微波工程__微波網絡分析PPT課件

微波網絡分類單口網絡 負載，振蕩器 雙口網絡濾波器、放大器、衰減器、隔離器 多口網絡 混頻器、功分器、環(huán)行器、合成器必須指定工作波型；（規(guī)定只有單一主模）必須規(guī)定端口的參考面。（參考面外只傳主模） 微波網絡特征量設媒質為各向同性的線性媒質（、為標量）相位變化也可通過網絡參量來體現。第一類 阻抗或導納 （測量不方便）第二類 入射波和反射波 （S參量，測量方便） 互易定理與互易網絡復習 互 易 定 理 是 一 個 較 有 普 遍 意 義 的 定 理 。 具 有 互 易 性 質 的 網 絡 稱 為 互 易 網 絡 。 互 易 性 質 表 現 為 ： 將 網 絡 的 輸 入 和 特 定 輸 出 互 換 位 置 后 ， 輸 出 不 因 這 種 換 位 而 有所 改 變 。 互 易 性 不 僅 一 些 電 網 絡 有 ， 某 些 聲 學 系 統 、 力 學 系 統 等 也 有 。 一 般 地 說 ， 由 線 性 時 不 變 的 二 端 電 阻 元 件 、 電 感 元 件 、 電 容 元 件 、 耦 合 電 感 器 和理 想 變 壓 器 連 接 而 成 的 網 絡 均 有 此 性 質 。 含 有 受 控 電 源 、 非 線 性 元 件 、 時 變 元 件 、 回 轉 器 的 網 絡 都 不 一 定 具 有 這 種 性 質 。 4.1 阻 抗 和 等 效 電 壓 與 電 流4.1.1 等 效 電 壓 與 電 流+導 線 相 對 -導 線 的 電 壓 V為 ：導 線 間 橫 向 場 具 有 靜 態(tài) 電 場 性 質 ， 電 壓 惟 一 。+導 線 上 的 電 流 為 ：行 波 的 特 征 阻 抗 Z 0為 ：明 確 了 電 壓 電 流 和 特 征 阻 抗 后 ， 認 為 線 的 傳 播 常 數 已 知 ， 即 可 應 用 第 2章 中 的 傳 輸 線 電 路 理論 ， 用 電 路 單 元 表 征 該 TEM傳 輸 線 。 任 意 雙 導 線 TEM傳 輸 線 TE10模 波 導 橫 向 場 :寬 壁 （ 上 下 板 ） 之 間 的 電 壓 ：n x=0和 x=a/2時 積 分 完 全 不 同 ！n 不 存 在 “ 正 確 的 ” 電 壓 。 n 也 不 存 在 “ 正 確 的 ” 電 流 和 阻 抗 。如 何 定 義 出 能 用 于 非 TEM線 的 電 壓 、 電 流和 阻 抗 ？ 通 常 的 做 法n 對 一 個 特 定 的 波 導 模 式 來 定 義 電 壓 和 電 流 ， 并 且 如 此 定 義 的 電 壓 正 比 于 橫 向 電 場 ，而 電 流 正 比 于 橫 向 磁 場 。n 為 了 按 類 似 于 電 路 理 論 中 的 電 壓 和 電 流 的 方 式 來 使 用 ， 等 效 電 壓 和 電 流 的 乘 積 應 被確 定 為 該 模 式 的 功 率 流 。n 單 一 行 波 的 電 壓 與 電 流 之 比 應 等 于 該 傳 輸 線 的 特 征 阻 抗 。n 該 阻 抗 在 選 擇 上 有 任 意 性 ， 但 通 常 將 其 選 定 為 等 于 傳 輸 線 的 波 阻 抗 ， 或 把 它 歸 一 化為 1。 既 有 正 向 又 有 反 向 行 波 的 任 意 波 導 模 式 ， 其 橫 向 場 可 寫 為 ：又 和 與 波 阻 抗 有 關 ， 故 ：定 義 等 效 的 電 壓 波 和 電 流 波 ： 其 中等 效 電 壓 和 等 效 電 流 分 別 正 比 于 橫 向 電 場 和 磁 場 ， 比 例 常 數 C1、 C2為 ： 由 功 率 和 阻 抗 條 件 確定 。 入 射 波 的 復 功 率 流 ：與 電 路 對 應則特 征 阻 抗 為 給 定 的 波 導 模 式 ， 在 確 定 常 量 C1、 C2以 及 等 效 電 壓 和 電 流 后 ， 就 可 以 求 解 出 （ 4.10） 和 （ 4.12）為 方 便 計 ， 令 考 慮 高 次 模 時 波 導 中 的 通 解其 中 ， 和 是 第 n個 模 式 的 等 效 電 壓 和 等 效 電 流 ， 而 和 是 每 一 模 式 的 比 例 常 數 。 例 題 4.1 矩 形 波 導 的 等 效 電 壓 和 電 流 P141自 學 ！ 利用已知的電路分析方法取代解Maxwell方程式。)