第8讲 微波网络分析
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微波技术基础-微波网络分析(1).pdf
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
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
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
微波网络课程总结
微波网络课程总结一、课程概述微波网络是一门涉及高频信号传输和微波器件设计的重要课程，在通信领域具有广泛的应用。
本课程旨在全面介绍微波网络的基本原理、器件设计和系统应用，帮助学生深入理解微波通信技术的内涵和实践应用。
二、课程内容1.微波网络基础概念–微波信号特点–微波传输线–微波器件分类2.微波传输线理论–传输线特性参数–矩形波导传输线–微带线传输线3.微波器件设计–微波滤波器设计–微波功分器设计–微波合路器设计4.微波系统应用–微波天线设计–微波雷达系统–微波通信系统三、学习收获通过学习微波网络课程，我获得了以下几方面的收获：1. 理论知识的掌握在课程中，我首先学习了微波信号的特点和微波传输线的基本理论。
了解了微波信号的高频特性和传输线的参数对信号传输的影响。
通过学习矩形波导传输线和微带线传输线的理论，我掌握了不同传输线的特性以及如何选择适当的传输线。
2. 微波器件设计能力的提升课程中，我学习了微波滤波器、功分器和合路器等微波器件的设计方法。
通过理论学习和实践操作，我深入了解了器件的工作原理和设计步骤。
通过仿真软件的使用，我能够独立设计和优化微波器件，提高了我的设计能力。
3. 微波系统应用的了解微波系统在通信领域有着重要的应用，课程中我学习了微波天线的设计原理和方法。
了解了不同类型的微波天线的特点和应用场景。
此外，我还对微波雷达系统和微波通信系统有了更深入的了解，了解了其在军事、航空、导航等领域的应用。
四、课程体会微波网络课程是一门理论与实践相结合的课程，通过理论学习和实践操作相结合的方式，我对微波通信技术有了更深入的了解，并且获得了一定的实践能力。
在课程中，我感受到了微波网络技术的重要性和广泛应用的前景。
通过课程的学习，我认识到微波网络技术在现代通信系统中的关键作用，对将来我选择从事相关领域的工作具有重要的指导意义。
此外，通过与同学的讨论和合作，我也提高了团队合作和解决问题的能力。
五、展望未来微波网络课程的学习使我对微波通信技术充满了兴趣，并激发了我进一步深入学习和研究的欲望。
微波技术与天线-微波网络分析(3)
端口k处阻抗不 端口k处阻抗不 匹配， 匹配，从网络内 部出来的电压反 射波，在端口k处 射波，在端口 处 发生反射， 发生反射，射向 网络内部，形成 网络内部， 端口k处的电压源 端口 处的电压源 激励！ 激励！
6
北京邮电大学——《微波技术基础》 《微波技术基础》 北京邮电大学
散射矩阵
散射矩阵元素意义
互易网络的散射矩阵
已知
[ S ] = ([ Z ] + Z 0 [U ]) ([ Z ] − Z 0 [U ])
−1
t
[S ]
= ([ Z ] − Z 0 [U ]) {([ Z ] + Z 0 [U ])
t
t
−1 t
}
利用互易网络阻抗矩阵的对称性 [ Z ] = [ Z ]
[S ]
t
= ([ Z ] − Z 0 [U ])([ Z ] + Z 0 [U ])
Vn = Vn+ + Vn− + − + − I n = I n − I n = (Vn − Vn ) / Z 0
根据阻抗矩阵定义
[V ] = [V + ] + [V − ] [ I ] = ([V + ] − [V − ]) / Z 0
[ Z ][ I ] = ([ Z ] V + − [ Z ] V − ) / Z0 = [V ] = V + + V −
北京邮电大学——《微波技术基础》 《微波技术基础》 北京邮电大学
2
散射矩阵
本节要点
散射矩阵表征的意义 散射矩阵中矩阵元素的意义 散射参量的计算 互易网络与无耗网络散射矩阵的特点 参考平面移动对散射参量的影响
