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1、2.6 微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ),任何一個微波系統(tǒng)都是由各種微波元件和微波傳輸線組成的。任何一個復(fù)雜的微波系統(tǒng)都可以用電磁場理論和低頻網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合的方法來分析，這種理論稱為微波網(wǎng)絡(luò)理論。,微波網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：,(1)對于不同的模式有不同的等效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參量。通常希望傳輸線工作于主模狀態(tài)。 (2)電路中不均勻區(qū)附近將會激起高次模，此時高次模對工作模式的影響僅增加一個電抗值，可計(jì)入網(wǎng)絡(luò)參量之內(nèi)。 (3)整個網(wǎng)絡(luò)參考面要嚴(yán)格規(guī)定，一旦參考面移動，則網(wǎng)絡(luò)參量就會改變。 (4)微波網(wǎng)絡(luò)的等效電路及其參量只適用于一個頻段,微波元件等效為微波網(wǎng)絡(luò) 一、 網(wǎng)絡(luò)參考面的選擇,參考面的位置可以任意選，但必須考慮以下兩點(diǎn)：
2、,（1）單模傳輸時，參考面的位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離不連續(xù)性區(qū)域，這樣參考面上的高次模場強(qiáng)可以忽略，只考慮主模的場強(qiáng)；,（2）選擇參考面必須與傳輸方向相垂直，這樣使參考面上的電壓和電流有明確的意義,如果參考面位置改變，則網(wǎng)絡(luò)參數(shù)也隨之改變。,二、不均勻區(qū)等效為微波網(wǎng)絡(luò) 微波元件對電磁波的控制作用是通過微波元件內(nèi)部的不均勻區(qū)(不連續(xù)性邊界)和填充媒質(zhì)的特性來實(shí)現(xiàn)的。將不均勻區(qū)等效為微波網(wǎng)絡(luò)，需要用到電磁場的唯一性原理和線性疊加原理。 線性疊加原理,對于n端口線性網(wǎng)絡(luò)，,式中Zmn為阻抗參量，若m=n稱它為自阻抗，若mn稱它為轉(zhuǎn)移阻抗。,如果n端口網(wǎng)絡(luò)的各個參考面上同時有電壓作用時,式中Ymn為導(dǎo)納參量，若
3、m=n稱它為自導(dǎo)納，若mn稱它為轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。,唯一性原理,在一個封閉區(qū)域的邊界上，切向電場或者切向磁場如果是確定的，那么區(qū)域內(nèi)的電磁場就被唯一確定 不連續(xù)性區(qū)域的邊界是由導(dǎo)體及網(wǎng)絡(luò)參考面構(gòu)成的，參考面上的模式電壓和模式電流正比于橫向電場和橫向磁場的幅度函數(shù)，如果網(wǎng)絡(luò)參考面上的電壓確定了，則網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電磁場就唯一地確定,三、 微波網(wǎng)絡(luò)的特性 (一) 微波網(wǎng)絡(luò)的分類,按網(wǎng)絡(luò)的特性進(jìn)行分類,1. 線性與非線性網(wǎng)絡(luò) 2. 可逆與不可逆網(wǎng)絡(luò) 3. 無耗與有耗網(wǎng)絡(luò) 4. 對稱與非對稱網(wǎng)絡(luò),按微波元件的功能來分,1.阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) 2.功率分配網(wǎng)絡(luò) 3.濾波網(wǎng)絡(luò) 4.波型變換網(wǎng)絡(luò),(二) 微波網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì),對于無耗
