射頻電路理論與技術(shù)-Lectrue-4(微波網(wǎng)絡(luò))課件

微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)先看幾個(gè)典型的微波系統(tǒng)典型的雷達(dá)中的微波系統(tǒng)；微波參量測(cè)試系統(tǒng)；微波收發(fā)信系統(tǒng)微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)先看幾個(gè)典型的微波系統(tǒng)射頻電路理論與技術(shù)-Lectrue-4(微波網(wǎng)絡(luò))ppt課件射頻電路理論與技術(shù)-Lectrue-4(微波網(wǎng)絡(luò))ppt課件射頻電路理論與技術(shù)-Lectrue-4(微波網(wǎng)絡(luò))ppt課件一般的微波系統(tǒng)一般的微波系統(tǒng)對(duì)一微波系統(tǒng)主要研究的是信號(hào)和能量?jī)纱髥?wèn)題。信號(hào)問(wèn)題主要是研究幅頻和相頻特性；能量問(wèn)題主要是研究能量如何有效地傳輸問(wèn)題。不均勻區(qū)將引入主模和高次模。用數(shù)值方法可以嚴(yán)格求解，但比較復(fù)雜，因此在工程上采用微波網(wǎng)絡(luò)方法。對(duì)一微波系統(tǒng)主要研究的是信號(hào)和能量?jī)纱髥?wèn)題。微波網(wǎng)絡(luò)法就是等效電路法。就是說(shuō)，當(dāng)用微波網(wǎng)絡(luò)法研究傳輸系統(tǒng)時(shí)，可以把每個(gè)不均勻區(qū)(微波元件)看成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其對(duì)外特性可用一組網(wǎng)絡(luò)參量表示：把均勻傳輸線也看成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)(波導(dǎo)等效為長(zhǎng)線)，其網(wǎng)絡(luò)參量由傳輸參量和長(zhǎng)度決定。微波網(wǎng)絡(luò)法就是等效電路法。就是說(shuō)，當(dāng)用微波網(wǎng)絡(luò)法研究傳輸系統(tǒng)微波網(wǎng)絡(luò)理論與低頻網(wǎng)絡(luò)理論有許多共同之處:都屬于等效電路法;描述的都是電路(系統(tǒng))的外部特征;都是用網(wǎng)絡(luò)參量建立起系統(tǒng)各端口的電壓、電流之間的關(guān)系;這些描寫(xiě)電路端口的場(chǎng)量或電路量之間關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)參量都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試出來(lái)。微波網(wǎng)絡(luò)理論與低頻網(wǎng)絡(luò)理論有許多共同之處:微波網(wǎng)絡(luò)理論與低頻網(wǎng)絡(luò)理論的區(qū)別：等效網(wǎng)絡(luò)及其參量是對(duì)某一工作模式而言的；用電壓、電流表示網(wǎng)絡(luò)端口物理量時(shí)，需要明確它們的定義；需要確定網(wǎng)絡(luò)的參考面；微波中的網(wǎng)絡(luò)及其參量只對(duì)一定頻段才是適用的，超出這一范圍將要失效。微波網(wǎng)絡(luò)理論與低頻網(wǎng)絡(luò)理論的區(qū)別：微波網(wǎng)絡(luò)研究的問(wèn)題網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)綜合微波網(wǎng)絡(luò)研究的問(wèn)題網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)綜合均勻波導(dǎo)系統(tǒng)與長(zhǎng)線的等效等效參數(shù)的引入利用網(wǎng)絡(luò)理論來(lái)解決微波問(wèn)題，必須運(yùn)用電壓、電流等概念。為使波導(dǎo)等效為長(zhǎng)線，需要首先建立等效電壓、電流、阻抗等概念。設(shè)有一個(gè)任意橫截面的均勻波導(dǎo)，假定其中僅傳輸單一模式。令其橫向電磁場(chǎng)分別為Ht和Et。為定義參考面上的電壓和電流，特作如下規(guī)定：均勻波導(dǎo)系統(tǒng)與長(zhǎng)線的等效等效參數(shù)的引入(1)使電壓V(z)和電流I(z)分別與Et、Ht成正比；(2)電壓與電流之共軛乘積的實(shí)部等于平均傳輸功率(有功功率)；(1)使電壓V(z)和電流I(z)分別與Et、Ht成正比；于是因此(3)電壓與電流之比等于選定的等效阻抗值。假設(shè)所選定等效阻抗為Ze,則有于是當(dāng)模式橫向場(chǎng)Et、Ht已知時(shí)，可以求出e,h,從而也就定出V、I。射頻電路理論與技術(shù)-Lectrue-4(微波網(wǎng)絡(luò))ppt課件以矩形波導(dǎo)H10(TE10)波為例令以矩形波導(dǎo)H10(TE10)波為例則其中ZWH=wm/b是H型波的波阻抗。