《微波技术基础》第六章_微波网络基础
微波技术基础课程学习知识要点
《微波技术基础》课程温习知识要点(2007版)第一章 “微波技术基础引论”知识要点廖承恩主编的《微波技术与基础》是国内较为经典的优秀教材之一，引论部份较为详细的介绍了微波的工作波段、特点及其应用，大部份应用背景取材于微波通信占主导地位的上世纪80’s / 90’s 年代。
在科技迅猛进展的今天，建议同窗们关注本网站相关联接给出的最新进展动态，真正做到学以致用，拓展自己的知识面，专门是看看微波在现代无线和移动通信、射频电路设计（含RFID ）、卫星定位、宇航技术、探测技术等方面的应用，不要局限于本书的描述。
(Microwaves have widespread use in classical communication technologies, from long-distance broadcasts to short-distance signals within a computer chip. Like all forms of light, microwaves, even those guided by the wires of an integrated circuit, consist of discrete photons ….. NATURE| Vol 449|20 September 2007)1本章的理论核心是在对导行波的分类的基础上推导了导行系统传播知足的微波的波段分类、特点与应用（TE 、TM 、TEM ）和大体求解方式，给出了导行系统、导行波、导波场知足的方程；（Halmholtz Eq 、横纵关系）、本征值---纵向场法、非本征值---标量位函数法（TEM ）。
{重点了解概念、回答实际问题，比如考虑一下如按如下的份类，RFID 涉及那些应用？全世界定位系统GPS 呢？提高微波工作频率的益处及实现方式？}1．微波的概念 把波长从1米到1毫米范围内的电磁波称为微波。
微波波段对应的频率范围为: 3×108Hz ～3×1011Hz 。
6 微波网络基础
二端口网络
设参考面T1处的电压和电流分别为U1和I1,而参考
面T2 处电压和电流分别为U2 、I2,连接T1 、T2 端的广义 传输线的特性阻抗分别为Z01和Z02。 1、 阻抗矩阵 现取I1、I2为自变量, U1、U2为因变量, 对线性网络 有 U1=Z11I1+Z12I2 U2=Z21I1+Z22I2
在集总参数低频电路中，电压和电流不仅有明确 的定义，而且可以直接测量。 在微波系统中，大多采用波导作为传输线。波导 传输的是色散波（和频率有关），因此电压和电流的
定义就失去了原有的意义。为使所有的微波传输系统 都可以用传输线理论来处理分析，我们需要 引入等 效电压和等效电流的概念, 从而将均匀传输线理论应 用于任意导波系统。建立在等效电压、 等效电流和 等效特性阻抗基础上的传输线称为等效传输线, 而将 传输系统中不均匀性引起的传输特性的变化归结为等 效微波网络
写成矩阵形式
U1 U2
或简写为
=
Z11Z12 Z 21Z 22
I1 I2
［U］=［Z］［I］
式中, ［U］为电压矩阵, ［I］为电流矩阵都是列
阵, 而［Z］是阻抗矩阵，为方阵, 其中Z11、 Z22分别 是端口“1”和“2”的自阻抗; Z12、Z21分别是端口
“1”和“2”的互阻抗。各阻抗参量的实验测量如下: Z U1 | I 0 为T2面开路时, 端口“1”的输入阻抗 11 2 I1
传输的有功功率为
2 1 ~ 2 P Pi Pr U i z 1 2
6.2 微波元件的等效网络
一、网络参考面的选择 （一）保证单模传输时，参考面的位置应尽量远离 不连续性区域 （二）选择参考面必须与传输方向相垂直 使参考面上的电压和电流有明确的意义 （三）Ti 面选定，网络参量也定 Ti 面改变，网络参量改变 （四）单模传输时，微波网络的 外接传输线的路数＝参考面的数目。
微波技术基础期末复习题
《微波技术基础》期末复习题第2章 传输线理论1. 微波的频率范围和波长范围频率范围 300MHz ~ 3000 GHz 波长范围 1.0 m ~ 0.1mm ；2. 微波的特点⑴ 拟光性和拟声性；⑵ 频率高、频带宽、信息量大；⑶ 穿透性强；⑷ 微波沿直线传播；3. 传输线的特性参数⑴ 特性阻抗的概念和表达公式特性阻抗＝传输线上行波的电压／传输线上行波的电流 1101R j L Z G j C ⑵ 传输线的传播常数传播常数 j γαβ=+的意义，包括对幅度和相位的影响。
