微波技术与天线第4章

第4章微波网络基础4.1等效传输线4.2单口网络4.3双端口网络的阻抗与转移矩阵4.4散射矩阵与传输矩阵4.5多端口网络的散射矩阵第4章微波网络基础返回主目录第4章微波网络基础第4章微波网络基础4.1等效传输在第1章中,均匀传输理论是建立在TEM传输线的基础上的,因此电压和电流有明确的物理意义,而且电压和电流只与纵向坐标z有关,与横截面无关,而实际的非TEM传输线如金属波导等,其电磁场与不仅与z有关,还与x、y有关,这时电压和电流的意义十分不明确,例如在矩形波导中,电压值取决于横截面上两点的选择,而电流还可能有横向分量。因此有必要引入等效电压和电流的概念,从而将均匀传输线理论应用于任意导波系统,这就是等效传输线理论。EH第4章微波网络基础1.等效电压和等效电流为定义任意传输系统某一参考面上的电压和电流,作以下规定:①电压U(z)和电流I(z)分别与Et和Ht成正比;②电压U(z)和电流I(z)共轭乘积的实部应等于平均传输功率;③电压和电流之比应等于对应的等效特性阻抗值。对任一导波系统,不管其横截面形状如何（双导线、矩形波导、圆形波导、微带等）,也不管传输哪种波形（TEM波、TE波、TM波等）,其横向电磁场总可以表示为第4章微波网络基础)(),(),,(zkktUyxezyxE)(),(),,(zkktIyxhzyxH式中ek(x,y)、hk(x,y)是二维实函数,代表了横向场的模式横向分布函数,Uk(z)、Ik(z)都是一维标量函数,它们反映了横向电磁场各模式沿传播方向的变化规律,故称为模式等效电压和模式等效电流。值得指出的是这里定义的等效电压、等效电流是形式上的,它具有不确定性,上面的约束只是为讨论方便,下面给出在上面约束条件下模式分布函数应满足的条件。由电磁场理论可知,各模式的传输功率可由下式给出:第4章微波网络基础dszyxHzyxERPKKek),,(),,(21dsyxhyxezIzURKKke),(),()]()([21由规定②可知,ek、hk应满足:1),(),(dsyxhyxekk由电磁场理论可知,各模式的波阻抗为:ekkkKkKkttwzhezIyxhzUyxeHEz)(),()(),(其中,Zek为该模式等效特性阻抗。第4章微波网络基础综上所述,为唯一地确定等效电压和电流,在选定模式特性阻抗条件下各模式横向分布函数还应满足1dshekkekwkkzzhe下面以例子来说明这一点。[例4.1］求出矩形波导TE10模的等效电压、等效电流和等效特性阻抗。解:由第2章可知第4章微波网络基础)()(sin1010zUxeeaxEEzjy)()(sin101010zIxheaxZEHzjTEx其中,TE10的波阻抗200)2/(1/10auZTE可见所求的模式等效电压、等效电流可表示为zjeAZU1)(zjeezAzI1)(第4章微波网络基础式中,Ze为模式特性阻抗,现取Ze=,我们来确定A1。由式（416）及（4–17）可得10TEzabaxAExesin)(11010axzzAExhTeesin)(1011010由式（415）可推得121021210abZZAETEe1012EbA第4章微波网络基础于是唯一确定了矩形波导TE10模的等效电压和等效电流,即zjeEbZU102)(zjTEezEaZI10102)(此时波导任意点处的传输功率为102104)]()(Re[21TEZEabZIZUP与式（2.2.26）相同,也说明此等效电压和等效电流满足第②条规定。第4章微波网络基础2.由前面分析可知,不均匀性的存在使传输系统中出现多模传输,由于每个模式的功率不受其它模式的影响,而且各模式的传播常数也各不相同,因此每一个模式可用一独立的等效传输线来表示。这样可把传输N个模式的导波系统等效为N个独立的模式等效传输线,每根传输线只传输一个模式,其特性阻抗及传播常数各不相同,如图4.1所示。