第七章微波网络基础
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。
微波电路及设计的基础知识
微波电路及设计的基础知识1. 微波电路的基本常识2. 微波网络及网络参数3. Smith圆图4. 简单的匹配电路设计5. 微波电路的电脑辅助设计技术及常用的CAD软件6. 常用的微波部件及其主要技术指标7. 微波信道分系统的设计、计算和指标分配8. 测试及测试仪器9. 应用电路举例微波电路及其设计1.概述所谓微波电路，通常是指工作频段的波长在10m～1cm(即30MHz～30GHz)之间的电路。
此外，还有毫米波〔30～300GHz〕及亚毫米波〔150GHz～3000GHz〕等。
实际上，对于工作频率较高的电路，人们也经常称为“高频电路”或“射频〔RF〕电路”等等。
由于微波电路的工作频率较高，因此在材料、结构、电路的形式、元器件以及设计方法等方面，与一般的低频电路和数字电路相比，有很多不同之处和许多独特的地方。
作为一个独立的专业领域，微波电路技术无论是在理论上，还是在材料、工艺、元器件、以及设计技术等方面，都已经发展得非常成熟，并且应用领域越来越广泛。
另外，随着大规模集成电路技术的飞速发展，目前芯片的工作速度已经超过了1GHz。
在这些高速电路的芯片、封装以及应用电路的设计中，一些微波电路的设计技术也已得到了充分的应用。
以往传统的低频电路和数字电路，与微波电路之间的界限将越来越模糊，相互间的借鉴和综合的技术应用也会越来越多。
2.微波电路的基本常识2.1 电路分类2.1.1 按照传输线分类微波电路可以按照传输线的性质分类，如：图1 微带线图2 带状线图3 同轴线图4 波导图5 共面波导2.1.2 按照工艺分类微波混合集成电路：采用别离组件及分布参数电路混合集成。
微波集成电路〔MIC〕：采用管芯及陶瓷基片。
微波单片集成电路〔MMIC〕：采用半导体工艺的微波集成电路。
图6微波混合集成电路例如图7 微波集成电路〔MIC〕例如图8微波单片集成电路〔MMIC〕例如2.1.3 微波电路还可以按照有源电路和无源电路分类。
微波网络基础(1)
反射系数与输入阻抗
传输线某一点的输入阻抗 Z in (z ) 和该点的反射系数ρ ( z ) 之间的关 系
1 + ρ (z ) V (z ) Z in (z ) = = Zc ⋅ 1 − ρ (z ) I (z )
−
Z = Rc 无耗时， 纯电阻） 无耗时，传输线阻抗 c （纯电阻）
引
传输线的基本理论 史密斯圆图 微波网络
言
传输线基本理论
均匀长线及其等效电路
R
L
G
C
传输线方程
dz段的等效电路 段的等效电路
R0 dz L0 dz G0 dz C0 dz
传输线方程
dU ( z ) = − ZI ( z ) dz dI ( z ) = −YU ( z ) dz
其中： 其中： Z = R0 + jωL0
+ X (B)
0(0.5λ )
导纳圆图: 导纳圆图 1.短路点 短路点C(-1,0) 短路点 2.开路点 开路点A(1,0) 开路点 3.匹配点 匹配点B(0,0) 匹配点
A
B
C
0.25λ
传向负载 的波长
− X (B)
史密斯圆图的简单用法(1) 史密斯圆图的简单用法(1)
反射系数 ρ ( z ) 的计算
Y = G0 + jωC0
传输线方程的解
传输线方程的解： 传输线方程的解：
U ( z ) = A1e −γz + A2 eγz I (z ) = 1 A1e −γz − A2 eγz Z0
(
)
(特征阻抗) (传播常数)
式中： 式中：
Z0 = R0 + jωL0 G0 + jωC0 γ = (R0 + jωL0 ) ⋅ (G0 + jωC0 )
2.1微波网络基础
传输线上的功率为
1 Ui 1 Ur PL = Pi − Pr = − 2 Z0 2 Z0
2 2
1 ɶ 2 1 ɶ 2 1 2 1 2 = Ui − U r = a − b 2 2 2 2
即
1 ɶ 2 Pi = Ui = 2 1 ɶ 2 Pr = Ur = 2
1 2 a 2 1 2 b 2
1 2
归一化电压、电流的量纲为(W ) 归一化电压、
ɶ ɶ ɶ U ( z ) = Ui ( z ) + Ur ( z ) = a + b ɶ ɶ ɶ I ( z ) = U ( z ) −U ( z ) = a − b
i r
即传输线上任一点的归一化电压、 即传输线上任一点的归一化电压、电流仅由该点 的归一化入射波电压（ 表示） 的归一化入射波电压（用 a 表示）和归一化反射 波电压（用 b 表示）确定。 波电压（ 表示）确定。