4. 传输线的分布参数：⑴ 分布参数阻抗的概念和定义⑵ 传输线分布参数阻抗具有的特性()()()in V d Z d I d =00ch sh sh ch L L L L V d I Z d V d I d Z γγγγ+=+000th th L L Z Z d Z Z Z d γγ+=+① 传输线上任意一点 d 的阻抗与该点的位置d 和负载阻抗Z L 有关； ② d 点的阻抗可看成由该点向负载看去的输入阻抗；③ 传输线段具有阻抗变换作用；由公式 ()in Z d 000th th L L Z Z d Z Z Z dγγ+=+ 可以看到这一点。
④ 无损线的阻抗呈周期性变化，具有λ/4的变换性和 λ/2重复性； ⑤ 微波频率下，传输线上的电压和电流缺乏明确的物理意义，不能直接测量；⑶ 反射参量① 反射系数的概念、定义和轨迹；② 对无损线，其反射系数的轨迹？；③ 阻抗与反射系数的关系；in ()1()()()1()V d d Z d I d d 01()1()d Z d ⑷ 驻波参量① 传输线上驻波形成的原因？② 为什么要提出驻波参量？③ 阻抗与驻波参量的关系；5. 无耗传输线的概念和无耗工作状态分析⑴ 行波状态的条件、特性分析和特点；⑵ 全反射状态的条件、特性分析和特点；⑶ 行驻波状态的条件、特性分析和特点；6. 有耗传输线的特点、损耗对导行波的主要影响和次要影响7. 引入史密斯圆图的意义、圆图的构成；8. 阻抗匹配的概念、重要性9. 阻抗匹配的方式及解决的问题⑴ 负载 — 传输线的匹配⑵ 信号源 — 传输线的匹配⑶ 信号源的共轭匹配10. 负载阻抗匹配方法⑴ λ/4阻抗匹配器⑵ 并联支节调配器⑶ 串联支节调配器第3章 规则金属波导1. 矩形波导的结构特点、主要应用场合；2. 矩形波导中可同时存在无穷多种TE 和TM 导模；3. TE 和TM 导模的条件；TE 导模的条件：00(,,)(,)0j z z z z E H x y z H x y e β-==≠TE 导模的条件：00(,,)(,)0j z z z z H E x y z E x y e β-==≠4. 关于矩形波导的5个特点；5. 掌握矩形波导TE 10模的场结构，并在此基础上掌握TE m0模的场结构；6. 管壁电流的概念；7. 管壁电流的大小和方向；8. 矩形波导的传输特性（导模的传输条件与截止）；9. 圆形波导主模TE11模的场结构。
第六章微波网络基础
显然Z与Y互为逆矩阵
阵元组成
1.阻抗阵的对角元是其它端口开路时的输入阻 抗；其余为互电抗j激励与i输出的比值。 Vi Zi , j i 1,..., N ; j 1,...N I j I 0;k j，k=1,N
k
2.导纳阵的对角阵元是其它端口短路时的输入电 纳；其余元为互电纳
Ii Yi , j Vj i 1,..., N ; j 1,...N
2 c
对于TEmn模的矩形波导，同样可得其传输 线等效电路如图6.1-1(b），参量如下： 2 kc Z1 j ; Y1 je j 特性：等效电路具有高通特性； f<fc时为电容(a)或电感(b)分压器；串(a)/并(b) 支路谐振时截止。
均匀波导等效电路（续三）
谐振时均有：kc2 = c2e
6.2 一端口网络的阻抗特性
一端口网络：单口波导/传输线 分析：策动点阻抗特性——
driving point impedance
端口输入 P 功率：
1 2
S
E
H ds
*
Pl
2 j (Wm We )
Pl为实功率，代表网络耗散平均功率。 端口平面场：
Et ( x, y, z ) V ( z ) E0t ( x, y )e
积分是对波导截面进行的。
Z0 V
I V
I C1 C2
若要求Z0=Zw,则Zw（ZTE,ZTM） =C1/C2 若归一化1
等效电压电流(续三)
从而我们可采用功率和归一化关系解出 C1,C2代回基本关系式V,I(任意模)
Vn j n z Vn j n z Et ( x, y, z ) e e E0t ( x, y ) 6.1 13 C1n n 1 C1n N I n j n z I n j n z H t ( x, y , z ) e e H 0t ( x, y ) C2 n n 1 C2 n
微波技术基础复习重点
第一章引论微波是指频率从300MHz到3000GHz范围内的电磁波，相应的波长从1m到0.1mm。
包括分米波（300MHz到3000MHz）、厘米波（3G到30G）、毫米波（30G 到300G）和亚毫米波（300G到3000G）。