第五章微波网络
仅是1端口自己的反射波。
• 因此：S11就是 2端口接匹配负载时，从1端口向网络内看去的
反射系数。
S 21
b2 a1
a20
• S21就是 2端口接匹配负载时，从1端口到2
端口的传输系数。
S22
b2 a2
1
a10
a1＝0 1 b1
网络
1
a2 b2
• S22是1端口接匹配负载时，从2端口向网络内 看去的反射系数。
i1 Z
u1
1
i2
1 u2 1
• 将 u1 a1 b1 i1 a1 b1 带入上式，得： u2 a2 b2 i2 a2 b2
1、阻抗参数和阻抗矩阵
每个端口的电压与所有
I1
I2
端口的电流都有关系，且为 线性关系。
U1
Zc1 网络 Zc2
U2
U1 Z11I1 Z12 I2
T1
T2
U2 Z21I1 Z22 I2
U1
U
2
Z11
Z
21
Z12 I1
Z
22
I
2
U Z I
阻抗矩阵（Z 矩阵） 教材P262，例9-1
• 归一化电压：
uk U k
U
k
Zck
Zck
U
k
uk uk
Zck
( k =1, 2)
• 归一化电流：
ik Ik
Zck
I
k
I
k
Zck
U
k
Zck
U
k
Zck
Zck uk uk
( k =1, 2)
• 归一化入射电压：
用 a 表示
ak
第八章频域测量
0.2~0.3S 图8.35 BP-1 频谱仪原理框图
从图中可以看到以下特点：
1.多级变频
从框图可以看出频谱仪主要电路是一台超外差接收机。为了提 高分辨频谱能力，则要提高接收机的选择性，而决定选择性的 通频带：
(2)扫频频偏：最大频偏±7.5MHz； (3)扫频信号输出：输出电压≥0.1V（有效值），输出阻抗75Ω； (4)寄生调幅系数：最大频偏时<±7.5%； (5)调频非线系数：最大频偏时<20%； (6)频标信号：1MHz、10MHz和外接频标三种。
BT3C-A型 频率特性测试仪
扫频信号 输出端
检波探头
扫频范围
不平坦度
BT3C-VHF 1～300MHz
± 20MHz
± 0.25dB
NW1251A 1～300MHz
± 1MHz
± 0.3dB
NW1256D 1～1000MHz 全扫、窄扫Ⅰ/Ⅱ、单频 ± 0.35dB
NW1232 2Hz ～ 2MHz 20Hz ～ 20kHz、2kHz ～ 2MHz
≤5%
(a)
(b)
图8.26 不同相位合成的波形
8.3.2 频谱仪的主要用途
现代频谱仪有着极宽的测量范围，观测信号频率可高达几十 GHz，幅度跨度超过140dB。
故使频谱仪有着相当广泛的应用场合，以至被称为射频万用表， 成为一种基本的测量工具。目前，频谱仪的主要应用于如下一 些方面：
1.正弦信号的频谱纯度 2.调制信号的频谱 3.非正弦波（如脉冲信号、音频、视频信号）的频谱 4.通信系统的发射机质量 5.激励源响应的测量 6.放大器的性能测试 7.噪声频谱的分析 8.电磁干扰的测量
※ 8.2 微波网络分析仪（简介）
第四章—微波网络分析
v0
V0 Z0
归一特征阻抗
i0 I0 Z0
z0
v0 i0
v0 i0
1
显然，上面的归一定义是满足功率不变原则的。
4.2 阻抗和导纳矩阵
阻抗矩阵和导纳矩阵的定义
如图所示的网络,Vi和Ii分别代表第i个端口的 输入电压和电流，则该网络的[Z]矩阵和[Y]矩 阵定义如下：
vi
即 Sii是除端口i之外,其余端口都匹配时, 端口i的反射系数。
4.3 散射矩阵
vj
s ji
vk 0k i
vi
或
s ji
bj ai
ak 0k i
即 Sji是除端口i之外，其余端口都匹配时， 由端口i到端口j的传输系数
4.3 散射矩阵
散射矩阵与阻抗和导纳矩阵的关系 阻抗和导纳矩阵的归一化 电压和电流的归一化
优点
方法简单，可借鉴低 频电路的一些分析方法
电路和系统的特性清 晰
缺点 结果近似
微波电路与系统的完整实现是两种方法结合的 结果
微波网络分析的基本过程？场 路
微波网络方法
微波网络方法：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。把微 波元件用一个网络来等效，应用电路和传输线理论， 求取网络各端口间信号的相互关系。 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）。
