微波電路CAD-重慶郵電大學(xué)-6

1、微波電路微波電路CAD主 講 ：王王 斌光電工程學(xué)院光電工程學(xué)院6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析阻抗：場理論和傳輸線或電路理論之間的紐帶。 特性阻抗首先在首先在1919世紀(jì)由世紀(jì)由亥維賽亥維賽用來描述含有電阻器、電感用來描述含有電阻器、電感器和電容器的器和電容器的交流電路交流電路中的中的復(fù)數(shù)比復(fù)數(shù)比V/IV/I。2020世紀(jì)世紀(jì)3030年代，年代，謝昆諾夫謝昆諾夫認(rèn)為阻抗的概念可以推廣認(rèn)為阻抗的概念可以推廣到到電磁場電磁場，可以看做是，可以看做是場型的特征場型的特征。0Rj LVVZIIGj C 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析阻抗不同不同形式形式的的阻抗阻抗及相應(yīng)及相應(yīng)

2、符號：符號： 表示媒質(zhì)的表示媒質(zhì)的本征阻抗本征阻抗。該阻抗僅與媒質(zhì)的材料。該阻抗僅與媒質(zhì)的材料參量有關(guān)，并且等于平面波的參量有關(guān)，并且等于平面波的波阻抗波阻抗。 表示表示波阻抗波阻抗。該阻抗是特定波型的一種特。該阻抗是特定波型的一種特性，性，TEM波、波、TE波和波和TM波有著不同的波阻抗波有著不同的波阻抗ZTEM、ZTE、ZTM,具體取決于傳輸線和波導(dǎo)的類型、材料性質(zhì)具體取決于傳輸線和波導(dǎo)的類型、材料性質(zhì)和工作頻率。和工作頻率。 表示特征阻抗。該阻抗是傳輸線上的行表示特征阻抗。該阻抗是傳輸線上的行波電壓與電流之比。波電壓與電流之比。 1wttwZE HY001VZL CYI6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析

3、微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)的定義 低頻電路網(wǎng)絡(luò)：低頻電路網(wǎng)絡(luò)： 由元器件（如電容、電感、電阻、晶體管由元器件（如電容、電感、電阻、晶體管.）組成的）組成的電路系統(tǒng)。最簡單的電路網(wǎng)絡(luò)可能只包含一個元器件。電路系統(tǒng)。最簡單的電路網(wǎng)絡(luò)可能只包含一個元器件。 微波網(wǎng)絡(luò)：微波網(wǎng)絡(luò)： 由微波元器件（膜片、銷釘、衰減器、由微波元器件（膜片、銷釘、衰減器、E ET T分支、微波分支、微波二極管、微波三極管二極管、微波三極管）組成的微波電路系統(tǒng)。）組成的微波電路系統(tǒng)。 最簡單的微波網(wǎng)絡(luò)可能只包含一個微波元器件。即，任最簡單的微波網(wǎng)絡(luò)可能只包含一個微波元器件。即，任何一個微波元器件，或若干個微波元器件組成的電路系統(tǒng)，何

4、一個微波元器件，或若干個微波元器件組成的電路系統(tǒng)，都可以稱為一個都可以稱為一個微波網(wǎng)絡(luò)微波網(wǎng)絡(luò)。6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析l優(yōu)點：1.1.大量減少無源、有源器件數(shù)目；大量減少無源、有源器件數(shù)目；2.2.避開電路的復(fù)雜性和非線性效應(yīng)；避開電路的復(fù)雜性和非線性效應(yīng)；3.3.簡化網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出特性的關(guān)系；簡化網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出特性的關(guān)系；4.4.不必了解系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)就可以通過實驗確定網(wǎng)絡(luò)輸入、輸不必了解系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)就可以通過實驗確定網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出參數(shù)。出參數(shù)。lZ矩陣(阻抗矩陣) 矩陣矩陣ZZ稱為阻抗矩陣，反映了網(wǎng)絡(luò)電壓與電流的關(guān)系，但只稱為阻抗矩陣，反映了網(wǎng)絡(luò)電壓與電流的關(guān)系，但只與網(wǎng)絡(luò)自身有

