第10讲2016射频网络参数

1、电子与信息学院电子与信息学院第第1010讲讲 射频网络参数射频网络参数 谢泽明华南理工大学电子与信息学院Email:射频电路与天线射频电路与天线RF Circuits and AntennasRF Circuits and Antennas电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology第第1010讲内容讲内容v射频电路基本模型射频电路基本模型v波导等效为双线波导等效为双线v不连续性区域等效为网络不连续性区域等效为网络v网络参数网络参数 Z Z矩阵（阻抗参数）矩阵（阻抗参数） Y Y矩阵（导纳参数）矩阵（导纳参数） A A矩阵（转移参数）矩阵

2、（转移参数） S S矩阵（散射参数）矩阵（散射参数） T T矩阵（转移参数）矩阵（转移参数）v基本电路的网络参数基本电路的网络参数电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology10.1 10.1 射频电路的基本模型射频电路的基本模型v射频电路实现方法：射频电路实现方法： 用传输线连接射频元件实现射频电路用传输线连接射频元件实现射频电路Antenna电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyv射频元件的实现方法：射频元件的实现方法： 低频段：传输线上放置集总参数元件（电阻、电容、电低频

3、段：传输线上放置集总参数元件（电阻、电容、电感、晶体管等）感、晶体管等） 中高频段：平行双线（开路线、短路线、耦合线等）中高频段：平行双线（开路线、短路线、耦合线等） 高频段：波导中的不均匀段高频段：波导中的不均匀段电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyv微波元件之波导螺钉滤波器微波元件之波导螺钉滤波器电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyv射频电路基本模型射频电路基本模型 射频电路可以分解为传输线与基本元件的组合射频电路可以分解为传输线与基本元件的组合 相对于传输线，基

4、本元件就是不连续区域相对于传输线，基本元件就是不连续区域 射频电路模型：传输线和不连续区域的组合射频电路模型：传输线和不连续区域的组合 均匀系统均匀系统 不连续性系统不连续性系统 均匀系统均匀系统双口微波网络双口微波网络1T2T1U1U2U2U入波入波出出波波透射波透射波电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyv分析和设计射频电路的网络方法分析和设计射频电路的网络方法 射频元件本质是用波导不连续性控制电磁波的传输特性，射频元件本质是用波导不连续性控制电磁波的传输特性，本质是电磁场问题，基本分析方法是求解电磁场。本质是电磁场问题，基本分

5、析方法是求解电磁场。 为了方便工程应用，发展了等效网络方法：为了方便工程应用，发展了等效网络方法：Y把不连续区域等效为电路网络把不连续区域等效为电路网络Y端口上的电磁场用等效电压和等效电流描述端口上的电磁场用等效电压和等效电流描述Y传输特性用网络参数描述其特性传输特性用网络参数描述其特性 均匀系统均匀系统 不连续性系统不连续性系统 均匀系统均匀系统双口微波网络双口微波网络1T2T1U1U2U2U入入波波出出波波透射透射波波电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyp波导等效为平行双线p波导端口可以等效为两个端子p端口上的电磁场可以用等效

6、电压与电流表示p射频器件（不连续区域）等效为网络p射频器件的传输特性用电路网络参数表征p实际上一段传输线也可以等效为一个两端口网络p等效的基础：两者有相同的传输特性微波网络方法：电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyv微波网络的思想微波网络的思想 黑箱方法黑箱方法不管不连续性区域内部的构成怎样，统一的看成不管不连续性区域内部的构成怎样，统一的看成一个一个“黑箱黑箱”。通过。通过“黑箱黑箱”各端口上激励与响应之间的关系各端口上激励与响应之间的关系表征表征“黑箱黑箱”的特性。的特性。 等效原理等效原理把电磁波的反射、透射问题等效为电压、

7、电流信把电磁波的反射、透射问题等效为电压、电流信号的传输问题，在外部特性相同的基础上把微波元件等效为电号的传输问题，在外部特性相同的基础上把微波元件等效为电路网络路网络 电路方法电路方法把麻烦的电磁问题简化为熟知的电路问题来解决把麻烦的电磁问题简化为熟知的电路问题来解决 均匀系统均匀系统 不连续性系统不连续性系统 均匀系统均匀系统双口微波网双口微波网络络1T2T1U1U2U2U入入波波出出波波透射透射波波电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyv简单、容易描述，可用电路网络参数描述简单、容易描述，可用电路网络参数描述v工程上容易实现工

8、程上容易实现v只关心外部特性，不关心内部场分布只关心外部特性，不关心内部场分布v网络参数可以用测量方法获得，避免复杂的场计算网络参数可以用测量方法获得，避免复杂的场计算v复杂电路可以看成网络的组合，便于计算复杂射频电路。复杂电路可以看成网络的组合，便于计算复杂射频电路。网络思想的优点晶体管输入匹配输出匹配隔直电容偏置电路偏置电路等效电路电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology射频网络的特点：v本质上是场，属分布参数，在外部特性相同的基础上等效为电路本质上是场，属分布参数，在外部特性相同的基础上等效为电路网络。网络。v与波导模式有关，模

