无源微波器件——微波技术与天线PPT学习教案

1、会计学1 无源微波器件无源微波器件微波技术与天线微波技术与天线 微波网络 什么是微波网络什么是微波网络 ？ 当仅需要知道微波传输线或者微波元器件的当仅需要知道微波传输线或者微波元器件的 外部特性之间的关系时，可以采用类似于低频时的网外部特性之间的关系时，可以采用类似于低频时的网 络理论，把微波传输线或者微波元器件等效成为相应络理论，把微波传输线或者微波元器件等效成为相应 的网络进行分析。的网络进行分析。 第1页/共31页 分类方法类 型 按端口数量分一口网络、二口网络、多口网络 按几何对称性分对称网络、非对称网络 按物理对称性分互易网络、非互易网络 按功率损耗分无耗网络、有耗网络 按变换类型分

2、线性网络、非线性网络 微波网络的分微波网络的分 类类 第2页/共31页 微波网络的特微波网络的特 点点 1、必须针对确定的模式。 2、必须针对确定的参考面。只有参考面确定 ，对应的网络参量才能确定 如：第三章中，将矩形波导TE10模式的等效 电压定义为电场沿ABC线的积分。可以看出 在用电压、电流这种路的分析方法分析微波 传输线时，必须指明针对与传输线的什么模 式。 二端口器件二端口器件 第3页/共31页 iii ZII 0 i i i Z U U 0 ii IU i a ii IU 3、端口的电压、电流常用其归一化值表示 000 iii i iii UUU U ZZZ ii UU 000 i

3、ii iiiiii IIZIZIZII 0iii UZ I 0iii UZ I 归一化进波归一化进波 i b归一化出波归一化出波 第4页/共31页 iii UUU i i i i iii Z U Z U UUU 00 iii III iiiiiii ZIZIIII 00 iii IUZ0iii aIU iii IUZ0 iii bIU * 2 1 iii IUP * * 2 1 2 1 2 1 iiiiiii aaIIUUP * 2 1 iii IUP * * 2 1 2 1 2 1 iiiiiii bbIIUUP 序号非归一化形式归一化形式 1 2 3 4 5 6 表4-1-2 分析微波网络

4、时的一些基本关系式 第5页/共31页 阻抗参量（阻抗参量（Z参量参量 ） 对于线性网络，各端口的电压与电流之间的关系可 以写为如下形式： 111 1122 221 1222 UZ IZ I UZ IZ I 第6页/共31页 111 1122 221 1222 UZ IZ I UZ IZ I 写为 矩阵 形式 111121 221222 UZZI UZZI UZI U 、 分别称为电压、电流矩 阵 Z称为阻抗矩 阵 I 第7页/共31页 各阻抗参量的物理意义： 0| 2 1 1 11 I I U Z 为T2面开路时,端口1的输入阻抗 111 1122 221 1222 UZ IZ I UZ IZ

5、 I 1 121 2 |0 U ZI I 为T1面开路时,端口2至端口1的转移阻 抗 0| 2 1 2 21 I I U Z为T2面开路时,端口1至端口2的转移阻 抗 0| 1 2 2 22 I I U Z 为T1面开路时, 端口2的输入阻抗 第8页/共31页 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 1 11 101 01 , U UIIZ Z 2 22 202 02 , U UIIZ Z Uz I 代入可得，归一化电压与电流之间的关系矩阵归一 化阻抗矩阵 1101120102 2101022202 / / ZZZZ Z z ZZ ZZZ 第9页/共31页 导纳参量（参量导纳参

6、量（参量 ） 对于线性网络，各端口的电流与电压之间的关系可 以写为如下形式： 1111122 2211222 IY UY U IY UY U 1112 2122 YY Y YY 导纳矩阵 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 YI 1 YZ II为单位矩阵 第10页/共31页 求如图所示双端口网络的Z矩阵和Y矩阵。 U1U2 ZC ZAZB I1I2 解： 由Z矩阵的定义: CAI ZZ I U z 0 1 1 11 2 | 2 2 210 1 |I C U zZ I 1 2 220 2 |I BC U zZZ I 1 1 120 2 |I C U zZ I 第11页/共

7、31页 于是 Z C CA Z ZZ CB C ZZ Z C CB Z ZZ CA C ZZ Z CBABA ZZZZZ ZY )( 1 1 第12页/共31页 转移参量（转移参量（A参量参量 ） 为了便于研究网络级联特性，定义转移矩阵也称为 A矩阵 122 122 UaUbI IcUdI 端口1的电压、电流和端口2电压、电流之间 的关系可以写为如下形式： 12 12 UUab IIcd 转移矩阵转移矩阵 第13页/共31页 2 1 0 2 |I U U a 表示T2开路时电压的转移参数 2 1 0 2 |U U b I 表示T2短路时转移阻抗 2 1 0 2 |I I c U 表示T2开路时

8、转移导纳 2 1 0 2 |U I d I 表示T2短路时电流的转移参数 A矩阵中各参数的物理意义为： 122 122 UaUbI IcUdI 第14页/共31页 221 221 IDUCI IBUAU 02 01 0201 0201 01 02 Z Z dZZc ZZ b Z Z a DC BA A 对应的归一化转移参量，可以表示为 ： 归一化转移矩阵为： 第15页/共31页 端口2开路时 21 UU 1 0 2 1 2 I U U a 0 0 2 1 2 I U I c 端口2短路时11 ZIU 21 II Z I U b U 0 2 1 2 1 0 2 1 2 U I I d 解： 图4