于是，得C待定則C待定矩形波導(dǎo)中的等效電壓和等效電流一般按下式定義平均傳輸功率為矩形波導(dǎo)中的等效電壓和等效電流一般按下式定義三種定義來(lái)計(jì)算等效阻抗電壓與電流；電流與功率；電壓與功率；三種定義來(lái)計(jì)算等效阻抗由上述可見(jiàn)，在三種等效阻抗定義下，算出的等效阻抗絕對(duì)值各不相同，但只差一個(gè)常數(shù)。在微波技術(shù)中，通常只用阻抗相對(duì)值，因此在三種等效阻抗表示式中，可只留下與截面尺寸有關(guān)的部分，作為公認(rèn)的等效阻抗表達(dá)式，即由上述可見(jiàn)，在三種等效阻抗定義下，算出的等效阻抗絕對(duì)值各不相可得于是由可得可求得待定常數(shù)C則于是可求得待定常數(shù)C等效電壓、電流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律根據(jù)規(guī)則波導(dǎo)縱、橫場(chǎng)分量的關(guān)系可知，對(duì)于H波等效電壓、電流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律根據(jù)規(guī)則波導(dǎo)縱、橫場(chǎng)分量的關(guān)系可知，橫向電場(chǎng)可表示為則代入Ex,Ey

并考慮到橫向電場(chǎng)可表示為由于于是得類(lèi)似地由于但代入和得Z1和Y1是等效串聯(lián)分布阻抗和并聯(lián)分布導(dǎo)納。電報(bào)方程但電報(bào)方程其等效電路其等效電路該等效電路的特性阻抗和傳輸常數(shù)為均勻波導(dǎo)的等效電壓、電流也像長(zhǎng)線上的電壓、電流那樣服從波動(dòng)方程。該等效電路的特性阻抗和傳輸常數(shù)為微波網(wǎng)絡(luò)的種類(lèi)單口網(wǎng)絡(luò)就是功率能進(jìn)去或者能出來(lái)的單段波導(dǎo)或傳輸線的電路。微波網(wǎng)絡(luò)的種類(lèi)單口網(wǎng)絡(luò)就是功率能進(jìn)去或者能出來(lái)的單段波導(dǎo)二口網(wǎng)絡(luò)多數(shù)微波元件屬于二口元件，因此微波二口網(wǎng)絡(luò)是大量的。二口網(wǎng)絡(luò)多數(shù)微波元件屬于二口元件，因此微波二口網(wǎng)絡(luò)是大量三口網(wǎng)絡(luò)屬于三口元件的有E型或H型波導(dǎo)分支、同軸線T型接頭、單刀雙擲微波開(kāi)關(guān)等等。三口網(wǎng)絡(luò)屬于三口元件的有E型或H型波導(dǎo)分支、同軸線T型接四口網(wǎng)絡(luò)屬于四口元件的也有多種四口網(wǎng)絡(luò)屬于四口元件的也有多種多口網(wǎng)絡(luò)屬于多口元件的有如單刀多擲微波開(kāi)關(guān)、多路功分器(功率合成器)等等，如圖所示。多口網(wǎng)絡(luò)屬于多口元件的有如單刀多擲微波開(kāi)關(guān)、多路功分器(微波網(wǎng)絡(luò)的各種參量矩陣微波網(wǎng)絡(luò)參量是關(guān)于端口電壓、電流(或輸入波、輸出波)之間關(guān)系的比例系數(shù)。這組比例系數(shù)完全描繪了網(wǎng)絡(luò)的對(duì)外特性。常用到的微波網(wǎng)絡(luò)參量有Z、Y、A、T和S參量。以下的討論假定網(wǎng)絡(luò)均是線性、無(wú)源和互易的。微波網(wǎng)絡(luò)的各種參量矩陣微波網(wǎng)絡(luò)參量是關(guān)于端口電壓、電流(或輸阻抗矩陣(Z矩陣）若已知各口的電流，欲求各口電壓時(shí)，用阻抗(Z)矩陣變換最為方便，即阻抗矩陣(Z矩陣）若已知各口的電流，欲求各口電壓時(shí)，用阻抗(各阻抗參量均有明確的物理意義，因此，根據(jù)Z參量的物理意義，可以在相應(yīng)的端口條件下對(duì)各矩陣元進(jìn)行計(jì)算或測(cè)量。i口的自阻抗ij口的互阻抗各阻抗參量均有明確的物理意義，i口的自阻抗ij口的互阻抗在微波網(wǎng)絡(luò)中，為理論分析具有普遍意義，常把各口電壓、電流與各自對(duì)應(yīng)的傳輸線的特性阻抗加以歸一化．并用相應(yīng)的小寫(xiě)字母v、i和z表示，即其中各矩陣元應(yīng)滿足下列關(guān)系式在微波網(wǎng)絡(luò)中，為理論分析具有普遍意義，常把各口電壓、電流與各在歸一化參量中，若Z0i＝Z0j，則網(wǎng)絡(luò)互易性、對(duì)稱性及無(wú)耗特性可以表示為互易網(wǎng)絡(luò)：對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)：無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)：在歸一化參量中，若Z0i＝Z0j，則網(wǎng)絡(luò)互易性、對(duì)稱性及無(wú)耗當(dāng)遇到串聯(lián)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)用z參量進(jìn)行計(jì)算最為方便。