微波工程 微波网络分析
微波工程师岗位职责
微波工程师岗位职责微波工程师是专门从事微波技术研究和开发的技术人员。
他们负责设计、开发和维护各种微波设备和系统，以满足不同领域的需求，如通信、雷达、无线电频谱、卫星通信等。
微波工程师的岗位职责包括但不限于以下方面：1. 设计微波组件和电路：微波工程师需要根据需求设计微波传输和放大系统的组件和电路。
他们使用模拟和数字电路设计工具，如ADS（Advanced Design System）软件，进行建模、仿真和优化。
2. 开发微波系统：微波工程师负责开发微波系统，包括天线、滤波器、放大器、混频器等。
他们需要了解微波器件的特性，选择合适的材料和技术，并进行性能测试和优化。
3. 进行系统集成和测试：微波工程师负责将微波组件和电路集成到系统中，并进行功能测试和性能评估。
他们需要使用测试仪器，如频谱分析仪、网络分析仪等，进行信号分析和测量。
4. 解决技术问题：微波工程师需要与团队合作，解决微波技术方面的问题。
他们可能会遇到电磁兼容性、干扰抑制、信号损耗等方面的挑战，需要通过分析和优化来解决。
5. 进行设计文档和报告：微波工程师需要编写设计文档和报告，记录系统设计的细节和性能评估结果。
这些文档通常包括设计原理、仿真结果、测试数据等。
6. 跟踪技术发展：微波工程师需要密切关注微波技术领域的最新进展，包括新材料、新器件、新设计方法等。
他们需要不断学习和研究，以保持自己的技术竞争力。
7. 参与项目管理：微波工程师可能需要参与项目管理，负责制定项目计划、监督进度和成本控制。
他们需要与其他团队成员进行有效的沟通和协调，确保项目的顺利进行。
8. 参与团队培训和指导：微波工程师可能需要培训新员工，并提供技术指导和支持。
他们需要分享自己的经验和知识，提高整个团队的技术水平。
9. 遵守安全和质量规定：微波工程师需要遵守安全和质量规定，确保系统设计和测试过程的可靠性和稳定性。
他们需要提供技术支持，确保产品符合标准和规范要求。
10. 进行市场调研和产品推广：微波工程师可以进行市场调研，了解用户需求和竞争对手情况。
微波工程简介(上)
微波的范围（两种）f=c=3108 m/sec
300MHz 300GHz 1m-1mm
分米波 厘米波 毫米波
300MHz 3000GHz 1m-0.1mm
分米波 厘米波 毫米波
微波的波段代号
亚毫米波
3
《微波工程》
微波的特点（1）
似光性和似声性——
微波的波长很短，比地球上的一般物体的尺寸要小得多， 或在同一量级。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓似 光性。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减少；使系统 更加紧凑；可以设计制成体积小、波束很窄、方向性很强、 增益很高的天线系统，接收来自地面或宇宙空间各种物体反 射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离，分析目标 的特征。
频带宽，高频损耗大，且 在其中制作微波器件困难
➢ 金属波导（TE、TM）——
高功率容量，低损耗， 但体积大，价格高
➢
平面传输线（准TEM、TE、TM、表面波）——
形式多，紧凑，低价格， 易于与有源器件集成
传输线的发展
* 由双导线演变成波导
➢ 1893年，亥维赛考虑过利用波导传输电磁波的可能性
➢ 1897年，瑞利爵士在数学上证明了波在波导中是可以传播的
12
《微波工程》
2.1 传输线的集总元件电路模型
传输线的分布参数
v z, t
i z, t
➢ 分布电阻 R Ω m—电流流过导体时，导体发热产生损耗
➢ 分布电导 G S m—介质有损耗，因而存在漏电流带来的损耗
➢ 分布电感 L H m—电流流过导体在周围将产生磁场，表明导体具有电感
➢ 分布电容 C F m—导体之间的电压在周围产生电场，表明导体之间存在电容 一些常用传输线的分布参数（表2.1）
微波工程-第4章微波网络分析
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