Z,I,V( 0 )Z,H,E( 阻抗總結 本征阻抗（僅與媒質材料參量有關） wttw YHEZ 1 波阻抗（特定波型的一種特性）CLYZ 00 1 特征阻抗（傳輸線上行波電壓與電流的比值） 4.1.2 阻抗概念 Ex: 矩形波導管z 0，介質填充 工作頻率用等效傳輸線模型求反射系數。 guide) bandC( cm.b , cm.a 58014853 ).( r 562 G H z.f 54解: 1220 5027 m.)a(ka 1220 89120 m.)a(krd 10 2594 m.k 例題4.2 波導阻抗的應用 22 )()( bnamk c 000 kk rrrr 000 k 模 式 分 析10TE cmac 970.62 20TE cmac 485.3波阻抗 反射系數 629.000 00 ad ad ZZ ZZ ,所以，對 f =4.5GHz，只有TE10模！ 1.12925.27 )377)(25.94( 0000 kZ a 3.29389.120 )377)(25.94(000 ddd kkZ GHzscmf a 3.4970.6103 1010 GHzscmf d 6875.256.2970.6 103 1010 (空氣)(介質)GHzff a 8.62 1020 GHzff d 375.52 1020 (空氣) (介質) 場解 (TE10mode)入射波 zjiyi eaxEaE 1sin 0 zjTEixi eaxZEaH 11 sin 0 kZ TE 反射波 zj ryr eaxEaE 1sin 0 zjTErxr eaxZEaH 11 sin 0 透射波 zjtyt eaxEaE 2sin 0 zjTEtxt eaxZEaH 22 sin 0 000 tri EEE 211 000 TEtTErTEi ZEZEZE 12 12 TETE TETE ZZ ZZ 在z = 0時， 及 連續(xù)（JS=0)!yE xH 4.1.3 Z()和 ()的 奇 偶 性Z() = R() +jX() R()是 的偶函數，X()是 的奇函數 ()的實部和虛部分別是的偶函數和奇函數 4.2 阻抗和導納矩陣 在端面上 (z = 0) N-端口微波網絡端 口 Port： 以 某 種 形 式 傳 輸 線 或 單 一 波 導 傳 播 模 式 等 效 傳 輸 線 引 入 。端 面 tn： 為 電 壓 和 電 流 相 量 提 供 相 位 參 考 面 。 zjnzjnnnn eVeVVVV zjnzjnnnn eIeIIII NNNN NN IIIZZZ ZZZVVV 21121 1121121 IZV VYI 1 ZY 導納矩陣 jkIjiij kIVZ , 0第j個端口激勵電流Ij，其余端口都開路時，測量第i個端口電壓Vi得到。,阻抗矩陣 jkVjiij kVIY , 0第j個端口激勵電壓 Vj，其余端口都短路時，測量第i個端口電壓Vi得到。4.2 阻抗和導納矩陣 對于一個N端口網絡，Z及Y為NN矩陣，有N2個獨立變量（Zij ，Yij），在互易或無耗條件下，變量的數目可以減少。對于互易網絡 (無有源器件/鐵氧體或等離子體) 可以證明: jiij ZZ jiij YY 對稱 對稱矩陣 0ZRe ij 0YRe ij 純虛數 純虛數矩陣對于無耗網絡可以證明: 4.2 阻抗和導納矩陣 01111 2 IIVZ Port2 開路 )(11 CA ZZIV CA ZZZ 1102112 1 IIVZ C CBZ ZZVV 12CCB C ZZZ ZIVIVZ 222112 )(22 CB ZZIV 可以證明 1221 ZZ 02222 1 IIVZ CBC CCA ZZZ ZZZZ , CBI ZZIVZ 02222 1 Port1 開路Port1 開路例題4.3 阻抗參量的計算自學！ 4.3 散射矩陣n 阻抗、導納矩陣將端口的總電壓和總電流聯系在一起。n 散射矩陣將端口的入射電壓波和反射電壓波聯系在一起。 NNNN NN VVVSSS SSSVVV 21121 1121121 jkVjiij kVVS , 0 ijS 入射電壓波Vj+在j端口激勵， i端口輸出的電壓波Vi-，除j端口外，所有入射波均為零，即所有端口均端接匹配負載，避免反射的出現。n Sii:當所有端口接匹配負載時，向i端口看去的反射系數。n Sij:當所有端口接匹配負載時，從j端口到i端口的傳輸系數。 