第10講2016射頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

第10講射頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)謝澤明華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院Email:eezmxie@射頻電路與天線

RFCircuitsandAntennas

第10講內(nèi)容射頻電路基本模型波導(dǎo)等效為雙線不連續(xù)性區(qū)域等效為網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Z矩陣（阻抗參數(shù)）Y矩陣（導(dǎo)納參數(shù)）A矩陣（轉(zhuǎn)移參數(shù)）S矩陣（散射參數(shù)）T矩陣（轉(zhuǎn)移參數(shù)）基本電路的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)10.1射頻電路的基本模型射頻電路實(shí)現(xiàn)方法：用傳輸線連接射頻元件實(shí)現(xiàn)射頻電路Antenna無線通信系統(tǒng)原理框圖射頻元件的實(shí)現(xiàn)方法：低頻段：傳輸線上放置集總參數(shù)元件（電阻、電容、電感、晶體管等）中高頻段：平行雙線（開路線、短路線、耦合線等）高頻段：波導(dǎo)中的不均勻段微波元件之波導(dǎo)螺釘濾波器射頻電路基本模型射頻電路可以分解為傳輸線與基本元件的組合相對于傳輸線，基本元件就是不連續(xù)區(qū)域射頻電路模型：傳輸線和不連續(xù)區(qū)域的組合

均勻系統(tǒng)不連續(xù)性系統(tǒng)均勻系統(tǒng)雙口微波網(wǎng)絡(luò)入波出波透射波分析和設(shè)計(jì)射頻電路的網(wǎng)絡(luò)方法射頻元件本質(zhì)是用波導(dǎo)不連續(xù)性控制電磁波的傳輸特性，本質(zhì)是電磁場問題，基本分析方法是求解電磁場。為了方便工程應(yīng)用，發(fā)展了等效網(wǎng)絡(luò)方法：把不連續(xù)區(qū)域等效為電路網(wǎng)絡(luò)端口上的電磁場用等效電壓和等效電流描述傳輸特性用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)描述其特性

均勻系統(tǒng)不連續(xù)性系統(tǒng)均勻系統(tǒng)雙口微波網(wǎng)絡(luò)入波出波透射波波導(dǎo)等效為平行雙線波導(dǎo)端口可以等效為兩個(gè)端子端口上的電磁場可以用等效電壓與電流表示射頻器件（不連續(xù)區(qū)域）等效為網(wǎng)絡(luò)射頻器件的傳輸特性用電路網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表征實(shí)際上一段傳輸線也可以等效為一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)等效的基礎(chǔ)：兩者有相同的傳輸特性微波網(wǎng)絡(luò)方法：微波網(wǎng)絡(luò)的思想黑箱方法——不管不連續(xù)性區(qū)域內(nèi)部的構(gòu)成怎樣，統(tǒng)一的看成一個(gè)“黑箱”。通過“黑箱”各端口上激勵與響應(yīng)之間的關(guān)系表征“黑箱”的特性。等效原理——把電磁波的反射、透射問題等效為電壓、電流信號的傳輸問題，在外部特性相同的基礎(chǔ)上把微波元件等效為電路網(wǎng)絡(luò)電路方法——把麻煩的電磁問題簡化為熟知的電路問題來解決

均勻系統(tǒng)不連續(xù)性系統(tǒng)均勻系統(tǒng)雙口微波網(wǎng)絡(luò)入波出波透射波簡單、容易描述，可用電路網(wǎng)絡(luò)參數(shù)描述工程上容易實(shí)現(xiàn)只關(guān)心外部特性，不關(guān)心內(nèi)部場分布網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以用測量方法獲得，避免復(fù)雜的場計(jì)算復(fù)雜電路可以看成網(wǎng)絡(luò)的組合，便于計(jì)算復(fù)雜射頻電路。網(wǎng)絡(luò)思想的優(yōu)點(diǎn)晶體管輸入匹配輸出匹配隔直電容偏置電路偏置電路等效電路射頻網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：本質(zhì)上是場，屬分布參數(shù)，在外部特性相同的基礎(chǔ)上等效為電路網(wǎng)絡(luò)。與波導(dǎo)模式有關(guān)，模式不同，等效的結(jié)果不同。與參考面選取有關(guān)，參考面不同，等效網(wǎng)絡(luò)不同。與頻率有關(guān)，頻率段不同，等效的結(jié)果不同。等效為電路網(wǎng)絡(luò)后，電流電壓沒有實(shí)際意義，只代表電場與磁場的分布。