4、網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的全部阻抗參量和導(dǎo)納參量均為純虛數(shù)，即有 對于可逆網(wǎng)絡(luò)，則有下列互易特性 對于對稱網(wǎng)絡(luò)，則有,(1),(2),(3),二端口微波網(wǎng)絡(luò) 一、 二端口微波網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參量,在各種微波網(wǎng)絡(luò)中，二端口微波網(wǎng)絡(luò)是最基本的。例如：衰減器、移相器、阻抗變換器和濾波器等均屬于二端口微波網(wǎng)絡(luò)。,表征二端口微波網(wǎng)絡(luò)特性的參量可以分為兩大類：,一、反映網(wǎng)絡(luò)參考面上電壓與電流之間關(guān)系的參量,二、反映網(wǎng)絡(luò)參考面上入射波電壓與反射波電壓之間關(guān)系的參量。如圖所示。,(一) 阻抗參量、導(dǎo)納參量和轉(zhuǎn)移參量,1 阻抗參量 用T1和T2兩個參考面上的電流表示兩個參考面上的電壓，其網(wǎng)絡(luò)方程為,各阻抗參量元素定義如下,表示T2
5、面開路時，端口(1)的輸入阻抗； 表示T1面開路時，端口(2)的輸入阻抗； 表示T1面開路時，端口(2)至端口(1)的轉(zhuǎn)移阻抗； 表示T2面開路時，端口(1)至端口(2)的轉(zhuǎn)移阻抗。,特性阻抗歸一化,T1和T2參考面上的歸一化電壓和歸一化電流分別為,歸一化,歸一化阻抗參量為,2. 導(dǎo)納參量 用T1和T2兩個參考面上的電壓表示兩個參考面上的電流，其網(wǎng)絡(luò)方程為,各導(dǎo)納參量元素定義如下,表示T2面短路時，端口(1)的輸入導(dǎo)納； 表示T1面短路時，端口(2)的輸入導(dǎo)納 表示T1面短路時，端口(2)至端口(1)的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納； 表示T2面短路時，端口(1)至端口(2)的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。,如果T1和T2參考面所接傳
6、輸線的特性導(dǎo)納分別為Y01和Y02，則歸一化表示式為,3.轉(zhuǎn)移參量,用T2面上的電壓、電流來表示T1面上的電壓和電流的網(wǎng)絡(luò)方程，且規(guī)定電流流進(jìn)網(wǎng)絡(luò)為正方向，流出網(wǎng)絡(luò)為負(fù)方向。則有,轉(zhuǎn)移參量的定義為,表示T2面開路時，端口(2)至端口(1)的電壓轉(zhuǎn)移系數(shù)； 表示T2面短路時，端口(2)至端口(1)的轉(zhuǎn)移阻抗； 表示T2面開路時，端口(2)至端口(1)的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納； 表示T2面短路時，端口(2)至端口(1)的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。,歸一化方程,(二) 散射參量和傳輸參量,不管電路如何變化，信號源輸出功率可以設(shè)法保持不變，而且很容易得到匹配的終端負(fù)載。,1.散射參量,二端口網(wǎng)絡(luò)參考面T1和T2面上的歸一化入射