散射參量的物理意義 例4.4 求3dB衰減器的S參數，匹配負載為50。-自學！port2接 50 )./().(.Z )( in 5056881415056881415681 50011 S 022 S因為電路對稱 VVVS 01221 2 50port2接 02 V011 S 01 V 11 VV 22 VVPort1的電壓 Port2的電壓 由 , 因此當port2接 50 5002 V VVVS 01111 2 01 01 ZZ ZZ )(in )(in 計算分壓 1122 707056850 505684441 4441 V.).)(. .(VVV 44.41)56.588.141/()56.58(8.141 70702112 .SS 輸入功率Pin 0212 ZV 輸出功率Pout 0210 2121022 422 ZVZVSZV dBPP inout 321 例4.4 求3dB衰減器的S參數，匹配負載為50。 ZS 假設每一端口的特征阻抗皆相同為 nZ 010 nZ令 VVVVZVZIZ V)UZ(V)UZ( 其中U為單位矩陣 10 10 001 U )()( 1 UZUZS )()( 1 SUSUZ nnn VVV nnnnn VVIII 對于互易網絡 tSS 對稱矩陣USS t 1 SS t 幺正矩陣或 ji, , 1對于所有ijNk kjki SS 網絡S任何一列與該列的共軛點乘等于1，與其他列共軛的點乘等于0。jiij SS 二端口網絡 2112 SS 對于無耗網絡 ij 01 ji ji , 11 Nk kjki SS 01 Nk kjki SS ji ji 當 當 互易網絡與無耗網絡克羅內克函數 對于二端口無耗網絡若 ，為互易網絡 2112 SS 2 1k kiki SS 121211111 SSSS 122221212 SSSS 1i 2i, 22221111 SSSS 2211 SS , 互易網絡與無耗網絡 例 : 0209080 9080010 0 0. .S解 : S 對稱 互易 16508010 22221211 .).(.SS 有耗或 2211 SS 有耗 網 絡 是 互 易 的 還 是 無 耗 的 ？當 端 口 2短 路 時 ， 在 端 口 1看 去 的 回 波 損 耗 是 多 少 ？ 端口2短路，反射系數為-1 2121111 VSVSV 2221212 VSVSV 122 VV 2121111 VSVSV 2221212 VSVSV 1 2221121111 1 VSSSVSV 122212 1 VSSV 633.02.01 )8.0)(8.0()1.0(1 2221121111 jjSSSSVV dBRL 97.3log20 參考平面的移動n S參數與入射到網絡和反射自網絡的行波的振幅和相位有關，因此網絡的每一端口的相位參考平面必須加以確定。n 當參考面從它們的原始位置移動時，S參數需要進行轉換。 原始端平面 0nz新參考平面 nn lz VSV VSV 0nz nn lz 對于無損傳輸線而言 njnn eVV njnn eVV nnn l V eee SV eee jjjjjj NN 0 00 0 2121 , , 參考平面的移動 參考平面 NN jjjjjj eee S eeeS 0 00 0 2121 nnjnn SeS N 2 n Nje 2 NN jjjjjj eee S eeeS 0 00 0 2121 11 211 1SeS j 21221 21 SeS )(j ; 相位 參考平面的移動 廣 義 散 射 參 量 jkajjjkVjj jiij kk abZV ZVS , 0 , 000n nn nnn ZVb ZVa 00 22 2121 nnn baP aSb 矢量網絡分析儀 微 波 矢 量 網 絡 分 析 儀 傳輸（ABCD）矩陣n Z, Y, 相位 參考平面的移動 微 波 矢 量 網 絡 分 析 儀 轉 移 矩 陣 （ ABCD矩 陣 、 傳 遞 矩 陣 、 鏈 矩 陣 ）阻抗矩陣作變換 2222 IUAIUDC BA 22212221 1221 2211211111 1 IUZZZ ZZ ZZZZIU 導納量綱阻抗量綱無量綱、CB DA矩陣矩陣或稱ABCDAA )( 便于雙口復雜網絡的簡單化。 （計算機對矩陣運算快速方便?。?ABCD 矩陣 使用時，直接刪除本頁！精品課件，你值得擁有！精品課件，你值得擁有！