當(dāng)遇到串聯(lián)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)用z參量進(jìn)行計(jì)算最為方便。例題試推導(dǎo)下面網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣（不必歸一化）Z1Z2Z2port1port2例題試推導(dǎo)下面網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣（不必歸一化）Z1Z2Z2port試推導(dǎo)下面網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣（不必歸一化）Z1Z2Z2port1port2例題試推導(dǎo)下面網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣（不必歸一化）Z1Z2Z2port1p導(dǎo)納矩陣（Y矩陣)當(dāng)已知網(wǎng)絡(luò)各端口的電壓，欲求各端口電流時(shí)，用導(dǎo)納(Y)矩陣作變換是最方便的?；?qū)Ъ{矩陣（Y矩陣)當(dāng)已知網(wǎng)絡(luò)各端口的電壓，欲求各端口電流時(shí)，各導(dǎo)納參量均有明確的物理意義，因此，根據(jù)Y參量的物理意義，可以在相應(yīng)的端口條件下對(duì)各矩陣元進(jìn)行計(jì)算或測(cè)量。i口的輸入導(dǎo)納ij口的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納各導(dǎo)納參量均有明確的物理意義，i口的輸入導(dǎo)納ij口的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納歸一化形式阻抗矩陣與導(dǎo)納矩陣之間的關(guān)系歸一化形式在歸一化參量中，若Y0i＝Y(jié)0j，則網(wǎng)絡(luò)互易性、對(duì)稱性及無(wú)耗特性可以表示為互易網(wǎng)絡(luò)：對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)：無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)：在歸一化參量中，若Y0i＝Y(jié)0j，則網(wǎng)絡(luò)互易性、對(duì)稱性及無(wú)耗對(duì)于如圖所示的并聯(lián)式復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，用y進(jìn)行計(jì)算最為方便。對(duì)于如圖所示的并聯(lián)式復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，用y進(jìn)行計(jì)算最為方便。例題試推導(dǎo)下面網(wǎng)絡(luò)的Y矩陣（不必歸一化）Y1Y2Y2port1port2例題試推導(dǎo)下面網(wǎng)絡(luò)的Y矩陣（不必歸一化）Y1Y2Y2port轉(zhuǎn)移矩陣(A矩陣)轉(zhuǎn)移矩陣又稱作ABCD矩陣或常數(shù)矩陣。它只適用于二口網(wǎng)絡(luò)，其他網(wǎng)絡(luò)不能用。其中轉(zhuǎn)移矩陣(A矩陣)轉(zhuǎn)移矩陣又稱作ABCD矩陣或常數(shù)矩陣。它只歸一化的轉(zhuǎn)移矩陣其中各歸一化矩陣元素為歸一化的轉(zhuǎn)移矩陣物理意義輸出口開(kāi)路時(shí)，歸一化電壓傳輸系數(shù)之倒數(shù)輸出口短路，歸一化輸入電壓與歸一化輸出電流之比（轉(zhuǎn)移阻抗）輸出口開(kāi)路時(shí)，歸一化輸入電流與歸一化輸出電壓之比（轉(zhuǎn)移導(dǎo)納）輸出口短路時(shí)．歸一化電流傳輸系數(shù)之倒數(shù)物理意義輸出口開(kāi)路時(shí)，歸一化電壓傳輸系數(shù)之倒數(shù)輸出口短路，歸A矩陣的性質(zhì)互易網(wǎng)絡(luò)：對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)：無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)：a,d為實(shí)數(shù)，b,c為虛數(shù)A矩陣的性質(zhì)實(shí)用中．用A解決級(jí)聯(lián)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題是最為方便的。實(shí)用中．用A解決級(jí)聯(lián)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題是最為方便的。例題試推導(dǎo)下面網(wǎng)絡(luò)的A矩陣（不必歸一化）Y1Y2Y2port1port2例題試推導(dǎo)下面網(wǎng)絡(luò)的A矩陣（不必歸一化）Y1Y2Y2port散射矩陣(S矩陣)a1,a2為歸一化入射波電壓，b1,b2為歸一化反射波電壓。