9、-1-2 串联阻抗单元电路 0 2 I 第16页/共31页 当双端口网络输出端口参考 面上接任意负载时, 用转移 参量求输入端口参考面上的 输入阻抗和反射系数也较为 方便。如图所示，求1端口 处的输入阻抗和反射系数。 A U2 I2I1 T2T1 U1 Zin Zl 参考面T2处的电压U2和电流-I2之间关系为 而参考面T1处的输入阻抗为 2 2 l U Z I 1 1 in U Z I 22 22 () () aUbI cUdI l l aZb cZd 第17页/共31页 3 3 2 2 2 I U I U A 21A AA n AAAA 21 3 3 21 3 3 1 1 I U I U

10、I U AAA 2 2 1 1 1 I U I U A 转移参量的传递性 对于n个2端口网络级联，其转移矩阵为： 第18页/共31页 cossin 1 j sinjcos 0 0 Z Z cos sin j sin jcos 02 01 0 0201 0201 0 01 02 Z Z Z ZZ ZZ Z Z Z 名称等效电路 串联 阻抗 并联 导纳 理想 变压器 传输 线段 AA 10 1Z 02 01 0201 01 02 0 Z Z ZZ Z Z Z 1 01 Y 01 02 0201 02 01 0 Y Y YY Y Y Y n n 1 0 0 02 01 01 02 1 0 0 Z Z

11、 n Z Z n 第19页/共31页 散射参量（散射参量（S参量参量 ） Z、Y、A网络参量, 都是建立在电压和电流概念上的 ，而在某些微波传输线中，电压和电流已经失去了 明确的意义，其测量十分困难。 另外这三种网络参数的测量不是要求端口开路就是 要求端口短路, 在微波频率下宽频实现难度较大。 相比之下测量微波电路的入射及反射波的大小则要 容易的多。 而在微波频率下实现宽频端口全匹配则要容易的多 。 第20页/共31页 2221212 2121111 aSaSb aSaSb 2221 1211 SS SS S 散射参量就是建立在入射波与反射波基础之上的 T1T2 双 口 网 络 a1a2 b1

12、b2 iii aUI iii bUI 端口i处的入射波 端口i处的出射波 2* 2111 222 iii ini PUIUa 2 211 22 i ri PUb 第21页/共31页 0 1 1 11 2 a a b S表示端口2接匹配负载时，端口1处的反射系数。 0 2 2 22 1 a a b S 表示端口1接匹配负载时，端口2处的反射系数。 0 2 1 12 1 a a b S表示端口1接匹配负载时，端口2至端口1的 电压传输系数。 0 1 2 21 2 a a b S表示端口2接匹配负载时，端口1至端口2的 电压传输系数 。 S参量的物理意义： 第22页/共31页 2211 SS 211

13、2 SS 22 1121 * 11122122 * 12112221 22 1222 1 0 0 1 SS S SS S S SS S SS ISS *T S参量的性质： 若网络对称： 若网络互易： 若网络无耗： 第23页/共31页 c d c c bcad c a ZZ ZZ 1 2221 1211 Z b a b b bcad b d YY YY 1 2221 1211 Y Y 11 12 21 22 2 2 ADBC S ABCD ADBC S ABCD S ABCD DABC S ABCD 网络参量之间的变换网络参量之间的变换 Z Z参量与A A参量的关系 Y Y参量与A A参量的关系

14、 S S参量与归一化A A参量的关系 第24页/共31页 21 0 1 2 2 S a b T a 21 j 21 eS 21 （1）电压传输系数T：网络输出端接匹配负载时 ，输出端归一化出波与输入端归一化进波之比。 （2）插入相移：电压传输系数的幅角 二端口网络的工作特性参量二端口网络的工作特性参量 （3）插入衰减：网络输出端接匹配负载时，输 入端进波功率与输出端出波功率之比，单位为dB 。 2 210 2 1 1 lg10lg10 2 S P P A a 第25页/共31页 11 11 0 min 1 max 1 1 1 2 S S U U a 第26页/共31页 333231 23222

15、1 131211 SSS SSS SSS S 332211 SSS网络对称 ,1,2,3 ijji SSi j网络互易 网络无耗 Sab ISS *T 44434241 34333231 24232221 14131211 SSSS SSSS SSSS SSSS SSab 第27页/共31页 0 ii S i ii aa j e i ii bb j e ii UU ii ba 0 i I ii UU ii ba0 i U i ii ba 2j e 0 i U0 i a i iii ba 2j e 端口状态用归一化进波、出波表示用电压、电流表示 内部状态 端口匹配 参考面外移 外部状态 接开路负载 ( ) 接短路负载 ( ) 接短路活塞 接匹配负载 ( ) 接任意负载 第28页/共31页 0 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 1 S 2 2j 22 e ba 0 3 a 0e 2 2 2 2 0e 2 1 2 1 0e 2 1 2 1 33 2j 213 23 2j 212 13 2j 211 2 2 2 Sbab Sbab Sbab 解：记l 2 图4-1-4 四口网络微波电路 第29页/