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微波网络

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微波技术原理 第4章 微波网络基础

微波技术原理 第4章 微波网络基础
若已知归一化阻抗矩阵，就可求出散射矩阵。 反之，若知道散射矩阵，也可求出归一化阻抗矩阵。
7. 互易网络和无损网络的散射矩阵的性质
根据广义散射矩阵的定义得到：
(1) 互易网络的 [z]为对称矩阵，即 [z ]=[z ]T 。 可见，互易网络的散射矩阵是对称矩阵 [S]=[S]T 。
(2) 无损网络各端口的总输入能量等于总输出能量。
第4章 微波网络基础
微波系统中除了传输线外，还有各种各样的微波 元件或接头等非均匀区域。因为这些非均匀区域的形 状不规则，在其中的微波传输规律很复杂。因此，要 想通过求解麦克斯韦方程组得出其中的传输规律是不 可能的。
实际上，我们并不需要知道微波在其中的传输规 律，而只需知道这些非均匀区与外电路连接的端口特 性。所以通常将其等效为一个网络，称为微波网络。
微波网络的端口及其参考面举例
对于单模传输系统，微波网络的端口数 = 被等效区 域与外电路的接口数目 = 参考面的数目。
§4.3 微波网络的端口特性参量
1. 阻抗矩阵和导纳矩阵
V
2
I-2
V+2 I+2
I-3 V-3 I+3 V+3
I+1
V+1
I-1
V-1
I-N
I+N
V-N
V+N
2. 微波网络的互易性
从无耗网络的各个端口输入的总能量为 0。
互易网络的阻抗矩阵是对称的，因此，既互易又
无耗的网络满足：
（实部为0）
这说明，互易无耗网络的阻抗矩阵元为纯电抗。
例1 求下图的两端口网络的Z参量
ZA
ZB
端口1，V1
ZC
V2，端口2
根据定义：

5微波网络参数变换

5微波网络参数变换

s11
b1 a1
a2 0
in1
a2 0
变压器 性质
v1 i2 1 v2 i1 n
图 5-2 理想变压器示意图
in
a2 0
zin1 zin1
1 1
a20
zin1
=
v1 i1
由a2=0，ZL=1
v2 1 i2
v1 v1 v1 1 i1 -n i2 n v2 n2
S11
zin1 1 zin1 1
a1' a1 e j1 b1' b1 e-j1
a2' a2 e j2 b2' b2 e-j2
因此有
b1e
j1
s11a1e j1
s12a2e j2
b2e j2 s21a1e j1 s22a2e j2
b1
b1
a2
a2
a1
a1
b2
b2
网络的参考面移动
b1e j1 s11a1e j1 s12a2e j2 b2e j2 s21a1e j1 s22a2e j2
图 5-5 给出了参考面由原来的 T1、T2 分别往外移动 1、 2 的电长度，变成了 T1、T2 。 网络原来的参考面 T1、
T2，对应的散射参量矩阵为 [s]，新的参考面 T1、T2 对应 的散射参量矩阵为[s]，即
b1 b2
s11a1 s21a1
s12 a2 s22a2
b1
s11a1
s1*1 s*21 s11
s1*2
s*22
s21
s12 s22
s11 2 s1*2 s11
s21 2 s*22 s21
s1*1 s12 s12 2
s*21 s22 s22 2

微波网络课后习题答案

微波网络课后习题答案

微波网络课后习题答案微波网络课后习题答案随着科技的不断进步，网络已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。

而微波网络作为一种重要的通信技术，在现代社会中发挥着重要的作用。

然而，在学习微波网络的过程中，我们常常会遇到一些难题，需要通过课后习题来巩固和加深对知识的理解。

本文将为大家提供一些微波网络课后习题的答案，希望能够对大家的学习有所帮助。

1. 什么是微波网络？微波网络是一种基于微波技术的通信网络，它利用微波信号进行数据传输。

微波信号具有高频率和高带宽的特点，能够在较远距离内传输大量的数据。

微波网络主要由发射器、接收器、传输介质和信号处理设备等组成。

2. 微波网络的应用领域有哪些？微波网络广泛应用于电信、广播、卫星通信、雷达等领域。

在电信领域，微波网络被用于电话和互联网的传输；在广播领域，微波网络用于电视和广播的传输；在卫星通信领域，微波信号被用于卫星之间的通信；在雷达领域，微波信号被用于探测目标等。

