三网络参量.ppt

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1、研究微波元件常用的方法研究微波元件常用的方法 场的方法、路的方法场的方法、路的方法n场的方法场的方法 q求解元件中各点电磁场的表达式，用等效参量表示端口之间求解元件中各点电磁场的表达式，用等效参量表示端口之间的传输特性；的传输特性；q理论上严格，实用中并不都方便可行。理论上严格，实用中并不都方便可行。n路的方法路的方法q用网络等效微波元件；用网络等效微波元件；q各端口间信号的相互关系；各端口间信号的相互关系；q不需要知道元件内部的场分布情况。不需要知道元件内部的场分布情况。n相互关系相互关系 q用场的方法可以建立外特性和等效电路；用场的方法可以建立外特性和等效电路；q路的方法是以场的方法为基础

2、的。路的方法是以场的方法为基础的。微波网络微波网络n由由端口参考面端口参考面和理想导体边界面围成的媒质空间。和理想导体边界面围成的媒质空间。n无源微波网络：媒质空间区域没有任何场源存在；无源微波网络：媒质空间区域没有任何场源存在；n线性微波网络：填充的媒质是与场强无关的线性媒质。线性微波网络：填充的媒质是与场强无关的线性媒质。微波网络的特点微波网络的特点1.参考面的位置明确确定，并遵循以下原则：参考面的位置明确确定，并遵循以下原则：q参考面必须同均匀传输线的纵方向垂直；参考面必须同均匀传输线的纵方向垂直；q在参考面处只考虑传输模式场的存在，不考虑其在参考面处只考虑传输模式场的存在，不考虑其它模

3、式场的存在。它模式场的存在。n参考面通常应选择在远离不均匀性（如弯角、转接参考面通常应选择在远离不均匀性（如弯角、转接点、特性阻抗变化点）的地方。点、特性阻抗变化点）的地方。微波网络的特点（续微波网络的特点（续1）2.微波网络参量是在微波传输线中只存在单一微波网络参量是在微波传输线中只存在单一传输模式下确定的传输模式下确定的 q通常考虑主模传输：通常考虑主模传输：n金属矩形波导：通常指金属矩形波导：通常指TE10主模；主模；n同轴线、带状线：同轴线、带状线：TEM模。模。q存在多模传输时，不同模式考虑为一个多端口网存在多模传输时，不同模式考虑为一个多端口网络，网络参量按各个传输模式分别确定。络

4、，网络参量按各个传输模式分别确定。微波网络的特点（续微波网络的特点（续2）3.等效电路元件常常直接用等效电路元件常常直接用感抗（纳）、感抗（纳）、容抗（纳）和电阻（导）容抗（纳）和电阻（导）表示表示q元件值通常与频率成复杂的函数关系，是频率的元件值通常与频率成复杂的函数关系，是频率的函数。函数。4.通常采用归一化参量通常采用归一化参量q通过微波网络端口的电磁波能量唯一确定通过微波网络端口的电磁波能量唯一确定；q等效网络的端口参量，如电压波和电流波等，不等效网络的端口参量，如电压波和电流波等，不存在单值性。存在单值性。无源元件的射频特性无源元件的射频特性高频电容、电感高频电容、电感高频电容的等效

5、电路模型高频电容的等效电路模型高频电感的等效电路模型高频电感的等效电路模型无源元件的射频特性无源元件的射频特性高频电阻高频电阻高频电阻的等效电路模型高频电阻的等效电路模型高频高频线绕线绕电阻的等效电路模型电阻的等效电路模型本章主要内容本章主要内容n单端口网络的阻抗特性单端口网络的阻抗特性n电流、电压、阻抗归一化电流、电压、阻抗归一化n阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵n散射矩阵、传输矩阵散射矩阵、传输矩阵n二端口网络特性二端口网络特性n信号流图模型信号流图模型单端口电路阻抗阻抗短路短路开路开路阻抗阻抗短路短路开路开路单端口网络的阻抗特性单端口网络的阻抗特性 进入网络的复数