微波这段电磁谱具有以下重要特点：似光性和似声性、穿透性、信息性和非电离性。
微波的传统应用是雷达和通信。
这是作为信息载体的应用。
微波具有频率高、频带宽和信息量大等特点。
强功率—微波加热弱功率—各种电量和非电量的测量导行系统：用以约束或者引导电磁波能量定向传输的结构导行系统的种类可以按传输的导行波划分为：(1)TEM(transversal Electromagnetic,横电磁波)或准TEM传输线(2)封闭金属波导(矩形或圆形，甚至椭圆或加脊波导)(3)表面波波导(或称开波导)导行波：沿导行系统定向传输的电磁波，简称导波微带、带状线，同轴线传输的导行波的电磁能量约束或限制在导体之间沿轴向传播。
是横电磁波(TEM)或准TEM波即电场或磁场沿即传播方向具有纵向电磁场分量。
开波导将电磁能量约束在波导结构的周围(波导内和波导表面附近)沿轴向传播，其导波为表面波。
导模(guided mode ):即导波的模式，又称为传输模或正规模，是能够沿导行系统独立存在的场型。
特点：(1)在导行系统横截面上的电磁场呈驻波分布，且是完全确定的，与频率以及导行系统上横截面的位置无关。
(2)模是离散的，当工作频率一定时，每个导模具有唯一的传播常数。
(3)导模之间相互正交，互不耦合。
(4)具有截止频率，截止频率和截止波长因导行系统和模式而异。
无纵向磁场的导波(即只有横向截面有磁场分量)，称为横磁(TM)波或E波。
无纵向电场的导波(即只有横向截面有电场分量)，称为横电(TE)波或H波。
TEM波的电场和磁场均分布在与导波传播方向垂直的横截面内。
第二章传输线理论传输线是以TEM模为导模的方式传递电磁能量或信号的导行系统，其特点是横向尺寸远小于其电磁波的工作波长。
微波技术基础
2 x0
dydz
第6章 微波谐振器
由Q值的一般定义可得
储能时均值 Qc 0 损耗功率的时均值
abl a 2 l 2 2We或m 0 0 Pl 2 Rm 2b a 3 l 3 al a 2 l 2
ZTEM
2 Rm
b(a 2 l 2 )3/2 2b(a 3 l 3 ) al (a 2 l 2 )
第6章 微波谐振器
微波技术基础
詹铭周
电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼C305 电话：61831021 电邮：mzzhan@
内容
以具体传输线为例 分析微波频段常用的谐振器的谐振频率、Q值、 谐振模式等 （同轴、微带线、带状线谐振器） 金属波导谐振器
腔壁损耗功率为
为了求出Q值，必须 计算由腔壁有限电导 率引起的损耗，在小 损耗情况下，其表面 电流几乎就是由无耗 时磁场激励的表面电 流，有，
J s n Ht
2 Rm Rm Pl s J s J s dS 2 s H t dS 2 a b b l 2 Rm 2 H x z 0 dxdy 2 H z 0 0 0 0 2 2 2 a l H 2 z y 0 H z y 0 dxdz 0 0 Rm 2 2 A 2b a 3 l 3 al a 2 l 2 l
第6章 微波谐振器
1 m p m n p Ex 2 Emnp cos x sin y sin z kc a l a b l 1 n p m n p Ey 2 Emnp sin x cos y sin z kc b l a b l Hx j
《微波网络基础》课件
移动通信中的微波网络需要解 决信号干扰和多径衰落等问题 ，以保证通信质量和稳定性。
物联网中的微波网络
1
物联网中的微波网络主要用于实现物体之间的信 息交换和远程控制，具有广泛的应用前景。
2
物联网中的微波网络通常采用低功耗、低成本的 微波模块，以实现无线数据传输和控制。
3
物联网中的微波网络需要解决信号传输过程中的 能量效率和可靠性等问题，以保证物体之间的有 效通信。
高效性原则
优化微波网络系统的性能参数，提高数据传 输效率。
扩展性原则
设计时应考虑未来发展需求，方便系统升级 和扩容。
经济性原则
在满足性能要求的前提下，尽可能降低建设 和运营成本。
微波网络的系统组成
发射机
负责将信号从微波网络发送出去。
馈线
连接发射机和接收机的传输线。
接收机
负责接收微波网络传送的信号。
3
集成工艺
将多个微波元件集成在一个芯片上，实现微波系 统的微型化。
微波网络的测试技术
测试设备
包括信号源、频谱分析仪、功率计、网络分析仪等，用于测试微波元件的性能 参数。
