微波技术基础-微波网络分析(1)

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第二章）
第四章关心的是一组端口上的电压和电流如何通过对器件的场分布的描述，建立其电路参数的概念？
11
北京邮电大学——《微波技术基础》
概
述
为什么需要引入低频电路分析方法？
电路分析方法能够简化问题处理
很多情况下只关心一组端口上的电压和电流、通过器件的功率流等（场分析能得到空间上各点的精确结果——给出的信息过多）灵活的扩展，求多个元件组合的响应，不必详细分析每个元件——简化分析与求解
北京邮电大学——《微波技术基础》
15
阻抗和等效电压与电流
TEM模等效电压与等效电流
TEM模具有静态场性质，能够得到唯一的电压、电流、阻抗定义
＋
V = ∫ E ⋅ dl
+
−
I=
－
∫
与路径无关！
C
+
H ⋅ dl
可得到唯一的电压V和电流I！
16
E
H
V Z0 = I
北京邮电大学——《微波技术基础》
阻抗和等效电压与电流
e ( x, y ) + − jβ z (V e + V − e jβ z ) C1 C2
H t ( x, y , z ) = h ( x, y )( A+ e − jβ z − A− e jβ z ) = h ( x, y ) ( I + e − jβ z − I − e jβ z )
比例系数
V+ V− C1 = + = − A A
微波技术基础
北京邮电大学无线电与电磁兼容实验室刘凯明副教授
（明光楼718室，62281300）
Buptlkm@
2011

微波网络分析

根据网络规模和业务需求，选择合适的微波设备，如收发信机、调制解调器等，并合理配置设备参数。
信道配置与优化
根据传输需求和链路质量，合理配置信道带宽、调制解调方式等参数，以提高传输性能。
微波网络的性能优化
信号质量监测
定期对微波信号质量进行监测，及时发现和解决信号干扰、失真等问题。
链路性能优化
根据链路质量实时调整设备参数，如功率、频率等，以提高链路传输性能。
未来微波网络的发展方向主要包括高频率、高速传输、小型化和集成化等。这些技术的发展将进一步提高微波网络的传输速度和容量，满足不断增长的信息传输需求。
要点二
详细描述
随着通信技术的发展，微波网络的传输频率和速度不断提升。未来，高频率、高速传输技术将成为微波网络的重要发展方向。同时，随着集成电路技术和微电子机械系统的发展，微波网络将向着小型化和集成化的方向发展。这将有助于减小微波器件的体积和重量，降低成本和功耗，提高微波网络的可靠性和稳定性。
详细描述
新型微波材料在微波网络中的应用，可以改善传统材料的局限性，提高微波器件的性能。例如，碳纳米管和石墨烯等新型材料具有高导电性和轻质特性，能够减小微波器件的体积和重量，同时提高其稳定性和可靠性。
微波网络与人工智能的结合
总结词
随着人工智能技术的不断发展，微波网络与人工智能的结合成为一种新的发展趋势。这种结合可以实现微波网络的智能化和自适应化，提高网络的传输效率和可靠性。
01
03 02
常用微波网络分析软件介绍
提供多种接口和附件，方便与其他设备连接。
可进行多端口测量和分析。
微波网络分析软件的应用案例
案例一
某通信设备制造商使用微波网络分析软件对新型微波通信设备进行测试，以确保其性能符合规格要求。通过软件的高精度测量和自动化测试功能，大大提高了测试效率和准确性。

