―微波网络的工作特性参量
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。
微波技巧与天线试题1[最新]
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1、TE 波和TM 波的最低次模分别为11TE 和 10TM （错）2、将0≠z E 而0=z H 的波称为TE 波 （错）3、描述光纤传输特性主要是色散和损耗 （对）4、辐射电阻越大，有效长度越短，天线的辐射能力越强 （错）5、天线通信的最佳功率max 85.0f f opt = （对）6、智能天线技术使得空分多址（SDMA ）成为可能 （对）7、若无耗线处于行波状态时，则终端反射系数为11=Γ，且0Z Z in =（错）8、相速度可以用来表示波能量的传输速度 （错）9、多径效应造成了天线系统传输过程中信号的衰落 （对）10、天线接收的功率可分为三个部分：接收天线的再辐射功率、负载吸收的功率和媒质的损耗功率。
（对）(a) 微波是介于 超短波 与 红外线 之间的波，频率范围从 300 MHz 到 3000 GHz 。
光波属于电磁波谱的 可见光 段，工作波长为 纳米 量级。
(b) 由于微波在电磁波谱中的特殊位置，所以具有以下特性 似光性和似声性、穿透性、非电离性、信息性、宽频带特性、热效应特性、散射特性、抗低频干扰特性、视距传播性、分布参数的不确定性、电磁兼容和电磁环境污染等(c) 某矩形波导中的信号能够单模传输，那么它一般工作于 10TE 模式，截止波长为_2a _,其中a 为波导宽边尺寸。
如果转接成圆型波导馈入基站仍然为单模，那么它此时工作于11TE 模式。
圆柱波导传输场一般可采用 分离变量 法求解，由于匹配边界条件的缘故，如果支撑场解中的第一类贝塞尔函数带有求导符号，那么必定为TE 模，其余场分量利用支撑场和 纵横关系 求出。
(d) 圆型波导虽然损耗比矩形波导小，但是由于其中存在固有的 极化简并 等问题，一般不用于长距离传输系统。
对于腔式谐振器器件，由于损耗主要来源于 腔体的金属壁和腔内填充的介质 ，所以采用 开放式或半开放式谐振器有利于获得更小的损耗。
作为封闭谐振体的改进版，可以采用 由两块平行金属板构成开式 结构的法布里——珀罗谐振器，这种谐振器稳定工作的条件是120111d d R R ⎛⎫⎛⎫≤--≤ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭。
微波网络2
U1 U2
表示T2面开路时，端口(2)至端口(1)的电压转移系数；
I2 0
U1 I 2 U 0
2
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；
A21
I1 U2
I2 0
A22
I1 I 2 U 0
2
表示T2面短路时，端口(2)至端口(1)的电流转移系数。
2.3.1 阻抗参数与导纳参数
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（Z,Y,A) 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。 （S,T)
2.3.1 阻抗参数与导纳参数
1 阻抗参量(Z)
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
å
N
(
)
= a1 + a2 + L + a N
2
2
2
=
å
N
ai
2
i= 1
用矩阵形式表示
[a]T [a]* [b]T [b]* 0
将 b S a 代入上式：
[a]T [a]* [a]T [ S ]T [ S ]*[a]* 0
整理，得
[a]T {[U ] [S ]T [S ]*}[a]* 0
A参数的性质
U1 U2 A11 det A I1 I 2 Z11I1 Z12 I 2 A21 A21 1 A I1 22 I 2 Z 21I1 Z 22 I 2 A21 A21
微波网络
U1 A11 U A 2 21
A12 U 2 I A22 1
[A] 转移矩阵
U1 A11 U2
U A12 1 U2
I 2 0
I1
S I S I U r1 11 i1 12 i 2 U r 2 S21 Ii1 S22 Ii 2
Z 01
~ U i1 ~ U r1
二端口
微波网络
~ Ur2
I2 ~ Ui2
Z 02
S11 U r1 U r 2 S21
表示T2面开路时， T2面到T1面的 电压转移系数 表示T2面短路时， T2面到T1面的 电压转移阻抗
17 17
U2 0
第十章 微波网络基础
二、散射参量和传输参量
（1）散射参量
以上的参量是以端口的归一化电压和归一化电流来定义 的，这些参量在微波频段很难准确测量。而S参量是由 归一化入射波和归一化反射波电压来定义的，因此它容 易测量。故S参量时微波网络中应用最多的一种主要参 量。
可逆网络
1.
Z12 Z12 ad bc 1
Z11 Z 22 ad (Z 01 Z 02 )
2 2
Y12 Y21 S12 S21
Y11 Y22 S11 S22
2.
对称网络
3.