微波通信概述
压。 a e=4a/3称为标准等效地球半径。 在赤道，标准等效地球半径a e=（4/3～3/2）a；
微波知识简介
全室外型微波是所有单元都在室外，其优点是易于安装、节省机房 空间，但是设备在室外，容易损坏。
微波知识简介
分体式微波由天线、室外单元（ODU）和室内单元（IDU）组成， 天线和ODU之间一般用波导管连接，IDU和ODU之间通过中频电 缆连接。中频电缆用于IDU和ODU之间的中频业务信号和 IDU/ODU通讯控制信号的传输，并向ODU供电。容量相对较小， 安装维护方便，便于快速建网，是目前应用最广泛的微波设备。在 后续章节，如无特殊说明，都是指分体式微波的。
图中球面上的点P到(T,R)点距离之和满足：TP+PR=TR + n /2（n
=1,2,3,…)，则由P点构成的轨迹就是菲涅尔区。
T
O
F1
P
d1
d2
R
我们把菲涅尔区上一点P到TR的连线的
垂直距离PO称为菲涅尔半径。第一菲
涅尔半径用F1(n＝1)表示。
自由空间的电波传播
微波知识简介
第一菲涅尔区半径计算公式： F1 17.32
频
率
平
选
衰
择
落
性
衰
落
自由空间传播损耗
GTX
Power Level
PTX A0
接收门限(Receiver Threshold)
微波知识简介
网络分析仪基本原理
一般而言，网络分析仪在射频及微波组件方面的量测上，是最基本、应用层次也最广的仪器，它可以提供线性及非线性特性组件的量测参数，因此，举凡所有射频主被动组件的仿真、制程及测试上，几乎都会使用到。
在量测参数上，它不但可以提供反射系数，并从反射系数换算出阻抗的大小，且可以量测穿透系数，以及推演出重要的S参数及其它重要的参数，如相位、群速度延迟(Group Delay)、插入损失(Insertion Loss)、增益(Gain)甚至放大器的1dB 压缩点(Compression point)等。
基本原理电子电路组件在高频下工作时，许多特性与低频的行为有所不同，在高频时，其波长与实际电路组件的物理尺度相比会相对变小，举例来说，在真空下的电磁波其速度即为光速，则 c=XXf，其中c为光速3X108m/sec，若操作在2.4GHz的频率下，若不考虑空气的介电系数，则波长入=12.5cm，亦即在短短的数公分内，电压大小就会因相位的偏移而有极大的变化。
因此在高频下，我们会使用能量及阻抗的观念来取代低频的电压及电流的表示法，此时我们就会引入前述文章所提「波」的概念。
光波属于电磁波的一种，当我们用光分析一个组件时，会使用一个已知的入射光源测量未知的待测物，如图1所示，当光波由空气到达另一个介质时，会因折射率的不同产生部分反射及部分穿透的特性，例如化学成分分析上使用的穿透及反射光谱。
对于同样是属电磁波的射频来说，道理是相通的，光之于折射率就好比微波之于阻抗的概念，当一个电磁波到达另一个不连续的阻抗接口时，同样也会有穿透及反射的行为，从这些反射及穿透行为的大小及相位变化中，就可以分析出该组件的特性。
用来描述组件的参数有许多种，其中某些只包含振幅的讯息，如回返损耗(R.L. Return Loss)、驻波比(SWR Standing Wave Ratio)或插入损失(I.L. Insertion Loss)等，我们称为纯量，而能得到如反射系数(r Reflection coefficient)及穿透系数(T Transmission coefficient)等，我们称之为向量，其中向量可以推导出纯量行为，但纯量却因无相位信息而无法推导出向量特性。
PNA微波网络分析仪
PNA微波网络分析仪PNA (Network Analyzer) 是一种用于微波信号分析的仪器。
它主要用于测量微波电路的传输性能、振荡特性、散射参数等，并用于设计和测试微波和射频电路。
测试表面是一个微波测试系统，由一根或多根微波导线组成。
这些微波导线被称为测试端口，用于与待测设备连接。
测试端口上的信号会进入待测设备，并测量其传输性能。
控制单元是一个计算机或内置处理器，用于控制测试表面和处理测量数据。