當(dāng)已知網(wǎng)絡(luò)入射波電壓欲求反射波電壓時(shí)，用散射矩陣最為方便。散射矩陣(S矩陣)物理意義當(dāng)其他各端口均接匹配負(fù)載的情況下，i口的反射系數(shù)(自散射參量)當(dāng)其他各端口均接匹配負(fù)載時(shí)，由j向i口的傳輸系數(shù)(互散射參量)物理意義當(dāng)其他各端口均接匹配負(fù)載的情況下，i口的反射系數(shù)(自散射矩陣的基本性質(zhì)在互易網(wǎng)絡(luò)中，S具有對(duì)稱性．即S＝ST或Sij＝Sji。對(duì)無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)，S具有么正性(酉正性)，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱時(shí)，有散射矩陣的基本性質(zhì)傳輸矩陣(T矩陣)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出端口的場(chǎng)量a2和b2已知，欲求輸入端口的場(chǎng)量a1、b1時(shí)，用T作變換矩陣最為方便，即傳輸矩陣(T矩陣)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出端口的場(chǎng)量a2和b2已知，欲求輸物理意義表示2口接匹配負(fù)載時(shí)，由1口到2口的傳輸系數(shù)的倒數(shù)表示2端口匹配時(shí)由2口至1口的傳輸系數(shù)T12和T21無(wú)明確的物理意義。物理意義表示2口接匹配負(fù)載時(shí)，由1口到2口的傳輸系數(shù)的倒數(shù)表T與S的關(guān)系T與S的關(guān)系T具有如下性質(zhì)：互易網(wǎng)絡(luò)：對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)：無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)：T具有如下性質(zhì)：在研究級(jí)聯(lián)的二口網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用T也很方便。在研究級(jí)聯(lián)的二口網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用T也很方便。網(wǎng)絡(luò)的工作特性參量微波元件在微波系統(tǒng)中的作用常用“工作特性參量”表示．有時(shí)也稱為它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的“外特性參量”。當(dāng)微波元件的結(jié)構(gòu)或等效電路給定時(shí)，網(wǎng)絡(luò)參量也就確定了。在此基礎(chǔ)上可以求出微波元件的外特性參量－－微波網(wǎng)絡(luò)的分析過(guò)程。若先給定微波網(wǎng)絡(luò)的對(duì)外特性參量．要求確定網(wǎng)絡(luò)參量，從而確定微波元件的結(jié)構(gòu)尺寸，這個(gè)過(guò)程就是微波網(wǎng)絡(luò)的綜合設(shè)計(jì)過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)的工作特性參量微波元件在微波系統(tǒng)中的作用常用“工作特性參電壓傳輸系數(shù)T電壓傳輸系數(shù)是指輸出口接匹配負(fù)載時(shí)，輸出口反射波電壓b2與輸入端口入射波電壓a1之比值，記以T，即或電壓傳輸系數(shù)T電壓傳輸系數(shù)是指輸出口接匹配負(fù)載時(shí)，輸出口反射插入衰減定義當(dāng)網(wǎng)絡(luò)終端接匹配負(fù)載肘，輸入口的輸入功率Pi與負(fù)載吸收功率（即輸出端口的反射波功率）P1之比稱為網(wǎng)絡(luò)的插入衰減。記以A，即顯然，上式等于電壓傳輸系數(shù)T的模的倒數(shù)平方，故插入衰減定義當(dāng)網(wǎng)絡(luò)終端接匹配負(fù)載肘，輸入口的輸入功率Pi若用分貝值表示網(wǎng)絡(luò)的插入衰減，則用符號(hào)L表示，即在沒(méi)有放大作用的微波元件中，Pi>=P1,故A>=1若用分貝值表示網(wǎng)絡(luò)的插入衰減，則用符號(hào)L表示，即插入衰減的物理過(guò)程其中插入衰減的物理過(guò)程插入衰減是由兩個(gè)因素造成的，第一部分Aa代表網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸入功率與終端負(fù)載吸收功率之比，它表征由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部損耗引起的衰減，稱為吸收衰減。第二部分Ar代表網(wǎng)絡(luò)入射波功率與實(shí)際輸入功率之比。