无耗网络
S11 S 21 1
25 25
第十章 微波网络基础
四． 参考面移动对网络参量的影响
第十章 微波网络基础
Types of Transmission Line
I1 Two-wire line I1 V1 I2 V2 I2
微波工程复习资料(张 西昌).
一、简答题：1、如何判断长线和短线？长线是传输线几何长度L与工作波长λ可以相比拟的传输线，（必须考虑波在传输中的相位变化效应），短线是几何长度L与工作波长λ相比可以忽略不计的传输线2、均匀长线有几种工作状态？条件是什么？均匀无耗长线有三种工作状态，分别是驻波、行波与行驻波。
（1.5分）驻波：传输线终端开路、短路或接纯电抗；（0.5分）行波：半无限长传输线或终端接负载等于长线特性阻抗；（0.5分）行驻波：传输线终端接除上述负载外的任意负载阻抗3、什么是波导中的模式简并？矩形波导和园波导中的简并有什么不同？不同模式具有相同的特性（传输）参量叫做模式简并。
矩形波导中，TEmn与TMmn（m、n均不为零）互为模式简并。
圆波导的简并有两种，一种是极化简并。
其二是模式简并4、说明二端口网络S参量的物理意义？S11,1端口接源，2端口接匹配负载，1端口的电压反射系数；S22：2端口接源，1端口接匹配负载，2端口的电压反射系数；S12：2端口接源，1端口接匹配负载，2端口到1端口的电压传输系数；S21：1端口接源，2端口接匹配负载，1端口到2端口的电压传输系数；5、什么是传输线的特性阻抗？什么是传输线的输入阻抗？特征阻抗：表示特定的传输线的这种特征或者是特性，称之为该传输线的特征阻抗。
特征阻抗是指信号沿传输线传播时，信号看到的瞬间阻抗的值。
输入阻抗：四端网络、传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。
实质上是个等效阻抗。
只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配，从信号源、传感器等获取输入信号。
6、什么是半波振子天线？单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
两个或多个半波振子可组成双极化和多极化天线，单极化天线只能表示当个方向，垂直极化是最常用的，用垂直极化和水平极化就可以组成全向天线。
二、填空题：1、从传输线方程看，传输线上任一点处的电压和电位都等于该处相应的入射波与反射波的叠加。
微波技术习题
思考题1.1 什么是微波？微波有什么特点？1.2 试举出在日常生活中微波应用的例子。
1.3 微波波段是怎样划分的？1.4 简述微波技术未来的发展状况。
2.1何谓分布参数？何谓均匀无损耗传输线？2.2 传输线长度为10cm，当信号频率为9375MHz时，此传输线属长线还是短线？10cm，当信号频率为150KHz时，此传输线属长线还是短线？2.4传输线特性阻抗的定义是什么？输入阻抗的定义是什么？2.5什么是反射系数、驻波系数和行波系数？2.6传输线有哪几种工作状态？相应的条件是什么？有什么特点？3.1何谓矩形波导？矩形波导传输哪些模式？3.2何谓圆波导？圆波导传输哪些模式？？3.3矩形波导单模传输的条件是什么？3.4何谓带状线？带状线传输哪些模式？3.5何谓微带线？微带线传输哪些模式？何谓截止波长？何谓简并模？工作波长大于或小于截止波长，电磁波的特性有何不同？3.7 矩形波导TE10模的场分布有何特点？3.8何谓同轴线？传输哪些模式？波导具有高通滤波器的特性？3.10 TE波、TM波的特点是什么？3.11何谓波的色散？3.12任何定义波导的波阻抗？分别写出TE波、TM波波阻抗与TEM波波阻抗之间的关系式。
4.1为什么微波网络方法是研究微波电路的重要手段？4.2微波网络与低频网络相比有哪些异同？4.3网络参考面选择的要求有什么？4.4表征微波网络的参量有哪几种？分别说明它们的意义、特性及其相互间的关系？4.5二端口微波网络的主要工作特性参量有哪些？4.6微波网络工作特性参量与网络参量有何关系？4.7常用的微波网络有哪些？对应的网络特性参量是什么？4.8微波网络的信号流图是什么？简要概述信号流图化简法则有哪些？5.1试述旋转式移相器的工作原理，并说明其特点。
5.2试分别叙述矩形波导中的接触式和抗流式接头的特点。
5.3试从物理概念上定性地说明：阶梯式阻抗变换器为何能使传输线得到较好的匹配。
5.4在矩形波导中，两个带有抗流槽的法兰盘是否可以对接使用?5.5微波元件中的不连续性的作用和影响是什么?5.6利用矩形波导可以构成什么性质的滤波器?5.7试说明空腔谐振器具有多谐性，采用哪些措施可以使腔体工作于一种模式?5.8欲用空腔谐振器测介质材料的相对介电常数，试简述其基本原理和方法。
微波技术复习题知识讲解
微波技术复习题如图1所示网络，。
022Z R =当终端接匹配负载时，要求输入端匹配。
试求：(1)电阻R1的取值；(2)网络的工作特性参量：电压传输系数T ；插入衰减L(dB)以及插入相移θ。
图1 某微波网络1 二口网络的级联如图所示。
写出参考面T 1、T 2之间的组合网络的A 参量。