7、波電壓和歸一化反射波電壓應(yīng)用疊加原理，可以用兩個參考面上的入射波電壓來表示兩個參考面上的反射波電壓，其網(wǎng)絡(luò)方程為,散射參量的定義為,表示T2面接匹配負(fù)載時，T1面上的電壓反射系數(shù)；,表示T1面接匹配負(fù)載時，T2面至T1面的電壓傳輸系數(shù)；,表示T2面接匹配負(fù)載時，T1面至T2面的電壓傳輸系數(shù)；,表示T1面接匹配負(fù)載時，T2面上的電壓反射系數(shù)。,2.傳輸參量,用T2面上的電壓入射波和反射波來表示T1面上的電壓入射波和反射波，其網(wǎng)絡(luò)方程為,矩陣形式為,表示表示T2面接匹配負(fù)載時，T1面至T2面的電壓傳輸系數(shù)的倒數(shù)，其余參量沒有直觀的物理意義。,二、 二端口微波網(wǎng)絡(luò)參量的性質(zhì) 一般情況下，二端口網(wǎng)絡(luò)的
8、五種網(wǎng)絡(luò)參量均有四個獨(dú)立參量，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)具有某種特性(如對稱性或可逆性等)時，網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立參量個數(shù)將會減少。,(一) 可逆網(wǎng)絡(luò) 如前所述，可逆網(wǎng)絡(luò)具有互易特性,其它幾種網(wǎng)絡(luò)參量的互易特性為,(二) 對稱網(wǎng)絡(luò) 一個對稱網(wǎng)絡(luò)具有下列特性,，,其它幾種網(wǎng)絡(luò)參量的對稱性為,， ，,由此可見，一個對稱二端口網(wǎng)絡(luò)的兩個參考面上的輸入阻抗、輸入導(dǎo)納以及電壓反射系數(shù)等參量一一對應(yīng)相等,(三) 無耗網(wǎng)絡(luò),利用復(fù)功率定理和矩陣運(yùn)算可以證明，一個無耗網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣一定滿足“么正性”，即,或?qū)懗?代入得,二端口微波網(wǎng)絡(luò)的工作特性參量,對于二端口網(wǎng)絡(luò)來說，常用的工作特性參量有電壓傳輸系數(shù)T、插入衰減A、插入相移 以及輸入駐
9、波比。,T即為網(wǎng)絡(luò)散射參量S21，即,一 、電壓傳輸系數(shù)T 電壓傳輸系數(shù)T定義為：網(wǎng)絡(luò)輸出端接匹配負(fù)載時，輸出端參考面上的反射波電壓與輸入端參考面上的入射波電壓之比，即,可逆二端口網(wǎng)絡(luò),二、插入衰減A,插入衰減A定義為：網(wǎng)絡(luò)輸出端接匹配負(fù)載時，網(wǎng)絡(luò)輸入端的入射波功率Pi與負(fù)載吸收功率PL之比，即,由此可見，插入衰減等于電壓傳輸系數(shù)平方的倒數(shù)。 對于可逆二端口網(wǎng)絡(luò)，則有,三、插入相移,插入相移 定義為：網(wǎng)絡(luò)輸出端接匹配負(fù)載時，輸出端的反射波對輸入端的入射波的相移。,因此根據(jù)定義，有,對于可逆網(wǎng)絡(luò),四、 輸入駐波比,輸入駐波比定義為：網(wǎng)絡(luò)輸出端接匹配負(fù)載時，輸入端的駐波比。,當(dāng)輸出端接匹配負(fù)載時，
10、輸入端反射系數(shù)即為S11，所以有,或,對于可逆無耗網(wǎng)絡(luò)，僅有反射衰減，因此插入衰減與輸入駐波比有下列關(guān)系,多端口微波網(wǎng)絡(luò),描述多端口微波網(wǎng)絡(luò)的參量矩陣只有阻抗矩陣、導(dǎo)納矩陣和散射矩陣三種。,n端口網(wǎng)絡(luò)各端口參考面上電壓和電流關(guān)系的矩陣方程為,或簡寫成,散射參量矩陣方程為,或簡寫成,若n端口微波網(wǎng)絡(luò)可逆，則網(wǎng)絡(luò)參量矩陣具有下述性質(zhì),若n端口微波網(wǎng)絡(luò)的端口j與端口k 在結(jié)構(gòu)上對稱，則網(wǎng)絡(luò)參量具有下述性質(zhì),定向耦合器,微波元件的功能在于對微波信號進(jìn)行各種變換，按其變換性質(zhì)可將微波元件分為如下三類：,一、線性互易元件,凡是元件中沒有非線性和非互易性物質(zhì)都屬于這一類。常用的線性互易元件包括：匹配負(fù)載、衰
