)的等效電路：傳輸TEmn模波導(dǎo)的等效電路對TM模：這樣即可分別畫出TE和TM模波導(dǎo)的等效電傳輸TMmn模波導(dǎo)的等效電路特性阻抗和傳播常數(shù)分別為：傳輸TMmn模波導(dǎo)的等效電路特性阻抗和傳播常數(shù)分別為：21微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)解析課件三、不連續(xù)（均勻）性等效為集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)

微波元件和系統(tǒng)都含有各種各樣的不均勻性（亦稱不連續(xù)性），包括：1截面形狀或材料性能在波導(dǎo)某處突然改變；2截面形狀或材料性能在一定距離內(nèi)連續(xù)改變；3均勻波導(dǎo)系統(tǒng)中的障礙物或孔縫；4波導(dǎo)分支。三、不連續(xù)（均勻）性等效為集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)微波元件和例如：對矩形波導(dǎo)中TE10模式:放置電容模片等效電路放置電感模片等效電路例如：對矩形波導(dǎo)中TE10模式:放置電容模片等效電路放置電感波導(dǎo)階梯等效電路

由上述分析可知，不均勻性可用集總元件網(wǎng)絡(luò)來等效。這樣，任一含不均勻性的波導(dǎo)元件便可按其端口波導(dǎo)數(shù)等效為一端口、二端口、或多端口微波網(wǎng)絡(luò)。波導(dǎo)階梯等效電路由上述分析可知，不均勻性可用集定義：第i

端口參考面處的等效入射波電壓和電流為、，反射波電壓和電流為、，第i端的總電壓和總電流為:定義的正向指向網(wǎng)絡(luò)。2.3雙端口微波網(wǎng)絡(luò)的阻抗Z、Y、A參數(shù)及其歸一化參數(shù)定義的正向指向網(wǎng)絡(luò)。2.3雙端口微波網(wǎng)絡(luò)的阻一、阻抗[Z]和導(dǎo)納[Y]矩陣若以為激勵量，為響應(yīng)量，則有：一、阻抗[Z]和導(dǎo)納[Y]矩陣若以為激勵量，為響或者寫成：稱為阻抗矩陣，稱為阻抗參數(shù)。寫成矩陣形式：或者寫成：稱為阻抗矩陣，稱為阻抗參數(shù)。寫成矩陣形式：同理，若以為激勵量，為響應(yīng)量，則有：或者寫成

和互為逆矩陣。

稱為導(dǎo)納矩陣，稱為導(dǎo)納參數(shù)。同理，若以為激勵量，為響應(yīng)量，則有：或者寫成二端口網(wǎng)絡(luò):阻抗矩陣:導(dǎo)納矩陣:網(wǎng)絡(luò)Z01Z02V1V2I1I2二端口網(wǎng)絡(luò):阻抗矩陣:導(dǎo)納矩陣:Z01Z02V1V2I1I2端口1開路時，端口2的輸入阻抗。端口2開路時，端口1到端口2的互阻抗。端口2開路時，端口1的輸入阻抗。端口1開路時，端口2到端口1的互阻抗。網(wǎng)絡(luò)Z01Z02V1V2I1I2端口1開路時，端口2的輸入阻抗。端口2開路時，端口1到端口2端口1短路時，端口2的輸入導(dǎo)納。端口2短路時，端口1到端口2的互導(dǎo)納。端口2短路時，端口1的輸入導(dǎo)納端口1短路時，端口2到端口1的互導(dǎo)納。網(wǎng)絡(luò)Z01Z02V1V2I1I2端口1短路時，端口2的輸入導(dǎo)納。端口2短路時，端口1到端口2例：求二端口T型網(wǎng)絡(luò)的Z參數(shù)。解：端口2開路端口1開路例：求二端口T型網(wǎng)絡(luò)的Z參數(shù)。解：端口2開路端口1開路端口2開路端口1開路故端口2開路端口1開路故2、互易網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)互易網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣均為對稱矩陣。對于二端口網(wǎng)絡(luò)：2、互易網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)互易網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣均為對稱矩陣。對第2章微波網(wǎng)絡(luò)2.1網(wǎng)絡(luò)的基本概念2.3雙端口微波網(wǎng)絡(luò)的Z、Y、A參數(shù)及其歸一化參數(shù)2.4散射矩陣[S]4.5雙端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸散射矩陣2.6雙端口網(wǎng)絡(luò)的功率增益與工作特性參數(shù)2.2微波元件等效為網(wǎng)絡(luò)第2章微波網(wǎng)絡(luò)2.1網(wǎng)絡(luò)的基本概念2.3雙端口微波網(wǎng)2.1網(wǎng)絡(luò)的基本概念

