电磁场课件--第四章微波网络优秀PPT.ppt

电磁场课件-第四章微波网络现在学习的是第1页，共75页一 微波元件的分析方法微波元件要具有各自的功能，作为电路元件，更注重微波元件的外部特征，如衰减、相移、反射等等。微波元件的外特性应决定于其内部电磁场的形态，但是微波元件因其复杂和不规则的边界，使得严格地求其内部场解十分困难，甚至是不可能。现在学习的是第2页，共75页1 低频网络理论网络的外部特性可由网络参量来表示，网络的连接与组合变成为网络参量的运算，基本元件的网络参量可由规定条件下的实验测定。现在学习的是第3页，共75页2 微波网络理论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。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。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其特点。现在学习的是第4页，共75页3 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。现在学习的是第5页，共75页4 微波网络的特点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。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。现在学习的是第6页，共75页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。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。描述微波网络参量：阻抗、导纳、转移、散射和传输。其中散射和传输参量是微波网络独有的。现在学习的是第7页，共75页二 微波元件等效为微波网络微波元件等效为微波网络电磁场唯一性定理与微波网络等效原理微波网络的分类微波网络的特性现在学习的是第8页，共75页1 微波元件等效为微波网络微波元件作为电路元件总是通过传输线和外电路联系起来的。在外接传输线上选择参考面，参考面和微波元件边界条件（一般为理想导体），把微波元件分割为一个“封闭”的系统，等效为网络。参考面上传输线等效为网络的端口。参考面的个数就是微波网络的端口数。现在学习的是第9页，共75页 图 431 现在学习的是第10页，共75页参考面的选择 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。现在学习的是第11页，共75页2 电磁场唯一性定理与微波网络等效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向电场(或切向磁场),或者一部分参考面上给定切向电场,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。现在学习的是第12页，共75页切向电场和端口电压端口电压一定意义上决定于参考面上电场的切向分量。现在学习的是第13页，共75页切向磁场和端口电流端口电流一定意义上决定于参考面上磁场的切向分量。现在学习的是第14页，共75页网络方程如果网络内部的媒质是线性媒质,则描写网络内部电磁场的麦克韦斯方程为一组线性微分方程。同理,描写各个参考面上的模式电压和模式电流之间的关系的方程也是线性方程。这个网络称为线性网络。对于n端口线性网络,如果各个参考面上都有电流作用时,应用叠加原理,则任意参考面上的电压为各个参考面上的电流单独作用时在该参考面上,引起的电压响应之和。现在学习的是第15页，共75页现在学习的是第16页，共75页现在学习的是第17页，共75页网络参量其中Z为阻抗矩阵,Y为导纳矩阵。由此可见,任何一个微波系统的不均匀性问题都可以用网络观点来解决,网络的特性可以用网络参量来描写。现在学习的是第18页，共75页3 微波网络分类 微波网络的种类很多,可以按各种不同的角度将网络进行分类。若按网络的特性进行分类,则可分为下列几种。线性与非线性网络可逆和不可逆网络无耗和有耗网络对称和非对称网络现在学习的是第19页，共75页线性与非线性网络若微波网络参考面上的模式电压与模式电流呈线性关系,则描写网络特性的网络方程为线性代数方程。这种微波网络称为线性网络。否则称为非线性网络。现在学习的是第20页，共75页可逆和不可逆网络网络内只含有各向同性媒质,则网络参考面上的场量呈可逆状态,这种网络称为可逆网络,反之称为不可逆网络。一般非铁氧体的无源微波元件都可等效为可逆微波网络,而铁氧体微波元件和有源微波电路,则可等效为不可逆的微波网络。可逆与不可逆网络又可称为互易网络和非互易网络。现在学习的是第21页，共75页无耗和有耗网络若网络内部为无耗媒质,且导体是理想导体,即网络的输入功率等于网络的输出功率。这种网络称为无耗网络,反之称为有耗网络。