微波工程-第4章微波网络分析

2Z0d 0.694 Z0d Z0a
电阻与耗散功率有关
4 Wm We I
2
电抗与储能有关
* 端口阻抗和反射系数的奇偶性
Z R jX Z 0 1 1
j
T=
波导模式的波阻抗——与传输线的形状、材料、频率和模式有关
Et 1 120 Zw H t Yw e Z TE or Z TM TEM quasi-TEM TE or TM
U , H
需满足条件三：人为指定特征阻抗（三种定义原则） 1. 特征阻抗等于波阻抗（特定模式的波阻抗） 2. 特征阻抗等于1
特性之间的关系时，可以采用类似于低频时的网络理论对微波传输线或元器件进行分析。
取定参考面 ti ，参考面以内是不均匀的，参考面以外是均匀传输线；将参考面以内的不均匀性等效成 N 端口网络；将参考面以外的均匀传输线等效成双导线。
微波工程基础第四章微波网络分析
微波工程基础第四章微波网络分析非TEM模的等效电压和电流（没有唯一解!!!）
I1 0
Z12
V1 I2

I1 0
V2 ZC ZC Z21 I2 ZB Z C
V1 S11 V2 S 21 SN1 VN
S12 S 22 SN 2
S1N V1 S2 N V2 S NN VN
Y0 iY0 j
P
n 1
N
n
0
单位矩阵——只有对角线上元素为1，其余元素均为0 * 广义散射矩阵与归一化阻抗矩阵的关系
S Z U

微波工程微波网络分析

第一类阻抗或导纳第二类入射波和反射波
（测量不方便）（S参量，测量方便）
相位变化也可通过网络参量来体现。
Microwave Technique
互易定理与互易网络复习
互易定理是一个较有普遍意义的定理。具有互易性质的网络称为互易网络。互易性质表现为：将网络的输入和特定输出互换位置后，输出不
又和与波阻抗有关，故：定义等效的电压波和电流波：
其中
等效电压和等效电流分别正比于横向电场和磁场，比例常数C1、C2为：
由功率和阻抗条件确定。
Microwave Technique
入射波的复功率流：
与电路对应则
特征阻抗为
为方便计，令给定的波导模式，在确定常量C1、C2以及等效电压和电流后，就可以求解出（4.10）和（4.12）
Microwave Technique
模式分析
TE 10
,
c 2a 6.970 cm
TE , 20
c a 3.485 cm
所以，对 f =4.5GHz，只有TE10模！
波阻抗
反射系数
Microwave Technique
f10a
31010 cm s 6.970
4.3GHz
(空气)
f10d
4.1.3 Z(ω)和Γ(ω)的奇偶性
Z(ω) = R(ω) +jX(ω) R(ω)是 ω 的偶函数，X(ω)是 ω的奇函数 Γ(ω)的实部和虚部分别是ω的偶函数和奇函数
Microwave Technique
4.2 阻抗和导纳矩阵
端口Port：以某种形式传输线或单一波导传播模式等效传输线引入。端面tn：为电压和电流相量提供相位参考面。

微波网络基础(1)

tgδ = G0 ωC 0
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 )

微波技术基础复习重点

第一章引论微波是指频率从300MHz到3000GHz范围内的电磁波，相应的波长从1m到0.1mm。

包括分米波（300MHz到3000MHz）、厘米波（3G到30G）、毫米波（30G 到300G）和亚毫米波（300G到3000G）。

微波这段电磁谱具有以下重要特点：似光性和似声性、穿透性、信息性和非电离性。

微波的传统应用是雷达和通信。

这是作为信息载体的应用。

微波具有频率高、频带宽和信息量大等特点。

强功率—微波加热弱功率—各种电量和非电量的测量导行系统：用以约束或者引导电磁波能量定向传输的结构导行系统的种类可以按传输的导行波划分为：(1)TEM(transversal Electromagnetic,横电磁波)或准TEM传输线(2)封闭金属波导(矩形或圆形，甚至椭圆或加脊波导)(3)表面波波导(或称开波导)导行波：沿导行系统定向传输的电磁波，简称导波微带、带状线，同轴线传输的导行波的电磁能量约束或限制在导体之间沿轴向传播。

