电磁波第6章-1.ppt

1、6.1 引言6.2 波导传输线与双线传输线的等效6.3 微波元件等效为微波网络的原理6.4 二端口微波网络参量6.5 基本电路单元的参量矩阵6.6 微波网络的工作特性参量,第6章 微波网络基础,微波网络理论：将电磁场理论与低频电路理论相结合，用于分析微波系统的方法。,6.1 引 言,微波系统组成,微波系统组成（1）均匀部分-微波传输线：（2）非均匀部分-微波元件：,双导体传输线+金属波波导传输线,微波的分支、接头、谐振器、滤波器等,低频电路网络理论：对于复杂电路的外特性（U、I ）的研究，可将该复杂电路等效为一个网络进行研究，不影响电路系统的整体功能。,微波网络理论的关键：,（1）波导等效为双

2、线（U、I），（2）微波元件(不均匀区)等效为微波网络，网络的外特性可用一组网络参量来表示，如图6-1-1所示，这就如同低频网络那样。,图6-1-1 不连续性等效为网络,1. 波导与长线,6.2 波导传输线与双线传输线的等效,波导相位常数：特性阻抗：传输功率：沿线电流、电压：？,长线相位常数：特性阻抗：Z0传输功率：沿线电流、电压：U(z)、I(z),2. 处理方法：求同存异,波导相位常数：特性阻抗：传输功率：沿线电流、电压：？,长线相位常数：特性阻抗：Z0传输功率：沿线电流、电压：U(z)、I(z),3. 波导的模式电压、模式电流,(1)建模原则,原则一：UMS(z)正比于横向电场 IMS

3、(z)正比于横向磁场,原则二：,原则三：,3. 波导的模式电压、模式电流,(2)求UMS(z)、 IMS (z),由 TE10模式：,(2)求UMS(z)、 IMS (z),(3)验证原则二、原则三,4、归一化模式电压、模式电流,重要关系式：,5. 微波网络各端口传输线为单模传输线微波网络参数是在微波传输线中只存在单一传输模式下确定的。例如，对矩形波导，是指TE10模；对微带线，是指准TEM模；对同轴线与带状线，是指TEM模。,当微波传输线中存在多模传输时，一般按其模式等效为一个多端口网络，如一个有n个传输模的单端口元件将等效成一个n端口网络，一个有n个传输模的二端口元件应等效为2n端口网络，

4、其网络参数仍按各个传输模式分别确定。,图2 多模传输时等效为一个多端口网络,6. 各端口传输线有相应的等效特性阻抗为了用网络理论分析微波系统，应将系统中的不均匀区域等效为网络，均匀传输线等效为平行双线。,在微波网络中，通过网络端口的能量是由端口横截面上的横向电场和横向磁场唯一确定的。,但正如我们在第5章知道，微波网络端口的等效模式电压、电流却存在着不确定性（与具体模式m、n有关），这是由于选取传输线等效特性阻抗不同的缘故。故此，在端口处的传输线一定要有相应的等效特性阻抗，并加以注明。,等效依据：把微波系统中的不均匀性(称为微波结)等效为网络是交变电磁场中的能量守恒定律。,6.3 微波元件等效为

5、微波网络的原理,假定有一个如图6-3-1所示，由良导体围成具有n个端口的微波结，T1，T2， Tn为各个端口的参考面，作一个封闭的曲面S包围此微波结，曲面在端口处与参考面重合。在参考面处只存在主模场，不存在高次模场。,图6-3-1 n端口微波结,参考面的选取原则：（1）参考面垂直传输线的纵向（即电磁波的传播方向）（2）参考面尽可能原理非均匀局域（不均匀区域的反射、叠加会产生高次模）,微波元件即可等效为微波网络。,微波网络的分类（1）线性网络和非线性网络构成网络的内部介质是否为线性介质。,（2）可逆网络与非可逆网络构成网络的内部介质是否为各向同性介质。,（3）无耗网络与有耗网络构成网络的内部介质