测试方法
根据不同的元件和性能参数，选择合适的测试方法，如电压驻波比测试、插入 损耗测试等。
05
微波网络的应用实 例
卫星通信中的微波网络
微波网络的应用领域
广播电视传输
微波网络广泛应用于广播电视节目的传输，如卫 星电视、地面无线电视等。
电信通信
微波网络在电信通信领域中用于构建移动通信网 络、宽带接入网络等。
军事通信
由于微波网络具有较好的抗干扰能力和保密性， 因此在军事通信领域中也有广泛应用。
微波网络的发展趋势
第6章 微波网络基础
Ui ( z ) (z) = Ii = Ui ( z ) Z0 归一化反射波的定义为
U r (z ) ~ U r (z ) = Z0 U r (z ) ~ ~ I r (z ) = = U r ( z ) Z0
入射波功率和反射波功率: 入射波功率和反射波功率:
2 1 1 Pi = Re[U i I i ( z )] = U i ( z ) 2 2 2 1 1 Pr = Re[U r I i ( z )] = U r ( z ) 2 2
传输的有功功率为
2 2 1 1 P = Pi Pr = U i ( z ) U r ( z ) 2 2 2 1 2 = U i ( z ) (1 Γ ) 2
6.2 微波元件的等效网络 6.2.1参考面的位置选取方法: 6.2.1参考面的位置选取方法: 参考面的位置选取方法
1.参考面的位置尽量远离不连续性区域 1.参考面的位置尽量远离不连续性区域 2.参考面必须与传输方向相垂直 2.参考面必须与传输方向相垂直 对于单模传输情况来说, 对于单模传输情况来说,微波网络的外接传输 线的路数与参考面的数目相等
I1 = Y11U1 + Y12U 2 + + Y1nU n Y 为导纳参量, m=n为自 I = Y U + mn为导纳参量,若m=n为自 Y22U 2 + + Y2 nU n 2 21 1 导纳, m≠n为转移导纳 导纳,若m≠n为转移导纳 I n = Yn1U1 + Yn 2U 2 + + YnnU n
微波元件及其等效网络
6.2.2微波元件等效为微波网络的原理 6.2.2微波元件等效为微波网络的原理
唯一性定理:如果一个封闭曲面上的切向电场(或切 唯一性定理:如果一个封闭曲面上的切向电场( 向磁场)给定,或者一部分封闭面上给定切向电场, 向磁场)给定,或者一部分封闭面上给定切向电场,另 一部分封闭面上给定切向磁场, 一部分封闭面上给定切向磁场,那么这个封闭面内的 电磁场就被唯一确定 如果参考面上的电压给定, 如果参考面上的电压给定,则参考面上的模式电流 也被确定
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但对于矩形波导，如主模 TE10
Ey
ja
H10
sin
x
a
e
j
z
Hx
j
a
H10
sin
x
a
e
j
z
V
ja
H10
sin x e j z
a
dy
y
电压取决位置x 与沿y 方向的积分等高线长度。不存在唯一 的或对所有应用适用的“正确电压”，电流和阻抗类似。
3
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第六章 微波网络基础
6.1 微波接头的等效网络 6.2 一端口网络的阻抗特性 6.3 微波网络的阻抗和导纳矩阵 6.4 微波网络的散射矩阵 6.5 ABCD矩阵 6.6 传输散射矩阵 6.7 微波网络的信号流图
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一、等效电压和电流与阻抗
1、等效电压和电流
以双导体TEM传输先为例，正导体相对负导体的电压
V E dl
与积分路径形状无关。
正导体上总电流
I H dl C
积分回路为包围正导体的任 意闭合路径。
行波的特性阻抗
Z0
V I
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Dept.PEE Hefei Normal University(2) 模式电压与模源自电流共轭的乘积等于波导传输的复 功率
(3) 模式电压与模式电流之比等于模式特性阻抗
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具有正向和反向行波的任意波导模式的横向场
Et (x, y, z) E0t (x, y)( Ae j z Ae j z ) E0t (x, y) (V e j z V e j z ) C1