任何一個復(fù)雜的微波系統(tǒng)都可以用電磁場理論和低頻網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合的方法來求解，這種理論稱為微波網(wǎng)絡(luò)理論。微波系統(tǒng)的研究方法：微波網(wǎng)絡(luò)理論

任何一個微波系統(tǒng),都是由各種微波元件和微波傳輸線組成。2.1網(wǎng)絡(luò)的基本概念任何一個復(fù)雜的微波系統(tǒng)微波電路或系統(tǒng)微波傳輸線微波等效網(wǎng)絡(luò)等效平行雙線等效集總參數(shù)電路

微波元件（或不連續(xù)性）電磁場理論低頻電路理論微波網(wǎng)絡(luò)理論微波微波傳輸線微波等效平等效集總微波元件電磁場理論低頻電微波網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn):(1)等效電路及其參量是對一個工作模式而言的，對于不同的模式有不同的等效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參量。(2)電路中不均勻點(diǎn)附近將會激起高次模，因此不均勻區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)端面（即參考面）需取得稍遠(yuǎn)離不均勻區(qū)，使不均勻區(qū)激勵起的高次模衰減到足夠小,此時高次模對工作模式的影響僅增加一個電抗值，可計入網(wǎng)絡(luò)參量之內(nèi)。微波網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn):(1)等效電路及其參量是對一個工作模式而言的，(3)由于均勻傳輸線是微波網(wǎng)絡(luò)的一部分,它的網(wǎng)絡(luò)參量與線的長度有關(guān)，因此整個網(wǎng)絡(luò)參考面也要嚴(yán)格規(guī)定，一旦參考面移動，則網(wǎng)絡(luò)參量就會改變。(4)微波網(wǎng)絡(luò)的等效電路及其參量只適用于一個頻段，當(dāng)頻率范圍大幅度變化時，對于同一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的阻抗和導(dǎo)納不僅有量的變化，而且性質(zhì)也會發(fā)生變化，致使等效電路及其參量也發(fā)生改變，而且頻率特性會重復(fù)出現(xiàn)。(3)由于均勻傳輸線是微波網(wǎng)絡(luò)的一部分,它的網(wǎng)絡(luò)(4)微波網(wǎng)

將微波元件等效為微波網(wǎng)絡(luò)，必須解決如下三個問題：1、確定微波元件的參考面；2、由橫向電磁場定義等效（模式）電壓、等效（模式）電流和等效（模式）阻抗，以便將均勻傳輸線等效為雙線傳輸線；3、確定一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、建立網(wǎng)絡(luò)方程，以便將不均勻區(qū)等效為網(wǎng)絡(luò)。將微波元件等效為微波網(wǎng)絡(luò)，必須解決1、確定微波微波網(wǎng)絡(luò)分類：對稱與非對稱微波網(wǎng)絡(luò)線性與非線性微波網(wǎng)絡(luò)互易與非互易微波網(wǎng)絡(luò)有耗與無耗微波網(wǎng)絡(luò)微波網(wǎng)絡(luò)理論包括網(wǎng)絡(luò)分析和網(wǎng)絡(luò)綜合。網(wǎng)絡(luò)分析：對微波元件進(jìn)行分析，求其特性網(wǎng)絡(luò)綜合：根據(jù)工作特性要求，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)分類：對稱與非對稱微波網(wǎng)絡(luò)線性與非線性微波網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)傳輸線2.2微波元件等效為網(wǎng)絡(luò)平行雙線不均勻區(qū)域集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)傳輸線2.2微波元件等效為網(wǎng)絡(luò)平行雙線不均勻區(qū)域集總一、歸一化電壓和電流與阻抗的概念

1、歸一化電壓和電流：任意一雙導(dǎo)體TEM傳輸線的正導(dǎo)體相對于負(fù)導(dǎo)體的電壓為：其積分路徑是從正導(dǎo)體到負(fù)導(dǎo)體。

正導(dǎo)體上總的電流為：積分回路是包圍正導(dǎo)體的任意閉合路徑。特性阻抗為：

TEM傳輸線等效電壓V、電流I和特性阻抗Z0是確定的！一、歸一化電壓和電流與阻抗的概念1、歸一化電壓和電流：任意對于非TEM傳輸線，以TE10模為例非TEM模的電壓、電流和和阻抗不是唯一的。對于非TEM傳輸線，以TE10模為例非TEM模的電壓、電流和