（参考面T 1处即组合网络的端口1，参考面T 2处即组合网络的端口2）解 []⎥⎦⎤⎢⎣⎡=1j 011B A []⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=θθθθcos sin 1j sin j cos 002Z Z A Z[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=1j 013B A[][][][]321A A A A =⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-+=1j 01cos sin sin 1j j sin j cos 000B BZ Z B Z θθθθθZ 0βlT 1j Bj BZ 0Z 0T 2ZZ 0⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-=θθθθθθθθsin cos cos sin sin 11j sin j sin cos 00000BZ BZ B Z B Z BZ （l βθ=）24 如下图所示网络，试计算下列工作特性参量（1）输入驻波比ρ（2）电压传输系数Τ（3）插入衰减L（dB）（4）插入相移θ1 尺寸为2mm 04.3414.72⨯的JB-32矩形波导，问： （1）当cm 6=λ时波导中能传输哪些波型？ （2）写出该波导的单模工作条件。
1 解 （1）矩形波导的导行条件是222⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛<b n a m λ依题意，cm 6=λ，cm 214.7=a ，cm 404.3=b当0,1==n m 时得a 26<； 当1,1==n m 时得1570.62622=+<ba ab当2,1==n m 时得3130.342622>+>ba ab ； 当0,2==n m 时得a <6；当1,2==n m 时得 4.951342622=+>ba ab因此，可传输的波型是：TE 10，TE 11，TM 11，TE 20（2）单模传输条件是a a 2<<λ，即14.428cm cm 214.7<<λ2尺寸为2mm 04.3414.72⨯的JB-32矩形波导，问：（1）当cm 6=λ时，能传输哪些波型？（2）测得10TE 波两相邻波节的距离为cm 4.10，?=p λ，?=λ解 （1）计算部分波型的截止波长，得10TE 波的=c λ14.428cm ；20TE 波的=c λ7.214cm ；01TE 波的=c λ 6.808 cm ；11TE 、11TM 波的=c λ 6.157 cm ；21TE 、21TM 波的=c λ 4.951 cm 。
5微波网络-参数变换
传输参量 t 是用端口(2)的归一化入、反射波电压表示 端口(1)归一化入、反射波电压的参量。
写成矩阵形式为
a1 t11b2 t12 a2 b1 t21b2 t22 a2
a1 t11 b t 1 21 t12 t22 b2 a 2
a2
a1 b1
[ t] [S]
b2
a1 t11b2 t12 a2 b1 t21b2 t22 a2
a1 t11 b t 1 21
t12 t22
b2 a 2
t 参量的元素中，除 t11 表示端口(2)接匹配负载时端口 (1)到端口(2)的归一化电压传输系数 s21 的倒数外，其余各 参量元素并无明显的物理意义。
由网络的对称性可知 由网络的可逆性可知 由上面关系可求得
a=d=1 ad - bc = 1
ad 1 c 0 b
转移参量矩阵为
j1
a 2' a 2 e
j 2
-j1
b2' b2 e -j 2
j1 j1 j 2 b e s a e s a e 1 11 1 12 2 因此有 j j1 j 2 2 b e s a e s a e 2 21 1 22 2
图 5.1
串联阻抗示意图
求串联阻抗 z 的转移参量矩阵 例 5-1 解 串联阻抗电路单元如图 5-3 所示。由转移参量的定 义得 v1 v1 b z a 1， i2 v 0 v2 i 0
2
2
v1 av2 b( i2 ) [a]。 i1 cv2 d ( i2 )
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第4章 微波网络基础
传输线理论是一种电路理论。它的基本参量是电
压电流。在低频Βιβλιοθήκη 路中,电压和电流不仅有明确的定义, 而且可以直接测量,从这两个基本参量就可以导出一系
列的其它参量,如功率阻抗导纳反射系数及驻波比等。
为了定义任意截面沿z方向单模传输的均匀波导参 考面上的模式电压与模式电流,一般作如下规定: (1)使模式电压U(z)正比于横向电场ET;模式电流I(z) 正比于横向磁场HT; (2) 模式电压与模式电流的共轭乘积的实部等于平 均传输功率,即
路及其参量也发生改变,而且频率特性会重复出现。
第4章 微波网络基础
4―2 波导传输线与双线传输线的等效
任何一个微波元件均需外接传输线 , 将微波元件等 效为网络,而外接传输线等效为双线传输线,那么所有微 波系统都可以应用微波网络理论来解决。因此首先要 解决如何把波导传输线等效成为双线传输线的问题。