是由于輸入端口存在反射造成的，稱為網(wǎng)絡(luò)的反射衰減。插入衰減是由兩個(gè)因素造成的，第一部分Aa代表網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸入功率對(duì)于阻抗變換器和移相器一類(lèi)的微波元件，總希望有盡可能小的插入衰減；對(duì)于常用的衰減器，總希望有一定的吸收衰減，而反射衰減要盡量小，以免引起對(duì)信號(hào)源工作狀態(tài)的影響；對(duì)于濾波器，則正是利用其反射衰減的頻率選擇將不需要的頻率濾掉，當(dāng)然無(wú)頻率選擇性的吸收衰減應(yīng)盡量小。對(duì)于阻抗變換器和移相器一類(lèi)的微波元件，總希望有盡可能小的插入插入相移定義當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出口接匹配負(fù)載時(shí)，輸出口反射波電壓b2與輸入口入射波電壓a1的相位差稱為網(wǎng)絡(luò)的插入相移，記以q。令入射波電壓和反射波電壓分別為則插入相移定義當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出口接匹配負(fù)載時(shí)，輸出口反射波電壓b根據(jù)定義，有當(dāng)不同頻率的微波信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它們的插入相移隨頻率的不同而不同。為了使通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)波形不致有相位失真，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的插入相移應(yīng)有一定的要求。根據(jù)定義，有插入駐波比定義當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出口接匹配負(fù)載時(shí)，從輸入口測(cè)得的駐波比，稱為網(wǎng)絡(luò)的插入駐波比，記以r。根據(jù)輸入口駐波比與其反射系數(shù)的關(guān)系，有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出口接匹配負(fù)載時(shí)，G1即為S11，因此插入駐波比定義當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出口接匹配負(fù)載時(shí)，從輸入口測(cè)得的駐對(duì)于無(wú)耗、互易網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)S單式性，有由此找到用插入駐波比表示插入衰減的關(guān)系式對(duì)于無(wú)耗、互易網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)S單式性，有上式表明，無(wú)耗、互易二口網(wǎng)絡(luò)的插入衰減和插入駐波比并不是兩個(gè)彼此獨(dú)立的工作特性參量，而是一一對(duì)應(yīng)的。從物理概念上講，無(wú)吸收衰減，只有反射衰減。插入駐波比是微波元件的主要工作特性參量，應(yīng)盡量降低，否則既影響信號(hào)源的工作穩(wěn)定性，又降低了終端負(fù)載吸收的功率。上式表明，無(wú)耗、互易二口網(wǎng)絡(luò)的插入衰減和插入駐波比并不是兩個(gè)二口網(wǎng)絡(luò)的基本特性特性1：可以存在完全匹配的二口網(wǎng)絡(luò)，條件是網(wǎng)絡(luò)的二口均外接匹配負(fù)載和某一端口匹配由無(wú)耗、互易網(wǎng)絡(luò)S的單式性，有二式相減可得二口網(wǎng)絡(luò)的基本特性特性1：可以存在完全匹配的二口網(wǎng)絡(luò)，條件是現(xiàn)假定網(wǎng)絡(luò)1口是匹配的，即則于是就是說(shuō)，當(dāng)1口匹配時(shí)．2口也自動(dòng)匹配，反之亦同。現(xiàn)假定網(wǎng)絡(luò)1口是匹配的，即特性2：匹配的二口網(wǎng)絡(luò)，必然是全傳輸(全耦合)的。當(dāng)S11=0或S22=0，特性2：匹配的二口網(wǎng)絡(luò)，必然是全傳輸(全耦合)的。三口網(wǎng)絡(luò)的基本特性特性1：不存在完全匹配的三口網(wǎng)絡(luò)。推論：若要三口網(wǎng)絡(luò)的某兩口匹配(例如1、2口匹配)，則必須第三口與網(wǎng)絡(luò)完全隔離（即S31=S32=0)。特性2：在三口網(wǎng)絡(luò)的某一口中接入可變短路器，當(dāng)它調(diào)到適當(dāng)位置時(shí)，可以使其他兩口完全隔離。推論：若三口網(wǎng)絡(luò)對(duì)某口(例如3口)對(duì)稱時(shí)，則在該口接一可變短路器，總可找到—適當(dāng)短路位置，使其他二口全傳輸而無(wú)反射。三口網(wǎng)絡(luò)的基本特性特性1：不存在完全匹配的三口網(wǎng)絡(luò)。四口網(wǎng)絡(luò)的