电信传输原理及应用第二章微波网络基础.ppt

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1、2.6 微波网络基础,任何一个微波系统都是由各种微波元件和微波传输线组成的。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分析，这种理论称为微波网络理论。,微波网络具有如下特点：,(1)对于不同的模式有不同的等效网络结构及参量。通常希望传输线工作于主模状态。(2)电路中不均匀区附近将会激起高次模，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。(3)整个网络参考面要严格规定，一旦参考面移动，则网络参量就会改变。(4)微波网络的等效电路及其参量只适用于一个频段,微波元件等效为微波网络一、网络参考面的选择,参考面的位置可以任意选，但必须考虑以下两点：,（1）单

2、模传输时，参考面的位置应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；,（2）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,如果参考面位置改变，则网络参数也随之改变。,二、不均匀区等效为微波网络微波元件对电磁波的控制作用是通过微波元件内部的不均匀区(不连续性边界)和填充媒质的特性来实现的。将不均匀区等效为微波网络，需要用到电磁场的唯一性原理和线性叠加原理。线性叠加原理,对于n端口线性网络，,式中Zmn为阻抗参量，若m=n称它为自阻抗，若mn称它为转移阻抗。,如果n端口网络的各个参考面上同时有电压作用时,式中Ymn为导纳参量，若m=n称它为自

3、导纳，若mn称它为转移导纳。,唯一性原理,在一个封闭区域的边界上，切向电场或者切向磁场如果是确定的，那么区域内的电磁场就被唯一确定不连续性区域的边界是由导体及网络参考面构成的，参考面上的模式电压和模式电流正比于横向电场和横向磁场的幅度函数，如果网络参考面上的电压确定了，则网络内的电磁场就唯一地确定,三、微波网络的特性(一)微波网络的分类,按网络的特性进行分类,1.线性与非线性网络2.可逆与不可逆网络3.无耗与有耗网络4.对称与非对称网络,按微波元件的功能来分,1.阻抗匹配网络2.功率分配网络3.滤波网络4.波型变换网络,(二)微波网络的性质,对于无耗网络，网络的全部阻抗参量和导纳参量均为纯虚数

4、，即有 对于可逆网络，则有下列互易特性 对于对称网络，则有,(1),(2),(3),二端口微波网络一、二端口微波网络的网络参量,在各种微波网络中，二端口微波网络是最基本的。例如：衰减器、移相器、阻抗变换器和滤波器等均属于二端口微波网络。,表征二端口微波网络特性的参量可以分为两大类：,一、反映网络参考面上电压与电流之间关系的参量,二、反映网络参考面上入射波电压与反射波电压之间关系的参量。如图所示。,(一)阻抗参量、导纳参量和转移参量,1 阻抗参量用T1和T2两个参考面上的电流表示两个参考面上的电压，其网络方程为,各阻抗参量元素定义如下,表示T2面开路时，端口(1)的输入阻抗；表示T1面开路时，端

5、口(2)的输入阻抗；表示T1面开路时，端口(2)至端口(1)的转移阻抗；表示T2面开路时，端口(1)至端口(2)的转移阻抗。,特性阻抗归一化,T1和T2参考面上的归一化电压和归一化电流分别为,归一化,归一化阻抗参量为,2.导纳参量用T1和T2两个参考面上的电压表示两个参考面上的电流，其网络方程为,各导纳参量元素定义如下,表示T2面短路时，端口(1)的输入导纳；表示T1面短路时，端口(2)的输入导纳表示T1面短路时，端口(2)至端口(1)的转移导纳；表示T2面短路时，端口(1)至端口(2)的转移导纳。,如果T1和T2参考面所接传输线的特性导纳分别为Y01和Y02，则归一化表示式为,3.转移参量,

6、用T2面上的电压、电流来表示T1面上的电压和电流的网络方程，且规定电流流进网络为正方向，流出网络为负方向。则有,转移参量的定义为,表示T2面开路时，端口(2)至端口(1)的电压转移系数；表示T2面短路时，端口(2)至端口(1)的转移阻抗；表示T2面开路时，端口(2)至端口(1)的转移导纳；表示T2面短路时，端口(2)至端口(1)的电流转移系数。,归一化方程,(二)散射参量和传输参量,不管电路如何变化，信号源输出功率可以设法保持不变，而且很容易得到匹配的终端负载。,1.散射参量,二端口网络参考面T1和T2面上的归一化入射波电压和归一化反射波电压应用叠加原理，可以用两个参考面上的入射波电压来表示两