I H dl (4.2) C
以平行双导线为例 以带状线为例
Z0
V I
(4.3)
P VI * 2
(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
• (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
微波技术基础-微波网络分析(2)
端口N
IN
15
i——行数，代表第i个端口的电压
j——列数，代阻表抗第j矩个端阵口的电流
¾阻抗矩阵元素意义
除端口j外其他所有端
口均开路（包括第i个
Zij
= Vi Ij
Ik =0,
端口），即电流均为0
k≠ j
Zij ——是电流 Ij 在 j 端口激励、其他所有端口均开路 时，在端口i 测得的开路电压与Ij 之比。是其他所有 端口均开路时，端口i和端口j 之间的转移阻抗。
⎥ ⎥
⎢ ⎢
Ii
⎥ 等效电路 ⎥
⎥⎢ ⎥ ZNN ⎦⎥ ⎢⎣ I N ⎥⎦
i
端口i
Zik
+ Zij I j + + ZiN I N
N
∑ = Zik Ik k =1
9各端口电流对第i端口 的电压均有作用
9线性叠加结果
ZiN
−
北京邮电大学——《微波技术基础》
端口i
Ii
端口j
Ij
端口k
Ik
(k ≠ i, j)
唯一性原理：任何一个被封闭曲面包围着的无源场，若给 定曲面上的切向电场（或切向磁场），则闭合曲面内部的电磁 场是唯一确定的。
——由于参考面上的切向电场和切向磁场分别与参考面上 的模式电压和模式电流相对应，因此若网络中各个参考面上的 参考电压都给定，则网络各个参考面上的模式电流都确定了， 反之亦然。这也就说明了网络的电压和电流关系被确定。
V Zii
= Vi Ii
Ik =0, k ≠i
i
输入阻抗
Zij I j = 0
Zik Ik = 0
(k ≠ i, j)
ZiN I N = 0
−
IN
15
i——行数，代表第i个端口的电压
j——列数，代阻表抗第j矩个端阵口的电流
¾阻抗矩阵元素意义
除端口j外其他所有端
口均开路（包括第i个
Zij
= Vi Ij
Ik =0,
端口），即电流均为0
k≠ j
Zij ——是电流 Ij 在 j 端口激励、其他所有端口均开路 时，在端口i 测得的开路电压与Ij 之比。是其他所有 端口均开路时，端口i和端口j 之间的转移阻抗。
⎥ ⎥
⎢ ⎢
Ii
⎥ 等效电路 ⎥
⎥⎢ ⎥ ZNN ⎦⎥ ⎢⎣ I N ⎥⎦
i
端口i
Zik
+ Zij I j + + ZiN I N
N
∑ = Zik Ik k =1
9各端口电流对第i端口 的电压均有作用
9线性叠加结果
ZiN
−
北京邮电大学——《微波技术基础》
端口i
Ii
端口j
Ij
端口k
Ik
(k ≠ i, j)
唯一性原理：任何一个被封闭曲面包围着的无源场，若给 定曲面上的切向电场（或切向磁场），则闭合曲面内部的电磁 场是唯一确定的。
——由于参考面上的切向电场和切向磁场分别与参考面上 的模式电压和模式电流相对应，因此若网络中各个参考面上的 参考电压都给定，则网络各个参考面上的模式电流都确定了， 反之亦然。这也就说明了网络的电压和电流关系被确定。
V Zii
= Vi Ii
Ik =0, k ≠i
i
输入阻抗
Zij I j = 0
Zik Ik = 0
(k ≠ i, j)
ZiN I N = 0
−
微波工程微波网络分析PPT课件
第20页/共53页
50Ω
V V
2
2
例4.4 求3dB衰减器的S参数，匹配负载为50Ω。
计算分压
141.8(58.56) /(141.8 58.56) 41.44
V V V ( 41.44 )( 50 ) 0.707V
2 2 1 41.44 8.56 50 8.56
1
S S 0.707
([Z] [U])[V ] ([Z] [U])[V ]
其中[U]为单位矩阵
1 0 0
[U]
0
1
0
1
[S ] ([Z ] [U ])1([Z ] [U ])
[Z ] ([U ] [S ]) 1([U ] [S ])
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互易网络与无耗网络