5、關(guān)，與激勵和響應(yīng)無關(guān)。與網(wǎng)絡(luò)自身有關(guān)，與激勵和響應(yīng)無關(guān)。矩陣單元：矩陣單元：6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析0,0()ikiiiiIIi kUZI0,0()jkiijjIIj kUZI 111 11221221 122221 122 nnnnnnnnnnUZ IZ IZ IUZ IZ IZ IUZIUZ IZ IZ IlY矩陣(導(dǎo)納矩陣) 矩陣矩陣YY稱為導(dǎo)納矩陣，反映了網(wǎng)絡(luò)電流與電壓的關(guān)系，但只稱為導(dǎo)納矩陣，反映了網(wǎng)絡(luò)電流與電壓的關(guān)系，但只與網(wǎng)絡(luò)自身有關(guān)，與激勵和響應(yīng)無關(guān)。與網(wǎng)絡(luò)自身有關(guān)，與激勵和響應(yīng)無關(guān)。矩陣單元：矩陣單元：6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析 111112212211222211

6、22 nnnnnnnnnnIY UY UY UIY UY UY UIYUIY UY UY U0,0()ikiiiiUUi kIYU0,0()jkiijjUUj kIYUlZ矩陣與Y矩陣 ZZ與與YY非奇異時，非奇異時，ZZ與與YY奇異時，奇異時，6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析l形網(wǎng)絡(luò) Z Z矩陣參量矩陣參量Y Y矩陣參量矩陣參量6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析 ()1()ABCACACCABABCZZZZ ZZZ ZZZZZZZ 111111ABBABBBBCBBCZZZYYYYYYYZZZlABCD矩陣(級連矩陣)與h矩陣(混合矩陣) h h矩陣參量矩陣參量h h參量常用于分析低頻晶體管模型。

7、參量常用于分析低頻晶體管模型。6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析1212 vvABiCDi 111112212222vihhhhiv 211110vvhi111220ivhv222110vihi122220iihv輸入阻抗輸入阻抗輸出導(dǎo)納輸出導(dǎo)納反向電壓增益反向電壓增益正向電流增益正向電流增益l雙極結(jié)晶體管(Bipolar Junction Transister) h h參量參量6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析110CEBC BEBEieBBEBCvr rvhhirr120BBEBEreCEBEBCivrhhvrr210CECBCBEfeBBEBCvirrhhirr22011BCceCECEBEBC

8、iihhvrrr( (輸入阻抗輸入阻抗) )( (電壓反饋系數(shù)電壓反饋系數(shù)) )( (小信號電流增益小信號電流增益) )( (輸出導(dǎo)納輸出導(dǎo)納) )l網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián) 在求由兩個網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)組成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的矩陣參數(shù)時，采用在求由兩個網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)組成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的矩陣參數(shù)時，采用Z Z矩矩陣最為方便。陣最為方便。6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析 121212 IIIUUUZZZZIZIZZIl網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián) 在求由兩個網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)組成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的矩陣參數(shù)時，采用在求由兩個網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)組成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的矩陣參數(shù)時，采用Y Y矩矩陣最為方便。陣最為方便。6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析 11112222 iiivYYYYiiiv l

9、網(wǎng)絡(luò)的交叉連接 在求由兩個網(wǎng)絡(luò)交叉連接組成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的矩陣參數(shù)時，采用在求由兩個網(wǎng)絡(luò)交叉連接組成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的矩陣參數(shù)時，采用h h矩陣最為方便。矩陣最為方便。6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析 11111111212212122222222 iivvvhhhhhhhhhhhiiiv l網(wǎng)絡(luò)的級連 在求由兩個網(wǎng)絡(luò)級連組成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的矩陣參數(shù)時，采用在求由兩個網(wǎng)絡(luò)級連組成的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的矩陣參數(shù)時，采用ABCDABCD矩陣最為方便。矩陣最為方便。6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析112112 vvvABABABABABiiCDCDiCDCDCD lT形網(wǎng)絡(luò) ABCDABCD矩陣參量矩陣參量6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微

10、波網(wǎng)絡(luò)分析1110111010111AABABCCABCBCCZZ ZZZZZZZABCDZZZZl常用網(wǎng)絡(luò)的ABCD參量 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析l常用網(wǎng)絡(luò)的ABCD參量 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析l網(wǎng)絡(luò)參量的變換關(guān)系 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析l散射參量 確定確定Z Z參量、參量、Y Y參量、參量、h h參量以及參量以及ABCDABCD參量所必須的開路或短路參量所必須的開路或短路條件很難嚴(yán)格成立。利用條件很難嚴(yán)格成立。利用S S參量，射頻工程師可以在避開不現(xiàn)參量，射頻工程師可以在避開不現(xiàn)實的終端條件以及避免造成待測器件損壞的前提下，用兩端實的終端條件以及避免造成待測器件損壞的