3. 什么是微波传输线？微波传输线是一种用于传输微波信号的导线或导管。

常见的微波传输线有同轴电缆、微带线和波导等。

同轴电缆是由内导体、绝缘层和外导体组成的，适用于中小功率的传输。

微带线是一种在介质板上制作的传输线，适用于高频率的传输。

波导是一种空心的金属管道，适用于高功率的传输。

4. 什么是微波功率分配器？微波功率分配器是一种用于将微波功率分配给多个输出端口的设备。

常见的微波功率分配器有功率分配器、功率组合器和功率分束器等。

功率分配器将输入功率均匀地分配给多个输出端口；功率组合器将多个输入功率合并为一个输出功率；功率分束器将输入功率分散到多个输出端口。

5. 什么是微波滤波器？微波滤波器是一种用于滤除或选择特定频率的微波信号的设备。

微波滤波器可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

低通滤波器可以滤除高频信号，只保留低频信号；高通滤波器可以滤除低频信号，只保留高频信号；带通滤波器可以选择特定频率范围内的信号；带阻滤波器可以滤除特定频率范围内的信号。

微波网络理论

微波网络理论
不随场强的变化而改变，该网络为线性网络； 微波网络使信号频率发生改变时为非线性网络。
2. 互易与非互易网络
若构成网络的媒质与场的传输方向无关，该网络为互易网络。
3. 对称与非对称网络
网络结构具有对称性。
4. 无耗与有耗网络 ：Pl =0，不包含有损耗的器件。
5. 有源与无源：直流能量转为微波能量；微波信号频率转化；包含
任何单模传输系统等效为特性阻抗为1的双线。传输线理论中的公式如下：
归一化等效电压：V V V
归一化等效电流：I I I
归一化特性阻抗：Zc
V I
V I
1
有功功率：P
P
P
1 2
Re(VI
*)
入射功率：P
1 2
Re(V
I
*
)
1 2
V
2
反射功率：P
1 2
Re(V
I
*
)
1 2
V
2
反射系数： V V
4.4.1 散射矩阵和散射参量的意义
bn
b1 s11a1 s12a2 L s1nan b2 s21a1 s22a2 L s2nan M
a1 1
b1
Network
bn sn1a1 sn2a2 L snnan
b1 s11 s12 L
b2
s21
s22
L
M M M L
bn
补充内容 微波网络理论
4.1 引言
微波
Ze
网络
Ze
如果我们不关心微波元器件内部的场分布，而只 对其外部特性感兴趣，可将传输系统中不均匀性引 起的端口传输特性的变化归结为等效微波网络。
T (a)
微波 元件

微波网络理论

微波网络理论

02
月球探测与火星探 测
微波网络用于月球和火星探测中 的信号传输，确保科学数据和图 像的准确获取和传输。
03
天文观测与射电望 远镜
微波网络用于射电望远镜的数据 传输，实现天文观测数据的快速 处理和分析。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
差错控制技术
通过采用差错控制编码、自 动重传等技术降低数据传输 过程中的误码率，提高数据
传输的可靠性。
动态路由选择
根据网络状态动态选择最佳 路由，避免因某一条线路故 障导致整个通信链路中断的 情况发生。
05
微波网络的发展趋势与 挑战
微波网络的发展趋势
5G及未来通信技术
随着5G和未来通信技术的快速发展，微波网络将面临更高的频谱 需求和更复杂的环境挑战。
云计算和大数据应用
云计算和大数据技术的广泛应用将推动微波网络在数据传输和处理 方面的性能提升。
智能化和自动化
微波网络的智能化和自动化技术将进一步提高网络的运行效率和可 靠性。
微波网络面临的挑战
高频谱资源紧张
随着通信技术的发展，微波频谱资源变得越来越紧张，如 何高效利用频谱资源是微波网络面临的重要挑战。
网状组网
节点之间相互连接，形成网状拓扑结构。这种组网方式具有较高的灵活性和可扩展性，适 用于节点数量较多、通信需求量较大的场景。
环型组网
节点按照一定的方向连接成环型拓扑结构。这种组网方式具有较高的可靠性和稳定性，适 用于对通信可靠性要求较高的场景。
微波网络的调制解调技术
调频（FM）调制
通过改变载波的频率来传递信息。调频调制具有抗干扰能力强、能够传输数字信号等优 点，但带宽利用率较低。
气象观测与预报

