第10讲2016射频网络参数

第10讲射频网络参数谢泽明华南理工大学电子与信息学院Email:eezmxie@射频电路与天线

RFCircuitsandAntennas

第10讲内容射频电路基本模型波导等效为双线不连续性区域等效为网络网络参数Z矩阵（阻抗参数）Y矩阵（导纳参数）A矩阵（转移参数）S矩阵（散射参数）T矩阵（转移参数）基本电路的网络参数10.1射频电路的基本模型射频电路实现方法：用传输线连接射频元件实现射频电路Antenna无线通信系统原理框图射频元件的实现方法：低频段：传输线上放置集总参数元件（电阻、电容、电感、晶体管等）中高频段：平行双线（开路线、短路线、耦合线等）高频段：波导中的不均匀段微波元件之波导螺钉滤波器射频电路基本模型射频电路可以分解为传输线与基本元件的组合相对于传输线，基本元件就是不连续区域射频电路模型：传输线和不连续区域的组合

均匀系统不连续性系统均匀系统双口微波网络入波出波透射波分析和设计射频电路的网络方法射频元件本质是用波导不连续性控制电磁波的传输特性，本质是电磁场问题，基本分析方法是求解电磁场。为了方便工程应用，发展了等效网络方法：把不连续区域等效为电路网络端口上的电磁场用等效电压和等效电流描述传输特性用网络参数描述其特性

均匀系统不连续性系统均匀系统双口微波网络入波出波透射波波导等效为平行双线波导端口可以等效为两个端子端口上的电磁场可以用等效电压与电流表示射频器件（不连续区域）等效为网络射频器件的传输特性用电路网络参数表征实际上一段传输线也可以等效为一个两端口网络等效的基础：两者有相同的传输特性微波网络方法：微波网络的思想黑箱方法——不管不连续性区域内部的构成怎样，统一的看成一个“黑箱”。通过“黑箱”各端口上激励与响应之间的关系表征“黑箱”的特性。等效原理——把电磁波的反射、透射问题等效为电压、电流信号的传输问题，在外部特性相同的基础上把微波元件等效为电路网络电路方法——把麻烦的电磁问题简化为熟知的电路问题来解决

均匀系统不连续性系统均匀系统双口微波网络入波出波透射波简单、容易描述，可用电路网络参数描述工程上容易实现只关心外部特性，不关心内部场分布网络参数可以用测量方法获得，避免复杂的场计算复杂电路可以看成网络的组合，便于计算复杂射频电路。网络思想的优点晶体管输入匹配输出匹配隔直电容偏置电路偏置电路等效电路射频网络的特点：本质上是场，属分布参数，在外部特性相同的基础上等效为电路网络。与波导模式有关，模式不同，等效的结果不同。与参考面选取有关，参考面不同，等效网络不同。与频率有关，频率段不同，等效的结果不同。等效为电路网络后，电流电压没有实际意义，只代表电场与磁场的分布。

均匀系统不连续性系统均匀系统双口微波网络入波出波透射波参考面选取原则选取参考面的原则参考面应离不连续性足够远，以使不连续性引起的高次截止模在参考面上消失掉；参考面必须与传输线垂直，以使场的横向分量落在参考面上。

均匀系统不连续性系统均匀系统双口微波网络入波出波透射波射频网络的分类：按端口数：单端口网络、双端口网络、…按是否线性媒质：线性网络、非线性网络。按是否有耗：有耗网络和无耗网络按是否可逆：互易网络和非互易网络按是否有源：有源网络和无源网络按是否对称：对称网络和非对称网络不连续区域等效为网络的例子zxy结论：

各种传输线的纵向分布问题与平行双线的纵向分布相同，可以把波导等效为平行双线。10.2

波导等效为平行双线等效与选用的模式有关纵向相对分布相同的基础上波导等效为平行双线用电压代表电场纵向分布的相对大小。用电流代表磁场纵向分布的相对大小。电场和磁场可以写成：：电场矢量模函数；：磁场矢量模函数；：等效电压；：等效电流；等效电压和等效电流不是真实的电压和电流。没有电压和电流的量纲。等效电压和等效电流的选取有一定任意性。zxy等效电压与等效电流等效电压和等效电流的选取要求满足归一化条件：目的：使等效后两者计算的传输功率相同。问题1：满足归一化条件的等效电压和等效电流是否唯一

