微波网络1ppt课件

现代微波网络理论与应用,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.TheoryanddesignofMicrowaveFilterLanHunter8.MicrowaveFilters，ImpendenceMatchingNetwork，andCouplingstructure(1964,1980)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）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(MicrowaveNetwork)可以按不同的方法进行分类。,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(ZParameter),二端口网络两个端口电压和电流的示意图。,(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,上式也可以表示为矩阵形式,也可简单表示为V=ZI,可见，由Z参量可将两端口的电压和电流联系起来。,二端口网络共有4个阻抗参量，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,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(YParameter),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,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,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,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,归一化导纳参量也可以表示为矩阵形式，即,3转移参量A(AParameter),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前的负号表示与下图中的电流正方向相反),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,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,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,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(sParameter),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=sv,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4.3-2二端口网络入、反射波示意图,由上面第2式可得,端口(2)不接匹配负载时，端口(1)的反射系数由上面第1式，可得,端口(2)不接匹配负载时，端口(2)所接负载的反射系数为,因此可得,端口(2)不接匹配负载时，端口(1)的反射系数？,显然，只有ZL=Z02，即L=0时，才有1=s11。,同理，当ZLZ02时，由端口(1)到端口(2)的归一化电压传输系数也不等于s21。,5传输参量t(tParameter),传输参量t是用端口(2)的归一化入、反射波电压表示端口(1)归一化入、反射波电压的参量。,写成矩阵形式为,t参量的元素中，除t11表示端口(2)接匹配负载时端口(1)到端口(2)的归一化电压传输系数s21的倒数外，其余各参量元素并无明显的物理意义。t参量对级联网络十分有用。,以上所述都是针对二端口网络而言的，对于多端口网络也有类似的定义。,例如，对四端口网络来说，若用s参量表示，则有,或,上述五种网络参量可用来表征同一个微波网络，因此它们之间必定能够相互转换。知道其中某一个参量就可以计算其他4个参量。在微波网络的综合与分析中，常常要用到网络参量之间的转换关系。,三、网络参量的性质,一般情况下，二端口网络的独立参量数目是四个。,但是，当网络具有某种特性(如对称性或可逆性等)时，网络的独立参量数将减少。,1可逆网络（互易网络）,可逆网络的可逆性用网络参量表示为,z12=z21y12=y21a11a22-a12a21=1s12=s21t11t22-t12t21=1,可见，由于可逆二端口网络的可逆性，网络的独立参量数将由4个减少至3个。,2对称网络,对称二端口网络的网络参量有如下关系,z11=z22y11=y22a11=a22s11=s22t12=-t21,可见，由于对称二端口网络的对称性，网络的独立参量数将由4个减少至3个。,3无耗网络,对于无耗二端口网络，其Z矩阵和Y矩阵中各参量元素均为虚数；a矩阵中的a11和a22为实数，a12和a21为虚数；,而s矩阵则满足酉正性，即ss=1,上式中，s是艾米特矩阵，s=s*T，其中，“*”表示共轭，“T”表示转置，1表示单位矩阵。,ss=1,将酉正性关系式展开,由上式可得,四、常用基本电路单元的网络参量,一个复杂的微波网络往往可以分解成一些简单的网络，称为基本电路单元。,若基本电路单元的网络参量已知，则复杂网络的参量便可通过矩阵运算来得到。,经常遇到的二端口基本电路单元有：串联阻抗、并联导纳、一段传输线和理想变压器等。,例1,求串联阻抗z的转移参量矩阵a。,解串联阻抗电路单元如下图所示。由转移参量的定义得,由网络的对称性可知a22=a11=1,由网络的可逆性可知a11a22-a12a21=1,由上面关系可求得,转移参量矩阵为,例2,如下图所示，求变比为1:n的理想变压器的散射矩阵s。,理想变压器示意图,解对于下图所示的理想变压器，由散射参量的定义及理想变压器的性质得,同理可得,所以，当端口(2)接匹配负载，即v2+=0时，有,于是得,由可逆性得,变比为1:n的理想变压器的散射参量矩阵为,五、参考面移动时网络参量的变化,前面所讨论的各种网络参量都事先确定了参考面。,当参考面移动以后，网络参量将发生变化，可以说这时它已变成另外一个网络了。,如果以总电压、总电流作为端口的状态变量，则当参考面移动时，它们将发生复杂的变化，从而使网络的Z、Y、a参量也将发生复杂变化；,而如果以归一化入、反射波电压作为状态变量，则当参考面移动时仅仅是归一化入、反射波电压的相角发生变化，其大小并不变，网络的参量元素sij、tij只发生简单的变化。因此，参考面移动时采用s参量和t参量分析较方便。,下图给出了参考面由原来的T1、T2分别往外移动1、2的电长度，变成了T1、T2。,网络的参考面移动,网络原来的参考面T1、T2，对应的散射参量矩阵为s，新的参考面T1、T2对应的散射参量矩阵为s，即,网络的参考面移动,由于入、反射波均为行波，因此两个端口向网络方向传输的入射波(上标为“+”者)相角分别比原来超前了1，2；而背离网络方向传输的反射波(上标为“-”者)相角分别比原来落后了1，2，即,网络的参考面移动,因此有,整理得,与,于是得,得,比较,从上面分析可以看到，当参考