均勻系統(tǒng)不連續(xù)性系統(tǒng)均勻系統(tǒng)雙口微波網(wǎng)絡(luò)入波出波透射波參考面選取原則選取參考面的原則參考面應(yīng)離不連續(xù)性足夠遠(yuǎn)，以使不連續(xù)性引起的高次截止模在參考面上消失掉；參考面必須與傳輸線垂直，以使場的橫向分量落在參考面上。

均勻系統(tǒng)不連續(xù)性系統(tǒng)均勻系統(tǒng)雙口微波網(wǎng)絡(luò)入波出波透射波射頻網(wǎng)絡(luò)的分類：按端口數(shù)：單端口網(wǎng)絡(luò)、雙端口網(wǎng)絡(luò)、…按是否線性媒質(zhì)：線性網(wǎng)絡(luò)、非線性網(wǎng)絡(luò)。按是否有耗：有耗網(wǎng)絡(luò)和無耗網(wǎng)絡(luò)按是否可逆：互易網(wǎng)絡(luò)和非互易網(wǎng)絡(luò)按是否有源：有源網(wǎng)絡(luò)和無源網(wǎng)絡(luò)按是否對稱：對稱網(wǎng)絡(luò)和非對稱網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)區(qū)域等效為網(wǎng)絡(luò)的例子zxy結(jié)論：

各種傳輸線的縱向分布問題與平行雙線的縱向分布相同，可以把波導(dǎo)等效為平行雙線。10.2

波導(dǎo)等效為平行雙線等效與選用的模式有關(guān)縱向相對分布相同的基礎(chǔ)上波導(dǎo)等效為平行雙線用電壓代表電場縱向分布的相對大小。用電流代表磁場縱向分布的相對大小。電場和磁場可以寫成：：電場矢量模函數(shù)；：磁場矢量模函數(shù)；：等效電壓；：等效電流；等效電壓和等效電流不是真實(shí)的電壓和電流。沒有電壓和電流的量綱。等效電壓和等效電流的選取有一定任意性。zxy等效電壓與等效電流等效電壓和等效電流的選取要求滿足歸一化條件：目的：使等效后兩者計(jì)算的傳輸功率相同。問題1：滿足歸一化條件的等效電壓和等效電流是否唯一

確定？問題2：等效傳輸線的特性阻抗？歸一化條件推導(dǎo)：zxy波導(dǎo)上的電磁波等于正向波和反向波疊加。對于正向波，有：選定等效電壓和等效電流后，等效特性阻抗：等效特性阻抗沒有實(shí)際物理，也沒有阻抗量綱。等效特性阻抗與波導(dǎo)的波阻抗成正比顯然，等效特性阻抗有任意性，通?？梢愿鶕?jù)具體的需要先規(guī)定波導(dǎo)的等效特性阻抗（比如等于波阻抗，或干脆等于1），然后據(jù)此定義等效電壓和電流。矩形波導(dǎo)TE10波的等效阻抗：參見課本5.2.2等效特性阻抗：正向波等效電壓和正向波等效電流之比選定等效電壓和電流后，等效傳輸線的特性阻抗：等效特性阻抗zxy歸一化電壓與歸一化電流波導(dǎo)等效為平行雙線后，一般采用歸一化電壓與歸一化電流，定義：歸一化電壓與電流滿足歸一化條件：歸一化后，等效輸入阻抗為歸一化阻抗：歸一化電壓歸一化電流zxy歸一化后，等效特性阻抗等于1歸一化入射波電壓等于歸一化入射波電流：對于反射波，歸一化反射波電壓等于歸一化反射波電流的負(fù)值：歸一化電壓方便計(jì)算的入射波和反射波功率歸一化等效阻抗可以用反射系數(shù)測量。歸一化后可以很方便地利用傳輸線理論和圓圖等工具計(jì)算波導(dǎo)的傳輸問題等效的依據(jù)：時(shí)變電磁場的唯一性定理由電磁場理論可以證明：區(qū)域內(nèi)的電磁場由區(qū)域邊界上的電場切向分量或磁場切向分量唯一確定10.3不連續(xù)區(qū)域等效為電路網(wǎng)絡(luò)