6、功率，转化为网络内电磁场储能的进入网络的复数功率，转化为网络内电磁场储能的变化以及内部的功耗。变化以及内部的功耗。忽略介质的极化损耗，依据坡印亭定理：忽略介质的极化损耗，依据坡印亭定理：多端口网络多端口网络单端口网络的阻抗特性（续单端口网络的阻抗特性（续1）单端口：单端口：平行双线传输的复功率：平行双线传输的复功率：单端口网络的输入阻抗、输入导纳：单端口网络的输入阻抗、输入导纳：单端口网络的阻抗特性（续单端口网络的阻抗特性（续2）1）无源网络：）无源网络：2）若网络中以磁场储能为主）若网络中以磁场储能为主 呈感性；呈感性；若网络中以电场储能为主若网络中以电场储能为主 呈容性；呈容性；呈纯阻性。

7、呈纯阻性。网络谐振网络谐振3）网络输入阻抗、导纳皆为频率的奇函数）网络输入阻抗、导纳皆为频率的奇函数 当移动参考面位置或改变工作频率，当移动参考面位置或改变工作频率，网络呈现的输入阻抗网络呈现的输入阻抗/导纳不同。导纳不同。本章主要内容本章主要内容n单端口网络的阻抗特性单端口网络的阻抗特性n电流、电压、阻抗归一化电流、电压、阻抗归一化n阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵n散射矩阵、传输矩阵散射矩阵、传输矩阵n二端口网络特性二端口网络特性n信号流图模型信号流图模型电流、电压、阻抗归一化电流、电压、阻抗归一化归一化原则：保持归一化前后的复数功率不变归一化原则：保持归一化前后的

8、复数功率不变 本章主要内容本章主要内容n单端口网络的阻抗特性单端口网络的阻抗特性n电流、电压、阻抗归一化电流、电压、阻抗归一化n阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵n散射矩阵、传输矩阵散射矩阵、传输矩阵n二端口网络特性二端口网络特性n信号流图模型信号流图模型调制器等调制器等放大器放大器开关开关滤波器滤波器隔离器隔离器衰减器衰减器阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵n阻抗矩阵阻抗矩阵n导纳矩阵导纳矩阵n阻抗矩阵和导纳矩阵的性质阻抗矩阵和导纳矩阵的性质n阻抗矩阵和导纳矩阵的归一化阻抗矩阵和导纳矩阵的归一化n转移矩阵转移矩阵n矩阵的相互转换矩阵的相互转换n转移

9、矩阵的特性转移矩阵的特性n归一化转移矩阵归一化转移矩阵阻抗矩阵阻抗矩阵定义：电流的正方向是流向网络的方向。定义：电流的正方向是流向网络的方向。自阻抗自阻抗 互阻抗互阻抗 除第K口外其余各端口开路时，第k口的自阻抗（或输入阻抗）除第j口外其余各端口开路时，第j口对于第k口的互阻抗（或转移阻抗）导纳矩阵定义：电流的正方向是流向网络的方向。定义：电流的正方向是流向网络的方向。自导纳自导纳 互导纳互导纳 阻抗矩阵和导纳矩阵的性质 1、对对于同一个多端口网于同一个多端口网络络，互互为为逆矩逆矩阵阵。阻抗矩阵和导纳矩阵的性质（续1）2、若网络内部无各向异性介质（即线性网络），、若网络内部无各向异性介质（即

10、线性网络），则网络具有互易性，矩阵转置不变（则网络具有互易性，矩阵转置不变（对称矩阵对称矩阵）。）。独立阵元素由独立阵元素由 阻抗矩阵和导纳矩阵的性质（续2）3、若网络存在对称面：端口、若网络存在对称面：端口k与端口与端口j对称，对称，相应标号的矩阵元素相等。相应标号的矩阵元素相等。阻抗矩阵和导纳矩阵的性质（续3）4、无耗、互易多端口网络的阻抗、导纳参量均为虚数。、无耗、互易多端口网络的阻抗、导纳参量均为虚数。阻抗矩阵和导纳矩阵的归一化阻抗矩阵和导纳矩阵的归一化（续1）归一化阻抗矩阵归一化阻抗矩阵阻抗矩阵和导纳矩阵的归一化（续2）归一化导纳矩阵：归一化导纳矩阵：阻抗矩阵和导纳矩阵的归一化（续3