另一方面由不均匀性引起的高次模,通常不能在传输系统中传播,其振幅按指数规律衰减。因此高次模的场只存在于不均匀区域附近,它们是局部场。第4章微波网络基础图4–1多模传输线的等效Ze1e1Ze2…Ze2e2…ZeNeN(a)(b)第4章微波网络基础在离开不均匀处远一些的地方,高次模式的场就衰减到可以忽略的地步,因此在那里只有工作模式的入射波和反射波。通常把参考面选在这些地方,从而将不均匀性问题化为等效网络来处理。如图4-2所示是导波系统中插入了一个不均匀体及其等效微波网络。建立在等效电压、等效电流和等效特性阻抗基础上的传输线称为等效传输线,而将传输系统中不均匀性引起的传输特性的变化归结为等效微波网络,这样均匀传输线中的许多分析方法均可用于等效传输线的分析。第4章微波网络基础图4–2微波传输系统的不均匀性及其等效网络微波网络ZeZeT1T2不均匀性(a)(b)第4章微波网络基础4.2单口网络当一段规则传输线端接其它微波元件时,则在连接的端面引起不连续,产生反射。若将参考面T选在离不连续面较远的地方,则在参考面T左侧的传输线上只存在主模的入射波和反射波,可用等效传输线来表示,而把参考面T以右部分作为一个微波网络,把传输线作为该网络的输入端面,这样就构成了单口网络,如图4-3所示。1.令参考面T处的电压反射系数为Γl,由均匀传输线理论可知,等效传输线上任意点的反射系数为第4章微波网络基础图4–3端接微波元件的传输线及其等效网络微波元件单口网络TTZe(a)(b)第4章微波网络基础Γ(z)=|Γl|ej(φl-2βz)(421)而等效传输线上任意点等效电压、电流分别为U(z)=A1[1+Γ(z)］I(z)=［1-Γ(z)］eZA1式中,Ze为等效传输线的等效特性阻抗。传输线上任意一点输入阻抗为Zin(z)=Ze)(1)(1zz任意点的传输功率为第4章微波网络基础])(1[2)]()(Re[21)(221zZAZIZUzpe2.由于微波网络比较复杂,因此在分析时通常采用归一化阻抗,即将电路中各个阻抗用特性阻抗归一,与此同时电压和电流也要归一。一般定义:ZUuZIi分别为归一化电压和电流,显然作归一化处理后,电压u和电流i仍满足:第4章微波网络基础)](][Re[21]Re[21zizUuiPin任意点的归一化输入阻抗为)(1)(1zzzzzeinin于是,单口网络可用传输线理论来分析。第4章微波网络基础4.3由前面分析可知,当导波系统中插入不均匀体(如图4-2所示)时,会在该系统中产生反射和透射,从而改变原有传输分布,并且可能激起高次模,但由于将参考面设置在离不均匀体较远的地方,高次模的影响可忽略,于是可等效为如图4-4所示的双端口网络。在各种微波网络中,双端口网络是最基本的,任意具有两个端口的微波元件均可视之为双端口网络。下面介绍线性无源双端口网络各端口上电压和电流之间的关系。第4章微波网络基础图4–4双端口网络双口网络T1T2＋－U1＋－U2Ze1Ze2I1I2第4章微波网络基础1.设参考面T1处的电压和电流分别为U1和I1,而参考面T2处电压和电流分别为U2、I2,连接T1、T2端的广义传输线的特性阻抗分别为Ze1和Ze2。(1)现取I1、I2为自变量,U1、U2为因变量,对线性网络有U1=Z11I1+Z12I2U2=Z21I1+Z22I2第4章微波网络基础写成矩阵形式21UU22211211ZZZZ21II=或简写为［U］=［Z］［I］式中,［U］为电压矩阵,［I］为电流矩阵,而［Z］是阻抗矩阵,其中Z11、Z22分别是端口“1”和“2”的自阻抗;Z12、Z21分别是端口“1”和“2”的互阻抗。