11、前提下，用兩端口網(wǎng)絡(luò)的分析方法確定幾乎所有射頻器件的特征。口網(wǎng)絡(luò)的分析方法確定幾乎所有射頻器件的特征。 傳輸線上電壓和電流的解：傳輸線上電壓和電流的解： 如果分別用如果分別用a a和和b b表示歸一化入射波電壓和反射波電壓，則表示歸一化入射波電壓和反射波電壓，則歸一歸一化電壓和電流化電壓和電流為為 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析11 CCCuUUabiZUUabZZ6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析l散射參量導(dǎo)出 歸一化入射電壓波歸一化入射電壓波歸一化反射電壓波歸一化反射電壓波00nnnVaZ IZ0012nnnaVZ IZ00nnnVbZ IZ 0012nnnbVZ IZ平均功率平均功率2211

12、Re22nnnnnPV Iabl散射參量S 保持恒定的功率輸出和匹配終端條件。保持恒定的功率輸出和匹配終端條件。6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析l散射參量S的物理意義 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析0110inininZZSZZ 22211122GGVVSVV111111SVSWRS1120logRLS 輸入端口反射系數(shù)輸入端口反射系數(shù)正向電壓增益正向電壓增益l散射參量S的物理意義 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析0220outoutoutZZSZZ 11122222GGVVSVV輸出端口反射系數(shù)輸出端口反射系數(shù)反向電壓增益反向電壓增益l鏈形散射矩陣 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析lZ參量與S參量

13、之間的轉(zhuǎn)換 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析1112112212211202122211122122111222112(1)(1)22(1)(1)(1)(1)ZZSSS SSZZZSSSS SSSS S111221221102201221110220122112021011022012211()()()()2 2()()SSSSZZZZZ ZZZZZZ ZZ ZZ ZZZZZZ Zl節(jié)點導(dǎo)納矩陣法(不定導(dǎo)納矩陣法) 等效電路元件或網(wǎng)絡(luò)在按電路拓?fù)溥B接組成電路時，其端等效電路元件或網(wǎng)絡(luò)在按電路拓?fù)溥B接組成電路時，其端點的連接點將形成節(jié)點。節(jié)點導(dǎo)納矩陣法就是利用上述元件點的連接點將形成節(jié)點。節(jié)點導(dǎo)納

14、矩陣法就是利用上述元件或網(wǎng)絡(luò)的不定或網(wǎng)絡(luò)的不定( (待定待定) )導(dǎo)納矩陣建立整個電路導(dǎo)納矩陣并借以導(dǎo)納矩陣建立整個電路導(dǎo)納矩陣并借以分析電路的方法。分析電路的方法。 如左圖所示，設(shè)某個電路網(wǎng)絡(luò)有如左圖所示，設(shè)某個電路網(wǎng)絡(luò)有n n個節(jié)點。個節(jié)點。 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析節(jié)點導(dǎo)納矩陣的一般電路圖節(jié)點導(dǎo)納矩陣的一般電路圖節(jié)點節(jié)點j j與節(jié)點與節(jié)點k k之間的導(dǎo)納用之間的導(dǎo)納用y ykjkj或或y yjkjk表示，表示，y ykjkj=y=yjkjk。當(dāng)。當(dāng)k k節(jié)點與任意節(jié)點節(jié)點與任意節(jié)點j(j=1,2,j(j=1,2,n,n,且且j jk)k)有支路直接相連時，此兩節(jié)點之間有支路直接相連

15、時，此兩節(jié)點之間的導(dǎo)納才能定位的導(dǎo)納才能定位y ykjkj；而與；而與k k節(jié)點不直接相連節(jié)點不直接相連接的各節(jié)點接的各節(jié)點x x，與，與k k之間的導(dǎo)納應(yīng)定位零，即之間的導(dǎo)納應(yīng)定位零，即y ykxkx=0=0。l節(jié)點導(dǎo)納矩陣法(不定導(dǎo)納矩陣法) 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析節(jié)點導(dǎo)納矩陣的一般電路圖節(jié)點導(dǎo)納矩陣的一般電路圖根據(jù)基爾霍夫電流定律根據(jù)基爾霍夫電流定律( (流入與流出同一流入與流出同一節(jié)點的電流相等節(jié)點的電流相等) )，寫出，寫出k k節(jié)點的電流方程：節(jié)點的電流方程：ik為流入為流入k節(jié)點的外部電流；節(jié)點的外部電流；uj為為j節(jié)點電位；節(jié)點電位；uk為為k節(jié)點電位。節(jié)點電位。展開上