例如：对矩形波导中TE10模式: 例如：对矩形波导中TE10模式: TE10模式
放置电容模片
等效电路
放置电感模片
等效电路
波导阶梯
等效电路
由上述分析可知， 不均匀性可用集总元件网络 由上述分析可知 ， 来等效。这样， 来等效。这样，任一含不均匀性的波导元件便可按 其端口波导数等效为一端口、二端口、 其端口波导数等效为一端口、二端口、或多端口微 波网络。 波网络。
（ 2 ） 为了和电路理论中的电压和电流应用方式
相似， 等效电压和电流的乘积应当等于该模式的 相似 ， 功率流。 功率流。
（ 3 ） 单一行波的电压和电流之比应等于此线的
特性阻抗。此阻抗可任意选择。 特性阻抗 。此阻抗可任意选择。 但通常选择等于 此微波传输线的波阻抗，或归一化为1。 此微波传输线的波阻抗，或归一化为1
《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
5_微波技术基础_微波网络基础
归一化电压
U z U z Z0
归一化电流
z I z Z I 0
波导传输线与双线传输线的等效
归一化入射波电压和电流 Ui z Ui z Z0
北京交通大学
Beijing Jiaotong University
归一化反射波电压和电流
Ui z z Ii z Ii z Z0 Z0 U i Z0
微波元件等效为微波网络
北京交通大学
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线性叠加原理：对于n端口线性网络，如果各参考面 上都有电流作用，则某参考面上的电压为各个参考 面上电流单独作用在该参考面时引起的电压响应之 和，即 U Z I Z I Z I 1 11 1 12 2 1n n U 2 Z 21I1 Z 22 I 2 Z 2 n I n U n Z n1I1 Z n 2 I 2 Z nn I n
传输的有功功率
功率反射系数
2 2 2 1 1 1 1 2 P Re U z I z P P U z U z U z 1 i r i r i 2 2 2 2
北京交通大学
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微波网络分析模型
微波系统课抽象化为一个“黑箱”N及其与外部 (通过均匀双线)相连接的若干端口(端对)所构成 的物理模型(网络)。
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“黑箱”表示不均匀性。
习题选解微波网络基础
第4章微波网络基础习）[1] 为什么说微波网络方法是研究微波电路的重要手段微波网络与低频网络 相比较有哪些异同点 [2]表征微波网络的参量有哪几种分别说明它们的意义、特征及英相互间的关 系。
[3]二端口微波网络的主要工作特性参量有哪些它们与网络参量有何关系【4】 求图4-17所示电路的归一化转移矩阵。
其【解】同[例4-9]见教材PP95求图4-9长度为0的均匀传输线段的A 和S °ZoH --------- 0 ---------- H八T1图4-9长度为&的均匀传输线段U [=A [l U 2-A i2l271 =A 2l U 2^A 22I 2先确宦A 矩阵。
当端口（2）开路（即心=0）时，人面为电压波腹点，令则 〃严仏（舁+e 〃） =（4cos&,且此时端口⑴的输入阻抗为Z.a =-jZ o cot0.2【解1从泄义出发求参数, 立义为:图4-17 习题4图由A矩阵的立义得：n 4/.t/./z = cos0 , =— =—- U. L-0 2旦==_ 避 Z U 2 一必 cot 他 Z o cos3in当端口⑵短路（即吩。
〉时,砌为电压波节点，令宀宀 则 〃产牛（舁一不"卜"mSin 。
，且此时端口⑴的输入阻抗为Z 测=）Z （1tan^o 由A 矩阵的圧义得： 4 =£L =7 -/ =jZ （、sin 0, A^= —L也 --/ nd® y>-o '丹 也可以利用网络性质求 由网络的对称性得：A 22 =^,=005/9再由网络可逆性得：人「=月”班_]= 2、0一] = jZMA 2} jsinO/Z {} 于是长度为0的均匀传输线段的A 矩阵为cos0jZ 0 sin 0ysin^/Z 0 cos0如果两端口所接传输线的特性阻抗分别为Z 。
