微波网络1

近代微波网络理论及应用§第一章微波网络基础§第二章微波网络分析§第四章微波网络中的数值计算方法§第三章微波网络综合参考书目1.现代滤波器的结构与设计甘本祓2.现代微波网络理论邓次平3.微波网络林为干4.微波元件原理与设计李嗣范5.微波匹配网络理论与设计陈惠开6.反馈系统中波导元件理论与计算机辅助设计杨乃恒参考书目7.TheoryanddesignofMicrowaveFilterLanHunter8.MicrowaveFilters，ImpendenceMatchingNetwork，andCouplingstructure(1964,1980)G.L.Matthaei,L.Young,第1章微波网络基础§1.1引言§1.2微波网络参量§1.3二端口网络的组合§1.1引言一、研究微波系统的方法二、如何将微波系统化为微波网络三、微波网络的分类一、研究微波系统的方法1.什么是微波系统？组成？2.微波网络主要的研究对象√微波电路：有源、无源√整个系统级联3.研究微波网络理论的主要目的(1)分析微波器件、部件和系统的工作特性(2)微波电路和元器件的综合设计4.研究微波系统的方法：(1)电磁场分析法：利用麦克斯韦方程组加边界条件求出元件中场分布，再求其传输特性。由于元件的边界条件复杂，因此一般求解很困难。优点：结果精确是“路”分析方法的基础缺点：计算过程复杂计算工作量大无法对复杂的电路进行分析，无法得出系统特性(2)微波网络方法√以微波元件及组合系统为对象，利用等效电路的方法研究它们的传输特性及其设计和实现的方法。√此方法为微波电路和系统的等效电路分析方法。把微波元件用一个网络来等效，应用电路和传输线理论，求取网络各端口间信号的相互关系。√这种方法不能得到元件内部的场分布，工程上关心的是元件的传输特性和反射特性（相对于端口）。因此可采用网络法。优点方法简单，可借鉴低频电路的一些分析方法电路和系统的特性清晰网络参量可以测定（晶体管）计算速度快缺点结果近似实际上电磁场理论、网络理论两者是相辅相成的，实际中应根据所研究的对象，选取适当的研究方法。微波电路与系统的完整实现是两种方法结合的结果微波网络分析的基本过程？场路二、如何将微波系统化为微波网络任何微波系统或元件都可看成是由某些边界封闭的不均匀区和几路与外界相连的微波均匀传输线所组成的，如下图所示。微波系统及其等效电路不均匀区：是指与均匀传输线具有不同边界或不同介质的区域，如波导中的膜片、金属杆等。在不均匀区域(V)及其邻近区域(V1、V2)，虽然满足电磁场的边界条件，但场分布是复杂的。微波系统及其等效电路在V1、V2中它们可以表示为多种传输模式的某种叠加，但是由于在均匀传输线中通常只允许单模传输，而所有其他高次模都将被截止，从而在远离不均匀区的传输线远区(W1、W2)中就只剩有单一工作模式的传输波。把微波系统化为微波网络的基本步骤是：1．选定微波系统与外界相连接的参考面，它应是单模均匀传输的横截面(在远区)。微波系统及其等效电路2．把参考面以内的不均匀区等效为微波网络。3．把参考面以外的单模均匀传输线等效为传输线。网络的特性是用网络参量来描述的，网络参量可用电磁场理论严格计算，也可直接利用实验测量的方法来得到。三、微波网络的分类微波网络(MicrowaveNetwork)可以按不同的方法进行分类。按照与网络连接的传输线数目，微波网络可分为单端口、双端口、三端口和四端口网络等。按端口划分单端口网络：谐振腔双端口网络：滤波器三端口网络：双工器四端口网络：耦合器端口数超过五以上的网络在实践中很少遇到。按照网络的特性是否与所通过的电磁波的场强有关，微波网络可分成线性和非线性两大类。按照网络的特性是否线性划分线性网络非线性网络按照网络的特性是否可逆划分可逆（互易）网络不可逆（非互易）网络当微波系统内部的媒质是可逆的，即媒质的介电常数、磁导率和电导率的值与电磁波的传输方向无关时，该网络的特性亦是可逆的。这种具有可逆媒质的微波系统所构成的网络称为可逆网络，亦称为互易网络。反之，则称为不可逆网络(或非互易网络)，这时媒质的参量及网络的特性与电磁波的传输方向有关，如某些含铁氧体的微波网络就是不可逆网络。按照微波网络内部是否具有功率损耗可分成无耗与有耗的两大类；按照微波网络是否具有对称性可分成对称与非对称两大类。按照网络的特性是否有耗划分有耗网络无耗网络按照网络的特性是否对称划分对称网络非对称网络§1.2微波网络参量一、网络参考面二、微波网络参量的定义三、网络参量的性质四、常用基本电路单元的网络参量五、参考面移动时网络参量的变化微波电路中的不均匀性可等效为微波网络，n路微波传输线所构成的微波接头或具有n个端口的微波元件都可作为一个多端口微波网络来处理。一、网络参考面为了研究微波网络，首先必须确定微波网络与其相连的传输线的分界面，即网络参考面（T1和T2）。微波系统及其等效电路网络参考面位置的选择原则：第一，参考面必须是微波传输线的横截面，因为这样参考面上的场为横向场，从而参考面上的等效电压、等效电流才有确切意义。第二，对于单模传输线，参考面通常应选择在高次模可忽略的远离不均匀性的远区。第三，除了上述限制外，参考面位置的选择是任意的，可根据解决问题的方便而定。注意：网络参考面一经选定，网络的所有参量都是对于这种选定的参考面而定的，如果改变参考面，则网络的各参量也必定跟着一起改变，网络将变成另外一个网络。二、微波网络参量的定义等效电压与电流和阻抗在微波频率下,电压和电流不可能直接测量。需要引入等效电压和电流的概念。