9、式不同，等效的结果不同。与波导模式有关，模式不同，等效的结果不同。v与参考面选取有关，参考面不同，等效网络不同。与参考面选取有关，参考面不同，等效网络不同。v与频率有关，频率段不同，等效的结果不同。与频率有关，频率段不同，等效的结果不同。v等效为电路网络后，电流电压没有实际意义，只代表电场与磁场等效为电路网络后，电流电压没有实际意义，只代表电场与磁场的分布。的分布。 均匀系统均匀系统 不连续性系统不连续性系统 均匀系统均匀系统双口微波网双口微波网络络1T2T1U1U2U2U入入波波出出波波透射透射波波电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technol

10、ogy参考面选取原则p选取参考面的原则选取参考面的原则 参考面应离不连续性足够远，以使不连续性参考面应离不连续性足够远，以使不连续性引起的高次截止模在参考面上消失掉；引起的高次截止模在参考面上消失掉； 参考面必须与传输线垂直，以使场的横向分参考面必须与传输线垂直，以使场的横向分量落在参考面上。量落在参考面上。 均匀系统均匀系统 不连续性系统不连续性系统 均匀系统均匀系统双口微波网络双口微波网络1T2T1U1U2U2U入波入波出出波波透射波透射波电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology射频网络的分类：v按端口数：单端口网络、双端口网络、

11、按端口数：单端口网络、双端口网络、v按是否线性媒质：线性网络、非线性网络。按是否线性媒质：线性网络、非线性网络。v按是否有耗：有耗网络和无耗网络按是否有耗：有耗网络和无耗网络v按是否可逆：互易网络和非互易网络按是否可逆：互易网络和非互易网络v按是否有源：有源网络和无源网络按是否有源：有源网络和无源网络v按是否对称：对称网络和非对称网络按是否对称：对称网络和非对称网络电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology不连续区域等效为网络的例子电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyzxy

12、0000( , )( , )j zj ztj zj ztEe x yE eE eEEHh x yeeZZ0000( ) 1( )()j zj zj zj zcU zU eU eI zU eU eZ结论：结论： 各种传输线的纵向分布问题与平行双线的纵向分布相同，可各种传输线的纵向分布问题与平行双线的纵向分布相同，可以把波导等效为平行双线。以把波导等效为平行双线。10.210.2 波导等效为平行双线波导等效为平行双线 00001jzjzjzjzE zE eE eH zE eE eZ波0000( ) 1( )()j zj zj zj zcU zU eU eI zU eU eZ电子与信息学院电子与信息

13、学院South China University of Technology等效与选用的模式有关电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyn纵向相对分布相同的基础上波导等效为平行双线纵向相对分布相同的基础上波导等效为平行双线用电压代表电场纵向分布的相对大小。用电压代表电场纵向分布的相对大小。用电流代表磁场纵向分布的相对大小。用电流代表磁场纵向分布的相对大小。电场和磁场可以写成：电场和磁场可以写成： ：电场矢量模函数；电场矢量模函数； ：磁场矢量模函数；：磁场矢量模函数； ：等效电压；：等效电压； ：等效电流；：等效电流；等效电压和等效电

14、流不是真实的电压和电流。等效电压和等效电流不是真实的电压和电流。没有电压和电流的量纲。没有电压和电流的量纲。等效电压和等效电流的选取有一定任意性。等效电压和等效电流的选取有一定任意性。( , )( )tEe x y U z( , ) ( )tHh x y I z( , )te x y( , )th x y( )U z( )I zzxy等效电压与等效电流电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyv等效电压和等效电流的选取要求满足归一化条件：v目的：使等效后两者计算的传输功率相同。 问题1：满足归一化条件的等效电压和等效电流是否唯一确定？问

15、题2：等效传输线的特性阻抗？归一化条件( , )( )tEe x y U z( , ) ( )tHh x y I zt11ReRe( ) ( )22ttSdsU z I zEH1 TttSeh ds称归一化条件推导：1 TttSeh dszxy电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyv波导上的电磁波等于正向波和反向波叠加。波导上的电磁波等于正向波和反向波叠加。v对于正向波，有：对于正向波，有：v选定等效电压和等效电流后，等效特性阻抗：选定等效电压和等效电流后，等效特性阻抗：v等效特性阻抗没有实际物理，也没有阻抗量等效特性阻抗没有实际物