第四章-微波网络基础

第四章-微波网络基础

其它几种网络参量的互易特性为
A11 A22 A12 A21 1
~~ ~~ A11 A22 A12 A21 1
S12 S21
T11T22 T12T21 1
S1，1 ，S22
第四章 微波网络基础
(二) 对称网络 一个对称网络具有下列特性
Z11 Z22 Y11 Y22
，
其它几种网络参量的对称性为
T12 T21
A11 A22
Z01 Z02
由此可见，一个对称二端口网络的两个参考面上的输 入阻抗、输入导纳以及电压反射系数等参量一一对应 相等
第四章 微波网络基础
(三) 无耗网络
利用复功率定理和矩阵运算可以证明，一个无耗网络的散射矩 阵一定满足“么正性”，即
[S]T [S * ] [1]
按微波元件的功能来分
1.阻抗匹配网络 2.功率分配网络 3.滤波网络 4.波型变换网络
第四章 微波网络基础
(二) 微波网络的性质
(1) 对于无耗网络，网络的全部阻抗参量和导纳参量均为纯虚数，
即有
Zij jX ij
Yij jBij i, j 1,2,,n
(2) 对于可逆网络，则有下列互易特性
Zij Z ji
Z 01 Z 02
第四章 微波网络基础
2. 导纳参量
用T1和T2两个参考面上的电压表示两个参考面上的电流，其网 络方程为
I1
I
2
Y11 Y21
各导纳参量元素定义如下
Y12 U1
Y22
U
2
Y11
I1 U1
U2 0
Y22
I2 U2
U1 0
Y12
I1 U2
U1 0
Y21

微波网络的阻抗和导纳矩阵


05
微波网络中的阻抗和导 纳矩阵
微波网络中的阻抗矩阵
阻抗矩阵定义
阻抗矩阵是一个描述微波网络中各个端口之间电压和电流关系的 复数矩阵。
阻抗矩阵的元素
阻抗矩阵的元素由网络中各个元件的阻抗值和连接方式决定，反 映了网络中各个端口之间的相互作用关系。
阻抗矩阵的特点
阻抗矩阵是一个对称矩阵，其对角线元素表示各个端口在无外部 激励下的自阻抗。
阻抗矩阵的性质
对称性
阻抗矩矩阵的元素可以表示为电导G_{ij}和电纳B_{ij}的线性组合，即 Z_{ij}=G_{ij}+jB_{ij}。
奇异值分解
阻抗矩阵可以进行奇异值分解，将其分解为三个部分，即左奇异向量 矩阵、奇异值矩阵和右奇异向量矩阵。
微波网络的阻抗和导 纳矩阵
目 录
• 引言 • 阻抗矩阵 • 导纳矩阵 • 阻抗和导纳矩阵的关系 • 微波网络中的阻抗和导纳矩阵
01
引言
背景介绍
01
微波网络在通信、雷达、导航等 领域具有广泛应用，其性能受到 阻抗和导纳矩阵的影响。
02
阻抗和导纳矩阵是描述微波网络 特性的重要参数，对网络性能的 优化和设计具有重要意义。
阻抗和导纳矩阵的相似性
阻抗矩阵和导纳矩阵在某些情况下具 有相似的特性。例如，当网络的元件 都是纯电阻或纯电导时，阻抗矩阵和 导纳矩阵将具有相同的对角线元素和 非对角线元素。
VS
这种相似性意味着阻抗和导纳矩阵在 描述网络特性时可能提供相同的信息， 尽管它们的表达形式不同。因此，在 某些情况下，选择使用阻抗矩阵或导 纳矩阵可能仅仅是一个个人偏好问题。
阻抗和导纳矩阵的转换关系
阻抗矩阵和导纳矩阵可以通过简单的数学转换相互转换。具 体来说，一个网络的导纳矩阵可以通过将阻抗矩阵的每个元 素都除以对应的频率平方根得到，反之亦然。

