射频与微波电路设计-4-微波网络.ppt

1,第四讲 微波网络,要掌握的知识点：1.波导器件的分类（按功能分，按所用波导的类型分，按与系统连接的端口数分）；波导器件按端口数分类时的等效网络表示2.N端口网络输入、输出关系的矩阵表示（Z矩阵、Y矩阵，S矩阵、A矩阵、T矩阵）及其转换3.无源、互易、无耗网络矩阵的特性4.典型波导器件的S矩阵特性,2,波导器件的分类,按功能分：微波振荡器，激光器，微波检波器，光探测器，连接器，衰减器（固定的可调的），移相器，终端匹配负载与终端反射器，阻抗匹配器，功率分配与合成器，定向耦合器，波分复用与解复用器，谐振器，滤波器，隔离器，环行器，波型转换器等按所用波导类型分：柱形波导器件，微带线型器件，平板光波导器件，光纤器件（每一类又包括各种功能的波导器件）,3,续波导器件的分类,按器件与系统连接的端口数分：一端口器件：终端匹配负载，终端失匹器、终端反射器、反射式谐振器、微波振荡器、激光器、微波检波器、光探测器。二端口器件：光纤连接器、衰减器、移相器、匹配器、隔离器、光纤光栅、通过式谐振器、滤波器、不同波导间的过渡器。三端口器件：环形器，矩形波导的E分支、H分支、Y分支、12光纤耦合器、解复用器。四端口器件：定向耦合器、矩形波导的双T、魔T。更多端口器件：光纤星形耦合器。,4,N端口波导器件用N端口网络表示：与端口连接的波导用传输线表示，第i波导等效阻抗为Zei，端口面上的特征量可以传输线上的电压Vi、电流Ii表示，也可以用入射波ai与出射波bi表示。将波导器件当作一个“黑盒子”，不关心其内部工作原理，只从外部系统角度考虑，关心端口面上输入与输出关系，或激励与响应关系。,N端口波导器件的等效网络表示,图4-1a.N端口器件b.等效N端口网络,5,N端口网络的能量关系,6,Z叫阻抗矩阵，Y叫导纳矩阵。N端口网络用Z矩阵表示时，电流列向量I是输入，电压列向量V则是输出。用Y矩阵表示时，V是输入，I是输出。,N端口网络输入输出关系的矩阵表示 阻抗矩阵Z和导纳矩阵Y,7,1.归一化阻抗矩阵z与归一化导纳矩阵y提出的理由：为使网络矩阵参数与端口波导等效传输线的等效阻抗无关。2.第i端口波导归一化电压v与归一化电流 i的定义则归一化电压列向量v=v1,v2,vNT 归一化电流列向量i=i1,i2,iNT3.归一化阻抗矩阵z与归一化导纳矩阵y定义,归一化阻抗矩阵z与归一化导纳矩阵y,8,散射矩阵S,9,续散射矩阵S,10,1.转移矩阵A的定义当N偶数时，如果建N/2个端口的V、I与另外N/2个端口V、I的关系，并将入关系表示为矩阵A就叫做转移矩阵。2.转移矩阵A的优点如果多个网络级连，则总的网络的转移矩阵就是各个网络转移矩阵相乘，以N个二端口网络级连为例,转移矩阵A,11,续转移矩阵A,图4-2 N个二端网口络的级连A矩阵表示,12,1.传输矩阵T的定义如果建立N/2个端口的a和b与另外N/2个端口a和b之间关系矩阵T叫做转移矩阵2.转移矩阵T的优点以级连二端口网络T矩阵为例则总的输入输出关系为,传输矩阵T,图4-3 N个二端口网络级连的T矩阵表示,13,1.S与T关系 2.A与Z关系 3.二端口网络各种参数矩阵换算关系,S矩阵、A矩阵、T矩阵、Z矩阵、Y矩阵间部分关系,14,1.无源微波电路的耗散矩阵为非负厄米矩阵，且|Smk|1。经过N端口输入网络总的复功率为,无源、互易、无耗网络矩阵特性,15,2.互易网络散射矩阵的对称性，即Smk=Skm 令G=z+1,F=z1则S=FG1而FG=(z1)(z+1)=z21GF=(z+1)(z1)=z21故有FG=GF在此式两边左右都乘G1，得到 G1F=FG1取转置，并注意到F、G都是互易的，则得ST=(G1F)T=FT(GT)1=FG1=G1F=S由此可见，散射矩阵是对称矩阵，其元素Smk=Skm需要注意的是，假定电路各端口阻抗不相同时，则,续无源、互易、无耗网络矩阵特性,16,3.