11、減器、移相器、短路活塞、功分器、微波電橋、定向耦合器、阻抗變換器和濾波器等。,二、線性非互易元件,這類元件中包含磁化鐵氧體等各向異性媒質(zhì)，具有非互易特性，其散射矩陣是不對稱的。但仍工作于線性區(qū)域，屬于線性元件范圍。常用的線性非互易元件有隔離器、環(huán)行器等。,定向耦合器,三、非線性元件,這類元件中含有非線性物質(zhì)，能對微波信號進(jìn)行非線性變換，從而引起頻率的改變，并能通過電磁控制以改變元件的特性參量。常用的非線性元件有檢波器、混頻器、變頻器以及電磁快控元件等。,微波元件分類：,近年來，為了實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)的小型化，開始采用由微帶和集中參數(shù)元件組成的微波集成電路，可以在一塊基片上做出大量的元件，組成復(fù)雜的微
12、波系統(tǒng)，完成各種不同功能。,定向耦合器,定向耦合器,定向耦合器在微波技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用 。,定向耦合器的種類很多。,定向耦合器,下圖給出了幾種定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為微帶分支定向耦合器，圖(b)為波導(dǎo)單孔定向耦合器，圖(c)為平行耦合線定向耦合器，圖(d)為波導(dǎo)匹配雙T，圖(e)為波導(dǎo)多孔定向耦合器，圖(f)為微帶混合環(huán)。,定向耦合器,一、定向耦合器的技術(shù)指標(biāo),定向耦合器一般屬于四端口網(wǎng)絡(luò)，它有輸入端、直通端、耦合端和隔離端，分別對應(yīng)右圖所示的1、2、3和4端口。,定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、隔離度(或方向性)、輸入駐波比和工作帶寬。,(一) 耦合度C,耦合度C定義為輸入
13、端的輸入功率P1與耦合端的輸出功率P3之比的分貝數(shù)，即,（dB),定向耦合器,由于定向耦合器是一個可逆四端口網(wǎng)絡(luò)，因此耦合度又可表示 由此可見耦合度的分貝數(shù)愈大耦合愈弱。通常把耦合度為010dB的定向耦合器稱為強(qiáng)耦合定向耦合器；把耦合度為1020dB的定向耦合器稱為中等耦合定向耦合器；把耦合度大于20dB的定向耦合器稱為弱耦合定向耦合器。,(dB),定向耦合器,(dB),若用散射參量來描述，則有,(dB),在理想情況下，隔離端應(yīng)無輸出功率，即P4=0，此時隔離度為無限大。但實(shí)際上由于設(shè)計(jì)或加工制作的不完善，常有極小部分功率從隔離端輸出，使隔離度不再為無限大。 有時用方向性 (dB)來表示耦合器
14、的隔離性能，它是耦合端輸出功率P3與隔離端的輸出功率P4之比。也可用散射參量來表示方向性，即,定向耦合器,(三）、輸入駐波比,將定向耦合器除輸入端外，其余各端均接上匹配負(fù)載時，輸入端的駐波比即為定向耦合器的輸入駐波比。此時，網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)即為網(wǎng)絡(luò)的散射參量S11，故有,（四）、頻帶寬度,頻帶寬度是指耦合度、隔離度(或方向性)及輸入駐波比都滿足指標(biāo)要求時，定向耦合器的工作頻帶寬度，簡稱工作帶寬。,定向耦合器,二、波導(dǎo)型定向耦合器,大多數(shù)波導(dǎo)定向耦合器的耦合都是通過在主、副波導(dǎo)間公共壁上的耦合孔來實(shí)現(xiàn)的。通過耦合孔將主波導(dǎo)中的電磁能量耦合到副波導(dǎo)中，并具有一定的方向性。副波導(dǎo)各端口輸出功率的
