微波网络基础课件.ppt

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1、第4章微波网络基础§4.1引言§4.2等效传输线§4.3微波网络的阻抗与转移参量§4.4微波网络的散射与传输参量§4.5二端口网络的工作特性参量§4.1引言微波系统可以看作由微波传输线和微波元件组成的，其结构较复杂。因此，如果按照前几章所讲的用“场”的分析方法得出微波传输线和微波元件的内部场结构，分析系统的特性，一般地讲，是相当困难的。在微波工程的实际应用中，并不总是需要详细求出系统内部的场结构，而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－－就可以了。因此，在一定条件下，

2、可以将微波传输线等效为双线传输线，微波元件（可视为传输线中的不均匀性）等效为网络，这样就可以利用“路”的方法来分析微波系统的特性，从而即满足了实际需要，又可以简化运算。对于微波系统，“场”和“路”的分析方法是紧紧相连、相辅相成的。“场”的方法是“路”的方法的基础，因为要知道网络参量，仍需要利用场方程和不均匀性的边界条件求解边值问题，这比较困难的，但是，网络参量也可以用实验的方法来测定，因此网络理论在微波技术中得到了广泛的应用。微波网络理论是解决微波系统问题的一种方法，即是说，我们可以把一个实际的微波

3、系统抽象化为一种物理模型，这个模型就称为微波网络。微波网络模型由一个通常称之为“黑箱”的网络及其与外部相连接的若干端口构成。“黑箱”表示不均匀性，端口是它与外界相联系的“窗口”，电信号由端口输入或输出，并可在端口处进行电压、电流、反射系数和衰减等量的测量。每一端口都应施加一对信号量：电压和电流，或者，入射波和反射波的场强复振幅。利用微波网络模型，就可以利用电路和传输线理论求出各端口信号量之间的关系，即信号通过网络后其幅度、相位的变化情况（外部特性），从而避免了对不均匀性结构复杂的内部场分布计算。微波

4、网络与低频网络相比的特点：不同的模式等效为不同的网络，具有不同的网络参量。微波系统中的连接线段都是具有分布参数的传输线，线段本身也是一个微波元件，其长短直接影响着网络参量。因此在将微波系统等效为网络时，端口面（参考面）位置的选择是很重要的，一般地讲，端口面应选在远离不均匀区域的波导的横截面上，即高次模可以忽略，只有主模。微波元件与网络之间的等效关系仅对某一频率或某一窄频带才是正确的。网络端口参考面上的等效电压和电流应分别与电场的横向分量和磁场的横向分量成比例。对于单模传输情况来说，微波网络的外接传输

5、线的路数与参考面的数目相等。如图所示§4.2等效传输线均匀传输理论是建立在TEM传输线的基础上的,因此电压和电流有明确的物理意义,而且电压和电流只与纵向坐标z有关,与横截面无关,而实际的非TEM传输线如金属波导等,其电磁场E与H不仅与z有关,还与x、y有关,这时电压和电流的意义十分不明确,例如在矩形波导中,电压值取决于横截面上两点的选择,而电流还可能有横向分量。因此有必要引入等效电压和电流的概念,从而将均匀传输线理论应用于任意导波系统,这就是等效传输线理论。1.等效电压和等效电流为定义任意传输系统某

6、一参考面上的电压和电流,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。对任一导波系统,不管其横截面形状如何,也不管传输哪种波形,其横向电磁场总可以表示为ek(x,y)、hk(x,y)是二维实函数,称为模式分布函数,表示电磁场在波导横截面上的分布规律。Uk(z)、Ik(z)都是一维标量函数,它们反映了横向电磁场各模式沿传播方向的变化规律,故称为模式等效电压和模式等效电流条件（

7、1）电压Uk(z)和电流Ik(z)分别与Et和Ht成正比条件（2）功率相等条件：波导中传输功率为：等效传输线的传输功率为：条件（3）阻抗相等条件：[例4.1］求出矩形波导TE10模的等效电压、等效电流和等效特性阻抗。其中,TE10的波阻抗可见所求的模式等效电压、等效电流可表示为式中,Ze为模式特性阻抗,现取Ze=,我们来确定A1。由式（416）及（4–17）可得由式（415）可推得于是唯一确定了矩形波导TE10模的等效电压和等效电流,即此时波导任意点处的传输功率为与式（2.2.26）相同,也说明

8、此等效电压和等效电流满足第②条规定。2.模式等效传输线由前面分析可知,不均匀性的存在使传输系统中出现多模传输,由于每个模式的功率不受其它模式的影响,而且各模式的传播常数也各不相同,因此每一个模式可用一独立的等效传输线来表示。这样可把传输N个模式的导波系统等效为N个独立的模式等效传输线,每根传输线只传输一个模式,其特性阻抗及传播常数各不相同,如图4.1所示。另一方面由不均匀性引起的高次模,通常不能在传输系统中传播,其振幅按指数规律衰减。因此高次模的场只存在于不均匀区域