7、个参考面上的反射波电压，其网络方程为,散射参量的定义为,表示T2面接匹配负载时，T1面上的电压反射系数；,表示T1面接匹配负载时，T2面至T1面的电压传输系数；,表示T2面接匹配负载时，T1面至T2面的电压传输系数；,表示T1面接匹配负载时，T2面上的电压反射系数。,2.传输参量,用T2面上的电压入射波和反射波来表示T1面上的电压入射波和反射波，其网络方程为,矩阵形式为,表示表示T2面接匹配负载时，T1面至T2面的电压传输系数的倒数，其余参量没有直观的物理意义。,二、二端口微波网络参量的性质一般情况下，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(如对称性或可逆性等)时，网络

8、的独立参量个数将会减少。,(一)可逆网络如前所述，可逆网络具有互易特性,其它几种网络参量的互易特性为,(二)对称网络一个对称网络具有下列特性,，,其它几种网络参量的对称性为,，,由此可见，一个对称二端口网络的两个参考面上的输入阻抗、输入导纳以及电压反射系数等参量一一对应相等,(三)无耗网络,利用复功率定理和矩阵运算可以证明，一个无耗网络的散射矩阵一定满足“么正性”，即,或写成,代入得,二端口微波网络的工作特性参量,对于二端口网络来说，常用的工作特性参量有电压传输系数T、插入衰减A、插入相移 以及输入驻波比。,T即为网络散射参量S21，即,一、电压传输系数T电压传输系数T定义为：网络输出端接匹配

9、负载时，输出端参考面上的反射波电压与输入端参考面上的入射波电压之比，即,可逆二端口网络,二、插入衰减A,插入衰减A定义为：网络输出端接匹配负载时，网络输入端的入射波功率Pi与负载吸收功率PL之比，即,由此可见，插入衰减等于电压传输系数平方的倒数。对于可逆二端口网络，则有,三、插入相移,插入相移 定义为：网络输出端接匹配负载时，输出端的反射波对输入端的入射波的相移。,因此根据定义，有,对于可逆网络,四、输入驻波比,输入驻波比定义为：网络输出端接匹配负载时，输入端的驻波比。,当输出端接匹配负载时，输入端反射系数即为S11，所以有,或,对于可逆无耗网络，仅有反射衰减，因此插入衰减与输入驻波比有下列关

10、系,多端口微波网络,描述多端口微波网络的参量矩阵只有阻抗矩阵、导纳矩阵和散射矩阵三种。,n端口网络各端口参考面上电压和电流关系的矩阵方程为,或简写成,散射参量矩阵方程为,或简写成,若n端口微波网络可逆，则网络参量矩阵具有下述性质,若n端口微波网络的端口j与端口k 在结构上对称，则网络参量具有下述性质,定向耦合器,微波元件的功能在于对微波信号进行各种变换，按其变换性质可将微波元件分为如下三类：,一、线性互易元件,凡是元件中没有非线性和非互易性物质都属于这一类。常用的线性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。,二、线性非互易元件,这类

11、元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质，具有非互易特性，其散射矩阵是不对称的。但仍工作于线性区域，属于线性元件范围。常用的线性非互易元件有隔离器、环行器等。,定向耦合器,三、非线性元件,这类元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换，从而引起频率的改变，并能通过电磁控制以改变元件的特性参量。常用的非线性元件有检波器、混频器、变频器以及电磁快控元件等。,微波元件分类：,近年来，为了实现微波系统的小型化，开始采用由微带和集中参数元件组成的微波集成电路，可以在一块基片上做出大量的元件，组成复杂的微波系统，完成各种不同功能。,定向耦合器,定向耦合器,定向耦合器在微波技术中有着广泛的应用。,定向耦合器

12、的种类很多。,定向耦合器,下图给出了几种定向耦合器的结构示意图，其中图(a)为微带分支定向耦合器，图(b)为波导单孔定向耦合器，图(c)为平行耦合线定向耦合器，图(d)为波导匹配双T，图(e)为波导多孔定向耦合器，图(f)为微带混合环。,定向耦合器,一、定向耦合器的技术指标,定向耦合器一般属于四端口网络，它有输入端、直通端、耦合端和隔离端，分别对应右图所示的1、2、3和4端口。,定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度(或方向性)、输入驻波比和工作带宽。,(一)耦合度C,耦合度C定义为输入端的输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比的分贝数，即,（dB),定向耦合器,由于定向耦合器是一个可逆四端

13、口网络，因此耦合度又可表示由此可见耦合度的分贝数愈大耦合愈弱。通常把耦合度为010dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器；把耦合度为1020dB的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器；把耦合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。,(dB),定向耦合器,(dB),若用散射参量来描述，则有,(dB),在理想情况下，隔离端应无输出功率，即P4=0，此时隔离度为无限大。但实际上由于设计或加工制作的不完善，常有极小部分功率从隔离端输出，使隔离度不再为无限大。有时用方向性(dB)来表示耦合器的隔离性能，它是耦合端输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比。也可用散射参量来表示方向性，即,定向耦合器,(三）