】和乙龙，则归一化A 矩阵为互 COS0Z （）i .JZoZo? sin &J疋-.Z o sin 0经 COS0Z°2当 Z （M = Z°2 = Z（）时cos0 Jsin0jsin& cos 6 [6]（返回）求图4-19所示H 型网络的转移矩阵。
《微波网络基础》PPT课件
• (3)电压与电流之比等于选定的等效阻抗值。 假设所选定等效阻抗为Ze, 则有
精选PPT
13
h e
Ze
Ht Et
• 当模式横向场Et、 Ht已知时，可以求出e, h, 从而也就定出V、I。
精选PPT
14
• 以矩形波导H10波为例
•令
Et
ayEy
ay
a H0
sin
a
xejz
Ht
axHx
ax
– 电压与电流； Ze(V)IV/I2b aZWH
– 电流与功率； Ze(IP )P/I24b aZWH
– 电压与功率；
Ze(V)PV2/Pb aZWH
精选PPT
18
• 由上述可见，在三种等效阻抗定义下， 算出的等效阻抗绝对值各不相同，但只 差一个常数。在微波技术中，通常只用 阻抗相对值，因此在三种等效阻抗表示 式中，可只留下与截面尺寸有关的部分， 作为公认的等效阻抗表达式，即
– 对无耗网络， S具有么正性(酉正性)，即
ST I
– 当网络对称时，有
Sii S（ij 全对称）
Sik
S
（部分对称）
jk
精选PPT
52
传输矩阵(T矩阵)
• 当网络输出端口的场量a2和b2已知，欲 求输入端口的场量a1、 b1时，用T作变 换矩阵最为方便，即
a1 b1
TT1211
T12b2 T22a2
精选PPT
24
•但
E teV H thI
• 代入 Ht /z 和 Et /z 得
V z
j
Ze ZWH
I
Z1I
I
z j Ze V Y1V
电报 方程
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入射波 反射波
2020/8/13
不连续性系统
透射波
5
3
▪微波元件的分析方法： 谐振器
1、场解法： 用麦克斯韦电磁场理论由给定的边界 条件求解，但求解过程相当复杂，且有时候难以求得完 整的解。
2、“路”的方法： 将微波传输线（单、双导体）等 效为双（导体传输）线，将微波元件等效为微波网络， 用长线理论和网络理论来分析。
U(z) U(z)
1)
Z~ Z Z0
I (z) Z0
Z0
I(z) Z0
U~ ( z ) I~(z)
.
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8
即 U~(z) U (z) Z0
I~(z) I (z). Z0
（7-1-6）
2) 归一化入射波与归一化反射波：
U~i
(
z)
U
i(z Z0
)
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I~i
(
z)
❖ 必须规定网络端口的参考面
∵ 微波传输线属于分布参数系统，它实际上是 构成微波电路的一部分。 ∴ 选取不同的参考面 就有不同的网络参量。
选择参考面的原则是在该参考面以外的传输
线只传输主模。
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21
15
7.2.2 微波元件等效为微波网络 一、微波元件等效为微波网络的原理：
Z0
Ur (z) Z0
U~r (z)
3) 入射波功率与反射波功率：
Pi
1 2
Re
U~i
(
z
)
I~i
(
z)
1 2
U~i
(z)
2
（7-1-9）
Pr
1 2
Re
U~r
(
z
)
I~r
(
z
)
1 2
U~r (z) 2
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10
4)
P
有功功率：
Pi Pr
1 2
U~i
(z)
2
[1
U~ (z) 2 U~i (z) 2
微波网络
2
➢ 参考面所包围的区域就称为微波网络。网 络参数与参考面的位置和工作模式有关。
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13
➢ 微波网络可分为单端口、双端口、n端口网络。如图所示：
T1
T2
I1 T1
T2 I2
Z Z c1
c3 Zc4 Zc5 Zc2 ②U1
双端口
U2
E-T
T1
T3 T2
三端口
T3
T1
T2
25
1 2
Re[U
(
z)
I
(
z)]
s[et
ht] dS
（7-1-2）
3） 双线上传输的功率：P 1 Re U (z) I (z) .