是横电磁波(TEM)或准TEM波即电场或磁场沿即传播方向具有纵向电磁场分量。

开波导将电磁能量约束在波导结构的周围(波导内和波导表面附近)沿轴向传播，其导波为表面波。

导模(guided mode ):即导波的模式，又称为传输模或正规模，是能够沿导行系统独立存在的场型。

特点：(1)在导行系统横截面上的电磁场呈驻波分布，且是完全确定的，与频率以及导行系统上横截面的位置无关。

(2)模是离散的，当工作频率一定时，每个导模具有唯一的传播常数。

(3)导模之间相互正交，互不耦合。

(4)具有截止频率，截止频率和截止波长因导行系统和模式而异。

无纵向磁场的导波(即只有横向截面有磁场分量)，称为横磁(TM)波或E波。

无纵向电场的导波(即只有横向截面有电场分量)，称为横电(TE)波或H波。

TEM波的电场和磁场均分布在与导波传播方向垂直的横截面内。

第二章传输线理论传输线是以TEM模为导模的方式传递电磁能量或信号的导行系统，其特点是横向尺寸远小于其电磁波的工作波长。

(高等微波网络)第3章微波网络分析

传输线的阻抗和导纳
描述传输线输入阻抗和导纳的参数，是传输线匹配和功率分配的重要参数。
传输线的反射和辐射
描述传输线反射和辐射的规律，是微波网络分析的重要内容。
微波网络的波动方程
波动方程的推导
基于麦克斯韦方程组和传输线理论的偏微分方程，用于描述微波信号在空间中的传播。
波动方程的解法
采用分离变量法、格林函数法、有限差分法等数值方法求解波动方程。
05
微波网络的应用实例
微波网络在通信系统中的应用
01
微波网络在通信系统中主要用于信号传输和处理，例如在移动通信网络中，微波网络用于基站之间的信号传输和协调。
02
微波网络还可以用于卫星通信，通过卫星转发信号，实现全球
覆盖和远程通信。
在电视广播领域，微波网络用于传输电视信号，确保高质量的
03
信号传输和接收。
微波网络在电子对抗系统中的应用
电子对抗系统利用微波网络进行信号干扰、欺骗和侦察等任务，通过发射和接收微波信号，实现电子攻击和防御。
在现代战争中，电子对抗系统的作用越来越重要，微波网络作为关键技术之一，对于提高电子对抗能力具有重要意义。
除了军事用途，微波网络在民用领域也具有广泛的应用前景，例如在无线电监测、频谱管理等领域，微波网络可以用于信号检测、分析和控制。
微波网络在雷达系统中的应用
雷达系统利用微波网络进行目标探测、跟踪和识别，微波网络具有高频率、大带宽和短波长等特点，能够
提供高精度和高分辨率的探测能力。
雷达系统中的微波网络还用于信号处理和数据处理，例如在气象雷达中，微波网络用于分析降雨、风速等
信息。
军事雷达系统也广泛应用微波网络，用于实现远程探测、导航和火控等任务。

微波技术基础2013-第四章微波网络分析

等效电压、电流和阻抗

电压、电流和阻抗的归一化为什么要归一化 ——等效电压和电流的比值是波阻抗而不能完全替代传输线的特征阻抗，因此不能正确反映传输线的工作状况，非TEM模传输线的阻抗特性只能通过测得在某种模式下的反射系数，再计算出归一化阻抗。
• •
等效电压、电流和阻抗
•
例：矩形波导TE10模的波阻抗为
第四章
• •
微波网络分析
按网络的端口分类单端口网络双端口网络三端口网络 N端口网络
微波网络的分类按网络性质分类线性网络（无源网络）非线性网络（有源网络）互易网络非互易网络
• • • •
•
•
4.1 阻抗和等效电压与电流

传输线的等效电压和电流概念在微波频率下,电压和电流的直接测量困难。非TEM传输线的电压、电流定义不唯一，导致由此定义的传输线特征阻抗定义不唯一，需要引入等效电压和电流的概念。特征阻抗常常采用归一值。不同传播模式的等效特征阻抗不同。在微波传输线上，真正可测量的量是传输功率、反射系数和相位移，因此只要采取合理的电压和电流等效关系，归一阻抗关系是唯一的.
等效电压、电流和阻抗
横向电场和磁场与等效电压和电流的关系等效原则 ——保持功率不变 • 例如，设正向行波为