它可以通过用户界面（如键盘、显示器和鼠标）或远程控制（如网络）与用户进行交互。
控制单元还包括信号源和接收器，用于生成和接收微波信号。
1.散射参数测量：PNA可以测量微波电路的散射参数，如S参数和Y参数。
这些参数描述了微波信号在电路中的传输情况，包括反射损耗、传输损耗和幅度/相位响应等。
2.频率扫描：PNA可以对待测设备进行频率扫描，以确定其频率响应。
通过这种方式，可以获得待测设备在频率范围内的传输情况。
3.时间域分析：PNA可以通过时域分析功能，测量微波信号的脉冲响应和时延。
这对于测量微波设备的瞬态响应非常有用。
4.射频功率测量：PNA可以对微波信号的功率进行测量，以确定它们的输入功率和输出功率。
5.效果分析：PNA可以对待测设备的效果进行分析，以确定其工作情况和性能特点。
6.校准和校正：PNA支持多种校准和校正方法，以提高测量的准确性。
通过校准和校正，可以消除传输线和接头等器件对测量的影响。
总之，PNA微波网络分析仪是一种非常重要的工具，用于测量和分析微波和射频电路的性能。
它可以帮助工程师设计和优化微波电路，并确保其性能符合要求。
微波网络讲义(第一章 西电 褚庆昕)
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
第5讲：微波网络散射参数测量方法
现代微波与天线测量技术第5 讲：微波网络散射参数测量方法彭宏利博士2008.11微波与射频研究中心上海交通大学－电信学院－电子工程系第7节微波网络散射参数测量方法主要内容• 7. 1网络分析的基本概念• 7. 2网络分析系统• 7. 3反射参数测量• 7. 4传输参数测量• 7. 5S参数的全面测量及误差修正7.2. 现代网络分析系统设备：网络分析仪网络分析仪是通过测定线性网络的反射参数和传输参数，获得该网络参数频域、时域特性等几乎所有网络特性的测量仪器，S 参数是其中最基本的特性参数。
网络分析仪分为2 类：(1)标量网络分析仪：只测量线性系统的幅度信息；(2)矢量网络分析仪：可同时进行幅度传输特性和相位特性测量。
系统组成原理基本的网络分析仪：主要由信号源、S 参量测量装置及矢量电压表组成。
图7.2-1信号源：向被测网络提供入射信号或激励；S 参量测量装置：是反射测量电路与传输测量电路的组合，首先将入射、反射及传输信号分离开，然后通过转换开关分别进行测量；矢量电压表：测量入射、反射和传输信号的幅值及它们之间的相位差，也可以通过幅相接收机实现此功能。
标量网络分析仪组成图图7.2-2a1 为入射波、b1 为反射波、b2 为传输波，它们的测量通道分别为R（参考）、A、B。
通过这些信号可确定正向S 参数|S11|、|S21|。
将被测网络的激励端与测试端反接，同理可测得|S22|、|S12|。
外差式矢量网络分析仪组成图上图中PFD 为相频检波器，H(s)为环形滤波器，BPF 为带通滤波器。
基本结构与外差式接收机类似：扫频源一方面为DUT 提供激励，一方面可以作为单独的扫频源输出通道S。
参考信号即入射波，通过R 通道进行测量。
反射波、传输波所在的测试通道分别为A、B。
为获得复S 参数而进行的复数除法可用硬件完成，现在多采用对混频所得的中频信号采样和数字化，然后通过数字处理的方法来实现。
网络分析仪与频谱分析仪比较在电路结构方面，矢量网络分析仪与外差式频谱分析仪相似：在预定频率范围内自动测量电路幅度增益与相位，使用内部扫频源或可程控的外部信号源作激励，测量被激励电路的幅度增益与相位。
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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。
为了按类似于电路理论中的电压和电流的方式来使用，等效 电压和电流的乘积应被确定为该模式的功率流。
单一行波的电压与电流之比应等于该传输线的特征阻抗。 该阻抗在选择上有任意性，但通常将其选定为等于传输线的
波阻抗，或把它归一化为1。
Microwave Technique
既有正向又有反向行波的任意波导模式，其横向场可写为：
