《微波技术与天线》第四章 微波网络基础.ppt

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1、第四章微波网络基础2021/7/171引言实际的微波传输系统一个复杂的边界系统，由两部分组成：均匀的导波系统不均匀的微波元件（无源元件）微波元件的边界形状与规则传输线不同，从而在传输系统中引入了不均匀性。不均匀性在传输系统中除产生主模的反射与透射外，还会引起高次模，严格分析必须用场的分析法。实际的微波传输系统可等效为一个微波网络。2021/7/172引言微波网络理论的基本思路在实际分析中往往不需要了解微波元件的内部结构，而只关心它对传输系统工作状态的影响。只要知道了由于插入非均匀区后所引起的反射波和透射波

2、相对于入射波的振幅和相位，不均匀区的微波网络特性就唯一地确定了。微波网络理论的研究目的网络分析根据实际的电路结构求出网络参量及其工作特性参量，分析微波器件、部件和系统的工作特性。网络综合根据预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，进行微波电路和元器件的综合设计。2021/7/173引言微波电路的两种分析方法“场”的方法采用求解电磁场边界条件的方法。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。“路”的方法直接从微波元器件

3、的电路特性出发，分析和设计微波部件、子系统。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。缺点：结果近似。2021/7/174引言微波等效电路法（化“场”为“路”）均匀的导波系统作用：引导电磁波传播。等效为具有分布参数效应的长线。工作在单模的导波系统等效为一对均匀传输线。工作在多模的导波系统等效为多对均匀传输线。不均匀的微波元件作用：贮能或耗能。等效为集总参数网络。不同结构的不均匀性等效为不同结构和不同性质的网络。参考面确定均匀导波系统与不均匀区的界面。2021/7/175引言微波网络

4、理论的基础电路理论（集总参数）长线理论（分布参数）电磁场理论微波网络不同于低频网络之处等效电路及其参量只针对一个工作模式。网络端面（即参考面）需取得稍远离不均匀区。当参考面移动，网络参量就会改变。网络元件与频率有关，微波网络的等效电路及其参量只适用于一个频段。常用入射波和反射波来描述网络状态——S参数是微波网络中最常有的矩阵参数。2021/7/176主要内容均匀导波系统等效为长线不均匀性等效为集总参数网络微波网络按端口数量的分类单口网络双口网络阻抗矩阵导纳矩阵散射矩阵和传输矩阵微波网络按特性的分类参考面移动

5、对网络参量的影响微波网络的工作特性参量2021/7/177均匀导波系统等效为长线TEM波传输线Vs.非TEM波传输线双线（TEM波传输线）长线（均匀传输线）传输TEM波，无色散，无低频截止现象（kc=0）。电压和电流有明确的物理意义（导体间有确定的电压、导体上有确定的电流）。电压和电流只与纵向坐标z有关、与横截面无关。电压和电流可直接测量，可以导出一系列的其它参量。波导（非TEM波传输线）等效传输线TE/TM波（不一定是单模传输），有色散，有低频截止现象（kc≠0）；与传播模式有关。不存在单值电压波/电流波

6、。电压和电流的定义不唯一，导致由此定义的传输线特征阻抗绝对值不唯一（需引入等效特性阻抗）。电磁场与x、y、z有关。微波频率下难于测量电压和电流，不存在有效的端对。2021/7/178均匀导波系统等效为长线等效依据长线理论是建立在TEM波传输线基础上的，基本物理量是电压和电流。非TEM波传输线的电压和电流只能在一定条件下等效而得，而且只有形式上的意义，不像低频电路的电压和电流那样可以用电压表和电流表直接测量出来。要使场描述的非TEM波传输线等效为电压、电流描述的长线，也就是要将电场、磁场等效为电压和电流。有必

7、要引入等效电压和等效电流的概念，从而将长线理论应用于任意导波系统。2021/7/179均匀导波系统等效为长线等效传输线理论等效传输线建立在等效电压、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。再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，这样长线中的许多分析方法均可用于等效传输线的分析。等效原则保持传输功率不变，并且归一后的电压和电流也保持功率不变。2021/7/1710均匀导波系统等效为长线等效条件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:等效电压Uk(z)正比于横

8、向电场Et；等效电流Ik(z)正比于横向磁场Ht。等效电压和等效电流共轭乘积的实部应等于平均传输功率。等效电压和等效电流之比应等于对应的等效特性阻抗值。入射波电压和入射波电流的比值为传输线特征阻抗，一般归一为1。2021/7/1711均匀导波系统等效为长线无耗单模导波系统中传播模TE10的场无耗、长线上行波电压/电流（取z从波源端算起的解）ek(x,y)、hk(x,y)：二维实函数,代表了横向场的模式矢量函数。U