（1）電壓和電流僅對特定波導(dǎo)模式定義，且定義電壓與其橫向電場成正比，電流與其橫向磁場成正比。

（2）為了和電路理論中的電壓和電流應(yīng)用方式相似，等效電壓和電流的乘積應(yīng)當(dāng)?shù)扔谠撃Ｊ降墓β柿鳌?/p>

（3）單一行波的電壓和電流之比應(yīng)等于此線的特性阻抗。此阻抗可任意選擇。但通常選擇等于此微波傳輸線的波阻抗，或歸一化為1。三點(diǎn)規(guī)定：（1）電壓和電流僅對特定波導(dǎo)模式定義，且定義電

任何一段均勻傳輸線均可以看成等效雙線，并可應(yīng)用傳輸線理論來進(jìn)行分析。但必須指出：雙線中電壓和電流是唯一可以確定的，而等效雙線中模式電壓和模式電流不能唯一確定，這主要是由于阻抗的不確定性引起的，為了消除這種不確定性，必須引進(jìn)歸一化阻抗的概念，即任何一段均勻傳輸線均可以看成等效雙線，并可引入歸一化電壓和歸一化電流歸一化阻抗為功率為由此可得：引入歸一化電壓和歸一化電流歸一化阻抗為功率為由此可得：

傳輸線上的電壓、電流都是入射波與反射波的疊加，即

若傳輸線的特性阻抗為Z0，則任一點(diǎn)的歸一化電壓、電流為即傳輸線上任一點(diǎn)的歸一化電壓、電流僅由該點(diǎn)的歸一化入射波電壓（用a表示）和歸一化反射波電壓（用b

表示）確定。傳輸線上的電壓、電流都是入射波與反射波的傳輸線上的功率為即歸一化電壓、電流的量綱為傳輸線上的功率為即歸一化電壓、電流的量綱為三種阻抗形式：

a媒質(zhì)的固有阻抗它僅決定于媒質(zhì)的材料參數(shù)，且等于平面波的波阻抗。

b波阻抗。是特定導(dǎo)行波的特性參數(shù)，TEM、TM和TE導(dǎo)行波具有不同的波阻抗（、和）。它們與導(dǎo)行系統(tǒng)（傳輸線或波導(dǎo)）的類型、材料和工作頻率有關(guān)。

2、阻抗的概念c特性阻抗。是行波的電壓與電流之比。TEM導(dǎo)波的特性阻抗是唯一確定的；但TE和TM導(dǎo)波無唯一定義的電壓和電流，所以這種導(dǎo)波的特性阻抗可用不同方法定義。三種阻抗形式：a媒質(zhì)的固有阻抗它僅決二、均勻波導(dǎo)等效為平行雙線

可以證明，等效電壓、電流同樣滿足傳輸線方程，即：

式中Z1、Y1分別為串聯(lián)分布阻抗和并聯(lián)分布導(dǎo)納。1、若特性阻抗Z0選取為波阻抗，則有：對TE模：二、均勻波導(dǎo)等效為平行雙線可以證明，等效電壓、電流同樣對TM模：

這樣即可分別畫出TE和TM模波導(dǎo)的等效電路：傳輸TEmn模波導(dǎo)的等效電路對TM模：這樣即可分別畫出TE和TM模波導(dǎo)的等效電傳輸TMmn模波導(dǎo)的等效電路特性阻抗和傳播常數(shù)分別為：傳輸TMmn模波導(dǎo)的等效電路特性阻抗和傳播常數(shù)分別為：21微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)解析課件三、不連續(xù)（均勻）性等效為集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)

微波元件和系統(tǒng)都含有各種各樣的不均勻性（亦稱不連續(xù)性），包括：1截面形狀或材料性能在波導(dǎo)某處突然改變；2截面形狀或材料性能在一定距離內(nèi)連續(xù)改變；3均勻波導(dǎo)系統(tǒng)中的障礙物或孔縫；4波導(dǎo)分支。三、不連續(xù)（均勻）性等效為集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)微波元件和例如：對矩形波導(dǎo)中TE10模式:放置電容模片等效電路放置電感模片等效電路例如：對矩形波導(dǎo)中TE10模式:放置電容模片等效電路放置電感波導(dǎo)階梯等效電路

由上述分析可知，不均勻性可用集總元件網(wǎng)絡(luò)來等效。這樣，任一含不均勻性的波導(dǎo)元件便可按其端口波導(dǎo)數(shù)等效為一端口、二端口、或多端口微波網(wǎng)絡(luò)。波導(dǎo)階梯等效電路由上述分析可知，不均勻性可用集定義：第i

端口參考面處的等效入射波電壓和電流為、，反射波電壓和電流為、，第i端的總電壓和總電流為:定義的正向指向網(wǎng)絡(luò)。2.3雙端口微波網(wǎng)絡(luò)的阻抗Z、Y、A參數(shù)及其歸一化參