第4章 微波网络基础
当网络参考面一旦选定后 , 所定义的微波网络就是 由这些参考面所包围的区域 ,网络的参数也唯一被确定 了。如果参考面位置改变 ,则网络参数也随之改变。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。如图 4―3―1 所示 : 其中图 (a) 为同 轴线低通滤波器,外接传输线为两路,其参考面有两个,故 称为两端口网络。图(b)为微带定向耦合器,它是四端口 网络。
第4章 微波网络基础
(3)由于均匀传输线是微波网络的一部分,它的网络参 量与线的长度有关,因此整个网络参考面也要严格规定,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, 当频率范围大幅度变化时,对于同一个网络结构的阻抗和
导纳不仅有量的变化,而且性质也会发生变化,致使等效电
1 P Re[U ( z ) I ( z )] 2
第4章 微波网络基础
(3)模式电压与模式电流之比等于模式特性阻抗。
原则上按规定根据各种模式的横向电场与横向磁 场可导出相应的模式电压与模式电崐流,这里从略。 由此可见, 任何一段均匀传输线均可以看成等效双 线,并可应用传输线理论来进行分析。但必须指出:双线 中电压和电流是唯一可以确定的 ,而等效双线中模式电 压和模式电流不能唯一确定 ,这主要是由于阻抗的不确 定性引起的,为了消除这种不确定性,必须引进归一化阻
第4章 微波网络基础
第4章
4―1 引言
微波网络基础
4―2 波导传输线与双线传输线的等效 4―3 微波元件等效为微波网络的原理 4―4 二端口微波网络 4―5 基本电路单元的参量矩阵 4―6 微波网络的工作特性参量
第4章 微波网络基础
4―1 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。微波传输线的特性可以用广义传输线方程 来描写,微波元件的特性可以用类似于低频网络的等效 电路来描述。因此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求解,这种 理论称为微波网络理论。
于是入射波功率和反射波功率可表示为
2 1 1 Pi Re[U i I i ( z )] U i ( z ) 2 2 1 Pr Re[U r I i ( z )] 1 U r ( z ) 2 2 2
(4―2―5)
第4章 微波网络基础
则传输的有功功率为
第4章 微波网络基础
二 微波元件等效为微波网络的原理
第4章 微波网络基础
(1)画出的等效电路及其参量是对一个工作模式而
言的,对于不同的模式有不同的等效网络结构及参量。 (2)电路中不均匀点附近将会激起高次模,因此不均 匀区段的网络端面(即参考面)需取得稍远离不均匀区, 使不均匀区激励起的高次模衰减到足够小,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。
U ( z) U ( z ) Z 0 I ( z) I ( z) Z 0
(4―2―2)
故归一化电压和归一化电流的定义为
(4―2―3)
第4章 微波网络基础
同样归一化入射波和归一化反射波定义为
Ui U r ( z) U ( z ) U ( z ) r i Z Z0 (4―2―4) 0 U ( z) Ii ( z) U r ( z) Ui ( z) I r ( z) r U r ( z ) Z0 Z0
2 2 1 1 P Pi Pr Ui ( z ) U r ( z ) 2 2 2 1 2 Ui ( z ) (1 ) (4―2―6) 2
第4章 微波网络基础
4―3 微波元件等效为微波网络的原理
一网络参考面的选择研究微波网络首先必须确定 微波网络的参考面。参考面的位置可以任意选 ,但必须 考虑以下两点:单模传输时,参考面的位置尽量远离不连 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;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。
第4章 微波网络基础
微波网络理论可分为网络分析和网络综合。网络
分析的任务是根据实际的电路结构求出网络参量及其 工作特性参量;网络综合的任务是根据预定的工作特性
参量应用数学方法,求出物理上可实现的网络结构以满
足给定的工作特性要求。低频网络是微波网络的基础, 因此低频网络的一些定律定理概念方法等,可以移植过 来使用,如克希霍夫定律回路电流法节电位法叠加原理 互易定理戴维宁定理等都可以用来决微波电路问题。 但由于微波电路均属于分布参数系统,和低频网络相比 微波网络具有如下特点:
抗的概念,即
Z 1 Z Z0 1
(4―2―1)
第4章 微波网络基础
式中电压反射系数Γ可以直接测量,故归一化阻抗可
以唯一确定,其中Z0是等效双线的模式特性阻抗,即波导 的等效阻抗或波阻抗。
根据归一化阻抗概念可以导出归一化电压与归一
化电流的定义
U ( z) U ( z) Z U ( z) I ( z) z Z Z0 Z0 I ( z) Z0 I ( z)