均勻系統(tǒng)不連續(xù)性系統(tǒng)均勻系統(tǒng)雙口微波網(wǎng)絡(luò)入波出波透射波等效的原理：1、做閉合面包圍波導(dǎo)不連續(xù)區(qū)域，在波導(dǎo)處閉合面垂直于波導(dǎo)。2、閉合面上只有在參考面上有不為0的電磁場，由唯一性定理，不連續(xù)區(qū)域內(nèi)的電磁場可以由端口上切向磁場唯一確定。3、相應(yīng)地端口上切向電場也就有端口切向磁場唯一確定。4、把波導(dǎo)等效為平行雙線，端口切向電場用電壓代表，切向磁場用電流代表，于是端口上的等效電流可以唯一確定端口等效電壓。對于線性系統(tǒng)，滿足疊加原理：結(jié)論：不連續(xù)區(qū)域由一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)等效

均勻系統(tǒng)不連續(xù)性系統(tǒng)均勻系統(tǒng)雙口微波網(wǎng)絡(luò)入波出波透射波射頻電路可以等效為網(wǎng)絡(luò)，端口電場用電壓表示，端口磁場用電流表示。對于線性網(wǎng)絡(luò)，某一端口的響應(yīng)是由各個(gè)端口的激勵所產(chǎn)生的響應(yīng)線性疊加而成，依照這一原理，根據(jù)激勵量選擇的不同，可以定義各種各樣的網(wǎng)絡(luò)參量矩陣。端口量選用電壓、電流——Z參量、Y參量、A參量端口量選用入射、反射波——S參量、T參量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)反映各端口量的關(guān)系10.4網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Z參數(shù)–阻抗矩陣取各端口上的電流為激勵，則各端口上的響應(yīng)電壓是各電流激勵的結(jié)果的疊加。矩陣Z稱為阻抗矩陣，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)。自阻抗互阻抗互易網(wǎng)絡(luò)無耗網(wǎng)絡(luò)無耗互易網(wǎng)絡(luò)對稱二端口網(wǎng)絡(luò)Z矩陣的性質(zhì)Y矩陣–導(dǎo)納矩陣取各端口上的電壓為激勵，則各端口上的響應(yīng)電流是各電壓激勵的結(jié)果的疊加。矩陣Y稱為導(dǎo)納矩陣，反映了網(wǎng)絡(luò)電壓與電流的關(guān)系，但只與網(wǎng)絡(luò)自身有關(guān)，與激勵和響應(yīng)無關(guān)?；ヒ拙W(wǎng)絡(luò)無耗網(wǎng)絡(luò)無耗互易網(wǎng)絡(luò)對稱二端口網(wǎng)絡(luò)Y矩陣的特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)A矩陣－轉(zhuǎn)移矩陣互易網(wǎng)絡(luò)無耗網(wǎng)絡(luò)對角線為實(shí)數(shù)，非對角線為虛數(shù)對稱二端口網(wǎng)絡(luò)A矩陣的特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)：在A矩陣的定義中，輸出端口的電流之所以選為負(fù)值是因?yàn)檫@樣定義的A矩陣特別方便計(jì)算級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的A矩陣S矩陣——散射參數(shù)用端口的入射波計(jì)算端口的反射波（出射波）其他口匹配時(shí)i口的反射系數(shù)其他口匹配時(shí)j口到i口的傳輸系數(shù)Zck為第k口的特性阻抗對于雙口網(wǎng)絡(luò)互易網(wǎng)絡(luò)無耗網(wǎng)絡(luò)無耗互易網(wǎng)絡(luò)對稱二端口網(wǎng)絡(luò)S矩陣的特點(diǎn)T矩陣——傳輸參數(shù)用端口2的進(jìn)出波計(jì)算端口1的進(jìn)出波互易網(wǎng)絡(luò)無耗網(wǎng)絡(luò)對稱二端口網(wǎng)絡(luò)