对于互易网络
[S] [S]t 对称矩阵
S11
S12 S 21 1 S22
(0.1) ( j0.8)( j0.8) 1 0.2
0.633
RL 20log 3.97dB
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参考平面的移动
S参数与入射到网络和反射自网络的行波的振幅和相位有关， 因此网络的每一端口的相位参考平面必须加以确定。
当参考面从它们的原始位置移动时，S参数需要进行转换。
免反射的出现。
Sii:当所有端口接匹配负载时，向i端口看去的反射系数。 Sij:当所有端口接匹配负载时，从j端口到i端口的传输系数。
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例4.4 求3dB衰减器的S参数，匹配负载为50Ω。-自学！
V
S 1
11
V
1
Z(1) Z
in
0
Z Z (1)
V2 0
in
0
《微波网络分析》课件
在设计微波网络时，需要综合考虑增益和功率容量，以确保网络的性能和 稳定性。
04
微波网络的测量技术
微波信号发生器
信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备，主要用于微波网络的测 量和调试。
微波信号发生器的主要性能指标包括频率范围、输出功率、频率稳定度、输出波形失真度等 。
常见的微波信号发生器有晶体管信号发生器和合成信号发生器，其中合成信号发生器具有频 率范围宽、频率稳定度高、输出波形失真度小等优点，广泛应用于微波网络的测量和调试。
人工智能技术在微波网络中的应用包括深度学习、神经网络、模式识别等技术， 可以实现对微波信号的智能识别、分类和预测，提高微波网络的智能化水平。同 时，人工智能技术还可以用于微波网络的优化设计，提高网络性能和传输效率。
THANKS
《微波网络分析》PPT课件
$number {01}
目录
• 微波网络概述 • 微波网络的基本元件 • 微波网络的性能参数 • 微波网络的测量技术 • 微波网络的实际应用 • 微波网络的发展前景
01
微波网络概述
微波网络的定义与特点
总结词
微波网络是指利用微波频段的电磁波进行信息传输和处理的 一种网络技术，具有高速、宽带、灵活和抗干扰等特点。
微波信号分析仪
微波信号分析仪是一种用于测量和分析微波信号的仪器，具有测量精度高、测量速 度快、操作简便等优点。
微波信号分析仪的主要性能指标包括频率范围、动态范围、测量精度、测量速度等 。
常见的微波信号分析仪有频谱分析仪和矢量网络分析仪，其中矢量网络分析仪具有 测量精度高、测量速度快等优点，广泛应用于微波网络的测量和调试。
01
移动通信网络是微波网络的重要应用领域之一 。
04
微波网络的测量技术
微波信号发生器
信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备，主要用于微波网络的测 量和调试。
微波信号发生器的主要性能指标包括频率范围、输出功率、频率稳定度、输出波形失真度等 。
常见的微波信号发生器有晶体管信号发生器和合成信号发生器，其中合成信号发生器具有频 率范围宽、频率稳定度高、输出波形失真度小等优点，广泛应用于微波网络的测量和调试。
人工智能技术在微波网络中的应用包括深度学习、神经网络、模式识别等技术， 可以实现对微波信号的智能识别、分类和预测，提高微波网络的智能化水平。同 时，人工智能技术还可以用于微波网络的优化设计，提高网络性能和传输效率。
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《微波网络分析》PPT课件
$number {01}
目录
• 微波网络概述 • 微波网络的基本元件 • 微波网络的性能参数 • 微波网络的测量技术 • 微波网络的实际应用 • 微波网络的发展前景
01
微波网络概述
微波网络的定义与特点
总结词
微波网络是指利用微波频段的电磁波进行信息传输和处理的 一种网络技术，具有高速、宽带、灵活和抗干扰等特点。
微波信号分析仪
微波信号分析仪是一种用于测量和分析微波信号的仪器，具有测量精度高、测量速 度快、操作简便等优点。
