射频网络基础吉大通信.ppt
,第3章射频网络基础,每个射频网络都可能和几根传输线相连接。按照所连接传输线数目的多少，网络可以分成单端口网络、双端口网络、三端口网络及四端口网络等。实际使用的射频网络可高达四端口，但四端口以上的网络就很少应用了。由于射频电路主要涉及二端口网络，因而重点介绍二端口网络。本章介绍射频网络的基本理论。首先介绍二端口低频网络参量和二端口射频网络参量;然后讨论二端口网络的参量特性和二端口网络参量之间的转换；随后介绍多端口网络的散射参量。网络理论分为线性网络理论和非线性网络理论，本章只讨论线性网络理论。,概述,3.1 二端口低频网络参量,对一个线性网络特征的描述，可以采用网络参量的形式给出。描述低频线性网络输入和输出的物理量是电压和电流，低频网络的网络参量通过电压和电流的关系给出。,二端口网络电压和电流的基本规定如图3.1所示，图中标明了电压和电流的极性和方向，其中电流的下标标明了它将流入的相应网络端口，电压的下标标明了测量该电压的相应网络端口。,图3.1 二端口网络的电压和电流,二端口网络提供了电压和电流的4个变量，分别为v1、v2、i1和i2，这4个变量有不同的组合方式，因而对应着不同的网络参量。常用的网络参量有4种，分别称为阻抗参量、导纳参量、混合参量和转移参量，视具体应用场合，可选择一种最适合电路特性的网络参量。下面分别介绍上述4种网络参量。,3.1.1 阻抗参量 根据图3.1，用二端口网络2个端口上的电流表示2个端口上的电压，网络方程为,或写成,式（3.2）可以表示为,式中,Z称为阻抗参量或阻抗矩阵。,例3.1 已知T型网络如图，计算该网络的阻抗参量。,图3.2 例3.1用图,3.1.2 导纳参量根据图3.1，用二端口网络2个端口上的电压表示2个端口上的电流，网络方程为,或写成,式中,Y称为导纳参量或导纳矩阵。,例3.2 已知 型网络如图，计算该网络的导纳参量。,图3.3 例3.2用图,3.1.3 混合参量 根据图3.1，用二端口网络的i1和v2表示v1和i2，网络方程为,h称为混合参量或混合矩阵。,3.1.4 转移参量根据图3.1，用端口2的电压和电流表示端口1的电压和电流，且规定进网络的方向为电流正方向，网络方程为,或写成,令,式中ABCD称为转移参量或转移矩阵，也称为ABCD矩阵。ABCD矩阵特别适合于描述级连网络。,图3.5 网络N1和N2相级联,网络N1和N2级连后的转移矩阵为,例3.4 分别计算串联阻抗Z,并联导纳Y，T型网络和 型网络的ABCD 矩阵。,图3.6 例3.4用图,3.2 二端口射频网络参量,在射频频段，用散射参量S描述网络的网络参量。S参量是在各端口匹配时用入射电压和反射电压之间的关系得到的，射频电路利用S参量就可以避开不现实的终端条件，同时使参数易于测量。,S参量可以表征射频器件的特征，在绝大多数涉及射频系统的技术资料和设计手册中，网络参数都由S参量表示。对于级连网络，射频电路可以利用T参量简化对网络的分析。本节介绍S参量和T参量这2种射频网络参量。,3.2.1 散射参量在射频频段内，网络端口与外界连接的是各类传输线，端口上的场量由入射波和反射波叠加而成，散射参量采用入射行波和反射行波的归一化电压表征各网络端口的相互关系。下面讨论散射参量的特性。,1.归一化参量,图3.9 归一化入射电压和归一化反射电压的定义,1端口和2端口的平均功率为,式（3.35）和式（3.36）是非常有意义的，它表明传递到每个端口的有效功率为归一化入射功率减去归一化反射功率。,2.散射参量的定义二端口网络中归一化入射电压和归一化反射电压的关系用方程表示为,将式（3.37）写成矩阵形式，为,上式可以简写成式中，S称为散射矩阵或散射参量。,上述散射参量用于射频频段有许多优点，简述如下:（1）散射参量用来表示网络的反射系数和传输特性非常方便，而且它给出了一个网络端口之外的完整特性描述。（2）散射参量没有使用开路或短路描述方式。在射频电路中如果出现短路或开路的情况，将引起强烈的反射，会导致振荡的产生，并引起晶体管元件的损坏。