微波有源电路理论分析及设计第一章微波网络基础


目的和意义
01
随着通信技术的不断发展，对微波有 源电路的性能和设计要求也越来越高 。
02
微波有源电路理论分析及设计是实现 高性能微波有源电路的关键，具有重 要的理论和实践意义。
03
通过对微波有源电路的理论分析和设 计，可以深入了解其工作原理和性能 特点，为实际应用提供理论支持和实 践指导。同时，通过不断优化和创新 ，可以提高微波有源电路的性能和设 计水平，推动通信技术的发展和应用 。因此，微波有源电路理论分析及设 计具有重要的理论和实践意义。
详细描述
匹配设计主要关注阻抗匹配，通过调整网络元件的阻抗值，使信号源的输出阻 抗与传输线或负载的输入阻抗相匹配，从而减少信号反射和能量损失。常用的 匹配方法包括串联匹配、并联匹配和混合匹配等。
微波网络的滤波器设计
总结词
滤波器设计用于提取或抑制特定频率范围的信号，是微波网络中常见的应用之一 。
详细描述
01
导纳分析法是一种通过测量微 波网络的导纳来分析其性能的 方法。
02
导纳分析法可以用于确定微波 网络的导纳特性、传输特性和 稳定性等参数。
03
导纳分析法通常使用导纳分析 仪进行测量，需要测量微波网 络的导纳，并计算反射系数和 传输系数等参数。
微波网络的传输线分析法
传输线分析法是一种通过分析 微波传输线的传播特性和分布 参数来分析其性能的方法。
稳定性是描述微波网络在输入 信号变化时输出信号是否稳定
的特性。
线性度是指微波网络在输入信 号在一定范围内变化时，输出 信号与输入信号之间是否保持
线性关系的特性。
对于有源微波电路，稳定性是 关键的性能指标，因为它直接 关系到电路的工作状态和性能 。
线性度对于避免非线性失真和 干扰也至关重要，特别是在高 功率和高频率的应用中。

微波网络讲义(第一章 西电 褚庆昕)

微波网络 第一讲 褚 庆昕 Xidian University 22
1.4 网络应用（1）
• 利用网络思想可以方 便地研究微波元件。 • 参考面一定要选在传 输线中高次截止模完全 消失的地方。否则，不 仅网络参量关系描述不 正确，还可能会遗漏不 连续性间的耦合。
微波网络 第一讲 褚 庆昕 Xidian University
N1
N2
23
1.4 网络应用（2）
微波网络研究的问题包括两个方面： • 网络分析 — 给定电路的结构，分析其网络参 量及各种工作特性； • 网络综合 — 根据所给的工作特性要求，以最 佳条件设计出合乎要求的电路结构。 网络分析问题是“单值”的，即给定电路 后，“特性”也就唯一确定了。而综合问题往 往是“多值”的，在同一最佳条件下可以设计 出许多满足要求的电路结构。
Xidian University
11
微波元件框图
• 任何微波元件都可以看作是由若干传输线和不 连续性区域构成的.
传输线 T 传输线 不连续性 T 传输线
微波网络 第一讲 褚 庆昕
T
12
Xidian University
1.1 微波系统与网络（4）
• 网络方法将微波元件分解成由传输线和不连 续性组成的微波电路。 • 传输线可以用特征参数表征。不连续性可以 用网络参量关系表征。 • 微波元件等效为由传输线和不连续性网络构 成的电路，用电路理论分析和设计。 • 网络方法 — “化繁为简”、“各个击破”。 把复杂的三维电磁场问题变为一维电路问题
微波网络 第一讲 褚 庆昕 Xidian University 21
1.3 不连续性的处理（4）
网络的思想 — “黑箱思想”。 不管不连续性区域内部的构成怎样，统一的 看成一个“黑箱”。通过“黑箱”各端口上激 励与响应之间的关系表征“黑箱”的特性，对 于线性网络，这种关系可以用参量矩阵表示。 确定网络参量的方法： （1）场方法 （2）测量方法