微波信号分析仪的主要性能指标包括频率范围、动态范围、测量精度、测量速度等 。
常见的微波信号分析仪有频谱分析仪和矢量网络分析仪，其中矢量网络分析仪具有 测量精度高、测量速度快等优点，广泛应用于微波网络的测量和调试。
01
移动通信网络是微波网络的重要应用领域之一 。
微波技术与天线-微波网络的基本概念;微波元件等效为网络
微波系统：传输线 + 微波元件 微波网络：闭合曲面形成的一个确定空间，通过微波端口与
外界相连，构成微波网络。
N
疑问：为何引入网络，“场”不适用吗？
主模
入射波 反射波
主模
高次模
主模
透射波
(a)
入射波
N
反射波
(b)
透射波
说明：
1、参考面 2、U，I
3、N
入射波
N
反射波
透射波
分类方法
类型
按端口数量分 一口网络、二口网络、多口网络
横向场矢量=模式矢量函数 •模式电压（流）
P 1 2
S
Et Ht*
dS 1 U z I * z
2
s e h azds
P 1U zI*z
2
归一化条件
等效双线的特性阻抗
Z0
U z I z
ZTM ZTE
TM 波 TE波
归一化电压与电流 U I
U、I、e、h 不唯一？？
Et u1,u2,zU zeu1,kuU2zU z eu1,u2 =eu1,u2 k
1 2
PL U1
2
j
2 Wm We
1 2
U1
2
G
j
C
1
L
G
jB
若网络有耗， PL 0 ，则R＞0，G＞0 若网络无耗， PL 0 则R=G=0
若Wm We，则X=B=0 ，网络内部谐振 若Wm We，则X>0 ，网络参考面等效阻抗呈感性 若Wm We ，则X<0 ，网络参考面等效阻抗呈容性
Z Y 1 Y Z 1
各端口参考面上的U、I与网络内部电磁场能量间的关系：
P
外界相连，构成微波网络。
N
疑问：为何引入网络，“场”不适用吗？
主模
入射波 反射波
主模
高次模
主模
透射波
(a)
入射波
N
反射波
(b)
透射波
说明：
1、参考面 2、U，I
3、N
入射波
N
反射波
透射波
分类方法
类型
按端口数量分 一口网络、二口网络、多口网络
横向场矢量=模式矢量函数 •模式电压（流）
P 1 2
S
Et Ht*
dS 1 U z I * z
2
s e h azds
P 1U zI*z
2
归一化条件
等效双线的特性阻抗
Z0
U z I z
ZTM ZTE
TM 波 TE波
归一化电压与电流 U I
U、I、e、h 不唯一？？
Et u1,u2,zU zeu1,kuU2zU z eu1,u2 =eu1,u2 k
1 2
PL U1
2
j
2 Wm We
1 2
U1
2
G
j
C
1
L
G
jB
若网络有耗， PL 0 ，则R＞0，G＞0 若网络无耗， PL 0 则R=G=0
若Wm We，则X=B=0 ，网络内部谐振 若Wm We，则X>0 ，网络参考面等效阻抗呈感性 若Wm We ，则X<0 ，网络参考面等效阻抗呈容性
Z Y 1 Y Z 1
各端口参考面上的U、I与网络内部电磁场能量间的关系：
P
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二端口网络的矩阵表示
(a)
School of Electronic Engineering
(b)
图8.6 微带交指电容集总等效电路与全波仿真S参数比较. (a) 幅度; (b) 相移
EMW Propagation Engineering 9/35
S矩阵、A矩阵及其转换与应用
归一化电压v 和归一化电流 i可定义归一化 [a]矩阵； 归一化入射波电压a和归一化反射波电压b可定义S矩阵。 端口归一化阻抗分别为Z1和Z2任意二端口网络如图8.7 所示，则各端口的归一化电压电流为 各端口的归一化入射波电压和反射波电压 vi ii vi ii ai bi (i 1, 2) 2 2
参数可调子电路 奇偶模S参数定义 可调参数 图8.12 CRLH TL耦合线耦合器模型
EMW Propagation Engineering 17/35
S矩阵、A矩阵及其转换与应用