16、式，得：展開上式，得： 1()0nkjkkjjj kiuuy11nnkkkjjkjjjj kj kiu yu y11()nnkkjkkjkkkkkkjjj kj ku yuyuyu y 令令則則1nkkkjjj kyy 11nnkkkkjkjjkjjjj kiu yu yu y l節(jié)點導(dǎo)納矩陣法(不定導(dǎo)納矩陣法) 全電路有全電路有n n個節(jié)點，總計可以寫出個節(jié)點，總計可以寫出n n個電流方程，寫成矩陣個電流方程，寫成矩陣形式為形式為 寫成向量形式寫成向量形式 Y Y就稱為不定導(dǎo)納矩陣就稱為不定導(dǎo)納矩陣( (待定導(dǎo)納矩陣待定導(dǎo)納矩陣) )，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有n n個節(jié)點時，個節(jié)點時，不定導(dǎo)納矩陣

17、不定導(dǎo)納矩陣Y Y式式n nn n矩陣。矩陣。6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析11121112212222123 nnnnnnnnnyyyiuiyyyuiuyyyyIYUl不定(待定)導(dǎo)納矩陣的性質(zhì)(1)(1)列元素之和為零列元素之和為零(2)(2)行元素之和為零行元素之和為零(3)(3)不定導(dǎo)納矩陣不定導(dǎo)納矩陣Y Y的行列式值為零的行列式值為零(4)(4)若網(wǎng)絡(luò)的第若網(wǎng)絡(luò)的第t t個節(jié)點接地，則其不定導(dǎo)納矩陣降一階個節(jié)點接地，則其不定導(dǎo)納矩陣降一階 若節(jié)點若節(jié)點t t接地，則刪去第接地，則刪去第t t行和第行和第t t列的不定導(dǎo)納矩陣降一列的不定導(dǎo)納矩陣降一階，稱為定導(dǎo)納矩陣。階，稱為定導(dǎo)納矩

18、陣。 6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析121110nnnkkknkkkyyy121110nnnjjnjjjjyyy0Y l微波元器件不定導(dǎo)納矩陣(1)(1)集中參數(shù)元件集中參數(shù)元件 對于對于R R、L L、C C兩端元件，其不定導(dǎo)納矩陣為兩端元件，其不定導(dǎo)納矩陣為其中節(jié)點間的導(dǎo)納其中節(jié)點間的導(dǎo)納(2)(2)均勻傳輸線均勻傳輸線6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析yyYyy11Ryj Cj L10001000000tancsctan2csctantan2tantan2tan222jYjYjYYjYjYjYjYjYjYll微波元器件不定導(dǎo)納矩陣(3)(3)理想變壓器理想變壓器理想變壓器的不定導(dǎo)納矩陣為理想

19、變壓器的不定導(dǎo)納矩陣為6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析理想變壓器及其等效電路理想變壓器及其等效電路2222211111111(1)nRnRnRnYnRn Rn RnnnnRn Rn R l微波元器件不定導(dǎo)納矩陣(4)(4)微波半導(dǎo)體器件微波半導(dǎo)體器件6. 微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)分析晶體管小信號等效電路晶體管小信號等效電路11221122232311231213()()()()()()()mmmmGjCCj CGj CYgj CGjCCGgj CGgj CGj CGGgjCCl電路導(dǎo)納矩陣的建立方法 已知電路各元件的不定導(dǎo)納矩陣后，就可以根據(jù)各元件的已知電路各元件的不定導(dǎo)納矩陣后，就可以根據(jù)各元件的連接情況建立電路的導(dǎo)納矩陣。步驟：連接情況建立電路的導(dǎo)納矩陣。步驟：(1)(1)首先對電路所有節(jié)點進(jìn)行首先對電路所有節(jié)點進(jìn)行編號編號，編號從，編號從1 1開始直至開始直至n(nn(n為正整為正整數(shù)數(shù)) )，接地節(jié)點不編號或編為零號接地節(jié)點不編號或編為零號。(2)(2)對各元件的端點進(jìn)行編號并對各元件的端點進(jìn)行編號并建立不定導(dǎo)納矩陣建立不定導(dǎo)納矩陣。(3)(3)將各元件不定導(dǎo)納矩陣的元素將各元件不定導(dǎo)納矩陣的元素( (除與接地點相關(guān)的元素外除與接地點相關(guān)的元素外)