11、）二端口网络阻抗矩阵和导纳矩阵的归一化二端口网络阻抗矩阵和导纳矩阵的归一化例例1 一并联元件，导纳为一并联元件，导纳为Y，求其阻抗矩阵，求其阻抗矩阵网络对称、互易，有耗网络对称、互易，有耗 不存在导纳矩阵不存在导纳矩阵 例例2 求特性阻抗为求特性阻抗为Zc、电角度为、电角度为的均匀、无耗传的均匀、无耗传输线的阻抗矩阵输线的阻抗矩阵（1）将每一电压、电流都分解成行波的形式；）将每一电压、电流都分解成行波的形式；（2）行波状态下，电压与电流的比值为）行波状态下，电压与电流的比值为Zc。例例2（续）（续）行波行波 纯虚数，无耗，互易，对称纯虚数，无耗，互易，对称 例例3 二端口网络的二端口网络的T型

12、等效电路型等效电路 例例4 二端口网络的二端口网络的型等效型等效转移矩阵转移矩阵二端口网络的转移矩阵二端口网络的转移矩阵 注意电流的正方向注意电流的正方向 A11：电压转移系数：电压转移系数A22：电流转移系数：电流转移系数A12：转移导纳：转移导纳A21：转移阻抗：转移阻抗例1、求特性阻抗为求特性阻抗为Zc、电角度为、电角度为的均匀、无耗的均匀、无耗传输线的转移矩阵传输线的转移矩阵例1（续）行波例2 一传输线段特性导纳为一传输线段特性导纳为Yc，电角度为，电角度为，两端，两端 分别并联导纳分别并联导纳Y1、Y2，求转移矩阵。，求转移矩阵。矩阵的相互转换矩阵的相互转换 以以 中中I2正方向为正

13、方向，正方向为正方向，转移矩阵特性 1、若网络互易、若网络互易2、若网络对称、若网络对称 电压转移系数电流转移系数电压转移系数电流转移系数3、若网络无耗、若网络无耗A11、A22为实数，为实数，A12、A21为虚数（为虚数（Z参量皆虚数）。参量皆虚数）。归一化转移矩阵本章主要内容n单端口网络的阻抗特性单端口网络的阻抗特性n电流、电压、阻抗归一化电流、电压、阻抗归一化n阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵n散射矩阵、传输矩阵散射矩阵、传输矩阵n二端口网络特性二端口网络特性n信号流图模型信号流图模型散射矩阵、传输矩阵n散射矩阵散射矩阵n散射矩阵特性散射矩阵特性n参考面位移参考面

14、位移n电压散射矩阵电压散射矩阵n传输矩阵传输矩阵n传输矩阵特性传输矩阵特性n信号流图模型信号流图模型散射矩阵归一化入射波归一化入射波 归一化出射波归一化出射波 归一化阻抗归一化阻抗 散射矩阵（续1）入射功率入射功率 出射功率出射功率 进入网络的净功率进入网络的净功率 散射矩阵（续2）除第j口外其余各端口匹配时，第j端口对第i端口的传输系数除第i口外其余各端口匹配时，第i端口的反射系数系数散射矩阵（续3）端口端口2匹配，端口匹配，端口1的反射系数（即的反射系数（即1）；）；端口端口1匹配，端口匹配，端口2的反射系数（即的反射系数（即2）；）；端口端口1匹配，端口匹配，端口2至端口至端口1的传输系