为验证奇偶模 S 参数的有效性，依据图 8.11分别建立起相应的奇 偶模双端口网络，计算相应的S参数，并与图8.12定义的奇偶模S 参数相比较。图 8.13 为其偶模双端口电路模型，比较结果如图 8.14所示，可见两者完全一致。
第七讲─视距传播（3）
微波中继通信系统：频段，工作方式 传播余隙：ΔHc特点，Hc选取原则 微波衰落的划分、成因 K型衰落：分类，特点 波导型衰落：分类，特点，形成条件 微波衰落的改善措施 卫星通信：概况，波段，路径，信道种类 基本传输损耗：构成，主、次要作用
School of Electronic Engineering
−1
(8-4e)
(c)
图8.5 微带交指电容等效电路提取. (a) ADS Momentum全波模型. 指宽0.3 mm, 指长7.75 mm, 指缝0.25 mm, 介质板εr=2.55, h = 0.8 mm, tanδ = 0.003; (b) 集总等效电路; (c) π型等效电路 EMW Propagation Engineering 8/35
School of Electronic Engineering
表8.1 二端口网络的各参量转换 EMW Propagation Engineering 4/35
二端口网络的矩阵表示
任意二端口均可用阻抗或导纳参量描述： (8-1)
School of Electronic Engineering
(8-2)
School of Electronic Engineering
参数可调子电路
可调参数
图8.13 CRLH TL耦合线耦合器的偶模双端口电路模型
EMW Propagation Engineering 18/35
S矩阵、A矩阵及其转换与应用
(a) 1 ������������ = Re(− ) ������12 ������������ = Re(������11 + ������12 )
(8-4a) (8-4b)
(b)
Im(������11 + ������12 ) (8-4c) ������������ = ������������ 1 ������������12 1 1 ������������ = ������ (8-4d) 2 − ������ − ������������ 2������������ ������������ ������12 12 2 ������������12 1 1 ������������ = −������ 2 − ������ − ������������ ������������ ������������ ������12 12
S矩阵、A矩阵及其转换与应用
复合左右手耦合线耦合器的奇偶模特性阻抗提取
图8.10示出了9 元胞 CRLH TL耦合线耦合器的实物版图，其单个元 胞的电路模型及其奇偶模等效如图8.11所示。
School of Electronic Engineering
图8.10 9元胞0-dB 后向波耦合线耦合器
(8-10)
计算出[A]矩阵之后，可应用表8.1中的公式进一步转换为[Z] 和[Y]矩阵。注意，[A]、[Z]、[Y]矩阵是二端口网络的特征 矩阵，与用于归一化的外部端口阻抗Z1和Z2值无关，但S矩 阵与Z1和Z2直接相关。
EMW Propagation Engineering 12/35
S矩阵、A矩阵及其转换与应用
(8-13) 于是可解得 其中 (8-15) 将(8-14)代入(8-12)中，可建立起S与S’的关系式
S I S I S 1
(8-14)
(8-16)
其中I是单位阵。
EMW Propagation Engineering 14/35
若网络互易，则Z12=Z21和Y12=Y21。则根据Z和Y矩阵的定 义，可导出互易二端口网络的T型和π型等效电路，如图 8.2所示：
(a)
图8.2 互易性二端口网络的等效电路 (a) T型等效电路 (b) π型等效电路
(b)
EMW Propagation Engineering 5/35
二端口网络的矩阵表示
利用奇偶模S参数计算对称四端口奇偶模特性阻抗
School of Electronic Engineering