16、理，也没有阻抗量纲。纲。v等效特性阻抗与波导的波阻抗成正比等效特性阻抗与波导的波阻抗成正比v显然，等效特性阻抗有任意性，通常可以根显然，等效特性阻抗有任意性，通常可以根据具体的需要先规定波导的等效特性阻抗据具体的需要先规定波导的等效特性阻抗（比如等于波阻抗，或干脆等于（比如等于波阻抗，或干脆等于1），然后），然后据此定义等效电压和电流。据此定义等效电压和电流。v矩形波导矩形波导TE10波的等效阻抗：波的等效阻抗： 参见课本参见课本5.2.2v等效特性阻抗：正向波等效电压和正向波等等效特性阻抗：正向波等效电压和正向波等效电流之比效电流之比v选定等效电压和电流后，等效传输线的特性选定等效电压和电流

17、后，等效传输线的特性阻抗：阻抗：等效特性阻抗特性阻抗0( , )( )( , )jzttEe x y Uze x y U ezxy/cZUI0( , )( )( , )j zttHh x y Izh x y I e电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology归一化电压与归一化电流v波导等效为平行双线后，一般采用归一化电压与归一波导等效为平行双线后，一般采用归一化电压与归一化电流，定义：化电流，定义：v归一化电压与电流满足归一化条件：归一化电压与电流满足归一化条件：v归一化后，等效输入阻抗为归一化阻抗：归一化后，等效输入阻抗为归一化阻抗：C

18、ZUU 归一化电压归一化电压CZII 归一化电流归一化电流t111Re( ) ( )Re( ) ( )Re222ttSU z I zU z I zds EHin inCCCCUUZUZIZZI ZIZzxy电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyv归一化后，等效特性阻抗等于归一化后，等效特性阻抗等于1 1v归一化入射波电压等于归一化入射波电流：归一化入射波电压等于归一化入射波电流：v对于反射波，归一化反射波电压等于归一化反射波电对于反射波，归一化反射波电压等于归一化反射波电流的负值：流的负值：v归一化电压方便计算的入射波和反射波功率归

19、一化电压方便计算的入射波和反射波功率CUZ II C/1 1CCCCUZZUUIIZZIZ221Re21iiiiUIUP21122rrrrPRe UIUCUZ II电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technologyv归一化等效阻抗可以用反射系数测量。归一化等效阻抗可以用反射系数测量。v归一化后可以很方便地利用传输线理论和圆图等工具归一化后可以很方便地利用传输线理论和圆图等工具计算波导的传输问题计算波导的传输问题11inZ 11inZ11ininZZ tan1tanLinLZjlZjZl22 ( )LjljlLLlee 电子与信息学院电子与信息学

20、院South China University of Technologyv等效的依据：时变电磁场的唯一性定理等效的依据：时变电磁场的唯一性定理 由电磁场理论可以证明：区域内的电磁场由区域边界上的电场切由电磁场理论可以证明：区域内的电磁场由区域边界上的电场切向分量向分量或或磁场切向分量唯一确定磁场切向分量唯一确定10.3 不连续区域等效为电路网络 均匀系统均匀系统 不连续性系统不连续性系统 均匀系统均匀系统双口微波网络双口微波网络1T2T1U1U2U2U入波入波出出波波透射波透射波1tE2tE1tH2tH0E 0H 电子与信息学院电子与信息学院South China University of

21、 Technologyv等效的原理：等效的原理： 1、做闭合面包围波导不连续区域，在波导处闭合面垂直于波导。、做闭合面包围波导不连续区域，在波导处闭合面垂直于波导。 2、闭合面上只有在参考面上有不为、闭合面上只有在参考面上有不为0的电磁场，由唯一性定理，的电磁场，由唯一性定理，不连续区域内的电磁场可以由端口上切向磁场唯一确定。不连续区域内的电磁场可以由端口上切向磁场唯一确定。 3、相应地端口上切向电场也就有端口切向磁场唯一确定。、相应地端口上切向电场也就有端口切向磁场唯一确定。 4、把波导等效为平行双线，端口切向电场用电压代表，切向磁、把波导等效为平行双线，端口切向电场用电压代表，切向磁场用电

22、流代表，于是端口上的等效电流可以唯一确定端口等效电场用电流代表，于是端口上的等效电流可以唯一确定端口等效电压。对于线性系统，满足叠加原理：压。对于线性系统，满足叠加原理：v结论结论：不连续区域由一个线性网络等效：不连续区域由一个线性网络等效 均匀系统均匀系统 不连续性系统不连续性系统 均匀系统均匀系统双口微波网双口微波网络络1T2T1U1U2U2U入入波波出出波波透射透射波波1tE2tE1tH2tH0E 0H NNNNNNNNNNIZIZIZUIZIZIZUIZIZIZU.22112222121212121111电子与信息学院电子与信息学院South China University of T

