西电微波技术基础Ch

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1、第18章单口元件One-PortElement完成特殊功能的网络称为元件(Element)。在习惯上，我们常常采用网络理论来分析元件。在传输线理论中，已经介绍过传输A参数，这里将首先研究散射S参数。一、S散射参数由传输线理论已经导出：直接用入射波和反射波表示，其中(18-1)(18-2)在本讲中，首先定义出入射波和散射波(a和b)。其中，散射波是广义的(理论上可以任意方向)反射波。(18-3)一、S散射参数我们把上式中的称为归一化电压，称为归一化电流分别用u和i表示。则进一步写出(18-4)(18-5)一、S散射

2、参数功率后一项的实部显然等于0，于是可见物理意义是功率等于入射功率减去散射功率。(18-6)一、S散射参数1.S散射矩阵定义S散射矩阵与A矩阵有两点显著不同：一是S散射矩阵适合多端口(当然也满足双端口)网络；二是，象任何多端口网络一样，它必须是对称化定义(具体是流进每个端口的均是a，流出每个端口的均是b)一、S散射参数图18-1散射矩阵一、S散射参数(18-7)定义式(18-7)表明：S参数联系入射波和散射波，是广义的反射系数。一、S散射参数2.S散射参数性质·网络对称时Sii=Sjj(18-8)·网络互易时Si

3、j=Sji(18-9)·网络无耗时［I］－［S］+［S］=0(18-10)其中［I］——n阶单位矩阵一、S散射参数［］+——Hermite符号，表示共轭转置或转置共轭［］+=［*］T=(［］T)*［证明］无耗条件具体为p=0，或aa*-bb*=0假如对于双口网络一、S散射参数于是，把多口网络的无耗条件写成即考虑到［a］激励的任意性，可知［I］－［S］+［S］=0一、S散射参数对于双口网络，输入反射系数Гin和负载反射系数ГL有关系［证明］注意到Гin和ГL的不对称性(18-11)一、S散射参数图18-2双口网络散

4、射参数［S］一、S散射参数且写出双口网络的［S］参数由上式中①得到又从上式②可知一、S散射参数代入可得3.物理意义还以双口网络为例它表示端口2匹配时，端口1的反射系数。一、S散射参数它表示端口1匹配时，由端口2到端口1的传输系数。4.与［A］参数之间的关系我们讨论归一化电流电压构成的［A］参数(18-12)一、S散射参数图18-3双口网络的归一化［A］参数一、S散射参数很明显，A参数是不对称定义。一、S散射参数写成矩阵形式一、S散射参数这样(18-13)一、S散射参数所谓单口元件，也就是向外只有一个端口，它是作为

5、负载来应用的。作为网络它只须用一个反射系数ΓL来表示。二、单口元件的一般讨论(18-14)图18-4单口元件这里着重讨论三种：匹配负载短路负载失配负载这三种单口元件所要解决的主要矛盾各不相同。匹配负载——解决波反射和吸收两者之间的矛盾；短路负载——解决理想短路和活动间隙之间的矛盾；失配负载——解决宽带和反射系数变化之间的矛盾。二、单口元件的一般讨论三、匹配负载称为理想的匹配负载，其功能是吸收功率。作为标准测量元件性能，构成无(实际上是小)反射系统。功率小功率匹配负载中功率匹配负载大功率水负载频带宽带匹配负载窄带匹

6、配负载材料木材、石墨、羰基铁、吸收负载匹配负载可以采用S参数进行分析，实际上任何负载都可以认为是双口网络接终端——例如短路图18-5匹配负载的S参数分析二、单口元件的一般讨论已经知道终接短路ΓL=－1，且要求Γin=0(18-15)二、单口元件的一般讨论宽带型case1抵消型case2二、单口元件的一般讨论不论是宽带型还是抵消型的，均存在反射S11和吸收之间的矛盾，要减少反射，必须S11↓，要增加吸收,S12S21↓，但是S12S21的减少必须会增加S11(材料特性阻抗突变)。二、单口元件的一般讨论图18-6磁流

7、体发电Waveguide二、单口元件的一般讨论采取的措施是外形渐变(劈形、楔形)，材料的Z0不能过大。Note：如果我们限于讨论电损耗，那么首先必须有σ才会有损耗。σ成份愈大则损耗愈大，从这个意义上，理想导体损耗最大。但是，问题在于波入射到理想导体全部反射了，根本没有进去。这正体现了反射和损耗之间的矛盾。二、单口元件的一般讨论讲到这里，不禁想起一则轶事。一位年青人向Einstein自荐一项发明，有一种液体碰上什么物质都会将其腐蚀。Einstein反问这位青年：哪么，这种物质应该用什么“瓶子”来装呢?但是，科学的

8、进展表明，这种事情是可能发生的。几千万度的磁流体－真可谓遇到什么物质都能腐蚀。但是它们可以处在磁线N，S之间，什么都不碰。事实上，电磁波在波导中是高损耗材料，可是波象一只飞翔的海燕，它对于波导是“擦翼而过”，而不会沾上海洋的水滴。二、单口元件的一般讨论三、短路活塞短路活塞要移动，太紧的配合会使移动不方便，间隙Δ又会造成不理想短路。因此，间隙Δ和理想短路构成了设计的主要矛盾