确定？问题2：等效传输线的特性阻抗？归一化条件推导：zxy波导上的电磁波等于正向波和反向波叠加。对于正向波，有：选定等效电压和等效电流后，等效特性阻抗：等效特性阻抗没有实际物理，也没有阻抗量纲。等效特性阻抗与波导的波阻抗成正比显然，等效特性阻抗有任意性，通常可以根据具体的需要先规定波导的等效特性阻抗（比如等于波阻抗，或干脆等于1），然后据此定义等效电压和电流。矩形波导TE10波的等效阻抗：参见课本5.2.2等效特性阻抗：正向波等效电压和正向波等效电流之比选定等效电压和电流后，等效传输线的特性阻抗：等效特性阻抗zxy归一化电压与归一化电流波导等效为平行双线后，一般采用归一化电压与归一化电流，定义：归一化电压与电流满足归一化条件：归一化后，等效输入阻抗为归一化阻抗：归一化电压归一化电流zxy归一化后，等效特性阻抗等于1归一化入射波电压等于归一化入射波电流：对于反射波，归一化反射波电压等于归一化反射波电流的负值：归一化电压方便计算的入射波和反射波功率归一化等效阻抗可以用反射系数测量。归一化后可以很方便地利用传输线理论和圆图等工具计算波导的传输问题等效的依据：时变电磁场的唯一性定理由电磁场理论可以证明：区域内的电磁场由区域边界上的电场切向分量或磁场切向分量唯一确定10.3不连续区域等效为电路网络

均匀系统不连续性系统均匀系统双口微波网络入波出波透射波等效的原理：1、做闭合面包围波导不连续区域，在波导处闭合面垂直于波导。2、闭合面上只有在参考面上有不为0的电磁场，由唯一性定理，不连续区域内的电磁场可以由端口上切向磁场唯一确定。3、相应地端口上切向电场也就有端口切向磁场唯一确定。4、把波导等效为平行双线，端口切向电场用电压代表，切向磁场用电流代表，于是端口上的等效电流可以唯一确定端口等效电压。对于线性系统，满足叠加原理：结论：不连续区域由一个线性网络等效

均匀系统不连续性系统均匀系统双口微波网络入波出波透射波射频电路可以等效为网络，端口电场用电压表示，端口磁场用电流表示。对于线性网络，某一端口的响应是由各个端口的激励所产生的响应线性叠加而成，依照这一原理，根据激励量选择的不同，可以定义各种各样的网络参量矩阵。端口量选用电压、电流——Z参量、Y参量、A参量端口量选用入射、反射波——S参量、T参量网络参数反映各端口量的关系10.4网络参数Z参数–阻抗矩阵取各端口上的电流为激励，则各端口上的响应电压是各电流激励的结果的叠加。矩阵Z称为阻抗矩阵，反映了网络电流与电压的关系，但只与网络自身有关，与激励和响应无关。自阻抗互阻抗互易网络无耗网络无耗互易网络对称二端口网络Z矩阵的性质Y矩阵–导纳矩阵取各端口上的电压为激励，则各端口上的响应电流是各电压激励的结果的叠加。矩阵Y称为导纳矩阵，反映了网络电压与电流的关系，但只与网络自身有关，与激励和响应无关。互易网络无耗网络无耗互易网络对称二端口网络Y矩阵的特点网络并联A矩阵－转移矩阵互易网络无耗网络对角线为实数，非对角线为虚数对称二端口网络A矩阵的特点网络级联：在A矩阵的定义中，输出端口的电流之所以选为负值是因为这样定义的A矩阵特别方便计算级联网络的A矩阵S矩阵——散射参数用端口的入射波计算端口的反射波（出射波）其他口匹配时i口的反射系数其他口匹配时j口到i口的传输系数Zck为第k口的特性阻抗对于双口网络互易网络无耗网络无耗互易网络对称二端口网络S矩阵的特点T矩阵——传输参数用端口2的进出波计算端口1的进出波互易网络无耗网络对称二端口网络