6、是否为有耗介质。,（4）对称网络与非对称网络构成网络的内部介质、元件是具有对称性（类型、个数、型号均对称）,（5）按端口数分类：单口网络、双口网络、三口、四口等。,（6）按描写网络的特性参数分类： 阻抗参数（Z参数） 导纳参数（Y参数） 转移参数（ A参数，杂散参数） 散射参数（S参数） 传输参数（T参数）,把微波系统中的不均匀性(称为微波结)等效为网络是基于复功率定理，即交变电磁场中的能量守恒定律。假定有一个如图6-3-1所示，由良导体围成具有n个端口的微波结，T1，T2， Tn为各个端口的参考面，作一个封闭的曲面S包围此微波结，曲面在端口处与参考面重合。在参考面处只存在主模场，不存在高次模

7、场。,6.3 微波元件等效为微波网络的原理,图6-3-1 n端口微波结,由电磁场理论可知，在封闭的曲面S上， 求复数坡印廷矢量的积分即可得到进入由封闭曲面所包围的空间V内的复功率及与该空间内电磁场能量之间的关系式，即,微波结是由良导体构成的，因此它与外界的能量交换只能通过端口来进行。这样，求封闭曲面S上复数坡印廷矢量的积分，实际上变为对各端口参考面上的积分， 即与各端口相连接的波导横截面上的积分。因此有,式中的下标i表示不同的端口；Si为各端口的横截面积(其法线方向指向端口内)。考虑到式(6-1-1)，上式可写为当各端口的基准矢量满足归一化条件时，则有 (6-3-1),6.4.1 阻抗参量Z如

8、图6-4-1所示为双端口网络，端口参考面T1、T2上的电压和电流的方向如图中所示。,6.4 线性二端口微波网络参量,图6-4-1 Z和Y参量网络,阻抗参量Z定义：双端口网络的电流 I1 、I2 都是激励，电压U1 、U2为响应，描写它们之间关系的参数即为 Z 参数。由线性网络的叠加定理和齐次定理，得线性网络方程为： (6-4-1),写成矩阵形式为 (6-4-2)或简写成 (6-4-3),Z 参数的意义,口2开路时，口1的输入阻抗；,口1开路时，口2到口1的转移阻抗；,口2开路时，口1到口2的转移阻抗；,口1开路时，口2的输入阻抗；,Z 参数的特点,统一表达式： 单位：欧姆,i=j，表示口i 输

9、入阻抗；,测试条件：端口开路。,ij，表示口j到口i的转移输入阻抗；,若以等效传输线的特性阻抗(即等效阻抗)进行归一化有则归一化的网络方程为 (6-4-4),其中 (6-4-5),对阻抗参量，若Z01=Z02，则网络的互易性、对称性及无耗性可以表示为对互易网络： 对对称网络： 对无耗网络： (纯虚数),例6-4-1 求例图6-4-2所示可逆对称二端口网络的归一化矩阵。解 由参量定义式，归一化为由对称性知,图6-4-2 例6-4-1用图,解 由参量定义式，归一化为由对称性知,由互易性知故此网络Z为,6.4.2 导纳参量Y导纳参量Y定义：双端口网络的电流 I1 、I2 都是激励，电压U1 、U2为响应，描写它们之间关系的参数即为 Y 参数。由线性网络的叠加定理和齐次定理，得线性网络方程为： (6-4-6) 或 (6-4-7),Y 参数的意义,口2短路时，口1的输入导纳；,口1短路时，口2到口1的转移导纳；,口2短路时，口1到口2的转移导纳；,口1短路时，口2的输入导纳；,Y 参数的特点,统一表达式： 单位：西门子S,i=j，表示口i 输入导纳；,测试条件：端口短路。,ij，表示口j到口i的转移输入导纳；,归一化导纳的线性网络方程为： (