14、、输入驻波比,将定向耦合器除输入端外，其余各端均接上匹配负载时，输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比。此时，网络输入端的反射系数即为网络的散射参量S11，故有,（四）、频带宽度,频带宽度是指耦合度、隔离度(或方向性)及输入驻波比都满足指标要求时，定向耦合器的工作频带宽度，简称工作带宽。,定向耦合器,二、波导型定向耦合器,大多数波导定向耦合器的耦合都是通过在主、副波导间公共壁上的耦合孔来实现的。通过耦合孔将主波导中的电磁能量耦合到副波导中，并具有一定的方向性。副波导各端口输出功率的大小，决定于耦合孔的大小、形状和位置。波导定向耦合器的种类很多，最常用的波导定向耦合器有：单孔、多孔和十字孔定向

15、耦合器。下图给出了三种常用波导定向耦合器的结构示意图，其中图(a)为宽壁斜交单孔耦合器，图(b)为多孔定向耦合器，图(c)为十字孔定向耦合器。,定向耦合器,最简单的双孔定向耦合器，是在两个波导的公共窄壁上开有形状、尺寸完全相同、相距d为p0/4的两个耦合孔，如下图(a)所示。在波导窄壁b/2处，取一个水平纵截面，如图(b)所示。,这种定向耦合器的定向性是由各孔耦合波相互干涉而得到的，只要控制耦合孔的大小，形状以及两耦合孔的距离，使耦合波在一个方向上同相叠加而有输出，在另一个方向上反相叠加而无输出或减小输出，从而获得定向性。,定向耦合器,三、平行耦合线定向耦合器,平行耦合线定向耦合器是TEM波传

16、输线定向耦合器的一种主要形式。这种平行耦合线定向耦合器通常用微带线或带状线来实现。,平行耦合线定向耦合器,定向耦合器,耦合带状线定向耦合器的横截面如图，主、副线的中心导带均放置在两块平行接地板之间。,奇、偶模二端口网络的归一化转移参量如下,定向耦合器,可求得相应的e、Te及o、To的表达式：,各端口输出电压与耦合线参量之间的关系为,定向耦合器,由以上分析可得到以下几点结论：(1)不论耦合区电长度 为何值，要获得理想匹配及理想隔离特性，必须满足条件：或,(2）耦合端口3的输出电压及直通端口2的输出电压，都是频率的函数。当工作在中心频率时，=/2，这时耦合端输出为最大，且与 同相，即,令上式中,k

17、称为中心频率的电压耦合系数。,定向耦合器,（3）不论为何值，耦合端输出电压的相位比直通端输出电压的相位超前/2。当=/2时，定向耦合器的耦合度由下式确定：,一旦给定中心频率时的耦合度C(dB)，便可由解得,耦合带状线奇、偶模特性阻抗分别为,由,定向耦合器,当电长度=/2时，耦合器各端口输出的电压可由简化为,平行耦合线定向耦合器的等效四端口网络具有可逆、无耗、对称的特性，由此可写出网络的散射参量矩阵S为,定向耦合器,对于耦合微带线定向耦合器，由于耦合微带线的奇偶模相速不相等，即，导致定向性变坏。为了提高方向性，可采用如下图中(a)和(b)两种形式，来提高定向性。其中图(a)为锯齿形定向耦合器，由

18、于耦合缝隙采用锯齿形可增加奇模电容、降低奇模相速，从而提高方向性。图(b)为介质覆盖定向耦合器，在耦合区带线的上方再覆盖一块与基片材料相同的介质块，块的厚度大致与基片厚度相等，以减小奇、偶模相速的差异，从而提高定向性。,定向耦合器,单节耦合线定向耦合器的频带比较窄，为了增宽频带可采用多节定向耦合器相级联，如下图(a)所示。平行耦合线定向耦合器的耦合强弱与两线间距有关，间距愈小，耦合愈强。但耦合太强，工艺上又无法实现，因此常采用两只弱耦合定向耦合器相串接的办法得到强耦合定向耦合器。图(b)为两只8.34dB的定向耦合器串接即可得到一只3dB定向耦合器。,混合环,一、1800混合环,1.定性分析,端口1激励,(4)、(2)端口两路信号同相叠加，且同相（HT）,(3)端口信号两路信号反相抵消,端口3激励,(4)、(2)端口两路信号同相叠加，且反相（ET）,(1)端口信号两路信号反相抵消,(a=b=c=1/)导纳,