因这种换位而有所改变。 互易性不仅一些电网络有，某些声学系统、力学系统等也有。 一般地说，由线性时不变的二端电阻元件、电感元件、电容元件、
耦合电感器和理想变压器连接而成的网络均有此性质。 含有受控电源、非线性元件、时变元件、回转器的网络都不一定
具有这种性质。
Microwave Technique
在端面上 (z = 0)
Vn Vn Vn Vne jz Vne jz
In
I
n
I
n
I
n
e
jz
I
n
e
jz
V1 Z11
z < 0，空气填充，z > 0，介质填充 ( 2工.5作6)频率 r
用等效传输线模型求反射系数。
f 4.5GHz
解: k 2 ( )2 27.50m1
a
0
a
k 2 ( )2 120.89m1
d
r0
a
k 94.25m1 0
kc
( m )2 ( n )2
a
b
k r 0r0 rr k0 k0 00
31010 cm s 6.970 2.56
2.6875GHz(介质)
f20a 2 f10 6.8GHz (空气) f20d 2 f10 5.375GHz (介质)
Z0a
k00 0
(94.25)(377 ) 27.5
1292 .1
Z0d
k d
k00 d
(94.25)(377 ) 120 .89
a
透射波
Et
aˆ y Et 0
sin
x
a
e
j2 z
Ht
aˆx
Et 0 ZTE2
sin x e j2z
a
在z = 0时，E y及 H连x 续（JS=0)!
Ei0 Er0 Et0
Microwave Technique
Ei0 Er0 Et0 ZTE1 ZTE1 ZTE2
ZTE2 ZTE1 ZTE2 ZTE1
293 .3
Z0d Z0a 0.629 Z0d Z0a
入射波
场解 (TE10mode)
Ei
aˆ y Ei0
sin
x
a
e
j1z
Hi
aˆx
Ei 0 ZTE1
sin x
a
e j1z
ZTE
k
反射波
Er
aˆ y Er0
sin
x
a
e j1z
Hr
aˆx
Er 0 ZTE1
sin x e j1z
(V,I, Z ) 0
(E, H, Z)
阻抗总结
－本征阻抗（仅与媒质材料参量有关）
Z w
E t
H
1 Y
－波阻抗（特定波型的一种特性）
t
w
Z 0
1 Y
L C
－特征阻抗（传输线上行波电压与电流的比值）
0
Microwave Technique
例题4.2 波导阻抗的应用
Ex: 矩形波导管 a 3.485cm , b 1.580cm (C band guide)
4.1 阻抗和等效电压与电流
4.1.1 等效电压与电流 +导线相对-导线的电压V为：
导线间横向场具有静态电场性质，电压惟一。
+导线上的电流为：
行波的特征阻抗Z0为：
任意双导线TEM传输线
明确了电压电流和特征阻抗后，认为线的传播常数已知，即可应用 第2章中的传输线电路理论，用电路单元表征该TEM传输线。
Microwave Technique
考虑高次模时波导中的通解
其中， 和 是第n个模式的等效电压和等效电流，而 和 是每一模 式的比例常数。
例题4.1 矩形波导的等效电压和电流 － P141自学！
Microwave Technique
4.1.2 阻抗概念
利用已知的电路分析方法取代解Maxwell方程式。
微波网络分类
单口网络 双口网络 多口网络
负载，振荡器… 滤波器、放大器、衰减器、隔离器… 混频器、功分器、环行器、合成器…
微波网络主要特点
必须指定工作波型；（规定只有单一主模） 必须规定端口的参考面。（参考面外只传主模）
Microwave Technique
微波网络特征量
设媒质为各向同性的线性媒质（ε、μ、σ为标量）
Microwave Technique
TE10模波hnique
宽壁（上下板）之间的电压：
x=0和x=a/2时积分完全不同！
？
不存在“正确的”电压。
也不存在“正确的”电流和阻抗。
如何定义出能用于非TEM线的 电压、电流和阻抗？
通常的做法
对一个特定的波导模式来定义电压和电流，并且如此定义的 电压正比于横向电场，而电流正比于横向磁场。