由功率不变的原则，必须有
* 1 1 Re Et H t ds Re VI * s 2 2

•
显然需要求

•
其中et和ht分别表示横向电场和磁场在传输线横截面上的分布

或
s12 s1n a1 s22 s2 n a 2 sn 2 snn a n

《微波网络基础》PPT课件

S
• (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

微波技术微波网络基础

[S ]=
犏犏S21 犏犏M
S22
O
M M
犏犏臌SN 1 L L SNN
或用矩阵的形式来表示 b [S][a]
N
å 式中 bi = Sijaj = Si1a1 + Si2a2 + L + Sija j + L + SiNaN
j= 1
N
å bi = Sija j = Si1a1 + Si2a2 + L + Sija j + L + SiNaN
j= 1
ak
散射矩阵元素的定义为：i≠j
Sij =
bi aj
ak = 0,k? j
对于 ak=0, 指对于端口的入射波为零，则要求k端口： 1)无源； 2)无反射；
Zk=Z0k
b1
Z01 Z01
b2
Z02
Z02
bi Z0i
Z0i
Z0k
bk
1 Z0k
bN Z0N
Z0N
N端口网络
aj
Z0j
Sij
导纳矩阵亦为虚数矩阵。
§5.1 微波网络的散射矩阵
由于在微波频段：（1）电压和电流已失去明确的物理意义，难以直
接测量；（2）由于开路条件和短路条件在高频的情况下难
以实现，故Z参数和Y参数也难以测量。
引入散射参数，简称 S 参数。
普通散射参数广义散射参数
行波散射参数：物理内涵是以特性阻抗Z0 匹配为核心，它在测量技术上的外在表现形态是电压驻波比
Pi+
=
1 2
ai
2=
1 2
V+ 2 Z0i
Pi-

