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1、第4章微波网络基础4―1引言4―2波导传输线与双线传输线的等效4―3微波元件等效为微波网络的原理4―4二端口微波网络4―5基本电路单元的参量矩阵4―6微波网络的工作特性参量4―1引言任何一个微波系统,都是由各种微波元件和微波传输线组成。微波传输线的特性可以用广义传输线方程来描写,微波元件的特性可以用类似于低频网络的等效电路来描述。因此任何一个复杂的微波系统都可以用电磁场理论和低频网络理论相结合的方法来求解,这种理论称为微波网络理论。微波网络理论可分为网络分析和网络综合。网络分析的任务是根据实际的电路结构求出网络参量及其工作特性参量;网络综合的任务是根据预
2、定的工作特性参量应用数学方法,求出物理上可实现的网络结构以满足给定的工作特性要求。低频网络是微波网络的基础,因此低频网络的一些定律定理概念方法等,可以移植过来使用,如克希霍夫定律回路电流法节电位法叠加原理互易定理戴维宁定理等都可以用来决微波电路问题。但由于微波电路均属于分布参数系统,和低频网络相比微波网络具有如下特点:(1)画出的等效电路及其参量是对一个工作模式而言的,对于不同的模式有不同的等效网络结构及参量。(2)电路中不均匀点附近将会激起高次模,因此不均匀区段的网络端面(即参考面)需取得稍远离不均匀区,使不均匀区激励起的高次模衰减到足够小,此时高次模
3、对工作模式的影响仅增加一个电抗值,可计入网络参量之内。(3)由于均匀传输线是微波网络的一部分,它的网络参量与线的长度有关,因此整个网络参考面也要严格规定,一旦参考面移动,则网络参量就会改变。(4)微波网络的等效电路及其参量只适用于一个频段,当频率范围大幅度变化时,对于同一个网络结构的阻抗和导纳不仅有量的变化,而且性质也会发生变化,致使等效电路及其参量也发生改变,而且频率特性会重复出现。4―2波导传输线与双线传输线的等效任何一个微波元件均需外接传输线,将微波元件等效为网络,而外接传输线等效为双线传输线,那么所有微波系统都可以应用微波网络理论来解决。因此首先
4、要解决如何把波导传输线等效成为双线传输线的问题。传输线理论是一种电路理论。它的基本参量是电压电流。在低频电路中,电压和电流不仅有明确的定义,而且可以直接测量,从这两个基本参量就可以导出一系列的其它参量,如功率阻抗导纳反射系数及驻波比等。为了定义任意截面沿z方向单模传输的均匀波导参考面上的模式电压与模式电流,一般作如下规定:(1)使模式电压U(z)正比于横向电场ET;模式电流I(z)正比于横向磁场HT;(2)模式电压与模式电流的共轭乘积的实部等于平均传输功率,即(3)模式电压与模式电流之比等于模式特性阻抗。原则上按规定根据各种模式的横向电场与横向磁场可导出
5、相应的模式电压与模式电崐流,这里从略。由此可见,任何一段均匀传输线均可以看成等效双线,并可应用传输线理论来进行分析。但必须指出:双线中电压和电流是唯一可以确定的,而等效双线中模式电压和模式电流不能唯一确定,这主要是由于阻抗的不确定性引起的,为了消除这种不确定性,必须引进归一化阻抗的概念,即(4―2―1)式中电压反射系数Γ可以直接测量,故归一化阻抗可以唯一确定,其中Z0是等效双线的模式特性阻抗,即波导的等效阻抗或波阻抗。根据归一化阻抗概念可以导出归一化电压与归一化电流的定义(4―2―2)故归一化电压和归一化电流的定义为(4―2―3)同样归一化入射波和归一化
6、反射波定义为(4―2―4)于是入射波功率和反射波功率可表示为(4―2―5)则传输的有功功率为(4―2―6)4―3微波元件等效为微波网络的原理一网络参考面的选择研究微波网络首先必须确定微波网络的参考面。参考面的位置可以任意选,但必须考虑以下两点:单模传输时,参考面的位置尽量远离不连续性区域,这样参考面上的高次模场强可以忽略,只考虑主模的场强;选择参考面必须与传输方向相垂直,这样使参考面上的电压和电流有明确的意义。当网络参考面一旦选定后,所定义的微波网络就是由这些参考面所包围的区域,网络的参数也唯一被确定了。如果参考面位置改变,则网络参数也随之改变。对于单模
7、传输情况来说,微波网络的外接传输线的路数与参考面的数目相等。如图4―3―1所示:其中图(a)为同轴线低通滤波器,外接传输线为两路,其参考面有两个,故称为两端口网络。图(b)为微带定向耦合器,它是四端口网络。二微波元件等效为微波网络的原理电磁场唯一性定理指出,如果一个封闭曲面上的切向电场(或切向磁场)给定,或者一部分封闭面上给定切向电场,另一部分封闭面上给定切向磁场,那么这个封闭面内的电磁场就被唯一确定。微波网络的边界是由理想导体和网络参考面所组成,而理想导体的边界条件为切向电场均等于零,因此只要给定参考面上切崐向电场(或切向磁场),或者一部分参考面上给定
8、切向电场,另一部分参考面上给定切向磁场,则区域内的电磁场也被唯一确定。图4―3―