微波网络及网络参数

3.微波网络及网络参数3.1具有特定内容(含义)的特别微波网络3.1.1平行耦合线定向耦合器图28平行耦合线定向耦合器3. 1.2兰格(Lange)定向耦合器6DB(∣S[2l1J∣)Lange CouplerDB(∣S[3,1]∣)Lange CouplerDB(∣S[4I1]∣)Lange Coupler8 10 12Frequency (GHz)14图29 Lange定向耦合器3. 1.3威尔金森(WiIkinSon)功分器/合路器-35VVilkinson Power Divider图32微带线低通滤波器3.1.6 平行耦合线带通滤波器图30功分器/合路器3.1.4阶梯阻抗变换器图31阶梯阻抗变换器3. 1.5微带线低通滤波器FREO. GH 7 freq. GHzO(I LIalg ‘ ・5α _ 〉SP 二二ZE ・E-0>Jd 一 )9。

((L 4js:6—H 3 二一gss4Q.HO1)(DpI , I , I , 16 18 20 22图33平行耦合线带通滤波器3.1.7其它，如交指滤波器、谢夫曼移相器及分支线定向耦合器等, 也都具有固定（特定）的网络形式。

3.2一般网络微波网络是由各种微波元件依据需要组合而成，所以网络的形式具有任意性。

上面介绍的那些特别网络只是其中一些典型的形式而已。

一般来说，简洁的网络通常是窄带的电路，如入g/4线。

这一点, 在设计宽带匹配电路时，需要引起留意。

3.3网络参数我们常常使用S参数（即散射参数）来描述微波网络。

以下面的二端口网络为例。

图34二端口微波网络在图34所示的二端口微波网络中，a1和b1分别为端口1的归一化入射电压波和反射电压波；a2和b2分别为端口 2的归一化入射 电压波和反射电压波。

二端口微波网络的输入和输出之间的关系可以 表示为bl = si Ial + Sl 2a2 b2 = s2 Ial + s22a2即其中式（1）称做散射方程，［s ］叫散射矩阵或散射参数。

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在微波系统中，功率是可以直接测量的基本参量之一。 可以根据微波传输线与等效平行双线传输线传输功 率相等的原则来引入等效电压和等效电流。
由坡印亭定理可知，通过微波传输线的复功率为
P 1 1 E H d s ( E H t t ) ds S S 2 2


Et = iEx + jEy，

S
(e h ) ds 1
Et (u, v, z) = e(u, v) U(z) Ht (u, v, z) = h(u, v) I(z)

S
(e h ) ds 1
为了惟一确定等效电压和等效电流，还需运用阻抗 关系。 令传输线上等效电压与等效电流之比等于它所在横 截面处的输入阻抗，即
U z Z TM Z0 I z Z TE
在平行双线传输线中，基本参量是电压和电流，它 们具有明确的物理意义，而且可进行直接测量。
在微波传输线中，分布参数效应显著，传输线横截面 上的电压和电流已无明确的物理意义，不能测量。 欲将微波传输线与平行双线传输线进行等效，必须在 微波传输线中引入等效电压和等效电流的概念。
ET = erEr + eE ， HT = erHr + eH


