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计算机概论:第五章 微波网络理论基础.ppt
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计算机概论:第五章 微波网络理论基础.ppt
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第
第
5
5
章 微波网络理论基
章 微波网络理论基
础
础
§5.1 均匀传输系统与双线的等效
§5.2 微波网络参量
§5.3 二端口网络
§5.4 三端口网络
§5.5 四端口网络
§5.6 等效信号源法
§5.7 信号流图在微波网络分析中的应用
§5.0 引言
引言
在前面章节中曾经讨论的微波传输线都是均匀传输线,其横截面的形状和尺寸沿轴线方
向是不变的
实际的微波传输系统都是由各种微波元件和微波传输线连接而组成的。各种微波元件的
结构不同、功能各异,如激励元件、阻抗匹配元件、衰减及相移元件、分支元件、连接元
件及检测元件等,都具有其边界形状与均匀传输线不同的结构特征
这些元件的引入就是在传输系统中加入了一系列的不均匀区,如何分析这些不均匀区给
系统带来的影响
对微波元件的分析原则上可用电磁场理论的方法,其处理问题的途径是应用麦克斯韦方
程及元件的特定边界条件,求解出系统中电磁场的空间分布及工作特性,这种方法严格、
准确。
但当元件的边界很复杂时,要把它们做为边值问题处理是极其困难的甚至是不可能的。
因此在工程应用中,往往采用另一种所谓“等效电路”的方法,这种方法就是把微波元件等
效为“网络”,将微波传输线等效为双线,用类似于低频网络理论的方法来进行分析。
这实际上是把一个本质上是“场”的问题,在一定的条件下转化为一个与之等效的“电路”
的问题。这时虽然得不出元件内部场的分布情况,但能够了解它的外部特性,而外部特性
可用一组网络参量来表示,网络参量又可以通过测量来测定,因此这种方法在工程技术中
得以广泛的应用。
不均匀区等效为双端口网络
不均匀区等效为双端口网络
下面以右图为例,采用“路”的方法来定性分析微波系统
在一工作于基模的单模波导 W 中,插入任意不均匀区
V ,输入波导 W1 中的 TE10 波从左方入射到不均匀区以
后,在不均匀区 V 及其邻近的近区 V1 、 V2 激励起相当
复杂的场以满足不连续的边界条件。
由于 W 是单模波导,除了基模能传输以外其余的高次模
式做为截止波型将沿波导轴线以指数规律迅速衰减,在距离
不均匀区稍远的地方 T1 和 T2 参考面以外的波导远区中,就
只剩下单一工作模式的传输波。
不均匀区对 T1 和 T2 外单模波导产生的影响是引起了输入波导 W1 中的反射波与输
出波导 W2 中的透射波。因此在单模波导的远区中,只要知道了由于插入不均匀区所
引起的反射波和透射波的相对振幅与相位,就可以唯一地确定该不均匀区的特性
这时可将 V 及其邻近区域 V1 、 V2 用双端口网络来代替,将连接的单模波导用等
效的平行双线来代替,如图 (b)
可以采用网络理论来分析微波元件的特性,避免了对不均匀区结构内部场的复杂计算。
如果不均匀区与 n 个单模传输系统或多模系统相连,则等效电路就是与 n 对长线相
连接的 n 端口网络。
引言
引言
§5.1
§5.1
均匀传输系统与双线的等效
均匀传输系统与双线的等效
将微波传输系统中各种结构内的电磁问题转化为电路问题,从而完成网络的分析与设计,
必须解决下面三个问题:
⑴ 将均匀单模波导等效为双线
⑵ 将不均匀区(包括其近区的导波系统)等效为网络
⑶ 确定网络参考面
本节讨论第一个问题。
波导和双线都是用来传输电磁能量的,而且在传输能量的规律上十分相似。比如,它
们都可用解波动方程且满足边界条件的方法得到电磁场的横向分布函数和纵向传播特性,
而且其解具有相同的形式。
两者的不同之处是双线中只传输一种模式的波,而波导中则可能传输无穷多种模式的
波,不过在实际应用中,往往只让波导有一种模式传输,这就使得波导和双线变得更加相
似,等效便有了坚实的基础
平行双线上存在着分别对应于横向电场和横向磁场的单值电压波和电流波,因此以电压
V 和电流 I 作为基本参量。
在波导中,不存在与双线上电压、电流波同样物理意义的单值电压波和电流波,更不能
对它们进行测量。因此与波导模相联系的电压、电流的概念,只能建立在等效的基础上。
下面引入等效电压、电流参量,并使等效参量在长线理论中的基本关系保持不变。
等效电压、等效电流
等效电压、等效电流
在微波技术中,功率不仅具有确定的意义,也是可以直接测量的基本参量,因此可以通
过功率关系引入等效电压、等效电流
dSHE
S
TT
P
*
Re
2
1
根据坡印亭定理,均匀传输系统中传输的功率为
式中 E
T
和 H
T
分别为电场和磁场的横向分量, S 为传输系统的横截面积
由式可见,在单模传输下,微波传输线上的传输功率由该模式的横向电场和横向磁场分量
决定,而与场的纵向分量无关。为此定义等效电压 V 和等效电流 I 分别与横向电场 E
T
和
横向磁场 H
T
成正比,可表示如下
)(),(),,(
2121
zVuuzuu
TT
eE
)(),(),,(
2121
zIuuzuu
TT
hH
),(
21
uu
T
e
),(
21
uu
T
h
是二维矢量实函数,通常称为模式矢量函数,它们表示工作模
式的场在传输线横截面上的分布。
则等效电压 V 和等效电流 I 满足功率关系:
)()(Re
2
1
*
zIzVP
1=dShe
S
TT
若恰当选择模式矢量函数,使
仅满足功率关系,等效电压 V 和等效电流 I 还不能唯一确定。利用微波技术中的反射系数
Γ 这一基本参量,可实现此目的。
均匀传输系统与双线的等效
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