现在学习的是第22页，共75页对称和非对称网络 如果微波元件的结构具有对称性,则与它相对应的微波网络称为对称网络。反之称为非对称网络。现在学习的是第23页，共75页4 微波网络特性 根据电磁场能量守恒定律和能量转换定理,可以导出网络特性与网络参量之间的关系。推导从略,仅给出结果。无耗网络,网络的全部阻抗参量与导纳参量均为纯虚数；可逆网络,阻抗和导纳参量矩阵是对称矩阵；对称网络，阻抗和导纳参量矩阵对角元相同。现在学习的是第24页，共75页三 描述微波网络的参量二端口微波网络是最基本的微波网络，在微波电路系统中的很多元件，例如衰减器、移相器、阻抗变换器、一段加膜片波导、螺钉调配器及微波滤波器等，它们的等效微波网络均为二端口微波网络。对于线性二端口微波网络，运用叠加原理，可以写出表征网络端口参考面上模式电压模式电流间关系的不同线性代数方程组。以二端口微波网络介绍微波网络参量现在学习的是第25页，共75页1 阻抗参量现在学习的是第26页，共75页参量意义分别为端口和端口的输入阻抗 分别为端口和端口之间的转移阻抗现在学习的是第27页，共75页归一化由于微波网络端口外接传输线具有各自的波阻抗，这样不同的传输线微波网络的阻抗参量会不同，针对微波网络的这一特点，为便于网络分析而通常把参考面上的模式电压、模式电流对所接传输线的波阻抗归一化。现在学习的是第28页，共75页2 导纳参量现在学习的是第29页，共75页参量意义分别为端口和端口的输入导纳 分别为端口和端口之间的转移导纳现在学习的是第30页，共75页归一化现在学习的是第31页，共75页3 转移参量（常数参量）现在学习的是第32页，共75页参量意义 ，即为T2参考面开路时由T2到T1参考面的反向电压传输系数（或称电压转移系数）。表示T2参考面开路时，T1参考面对T2参考面的转移导纳。表示T2参考面短路时，T1参考面对T2参考面的转移阻抗。表示当T2参考面短路时，由T2到T1参考面的反向电流传输系数（或称电流转移系数）。现在学习的是第33页，共75页归一化现在学习的是第34页，共75页转移参量与网络的级联现在学习的是第35页，共75页4 散射参量现在学习的是第36页，共75页参量意义 表示当T2参考面接匹配负载时,T1参考面上的电压反射系数。表示T2参考面接匹配负载时，由T1参考面至T2参考面的正向电压传输系数。表示T1参考面接匹配负载时，由T2参考面至T1参考面的反向电压传输系数。表示T1参考面接匹配负载时，信号从端口输入时T2参考面上的电压反射系数。现在学习的是第37页，共75页重要性散射参量是微波网络独有的参量。散射参量表示了微波网络端口参考面上的电压反射系数，和不同参考面之间的传输系数，因此散射参量是微波网络中非常重要和最常用的参量。现在学习的是第38页，共75页5 传输参量现在学习的是第39页，共75页参量意义 表示当T2参考面接匹配负载时，由T1参考面到T2参考面的电压传输系数的倒数，即 微波网络的传输参量，除了在讨论二端口微波网级级联问题时比较方便而外，在微波网络分析和应用的其它场合远不如散射参量应用的那样广泛。现在学习的是第40页，共75页四 二端口微波网络微波网络参量的评述二端口微波网络参量的相互转换特定情况下二端口微波网络参量的性质基本单元二端口微波网络的参量现在学习的是第41页，共75页1 微波网络的参量评述微波网络的归一化阻抗参量、导纳参量 和转移参量，称为微波网络的电路参量；而散射参量 和传输参量 则称为微波网络的波参量。这五种网络参量是从不同角度来描述同一微波网络的特性的，因而它们之间具有内在联系。现在学习的是第42页，共75页散射参量和传输参量为微波网络所特有，它们在分析解决微波系统问题时的应用更为广泛。理由：没有恒定的微波电压和电流元，不容易得到理想的短路和开路终端；在微波段，信源的输出功率可以设法保持不变，且容易实现匹配终端。现在学习的是第43页，共75页2 二端口微波网络参量的相互转换五种网络参量是从不同角度来描述同一微波网络的特性的，因而它们之间具有内在联系，可以互相转换。推导它们之间转换公式的原理十分简单,但具体过程比较麻烦,这里只用一个例子作为说明,其它的可以参照微波技术手册。现在学习的是第44页，共75页转换的例子现在学习的是第45页，共75页3 特定情况下二端口微波网络参量的性质一般二端口网络的五种网络参量均有四个独立参量,但当网络具有某种特性时,网络的独立参量将会减少,下面讨论网络参量的性质。可逆网络，对称网络，无耗网络参考面选择对微波网络的影响现在学习的是第46页，共75页可逆网络可逆网络具有互易特性即根据五种参量的转换公式不难得到其它几种网络参量的互易特性为现在学习的是第47页，共75页对称网络可逆且对称的二端口微波网络，其每种网络参量只有二个独立参量。现在学习的是第48页，共75页无耗网络 无耗网络散射参量矩阵是幺阵，即厄米共轭矩阵是其逆矩阵。可通过微波网络参考面上归一化电压、电流与网络内部电磁场能量关系复功率定理及矩阵运算加以证明。