（3）散射参量要求各端口使用匹配负载，因匹配负载可以吸收全部的入射功率，从而消除了过强的能量反射，降低了对源和设备损伤的可能性。,例3.8 已知二端口网络的散射系数矩阵S和负载反射系数，求其输入端的反射系数和归一化输入阻抗。,图3.10 例3.8用图,S21 表示网络的正向电压增益 S12 表示网络的反向电压增益,3.S12和S21的物理意义,4.网络参考面的平移 当网络的参考面选定后，所定义的射频网络就是由这些参考面所包围的区域，网络的散射参量也就唯一确定。但如果网络的参考面位置改变，网络的散射参量也随之改变。,图3.12 网络参考面的平移,3.2.2 传输参量用T2参考面上的归一化电压入射波和归一化电压反射波表示T1参考面上的归一化电压入射波和归一化电压反射波，网络方程为,写成矩阵形式为,令T称为传输参量或传输矩阵。,对于传输矩阵分别为T1，T2，.，Tn的n个二端口网络的级连，同样可以得到组合后的传输矩阵T为各分网络传输矩阵的乘积，即,3.3 二端口网络的参量特性,3.3.1 互易网络互易网络是指满足互易原理的网络。在一个无源线性网络中，交换激励点与响应点的位置，若在同样大的激励下产生同样大的响应，则称此网络为互易网络。,例如，假定1端口参考面上加电流i1，2端口开路，2端口参考面上呈现的电压为v2；然后倒过来，2端口参考面上加电流i2，且i2=i1，1端口开路，如果这时1端口参考面上呈现的电压为v1，且v1=v2，则Z12=Z21。称这样的网络为互易网络。互易网络仅适用于含有线性双向阻抗的无源网络，满足该条件的无源网络可含有电阻、电容、电感或变压器等线性无源器件。由铁氧体各向异性媒质构成的元件及有源电路不是互易网络。一个互易二端口网络最多只有3个独立的参量。例3.1、3.2、3.4是无源线性网络，均为互易网络。,二端口互易网络有如下特性,3.3.2 对称网络对称网络是互易网络一个特例。若互易网络的结构具有对称性，则网络称为对称网络。对称网络中电子元件的大小及尺寸位置对称分布。一个对称二端口网络2个端口参考面上的输入阻抗、输入导纳以及电压反射系数一一对应相等。,对称网络首先是互易网络，二端口对称网络具有下列特性,3.3.3 无耗网络若网络的输入功率等于网络的输出功率，这样的网络称为无耗网络。二端口无耗网络的阻抗参量和导纳参量均为虚数，即,二端口无耗网络的转移参量为：A和D为实数，B和C为纯虚数。,3.4 二端口网络的参量互换,3.4.1 网络参量Z、Y、h、ABCD之间的相互转换Z、Y、h、ABCD均是表征总电压和总电流之间关系的网络参量，因此它们之间的相互关系容易导出。,例如，将式（3.1）中的电压v1和v2作自变量、电流i1和i2作因变量，可以得到,3.4.2 网络参量S和T之间的相互转换S、T均是表征入射电压和反射电压之间关系的网络参量，因此它们之间的相互关系也容易导出。,例如，将式（3.37）中的a2和b2作自变量、a1和b1作因变量，可以得到,3.4.3 网络参量Z、Y、h、A与网络参量S之间的相互转换这里只讨论 的情况。,由式（3.31）（3.34）可知，在二端口网络T1和T2个参考面上，电压V1和V2及电流I1和I2可以表示成,3.5 多端口网络的散射参量,3.5.1 多端口网络散射参量的定义 设多端口网络各端口参考面上的归一化入射波电压为a1,a2,.,an，归一化反射波电压为b1，b2，.，bn，应用叠加定理可以写出多端口网络归一化入射波电压和归一化反射波电压间关系的线性方程为,式（3.80）写成矩阵形式为,或简写成 式中，S为多端口网络的散射参量或散射矩阵。,3.5.2 常见的多端口射频网络1Wilkinson（威尔金森）功率分配器Wilkinson功率分配器是三端口网络，它的微带结构如图所示。,此三端口网络的散射参量为,2分支线耦合器 分支线耦合器是四端口网络，它的微带结构如图所示。,此四端口网络的散射参量为,3混合环 混合环是四端口网络，也是一种耦合器，它的微带结构如图3.15所示。此四端口网络的散射参量为,图3.15 混合环,