各阻抗参量的定义如下:0|21111IIUZ为T2面开路时,端口“1”的输入阻抗第4章微波网络基础0|11112IIUZ为T1面开路时,端口“2”至端口“1”的转移阻抗0|21221IIUZ为T2面开路时,端口“1”至端口“2”的转移阻抗0|12222IIUZ为T2面开路时,端口“2”由上述定义可见,［Z］矩阵中的各个阻抗参数必须使用开路法测量,故也称为开路阻抗参数,而且由于参考面选择不同,相应的阻抗参数也不同。对于互易网络有Z12=Z21(4.3.3)第4章微波网络基础对于对称网络则有若将各端口的电压和电流分别对自身特性阻抗归一化,则有111111,eeZIiZUu222222,eeZIiZUu代入式(432)后整理可得]][[][izu其中，第4章微波网络基础z2121111//eeezzzzz2222112//eeezzzzz(2)在上述双端口网络中,以U1、U2为自变量,I1、I2为因变量,则可得另一组方程:I1=Y11U1+Y12U2I2=Y21U1+Y22U2写成矩阵形式第4章微波网络基础21II2111YY2212YY21UU简写为［Z］=［Y］［I］(439b)其中,［Y］是双端口网络的导纳矩阵,各参数的物理意0|21111UUIY表示T2面短路时,端口“1”0|12112UUIY表示T1面短路时,端口“2”至端口“1”的转移导纳0|21221UUIY表示T2面短路时,端口“1”至端口“2”的转移导纳第4章微波网络基础0|12222UUIY示T1面短路时,端口“2”由上述定义可知,［Y］矩阵中的各参数必须用短路法测得,称这些参数为短路导纳参数。其中,Y11、Y22为端口1和端口2的自导纳,而Y12、Y21为端口“1”和端口“2”的互导纳。对于互易网络有Y12=Y21对于对称网络有Y11=Y22用归一化表示则有［i］=(4310)其中,]][[uY111eYIi222eYIi111eYUu第4章微波网络基础222eYUu而][Y=2121111//eeeYYYYY2222112//eeeYYYYY对于同一双端口网络阻抗矩阵［Z］和导纳矩阵［Y］有以下关系:［Z］［Y］=［I］［Y］=［Z］-1式中,［I］为单位矩阵。［例42］[HT]求如图4-5所示双端口网络的［Z］矩阵和［Y］矩阵。解：由［Z］矩阵的定义:第4章微波网络基础＋－＋－U1U2ZCZAZBI1I2图4-5双端口网络第4章微波网络基础CAIZZIUz011112|21011211|ZZIUzCICBIZZIUz022221|于是][ZCCBZZZCACZZZ而CBABAZZZZZZY)(1][][1CCAZZZCBCZZZ第4章微波网络基础2.转移矩阵转移矩阵也称为［A］矩阵,它在研究网络级联特性时特别方便。在图4.4等效网络中,若用端口“2”的电压U2、电流-I2作为自变量,而端口“1”的电压U1和电流I1作为因变量,则可得如下线性方程组:U1=AU2+B(-I2)I1=CU2+D(-I2)由于电流I2的正方向如图4.4所示,而网络转移矩阵规定的电流参考方向指向网络外部,因此在I2前加负号。这样规定，在实用中更为方便。将式(4.3-13)写成矩阵形式,则有第4章微波网络基础简写为［ψ1］=［A］［ψ2］(4315)式中,［A］=称为网络的转移矩阵,简称［A］矩阵,方阵中各参量的物理意义如下:CADB0212|IUUA表示T20212|UIUA表示T20212|IUIC表示T20212|UIID表示T2短路时电流的转移参数第4章微波网络基础若将网络各端口电压、电流对自身特性阻抗归一化后,得11iubadb=22iu=对于互易网络:AD-BC=ad-bc=1对于对称网络:a=d对于如图4-6所示的两个网络的级联,有［ψ1］=［A1］［ψ2］(4.3.17a)而［ψ2］=［A2］［ψ3］(4317b)故有［ψ1］=［A1］［A2］［ψ3］第4章微波网络基础图4-6双端口网络的级联[A1][A2]＋－＋－＋－U1U2U3I1I2I3第4章微波网络基础级联后总的［A］矩阵为［A］