23、echnologyv射频电路可以等效为网络，端口电场用电压表示，端口磁场射频电路可以等效为网络，端口电场用电压表示，端口磁场用电流表示。用电流表示。v对于线性网络，某一端口的响应是由各个端口的激励所产生对于线性网络，某一端口的响应是由各个端口的激励所产生的响应线性叠加而成，依照这一原理，根据激励量选择的不的响应线性叠加而成，依照这一原理，根据激励量选择的不同，可以定义各种各样的网络参量矩阵。同，可以定义各种各样的网络参量矩阵。v端口量选用电压、电流端口量选用电压、电流Z参量、参量、Y参量、参量、A参量参量v端口量选用入射、反射波端口量选用入射、反射波S参量、参量、T参量参量v网络参数反映各端口

24、量的关系网络参数反映各端口量的关系10.4 网络参数电子与信息学院电子与信息学院South China University of TechnologyZ Z参数参数阻抗矩阵v取各端口上的电流为激励，则各端口上的响应电压是取各端口上的电流为激励，则各端口上的响应电压是各电流激励的结果的叠加。各电流激励的结果的叠加。v矩阵矩阵Z Z称为阻抗矩阵，反映了网络电流与电压的关系，称为阻抗矩阵，反映了网络电流与电压的关系，但只与网络自身有关，与激励和响应无关。但只与网络自身有关，与激励和响应无关。NNNNNNNNNNIZIZIZUIZIZIZUIZIZIZU.22112222121212121111 I

25、ZU 0,0,0 ijiiiiijijIIUUZZII其他为0其他为电子与信息学院电子与信息学院South China University of TechnologyZ1I2I1U2U1T2T2CZ1CZ211212112212001212212100 IIIIUUZZIIUUZZII111 1122221 1222UZ IZ IUZ IZ I自阻抗互阻抗电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology互易网络互易网络无耗网络无耗网络无耗互易网络无耗互易网络对称二端口网络对称二端口网络11221221ZZZZ；Z1I2I1U2U1T2T2C

26、Z1CZZ矩阵的性质 TZZ ZZ *T：共轭转置 *ZZ 电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology电子与信息学院电子与信息学院South China University of TechnologyY Y矩阵导纳矩阵v取各端口上的电压为激励，则各端口上的响应电流是取各端口上的电压为激励，则各端口上的响应电流是各电压激励的结果的叠加。各电压激励的结果的叠加。v矩阵矩阵Y Y称为导纳矩阵，反映了网络电压与电流的关系，称为导纳矩阵，反映了网络电压与电流的关系，但只与网络自身有关，与激励和响应无关。但只与网络自身有关，与激励和响应无关。11

27、111221221122221122.NNNNNNNNNNIY UY UY UIY UY UY UIY UY UY U IYU0,0,0 ijiiiiijijUUIIYYUU其他为0其他为电子与信息学院电子与信息学院South China University of TechnologyY1I2I1U2U1T2T1cY2cY22212122121111UYUYIUYUYI IYU211211111212002222212100 UUUUIIYYUUIIYZUU电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology互易网络互易网络无耗网络无耗网络无耗

28、互易网络无耗互易网络对称二端口网络对称二端口网络11221221YYYY；Y矩阵的特点 TYY YY *T：共轭转置 *YY Y1I2I1U2U1T2T1cY2cY电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology网络并联电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology电子与信息学院电子与信息学院South China University of TechnologyA A矩阵转移矩阵A1I2I1U2U1T2T2CZ1CZ22222112122111IAUAIIAUAU 2211 IUAIU0

29、21210212202112021112222 IUUIUIAIIAIUAUUA电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology互易网络互易网络无耗网络无耗网络 对角线为实数，非对角线为虚数对角线为实数，非对角线为虚数对称二端口网络对称二端口网络 1122det1AAA； A矩阵的特点 11221221det1AA AA AA1I2I1U2U1T2T2CZ1CZ电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology网络级联：网络级联：在A矩阵的定义中，输出端口的电流之所以选为负值是因为这样定义的A

30、矩阵特别方便计算级联网络的A矩阵电子与信息学院电子与信息学院South China University of TechnologyS矩阵散射参数v用端口的入射波计算端口的反射波（出射波）用端口的入射波计算端口的反射波（出射波）1a2a3ana1b2b3bnb123nSnnnnnnnnaaaSSSSSSSSSbbb2121222211121121 kikCkkrkCkaUZbUZ归一化电压进波归一化电压出波 bSa)(0jiabSjaiiii)(0jiabSiajiij其他口匹配时其他口匹配时i i口的反射系数口的反射系数其他口匹配时其他口匹配时j j口口到到i i口的传输系数口的传输系数Zck为第k口的特性阻抗电子与信息学院电子与信息学院South China University of TechnologyS1a2a1b2b对于双口网络对于双口网络22212122121111aSaSbaSaSb012210111122aaabSabS021120222211aaabSabS电子与信息学院电子与信息学院South China University of Technology电子与信