以TEM波传输线为例VEdlCIHdl0VZITEM传输线存在着唯一的电压和电流定义，由此定义的传输线特征阻抗等参量也是唯一的。二、微波网络参量的定义任何复杂的微波元件都可以用一个网络来代替，并可用网络端口参考面上两个选定的变量及其相互关系来描述特性。对于n端口网络，可用n个方程来描述其特性。如果网络是线性的，则这些方程就是线性方程，方程中的系数完全由网络本身确定，在网络理论中将这些系数称为网络参量。若选定端口参考面上的变量为电压和电流，就得到Z参量、Y参量和A参量；若选定端口参考面上的变量为入射波电压和反射波电压就得到s参量和t参量。下面以二端口网络为例逐一介绍。1．阻抗参量Z(ZParameter)二端口网络两个端口电压和电流的示意图。V1V2(1)端口参考面T1处的电压为V1，电流为I1；(2)端口参考面T2处的电压为V2，电流为I2。阻抗参量是用两个端口电流表示两个端口电压的参量22212122121111IZIZVIZIZVV1V2上式也可以表示为矩阵形式212221121121IIZZZZVV也可简单表示为[V]=[Z][I]可见，由Z参量可将两端口的电压和电流联系起来。V1V2二端口网络共有4个阻抗参量，具体的物理意义？T2面开路(I2=0)时，T1面的输入阻抗定义为011112IIVZT1面开路(I1=0)时，T2面的输入阻抗定义为022221IIVZ22212122121111IZIZVIZIZVV1V2T1面开路(I1=0)时，端口(2)至端口(1)的转移阻抗为021121IIVZT2面开路(I2=0)时，端口(1)至端口(2)的转移阻抗为012212IIVZ22212122121111IZIZVIZIZV在微波网络中，为了理论分析的普遍性，常把各端口电压、电流对端口传输线的特性阻抗归一化。若T1和T2面外接传输线的特性阻抗分别为Z01、Z02，则以Z01作为参考阻抗对V1和I1归一化，以Z02作为参考阻抗对V2和I2归一化。22212122121111IZIZVIZIZV改写为0220201120110111011ZIZZZZIZZZV0220222011020121022ZIZZZIZZZZV0220201120110111011ZIZZZZIZZZV0220222011020121022ZIZZZIZZZZV把上式改写成归一化参量的形式，即22212122121111izizvizizv上式中，两个端口的归一化电压和电流分别为，0111ZVv；0111ZIi，0222ZVv0222ZIi而网络的归一化阻抗参量分别为，011111ZZz，02011212ZZZz，02012121ZZZz022222ZZz22212122121111izizvizizv也可以表示为矩阵形式，即212221121121iizzzzvv2．导纳参量Y(YParameter)V1V2导纳参量是用两个端口电压表示两个端口电流的参量22212122121111VYVYIVYVYI上式也可以用矩阵来表示212221121121VVYYYYIIV1V222212122121111VYVYIVYVYI212221121121VVYYYYII由上式可以为导纳参量做出定义。T2面短路(V2=0)时，T1面的输入导纳定义为011112VVIYT1面短路(V1=0)时，T2面的输入导纳定义为022221VVIYV1V2T1面短路(V1=0)，端口(2)至端口(1)的转移导纳为021121VVIYT2面短路(V2=0)，端口(1)至端口(2)的转移导纳为012212VVIY22212122121111VYVYIVYVYIV1V2比较Z参量和Y参量212221121121IIZZZZVV212221121121VVYYYYII注意：虽然两种参量都是反映两个端口电压和电流关系之间的关系，但是对应的元素却不是互为倒数关系。因为阻抗参量是在两个端口分别开路的前提下定义的；而导纳参量是在两个端口分别短路的前提下定义的。若T1面和T2面外接传输线的特性导纳分别为Y01和Y02，则对导纳方程式中的电压、电流归一化便得22212122121111vyvyivyvyi上式中端口(1)和端口(2)的归一化电流与归一化电压，0111YIi；0111YVv，0222YIi0222YVv归一化导纳参量与非归一化导纳参量之间的关系为，011111YYy，02011212YYYy，02012121YYYy022222YYyV1V2v1v2i1i2212221121121vvyyyyii归一化导纳参量也可以表示为矩阵形式，即3．转移参量A(AParameter)V1V2在二端口网络中，转移参量是用端口(2)的电压和电流表示端口(1)电压和电流的参量)()(22222112122111IAVAIIAVAV或用矩阵表示为222212211111IVAAAAIV(I2前的负号表示与下图中的电流正方向相反)V1V2)()(22222112122111IAVAIIAVAV在端口(2)开路(I2=0)时，定义电压转移系数为021112IVVA在端口(2)短路(V2=0)时，定义电流转移系数为021222VIIAV1V2在端口(2)短路(V2=0)时，可定义转移阻抗为021122VIVA在端口(2)短路(V2=0)时，可定义转移导纳为021212IVIA)()(22222112122111IAVAIIAVAV图4.3-1二端口网络电压、电流的示意图V1V2)()(22222112122111IAVAIIAVAV用Z01、Z02对A参量方程式归一化得)()(22222112122111iavaii