微波传输线中横向电、磁场与等效电压 U(z) 和等效 电流 I(z) 的等效关系为 Et (u, v, z) = e(u, v) U(z)
Ht (u, v, z) = h(u, v) I(z)
e(u, v) 和 h(u, v) 是二维矢量实函数，它们表示工作模式 的场在传输线横截面上的分布，分别称为电压波型函数 和电流波型函数。 U(z) 、 I(z) 是一维标量复函数，分别 称为等效电压和等效电流。
第2章 微波网络
§2.1 网络的基本概念 §2.2 微波元件等效为网络 §2.3 微波网络的散射矩阵 §2.4 传输散射矩阵
概念引入：射频电路的组成
• 射频电路是由传输线与基本元器件组成。 • 集总元器件：贴片电阻、电容、电感，半导 体器件，如二极管和晶体管等。 • 分布元件：由传输线组成的元件。 • 相对于传输线，基本元器件就是不连续性。 所以任何射频电路都可以看作是由若干传输 线和不连续性区域构成的。
4、微波网络的分类 （1）线性与非线性微波网络 （2）互易与非互易微波网络 （3）有耗与无耗微波网络 （4）对称与非对称微波网络
2.2 微波元件等效为网络
2.2.1 微波传输线等效为双线 1、波导传输线等效为双线 只要双线上的电压、电流用波导的模式电压、 电流代替，就可以将波导传输线等效为双线。
把微波元件等效为微波网络，需解决： 1、确定微波元件的参考面 2、由横向电磁场定义等效（即模式）电压、等 效电流和等效（模式）阻抗，以便将均匀传 输线等效为双线传输线 3、确定一组网络参数，建立网络方程，以便将 不均匀区等效为网络。
3、微波网络的分析与综合 网络分析：已知网络结构分析其外部特性； 网络综合：预定对网络工作特性的要求，进行 网络的结构设计。
Et = erEr + eE ，
Ht = iHx + jHy
Ht = erHr + eH
微波传输线中的纵向传输功率仅与电场和磁场的横 向分量有关，而与它们的纵向分量无关。 在平行双线传输线中，通过传输线的复功率为
1 * P (Et H t ) ds S S 2 2 ET = iEx + jEy， HT = iHx + jHy
在直角坐标系中，波型函数中的 (u, v) 代表 (x, y)， 在圆柱坐标系中，(u, v) 代表 (r, ) 。 于是，微波传输线的功率表达式可以改写为
1 P UI * (e h ) ds S 2

1 P UI * 2
令微波传输线和平行双线传输功率相等，即 于是得波型函数满足的关系式为
不连续性区域建模：以网络的观点，不连续性区域可以 看作连接传输线的网络。在传输线上适当位置，选取参 考面，不连续性区域就可以等效为一多端口网络。
2.1 网络的基本概念
网络分析法
微波网络方法：是以微波元件及组合系统为对象， 利用等效电路的方法研究它们的传输特性及其设计 和实现的方法。
此方法为微波电路和系统的等效电路分析方法。 应用电路和传输线理论 微波元件 用网络等效 求取网络各端口间 信号的相互关系
注意：这种方法不能得到元件内部的场分布, 工程上关 心的是元件的传输特性和反射特性（相对于端口）。
端口与参考面 T1
H10
反射波
1
2 T2 V
透射波
入射波
1
1
U1i U1r
2 2
双端口 网 络
U2i U2r
1
2
• 参考面的选取有一定的任意性，但选定之后便不能再 随意改变。因为不同的参考面对应的等效网络是不一样 的。这是由于传输线中波的波动性造成的。 • ������ 选取参考面的原则 ������ （1）参考面应离不连续性足够远，以使不连 续性引起的高次模在参考面上消失掉； ������ （2）参考面必须与传播方向垂直，以使场的 横向分量落在参考面上。
• 射频电路的建模本质上就是电磁场问题，所 以最基本的方法就是求解电磁场方程。 • 但是，在整个电路范围内求解电磁场方程非 常复杂，难以工程应用。 • 为此，发展了微波网络方法：将射频电路分 解为传输线和不连续性的组合，然后对传输 线和不连续性分别建模。
•
传输线建模：把传输线等效为双线。用特性参 数参数----特性阻抗和传播常数表征。单模传输线 等效为一条双线，m模传输线等效为m条传输线。 • 不连续性建模：可以采用集总等效电路模型， 也可以采用网络矩阵表征。 • ������ 于是，通过建模，射频电路等效为由传输线 和不连续性网络构成的电路。射频电路就可以采 用电路理论分析和设计，“场方法”转化为“路 方法”。 • ������ 网络方法的思想：化繁为简、化整为零、各 个击破、整体连接。把复杂的三维电磁场问题转 变为一维电路问题。