2
根据（7-1s[-2e）t 与h（t7]-1-d3）S式
பைடு நூலகம்
，则
1 （7-1-4）
（7-1-3）
上式称为归一化条件 。即波导等效为双线的等效基础（前提）。
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6
4) 模式电压与模式电流之比等于模式特性阻抗 Z 0 。 然而 Z 0 具有不确定性。
U kU, I 1 I; k
Z0
可选波阻抗； 宜选等效阻抗。
P P. Z0 k 2Z0.
b a ZTE10 Ze Z0
等效电压与等效电流的不确定进一步说明了模式电压
模式电流是为了研究问题方便起见而人为引入的参数。
E z和Hz不 一定存在
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5
1） 模式电压U (z) 正比于横向电场 Et ；模式
电流 I (z) 正比于横向磁场 H t 。
即 Et (x, y, z) et (x, y) U (z)
（7-1-1）
Ht (x, y, z) ht (x, y) I (z)
2P）波12导Re中s[的Et传 H输t功] 率dS为
四端口
分支定向耦合器 2020/8/13
T4
14
二、微波网络的主要特点
❖ 必须指定工作模式（波型）
∵ 微波传输线可传输无限多个模式，每一种模 式对应一对等效双线，其横向电场与横向磁场对应 于一组电压与电流。 ∴ 如不规定工作模式，其 网络参量就无法确定。 对微波网络，一般认为传 输线工作于单一的主模状态下。
入射波 反射波
不连续性系统
透射波
同轴 线谐 振腔
传输线 理论
双端口
存在电压与电流
微波网络
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2
7.1 导波系统的等效传输线
7.1 .1 导波系统等效为双线传输线
• 微波系统的组成:
由微波信号源、微波传输线与微波元、 器件组成。
• 微波元、器件的引入意味着微波系统包 含不均匀区——含微波传输线相接处及 微波元、器件内部。如图
⑶归一化参量是唯一确定的。
故微波网络都是使用归一化 参量来讨论问题的。
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7.2 微波元件的等效网络
7.2.1 微波网络参考面的选择
一、 选择参考面的原则:
参考面
1) 参考面的位置应尽量远离不连 1
续区域。即参考面以外的传输
线只有主模信号.
1
2) 参考面必须与传输方向垂直。
2 双端口
1
2
双端口
参考面
微波网络
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1
2
4
➢ 等效基础：
1、传输线理论的基本参量—— U , I.
导出参量—— P, Z,Y, , .
2、波导传输线传输的电磁波是TE、TM波， 电压、电流不再有意义。为使长线理论能应
用于微波（波导）传输线，引入等效参量：
模式电 压、模式电流、模式特性阻抗。
而 E Et ez Ez H Ht ez H z
不确定肯定是不行的啦。下面我们就要想办法寻 求一个具有确定数值的参数。
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7
7.1 .2 归一化参量
1、归一化阻抗：
Z
U I
U I
U I
1 1
1 Z0 1 .
Z~ Z 1 . Z0 1
（7-1-5）
可以测量,且是确定的。
Z~可以唯一确定。
2、归一化电压与归一化电流：
第七章 微波网络基础
本章主要利用网络理论来分析 微波系统，并介绍几组常用的网络 参量及工作特性参量.
1
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2
信
负
号 传输线 源
载
1
任何一种微波系统都是由均匀传输线系统和各种不连
续性系统组成的，若把均匀传输线系统等效为双线，不 均匀系统等效为微波网络，则对微波系统的分析就可以 应用长线理论和网络理论来处理，从而使问题大为简化。
Ui (z) Z0
•
Ui U
Ii I
归一化入射波电压与归 一化入射波电流相等
Z0
Ui(z) Z0
（U~7i (-1z-)7）
28
9
U~r
(
z
)
U
r (z) Z0
归一化反射波电压与归 U r U
一化反射波电流大小相 等，相位相反
Ir I
（7-1-8）
I~r
(
z
)
Ur (z) Z0
•
]
1 2
U~i (z)
2
1
2
.
（7-1-10）
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讨论：
⑴归一化电路中，只需引入一个量，即“归一化电压”。
⑵传输功率：
P 1 Re[U~I~ ] 1 Re[ U I
2
2
Z0
Z0
]
1 2
Re[UI ]
上式说明：归一化参量的引入，传输功率不变，且
计算公式与双线传输线在形式上完全相同。