第4章 微波网络基础

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1、第4章微波网络基础1第4章4.1引言微波系统由微波元件和微波传输线组成，其结构通常较复杂，采用场的方法分析系统的特性是相当困难的。但是在微波工程的实际应用中，并不总是需要求解系统内部的场结构，而往往只需知道电信号通过系统后其幅度和相位等量的变化（即所谓的外部特性）。因此，在一定的条件下，可以将微波系统等效为微波网络。这样就可以利用“路”的方法来分析微波系统的特性。2第4章网络是用它的网络参量来描述的。图示一个双端口网络，应用电路理论，容易写出它的网络方程：式中称为阻抗参量。除阻抗参量外，还常用导纳参量、转移参量、散

2、射参量和传输参量来描述微波网络以适应不同的需要。尽管网络模型只能给出系统外部3第4章特性，但是网络参量可以在不知道系统内部结构的情况下通过实验的方法来测定，从而避免了对内部场分布的复杂计算。因此网络理论在微波技术中得到了广泛的应用。网络可分为低频网络和微波网络。低频网络是由集总参数构成的电路系统。低频网络是微波网络的基础。低频网络中的克希霍夫定律、回路电流法、节点电位法、叠加原理、互易定理、戴维宁定理等都可以用来解决微波电路问题。微波网络一般是由微波传输线和微波元件构成的分布参数电路系统。4第4章和低频网络相比，微

3、波网络具有如下特点：（1）微波网络的等效电路及其参量是对一个工作模式而言的，不同的模式有不同的等效网络结构及参量。（2）微波系统中的连接线都是具有分布参数的传输线，连接线段本身也是一个微波元件，其网络参量与线的长度有关。（3）微波系统中不均匀点附近会有高次模，将不均匀区段等效为微波网络时，网络端口面（即参考面）需取在高次模式的场可以忽略的地方。5第4章网络方法包括网络分析和网络综合：前者是已知网络结构分析网络外部特性；后者则是根据工作特性要求进行网络结构设计。本章介绍微波网络的基本概念与基本特性。首先从导波传输系统

4、的等效电压、等效电流出发引入等效传输线，给出线性网络的各种矩阵参量，进而对二端口网络的工作特性参量进行分析，并介绍多口网络的散射矩阵特性。最后讨论微波网络的工作特性参量。6第4章4.2微波系统等效为网络1.等效电压和等效电流在电路理论中，电压和电流有明确的定义，并能直接测量。从这两个基本参量可以导出一系列的其它参量，如功率、阻抗、导纳、反射系数及驻波比等。但随着频率的提高，尤其在波导等微波传输线中,电压和电流的意义变得不明确，如在矩形波导中，电压值取决于横截面上两点的选择。为了使所有的微波传输线都能应用路7第4章的

5、方法来处理，有必要引入等效电压和等效电流的概念。为定义任意微波传输线某一参考面上的电压和电流，一般作以下规定：①电压U（z）和电流I（z）分别与Et和Ht成正比；②电压U（z）和电流I（z）共轭乘积的实部应等于平均传输功率；③电压和电流之比应等于对应的等效特性阻抗值。8第4章下面具体地加以讨论。对任一导波系统，不论其横截面形状如何（同轴线、波导或微带等），也不论传输哪种波型（TEM、TE、TM等），其电磁场的横向分量总可以表示为式中，是二维函数，称为模式矢量函数，下标“k”表示第k个模式，9第4章模式矢量函数表示场

6、在横向的分布规律。对于沿导波系统轴线正z方向传输的波，式中的为分别称为模式电压和模式电流。它们是仅与z有关的标量函数，表示横向电磁场各模式沿传播方向的变化规律。模式电压和模式电流是从只有场的横向分量才对传输功率有贡献的观点出发而定义的一种等效参量，其数10第4章值和量纲在选择不是唯一的，因此不能直接把它们作为等效双线的电压和电流。但是在导波的传输功率和波型阻抗与等效双线的传输功率和特性阻抗分别相等的条件下，模式电压和电流的值是确定的，这时可以把它们作为等效双线的等效电压和等效电流。1）功率相等条件由导波原理可知，各

7、模式的传输功率由下式给出：11第4章如果规定模式矢量函数满足归一化条件：则传输功率为：12第4章该表示式与双线传输线上传输功率的表示式相同。由此可见，只要满足模式矢量函数的归一化条件，那么微波传输线的模式电压和模式电流就是双线传输线的等效电压和等效电流。2）阻抗相等条件已知各模式的波阻抗为：13第4章式中，为该模式等效特性阻抗。综上所述，为唯一地确定等效电压和电流，在选定模式特性阻抗条件下各模式横向分布函数还应满足:14第4章[例]求出矩形波导TE10模的等效电压、等效电流和等效特性阻抗。解：由矩形波导分析可知，T

8、E10模的横向场为：而TE10模的波阻抗15第4章等效电压、等效电流可表示为：选取16第4章由此可得由模式矢量函数归一化条件和，可推得：17第4章于是唯一确定了矩形波导TE10模的等效电压和等效电流：此时波导任意点处的传输功率为：18第4章这里必须指出，规定③中的阻抗具有任意性。对于横截面尺寸变化的传输线（如矩形波导宽边a相同，窄边b不同）选用TE10模的等