15、数；的传输系数；端口端口2匹配，端口匹配，端口1至端口至端口2的传输系数。的传输系数。散射矩阵（续4）全反射：全反射：匹配：匹配：全通过：全通过：全隔离：全隔离：例例1 二端口后接一反射系数二端口后接一反射系数 的负载，的负载，计算其反射系数计算其反射系数做测量系统的校准，加开路、短路、匹配负载做测量系统的校准，加开路、短路、匹配负载对于无耗、互易、对称，求对于无耗、互易、对称，求（1）（2）或或 例例2 求一段电角度为求一段电角度为的传输线的传输线（行波，无反射）（行波，无反射）（行波，相位滞后）（行波，相位滞后）散射矩阵的性质散射矩阵的性质（1）互易矩阵）互易矩阵具有转至不变性具有转至不变

16、性 如微带滤波器，功分电路、匹配电路；如微带滤波器，功分电路、匹配电路；（2）对称网络，）对称网络，i、j端口对称端口对称 散射矩阵的性质（续散射矩阵的性质（续1）（3）无源、无耗网络的散射矩阵满足么正性，是酉矩阵：）无源、无耗网络的散射矩阵满足么正性，是酉矩阵：证明：证明：进入网络的复数总功率是进入各端口的复数功率总和：进入网络的复数总功率是进入各端口的复数功率总和：一个无源网络所消耗的功率是净有功功率：一个无源网络所消耗的功率是净有功功率：散射矩阵的性质（续散射矩阵的性质（续2）代入代入 若网络无耗若网络无耗 散射矩阵的性质（续散射矩阵的性质（续3）展开展开 物理含义：物理含义：无源无源网

17、络外无功率输入网络外无功率输入 无耗无耗网络内部无功率损耗网络内部无功率损耗能量守恒能量守恒散射矩阵的性质（续散射矩阵的性质（续4）无耗二端口网络无耗二端口网络 如果网络是互易的如果网络是互易的散射矩阵的性质（续散射矩阵的性质（续5）（4）匹配特性）匹配特性 在微波网络中，网络某一端口在微波网络中，网络某一端口k是匹配的，是指是匹配的，是指在其余各端口都接匹配负载下，该端口的输入阻抗等于在其余各端口都接匹配负载下，该端口的输入阻抗等于连接传输线的特性阻抗，这时该端口的反射系数为连接传输线的特性阻抗，这时该端口的反射系数为0，即散射参量即散射参量 在端口阻抗匹配下，在端口阻抗匹配下，入射功率将全

18、部进入网入射功率将全部进入网络，没有反射功率损失。络，没有反射功率损失。散射矩阵的性质（续散射矩阵的性质（续6）无耗二端口的散射矩阵无耗二端口的散射矩阵 如果一个端口是匹配的，另一个端口将自动匹配。如果一个端口是匹配的，另一个端口将自动匹配。适当移动参考面位置适当移动参考面位置 参考面位移 电压散射矩阵电压散射矩阵 以电压波作为网络参量以电压波作为网络参量传输矩阵传输矩阵 传输矩阵（续）传输矩阵（续）长度的传输线长度的传输线 本章主要内容n单端口网络的阻抗特性单端口网络的阻抗特性n电流、电压、阻抗归一化电流、电压、阻抗归一化n阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵n散射矩阵、

19、传输矩阵散射矩阵、传输矩阵n二端口网络特性二端口网络特性n信号流图模型信号流图模型二端口网络的工作特性二端口网络的工作特性 输入电压反射系数和驻波系数输入电压反射系数和驻波系数 二端口网络的工作特性二端口网络的工作特性 网络衰减网络衰减功率衰减系数功率衰减系数 反射衰减反射衰减 吸收衰减吸收衰减 无源网络无源网络 本章主要内容n单端口网络的阻抗特性单端口网络的阻抗特性n电流、电压、阻抗归一化电流、电压、阻抗归一化n阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵n散射矩阵、传输矩阵散射矩阵、传输矩阵n二端口网络特性二端口网络特性n信号流图模型信号流图模型信号流图模型信号流图模型n信号流