(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
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按网络的特性进行分类 按微波元件的功能来分
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
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
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6-1 微波接头的等效网络
入射波的复功率流
P 1 | A |2
2
S
E0t
H0t
zˆds
V I * 2C1C2*
S E0t H0t zˆds
V I * / 2
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C1C2* S E0t H0t zˆds 式中积分对波导截面进行。
特性阻抗：
Z0
V I
V I
C1 C2
波导中的一般场表达式
Et (x, y, z)
N n1
Vn C1n
e jnz
Vn C1n
e jnz
E0t (x, y)
Ht (x,
y, z)
N
n1
I
n
《微波技术基础》
张忠祥
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1
教材：
《微波技术基础》，廖承恩编，西安电子科技大学出版 社，1995.
参考书目：
（1）赵春晖，杨莘元.《现代微波技术基础》[M]（第二版），哈 尔滨工程大学出版社,2003. （2）吴明英，毛秀华.《微波技术》[M]，西安电子科技大学出版 社，1995. （3） R.E.柯林.《微波工程基础》[M]，吕继尧译，人民邮电出版 社，1981.
——对非TEM模的电压、电流和阻抗的唯一性，采用等效
电压、电流和阻抗。
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为了定义任意截面沿z方向单模传输的均匀波导
参考面上的模式电压和模式电流，一般作如下规 定：
(1) 模式电压V (z)正比于横向电场ET ；模式电流I (z) 正比于横向磁场HT ；
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微波技术基础
第一章 引论 第二章 传输线理论 第三章 规则金属波导 第四章 微波集成传输线 第五章 毫米波介质波导与光波导 第六章 微波网络基础 第七章 微波谐振器 第八章 常用微波元件 第九章 微波铁氧体元件
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Ht (x, y, z) H0t (x, y)( Ae j z Ae j z ) H0t (x, y) (I e j z I e jz ) C2
H0t (x,
y)
zˆ E0t (x, ZW
y)
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ZW 为波组抗
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微波网络分类
单口网络 双口网络 多口网络
负载，振荡器… 滤波器、放大器、衰减器、隔离器… 混频器、功分器、环行器、合成器…
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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。
等效电压波和电流波
V (z) V e j z V e j z I (z) I e jz I e jz
V / I V / I Z0
常数 C1 V / A V / A ,C2 I / A I / A 由功率 和阻抗条件确定。
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6-0 引言
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。
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