设定系统阻抗为Z0，对称四端口奇偶模特性阻抗为Z0i(i = e, o)，等 效的二端口奇偶模线如图 8.8所示，如果选用Z0i 而非Z0作为此二端 口的归一化阻抗，则其散射参数S’为 (8-11) 由于系统归一化阻抗为 Z0 ，需将 S’转化为 S ，而 S 可由对称四端口 的总S矩阵通过简单的代数运算得到。转化的关键是，尽管S参数随 端口归一化阻抗变化而变化，但其端口处的电压电流保持不变，参 考图8.9所示，此时S和S’定义为
School of Electronic Engineering
图8.1 (a) 同轴-微带线过渡段结构 (b) “黑盒子”模型 (c) 一种可能的等效电路 EMW Propagation Engineering 3/35
二端口网络的矩阵表示
二 端 口 网 络 的 两 端 归 一 化 阻 抗 相 等
(8-8)
进一步可转化为S参数各矩阵元为
S11 abcd abcd 2 S21 abcd
2 ad bc S12 abcd a b c d S22 abcd
(8-9)
当Z1 = Z2 = Z0时，即为表8.1所示情形。
EMW Propagation Engineering 11/35
EMW Propagation Engineering
EMW Propagation Engineering
第8讲 微波网络分析
2016, April. 27
内容安排
School of Electronic Engineering
二端口网络的矩阵表示 S参数、A参数及其转换与应用 多端口网络的任意级联
二端口微带缝隙电容等效电路提取
School of Electronic Engineering
(a) 1 ������������ = Re(− ) ������12 ������������ = Re(������11 + ������12 ) Im(������11 + ������12 ) ������������ = ������������ 1 1 ������������ = − − ������������ ������������ ������12
S矩阵、A矩阵及其转换与应用
若图8.7所示非归一化二端口网络传输矩阵为
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A B [ A] C D
(8-7)
则其归一化[a]矩阵为
Z2 A Z1 a b [a ] c d C Z1 Z 2 B Z1 Z 2 Z1 D Z2
(8-3a) (8-3b) (8-3c)
−1
(b)
(8-3d)
(c)
图8.3 微带缝隙电容等效电路提取. (a) ADS Momentum全波模型. 缝宽0.05 mm, 介质板εr=2.65, h = 1.0 mm, tanδ = 0.002; (b) 集总等效电路; (c) π型 等效电路 EMW Propagation Engineering
S矩阵、A矩阵及其转换与应用
为计算图8.8所示的奇偶模线的S矩阵，只需修正(8-15)式(即以Z0i替 换Z0’)，再代入(8-16)中即可。修正式为
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(8-17) 将(8-16)展开可得 (8-18) 其中 由(8-18)可解得
(8-19)
图8.8 等效的二端口奇偶模线
图8.9 归一于不同端口阻抗的二端口S参数
EMW Propagation Engineering 13/35
S矩阵、A矩阵及其转换与应用
(8-12) 根据(8-5)和(8-6)，各端口处的电压和电流可表示为
School of Electronic Engineering
S11 S22 S11S22 S12 S 21 1 B Z1 Z 2 2 S21
1 S11 S22 S11S22 S12 S 21 1 C 2 S21 Z1 Z 2
D Z 2 S11 S22 S11S22 S12 S 21 1 Z1 2 S21
6/35
二端口网络的矩阵表示
School of Electronic Engineering
图8.4 微带缝隙电容集总等效电路与全波仿真S参数比较. (a) 幅度; (b) 相移
EMW Propagation Engineering 7/35