20、图模型来源于系统和控制理论。信号流图模型来源于系统和控制理论。n波的传播与其传输通道以及通道网络上的节点有关。波的传播与其传输通道以及通道网络上的节点有关。n简化射频网络以及它们之间整体互连关系的分析过程。简化射频网络以及它们之间整体互连关系的分析过程。n复杂的网络被分解成简单的输入、输出特性，在此关系中反射复杂的网络被分解成简单的输入、输出特性，在此关系中反射系数和传输系数将融为一体。系数和传输系数将融为一体。构成信号流图的主要原则构成信号流图的主要原则n当涉及当涉及S参量时，节点是用来识别网络参量的（如参量时，节点是用来识别网络参量的（如a1,b1,a2,b2）；）；n支路是用来连接网络参

21、量的；支路是用来连接网络参量的；n支路量值的加减与支路的走向有关。支路量值的加减与支路的走向有关。带源的端接传输线的信号流图带源的端接传输线的信号流图信号流图结构单元信号流图结构单元 序号序号名称名称图图形表示形表示1节节 点点2支支 路路3串串联连联连接接信号流图结构单元（续）信号流图结构单元（续）序号序号名称名称图形表示图形表示4并并联连联连接接5分分 支支6反反馈环馈环路路例例：用信号流图分析两端口网络，求：用信号流图分析两端口网络，求b1/a1,a1/bs。例例：用信号流图分析两端口网络，求：用信号流图分析两端口网络，求b1/a1,a1/bs（续（续1）例例：用信号流图分析两端口网络，

22、求：用信号流图分析两端口网络，求b1/a1,a1/bs（续（续2）散射参量的测量散射参量的测量 RF：射频信号输出射频信号输出 通道通道R：测量入射波，同时也作为参考端口：测量入射波，同时也作为参考端口通道通道A：测量反射波：测量反射波 通道通道B：测量传输波：测量传输波测量测量S11和和S21：S11=A/R，S21B/R测量测量S12和和S22：将待测元件（：将待测元件（DUT）反过来连接）反过来连接双定向耦合器双定向耦合器：在待测元件的输入端口将入射波和反射波分开：在待测元件的输入端口将入射波和反射波分开 偏置偏置T形接头（形接头（Bias Tee）：为待测元件提供必要的偏置条件）：为待

23、测元件提供必要的偏置条件 散射参量的测量（续）散射参量的测量（续）实际的测试系统需要考虑外接元件在衰减、相移方面的影响，实际的测试系统需要考虑外接元件在衰减、相移方面的影响，而且也要考虑网络分析仪内部结构的影响（如不匹配状态而且也要考虑网络分析仪内部结构的影响（如不匹配状态、初始参、初始参考面考面）。）。散射参量的测量散射参量的测量参量之间的相互关系参量之间的相互关系1、系统参量之间的关系、系统参量之间的关系 2、如果测量系统没有、如果测量系统没有引入任何误差引入任何误差散射参量的测量散射参量的测量测量系统的校准问题测量系统的校准问题 n最简单的校准方法需要最简单的校准方法需要3个或更多已知负

24、载（开路、短路、匹配等），个或更多已知负载（开路、短路、匹配等），但标准负载可能不标准。但标准负载可能不标准。n采用直通反射传输线（采用直通反射传输线（TRL）校准方法消除校准元件固有误差）校准方法消除校准元件固有误差对测量结果的影响。对测量结果的影响。测量系统的校准问题测量系统的校准问题TRL校准方法校准方法 n通过测试下列三种状态下的通过测试下列三种状态下的R、A、B值值n解出校准网络的未知参数解出校准网络的未知参数E11，E12，E22，ER，ET，反射系数反射系数，以及传输线，以及传输线参数参数e-ln测出待测元件的准确测出待测元件的准确S参量。参量。直通直通 反射反射 传输线传输线 S11=S22=0.S12=S21=1 S11=S22=S11=S22=0,S12=S21=e-l 令令E12=E21（互易）（互易）S12=S21=0 l是传输线的长度，是传输线的长度，=+j