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T1，T2，……，Tn为各个端口的参考面作一个封闭面Ω将微波节包围在内，在端口处曲面与参考面重合
1 2
Et
H
t
dd j2 Wm We Pl
流入封闭曲面内的功率
——复功率定理
Wm——储存的磁场能量的平均值 Pl ——媒质损耗功率的平均值
We——储存的电场能量的平均值
d 的方向为由内向外.
j Ht
2
j
Et
ZTE
Et Ht
——波阻抗
双线传输线
在行波状态下
dU
ZI
dz dI YU
U Z0 I
——特性阻抗
dz
可见，Et、Ht与U、I有一一对应关系
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络 ——模式电压和模式电流
在广义正交坐标系中
Et u, v, z U (z)et u, v Ht u, v, z I (z)ht u, v
j2 Wm We Pl
当满足归一化条件时：
1
2
i
U
i
(
z
)
I
i
(
z
)
j2 Wm
We Pl
通过第i个端口的复功率
微波结中损耗的功率
——可将微波结中所储存的和损耗的电磁能量
的作用，用一个集总电路来等效
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络
——不均匀性等效为网络
21
§4.3 归一化参量——阻抗的归一化
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络
——不均匀性等效为网络
1 2
Et Ht
dd 1
2
i
Si
Eti
H ti
ddSSii
d 的方向为由内向外,
dSi 的方向为由外向内.
上式可写为：
1 2
Et Ht
dd 1
2
i
Ui (z)Ii (z)
Si
eti hti
dSii
场的方法是路的方法的基础
网络参量：需要利用场方程和不均匀结构的边界条件求
解边值问题，也可以用实验的方法来测定
网络分析仪
§4.1 引言——例
（a）微波系统
（b） “黑箱” 的N及其与外部（通过均匀双线）相连接的若干端口（或端对）所构成的抽象化的物理模型
第4章微波网络分析
§4.1 引言 §4.2 波导等效为双线、不均匀性等效为网络 §4.3 归一化参量 §4.4 微波网络参量 §4.5 二端口网络的工作特性参量
7
Hale Waihona Puke §4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络 ——模式电压和模式电流
一.模式电压和模式电流
波导中的传输功率
Pw
1 2
Re
s
Et Ht
zdS
——取决于横向分量
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络 ——模式电压和模式电流
TE波沿z方向传输
Et z
j Et
jHt
Ht z
z
Ie I(z)
ab Eym e j z 2 ZTE10
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络
——不均匀性等效为网络
三、不均匀结构等效为网络
理论基础：
复功率定理
——交变电磁场中的能量守恒定律
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络
——不均匀性等效为网络
良导体围成的，具有n个端口的微波节,
a
ht x
2 / ab sin x
a
Et
yEy
yEym
sin
a
x
e
j
z
U (z)et
Ht
xH x
x
E ym ZTE10
sin
a
x
e
j
z
I (z)ht
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络 ——阻抗相等
等效双线传输线的等效电压和等效电流：
Ue U(z)
ab 2
Eyme
j
a
x
e
j
z
Ht
xH x
x
E ym ZTE10
sin
a
x
e
j
z
令
et
yK
sin
a
x
ht
xK
sin
a
x
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络 ——阻抗相等
将其代入 s et (u, v) ht (u, v) zdS 1
K 2 ab
et y
2 / ab sin x
3
概述
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的。任何一个复杂的微波系统都可以用电磁场理论和低频电路理论相结合的方法来分析，这种理论称为微波网络理论。
4
§4.1 引言——对微波系统的分析
➢ 对微波系统的分析：场的方法：相当困难路的方法：将均匀波导等效为双导线传输线微波元件等效为网络
zdS
U
e
I
e
U (z)I (z)
s et (u, v) ht (u, v) zdS
规定 s et (u, v) ht (u, v) zdS 1
功率归一化条件
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络 ——阻抗相等
（二）阻抗相等条件
波导的波型阻抗
Zw Et Ht
等效双线传输线的特性阻抗
一、阻抗的归一化
zi
Zi Z ci
与第i个等效双线传输线有关的各
种阻抗
第i个等效双线传输线的（等效）特性阻抗
33
§4.3 归一化参量——阻抗的归一化
模式矢量函数
沿正z方向传输的波
U (z)
Ume jz
——等效电压
正比于波导中的横向电场和横向磁场
I (z) Ime j z ——等效电流
振幅
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络 ——波导等效为双线
二、波导等效为双线传输线
当波导的传输功率和波型阻抗与等效双线的传输功率和特性阻抗分别相等的条件下，波导可用等效传输线代替
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络 ——功率相等
（一）功率相等条件
波导中的传输功率
Pw
1 2
Re
s
Et Ht
zdS
等效双线传输线的传输功率
Pe
1 2
Re
UI *
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络 ——功率相等
功率相等
Pe Pw
U
e
I
e
s
Et Ht
微波技术基础
Foundation of Microwave Engineering
第4章微波网络分析
§4.1 引言 §4.2 波导等效为双线、不均匀性等效为网络 §4.3 归一化参量 §4.4 微波网络参量 §4.5 二端口网络的工作特性参量
2
第4章微波网络分析
微波多端口器件
——研究不同端口之间信号的关系 ——多个器件组合后的等效传输关系应用:微波元件,如功放;微波电路,如天线等
Ze Ue Ie
阻抗相等条件
Ze Zw
Ze
Ue Ie
Et Ht
U (z) et (u, v) I (z) ht (u, v)
则 et (u,v) ht (u,v)
§4.2 波导等效为双线、不均匀结构等效为网络 ——阻抗相等
例:求矩形波导传输TE10模时的等效电压和电流
Et
yEy
yEym
sin

微波技术基础-微波网络分析(1)

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