现在学习的是第49页，共75页现在学习的是第50页，共75页参考面移动对网络参量的影响微波网络是一个分布参数系统,在传输线上移动参考面的位置时,则各参考面上的电压和电流是不相同的,故表征各参考面上的电压电流(或入射波和反射波电压)之间关系的网络参量也随参考面移动而变化。这表明,一组网络参量是对一种参考面位置而言的,参考面位置移动后,网络参量就会改变。现在学习的是第51页，共75页现在学习的是第52页，共75页传输线理论利用可逆网络的性质现在学习的是第53页，共75页N端口网络现在学习的是第54页，共75页4 基本单元二端口微波网络的参量在来分析研究微波电路系统时，复杂的网络可以分解为若干简单网络的组合，把最具典型和代表性的简单网络称为基本单元微波网络。如果基本单元微波网络的参量为已知，那么由基本单元微波网络组合成的复杂微波网络的参量，便可通过矩阵运算而求得。现在学习的是第55页，共75页 基本单元二端口微波网络基本单元二端口微波网络分别为：串联阻抗、并联导纳、一段均匀传输线和理想变压器。这些基本单元二端口微波网络，其内部结构为确知而且简单，可以根据网络参量的定义及条件直接求得其中一种网络参量，之后再根据网络参量相互转换的公式求得其它种网络参量。现在学习的是第56页，共75页现在学习的是第57页，共75页一段传输线现在学习的是第58页，共75页 现在学习的是第59页，共75页五 微波网络参量的测定同一微波网络可以用几种网络参量来表述，由于网络参量之间可以相互转换，因而只要能测定其中一种网络参量，便可得到其它任一种网络参量。微波网络理论的实际意义，正是在于微波网络参量可以直接由实验测定。散射参量是微波网络参量中应用最为广泛的网络参量，下面介绍用“三值法”测定二端口微波网络参量的原理。现在学习的是第60页，共75页1 测量原理通过测定端口的反射系数测定散射参量。通过测定传输线上的驻波比测定反射系数。现在学习的是第61页，共75页 现在学习的是第62页，共75页原理只要测量三组独立（不相关）的反射系数，可以得到关于散射参量矩阵元素的三个独立的方程。求解这些方程可以得到微波网络的散射参量。现在学习的是第63页，共75页三值法 2端口接匹配阻抗。2端口短路。2端口开路。现在学习的是第64页，共75页2 测量步骤测定三种情况端口1传输线上的驻波比。测定三种情况端口1传输线上的电压波腹位置。计算三种情况的端口1的反射系数，幅值和相位。计算散射参量。现在学习的是第65页，共75页六 微波网络的外特性参量把微波元件等效为微波网络的最终目的是求取其外特性参量，也称为工作特性参量。对于二端口微波网络，最常用的特性参量有：电压传输系数、插入衰减、插入相移及输入驻波比。微波网络的外特性参量与网络参量密切相关，外特性参量可用网络参量（特别是散射参量）来表示。现在学习的是第66页，共75页1电压传输系数 T电压传输系数，定义为微波二端口网络输出端口参考面T2接匹配负载时，输出端参考面T2上的反射波电压（实际上是朝向负载方向的）与输入端参考面T1上的入射波电压 之比，即现在学习的是第67页，共75页对于可逆二端口网络,则有 根据二端口网络S与A的关系,便得到 电压传输系数T可用来分析衰减器相移器及隔离器等微波元件的性能。现在学习的是第68页，共75页2 插入衰减L顾名思义，二端口微波网络的插入衰减，是因该网络接入系统（不管该网完成什么样的功能）而引起的信号功率损耗。插入衰减 定义为网络输出端参考面T2接匹配负载时，网络输入端参考面上入射波功率与网络负载吸收功率之比，即现在学习的是第69页，共75页可见插入衰减等于电压传输系数的平方的倒数。对于可逆二端口网络,则有若上式用分贝来表示,则有现在学习的是第70页，共75页插入衰减分解吸收损耗反射损耗现在学习的是第71页，共75页3插入相移网络输出端参考面接匹配负载时，输出参考面T2上的反射波 与输入参考面T1上的入射波 的相位差，定义为网络的插入相移。显然网络的插入相移 就是网络电压传输系数的相角。现在学习的是第72页，共75页4 输入驻波比网络的输入驻波比，定义为网络输出端参考面T2接匹配负载时网络输入端参考面T1上的驻波比，无耗网络现在学习的是第73页，共75页5 微波网络外特性参量评述所定义的四个外特性参量均与网络的散射参量有关，如果网络参量能够确定，那么该网络的外特性参量即可由以上各相关公式随之确定。还需要指出的是，对于不同用途的微波元件，对其等效微波网络的四个外特性参量要求的程度（主次地位）各不相同，有时还可能出现矛盾。因此要根据工程实际来统筹考虑。现在学习的是第74页，共75页小 结微波元件因其结构形状的复杂而难于求出其内部场解，而运用网络方法进行微波元件的分析和研究。微波网络理论基于低频网络理论，但是必须考虑到微波段元件的一些特点：工作模式，参考面，散射参量。二端口微波网络是微波网络中最常见的网络结构。网络理论用以分析研究微波元件的最终目的，是求取网络的外特性参量。网络的外特性参量由网络参量特别是散射参量所决定。现在学习的是第75页，共75页