无耗网络的散射矩阵是么正的，即S+S=1 如果网络又可逆，则S*S=1此性质在网络分析中很有用，现证明如下因为网络无耗，网络平均耗散功率为零，所以复数坡印亭功率流的实部Pr=0，导出（4.3.1）时我们已得到，复数坡印亭功率流P可表示为P=(a+b+)(a+b)其实部Pr为Pr=a+ab+b将b=sa代入，得到Pr=a+a(s*a*)Tsa无耗网络，Pr=0，所以a+1a(s*a*)Tsa=0a+1aa+s+sa=0a+1s+sa=0即得1s+s=0 或s+s=1此即s的么正性，对于可逆网络，sT=s，则有 s*s=1,续无源、互易、无耗网络矩阵特性,17,4.参考面移动时S参数的幅值不变如图4-1a所示，如果将端口i的参考面Si向外移动li后得到新的参考面si，设新参考面入射波和反射波分别为ai和bi，则有a)(4.3.13b)式中，i 为波导等效传输线传播常数。用矩阵表示为(4.3.14),续无源、互易、无耗网络矩阵特性,图4-1 a.N端口器件,18,即p为一对角矩阵，则（4.3.13）可表示为 a=pa,b=pb参考面为Si和Si时网络的散射矩阵分别为s和s，则有 b=sa,b=sa代入后得到 sa=psa=pspa将此式两边乘以a1，由于aa1=1，因此得到 s=psp其参数间关系为由此可见，当参考面移动时，S参数的幅值不变，只是相位发生变化，新的散射参数可由简单的相位关系得到。,续无源、互易、无耗网络矩阵特性,19,1.一端口器件与一端口网络N=1，D，S、Z、Y都为标量终端反射器，如果损耗忽略不计，d11=0，|S11|=1终端匹配负载，入射波能量全部被负载吸收，S11=0，d11=1终端失配负载，部分能量吸收，部分能量反射，|S11|1，0d111,典型波导器件的等效网络矩阵特性,图4-5 矩形波导短路器,图4-4 一端口网络,20,2.二端口元件与二端口网络 对于无耗二端口网络对于无耗可逆二端口网络并有以下三点基本性质：(1)若一个端口匹配，则另一个端口自动匹配；(2)若网络是完全匹配的，则必然是完全传输的，或相反；(3)S11、S12和S22的模只有一个是独立的，相角只有二个是独立的，已知其中二个相角，则第三个相角便可确定。对于有耗情况，如果网络完全匹配，则有,续典型波导器件的等效网络矩阵特性,图4-6 二端口网络,21,3.三端口器件与三端口网络 无耗三端口网络，由散射矩阵么正性可得无耗三端口网络的两个重要性质：(1)无耗可逆三端口网络不可能完全匹配，即是说，三个端口不可能同时都匹配；(2)无耗非可逆三端口网络能够完全匹配，并适当地选择参考面，其正、反旋散射矩阵可表示为由上述ST和SR表示的非可逆无耗三端口元件称为无耗完全匹配的理想三端口环行器。,续典型波导器件的等效网络矩阵特性,图4-10 三端口环行器的S矩阵,22,4.四端口器件与四端口网络 无耗可逆四端口网络矩阵三种形式无耗可逆四端口网络可以完全匹配，且为一理想定向耦合器,续典型波导器件的等效网络矩阵特性,图4-12 无耗可逆四端口网络的S矩阵,23,续典型波导器件的等效网络矩阵特性,由S0矩阵么正性得到若要上式成立，S12、S13和S14中必须有一个为零。这就是说，此四端口网络必定具有定向性。若S12=0，得S02，若S13=0，得S03，若S14=0，得S04,24,续典型波导器件的等效网络矩阵特性,对于同向定向耦合器,图4-13 同向定向耦合器网络,25,定向耦合器,连接信号源和负载的理想同向定向耦合器设端口、接负载后产生的反射系数为2、3、4，则其反射波矩阵可由S03求得为,图4-14 连接信号源和负载的理想定向耦合器,26,续定向耦合器,当端口和接匹配负载时，于是即得到因此端口和反射波的幅值为这表明端口和的反射波分别由不同入射波所引起，却受到等量的衰减，如果在端口和接上匹配检波器则可以分别检测出来。所以利用定向耦合器可以构成反射计。这样，由主线上电磁波的不同传输方向，在副线中可得到不同端口的耦合输出。这正是定向耦合器名称的来由。,