15、大小，決定于耦合孔的大小、形狀和位置。 波導(dǎo)定向耦合器的種類很多，最常用的波導(dǎo)定向耦合器有：單孔、多孔和十字孔定向耦合器。下圖給出了三種常用波導(dǎo)定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為寬壁斜交單孔耦合器，圖(b)為多孔定向耦合器，圖(c)為十字孔定向耦合器。,定向耦合器,最簡單的雙孔定向耦合器，是在兩個波導(dǎo)的公共窄壁上開有形狀、尺寸完全相同、相距d為p0/4的兩個耦合孔，如下圖 (a)所示。在波導(dǎo)窄壁b/2處，取一個水平縱截面，如圖(b)所示。,這種定向耦合器的定向性是由各孔耦合波相互干涉而得到的，只要控制耦合孔的大小，形狀以及兩耦合孔的距離，使耦合波在一個方向上同相疊加而有輸出，在另一個方向上
16、反相疊加而無輸出或減小輸出，從而獲得定向性。,定向耦合器,三、 平行耦合線定向耦合器,平行耦合線定向耦合器是TEM波傳輸線定向耦合器的一種主要形式。這種平行耦合線定向耦合器通常用微帶線或帶狀線來實(shí)現(xiàn)。,平行耦合線定向耦合器,定向耦合器,耦合帶狀線定向耦合器的橫截面如圖，主、副線的中心導(dǎo)帶均放置在兩塊平行接地板之間。,奇、偶模二端口網(wǎng)絡(luò)的歸一化轉(zhuǎn)移參量如下,定向耦合器,可求得相應(yīng)的e 、Te及o 、To的表達(dá)式：,各端口輸出電壓與耦合線參量之間的關(guān)系為,定向耦合器,由以上分析可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論： (1)不論耦合區(qū)電長度 為何值，要獲得理想匹配及理想隔離特性，必須滿足條件： 或,(2）耦合端口3的
17、輸出電壓及直通端口2的輸出電壓，都是頻率的函數(shù)。當(dāng)工作在中心頻率時， = /2，這時耦合端輸出為最大 ，且與 同相，即,令上式中,k稱為中心頻率的電壓耦合系數(shù)。,定向耦合器,（3）不論為何值，耦合端輸出電壓的相位比直通端輸出電壓的相位超前/2。當(dāng) = /2時，定向耦合器的耦合度由下式確定：,一旦給定中心頻率時的耦合度C(dB)，便可由解得,耦合帶狀線奇、偶模特性阻抗分別為,由,定向耦合器,當(dāng)電長度 = /2時，耦合器各端口輸出的電壓可由簡化為,平行耦合線定向耦合器的等效四端口網(wǎng)絡(luò)具有可逆、無耗、對稱的特性，由此可寫出網(wǎng)絡(luò)的散射參量矩陣S為,定向耦合器,對于耦合微帶線定向耦合器，由于耦合微帶線的
18、奇偶模相速不相等，即，導(dǎo)致定向性變壞。為了提高方向性，可采用如下圖中(a)和(b)兩種形式，來提高定向性。其中圖(a)為鋸齒形定向耦合器，由于耦合縫隙采用鋸齒形可增加奇模電容、降低奇模相速，從而提高方向性。圖(b)為介質(zhì)覆蓋定向耦合器，在耦合區(qū)帶線的上方再覆蓋一塊與基片材料相同的介質(zhì)塊，塊的厚度大致與基片厚度相等，以減小奇、偶模相速的差異，從而提高定向性。,定向耦合器,單節(jié)耦合線定向耦合器的頻帶比較窄，為了增寬頻帶可采用多節(jié)定向耦合器相級聯(lián)，如下圖 (a)所示。平行耦合線定向耦合器的耦合強(qiáng)弱與兩線間距有關(guān)，間距愈小，耦合愈強(qiáng)。但耦合太強(qiáng)，工藝上又無法實(shí)現(xiàn)，因此常采用兩只弱耦合定向耦合器相串接的辦法得到強(qiáng)耦合定向耦合器。圖 (b)為兩只8.34dB的定向耦合器串接即可得到一只3dB定向耦合器。,混合環(huán),一、 1800混合環(huán),1. 定性分析,端口1激勵,(4) 、(2)端口兩路信號同相疊加，且同相（HT）,(3)端口信號兩路信號反相抵消,端口3激勵,(4) 、(2)端口兩路信號同相疊加，且反相（ET）,(1)端口信號兩路信號反相抵消,(a=b=c=1/ )導(dǎo)納,
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