回顧：第二章傳輸線理論第五章匹配理論第三章傳輸線和波導(dǎo)并聯(lián)短截線串連短截線四分之一波長(zhǎng)變換器波的傳輸模式波的傳播媒質(zhì)長(zhǎng)度、傳播常數(shù)和特性阻抗表征的分布元件基于電磁理論回顧：低頻電路：線路尺度＜＜工作波長(zhǎng)基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電流定律阻抗基于電路理論在微波傳輸?shù)倪^(guò)程中，需要應(yīng)用許多微波元器件。發(fā)送/接收單元示意圖微波網(wǎng)絡(luò)概念第四章微波網(wǎng)絡(luò)分析研究微波網(wǎng)絡(luò)理論的主要目的

(1)分析微波器件、部件和系統(tǒng)的工作特性

(2)微波電路和元器件的綜合設(shè)計(jì)微波網(wǎng)絡(luò)理論建立的基礎(chǔ)(1)電路理論(2)傳輸線理論(3)電磁場(chǎng)理論低頻電路和微波電路的主要區(qū)別？電磁場(chǎng)分析法：利用麥克斯韋方程組加邊界條件求出元件中場(chǎng)分布，再求其傳輸特性。

由于元件的邊界條件復(fù)雜，因此一般求解很困難。分析微波元器件的方法優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)果精確

是“路”分析方法的基礎(chǔ)缺點(diǎn)計(jì)算過(guò)程復(fù)雜

計(jì)算工作量大

無(wú)法對(duì)復(fù)雜的電路進(jìn)行分析，無(wú)法得出系統(tǒng)特性網(wǎng)絡(luò)分析法：在微波系統(tǒng)中，通常關(guān)心元器件的外部傳輸參量，而不關(guān)心其內(nèi)部場(chǎng)分布。因此可采用網(wǎng)絡(luò)法。優(yōu)點(diǎn)方法簡(jiǎn)單，可借鑒低頻電路的一些分析方法電路和系統(tǒng)的特性清晰缺點(diǎn)結(jié)果近似

微波電路與系統(tǒng)的完整實(shí)現(xiàn)是兩種方法結(jié)合的結(jié)果微波網(wǎng)絡(luò)分析的基本過(guò)程？場(chǎng)路微波網(wǎng)絡(luò)方法

微波網(wǎng)絡(luò)方法：以微波元件及組合系統(tǒng)為對(duì)象，利用等效電路的方法研究它們的傳輸特性及其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的方法。此方法為微波電路和系統(tǒng)的等效電路分析方法。把微波元件用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)等效，應(yīng)用電路和傳輸線理論，求取網(wǎng)絡(luò)各端口間信號(hào)的相互關(guān)系。這種方法不能得到元件內(nèi)部的場(chǎng)分布，工程上關(guān)心的是元件的傳輸特性和反射特性（相對(duì)于端口）。第四章微波網(wǎng)絡(luò)分析本章內(nèi)容及其重難點(diǎn)等效電壓與電流描述微波網(wǎng)絡(luò)的主要的網(wǎng)絡(luò)矩陣參數(shù)及其定義網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的意義與計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)流圖波導(dǎo)的激勵(lì)與耦合

第四章微波網(wǎng)絡(luò)分析微波網(wǎng)絡(luò)的分類按網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)分類

線性網(wǎng)絡(luò)（無(wú)源網(wǎng)絡(luò)）非線性網(wǎng)絡(luò)（有源網(wǎng)絡(luò)）互易網(wǎng)絡(luò)非互易網(wǎng)絡(luò)有源網(wǎng)絡(luò)包含微波有源器件的網(wǎng)絡(luò)微波有源器件可以產(chǎn)生微波能量或?qū)ξ⒉ㄐ盘?hào)進(jìn)行放大。常見(jiàn)的有源器件有：振蕩器，放大器，微波管等等。無(wú)源網(wǎng)絡(luò)只包含線性互易元件的網(wǎng)絡(luò)互易網(wǎng)絡(luò)一般說(shuō)來(lái)，內(nèi)部含有磁化鐵氧體、磁化等離子體、晶體、有源器件的微波網(wǎng)絡(luò)才是非互易網(wǎng)絡(luò)。例如，一根常規(guī)的微波波導(dǎo)，無(wú)論從那個(gè)端口輸入微波能量，其傳輸特性都是相同的，因此，它是互易網(wǎng)絡(luò)。非互易網(wǎng)絡(luò)

如果在波導(dǎo)中放置一條磁化鐵氧體，則當(dāng)微波能量從不同的端口輸入時(shí)，其傳輸特性就完全不同。這種內(nèi)部放置了磁化鐵氧體的波導(dǎo)，就是所謂隔離器。隔離器只能單向傳輸微波功率，是非互易網(wǎng)絡(luò)。按網(wǎng)絡(luò)的端口分類單端口網(wǎng)絡(luò)雙端口網(wǎng)絡(luò)三端口網(wǎng)絡(luò)

N端口網(wǎng)絡(luò)本章主要內(nèi)容等效電壓和電流的概念；阻抗的概念；阻抗和導(dǎo)納矩陣散射矩陣傳輸矩陣4.1等效電壓與電流和阻抗傳輸線的等效電壓和電流概念在微波頻率下,電壓和電流的直接測(cè)量困難。TEM傳輸線存在著唯一的電壓和電流定義，由此定義的傳輸線特征阻抗等參量也是唯一的。TEM模的電壓和電流以平行雙導(dǎo)線為例以帶狀線為例非TEM模式的等效電壓與電流特點(diǎn)定義不唯一與傳播模式有關(guān)特征阻抗的絕對(duì)值無(wú)意義，常常采用歸一值非TEM傳輸線的電壓與電流定義不唯一，導(dǎo)致由此定義的傳輸線特征阻抗定義不唯一以矩形波導(dǎo)為例引入“路”的方法引入“等效電壓”與“等效電流”的概念

等效電壓、電流和阻抗非TEM模式等效電壓和電流定義的基本思路1.電壓正比于橫向電場(chǎng)，電流正比于橫向磁場(chǎng)2.等效電壓和電流的乘積必須等于該模式的功率流3.入射波電壓和入射波電流的比值為傳輸線特征阻抗一般歸一為1

等效電壓、電流和阻抗橫向電場(chǎng)和磁場(chǎng)與等效電壓和電流的關(guān)系等效原則——保持功率不變例如，設(shè)正向行波為其中et和ht分別表示橫向電場(chǎng)和磁場(chǎng)在傳輸線橫截面上的分布由功率不變的原則，必須有顯然有這是等效電壓和電流滿足的基本條件，這樣定義的電壓和電流又稱為模式矢量電壓和電流。

等效電壓、電流和阻抗矩形波導(dǎo)TE10模的等效電壓和電流設(shè)令以矩形波導(dǎo)的TE10模為例顯然有等效電壓和電流等效電壓等效電流波阻抗等效電壓和電流的比值是波阻抗而不能完全替代傳輸線的特征阻抗，因此不能正確反映傳輸線的工作狀況等效電壓、等效電流和阻抗的歸一化例：矩形波導(dǎo)TE10模的波阻抗為即，兩個(gè)寬度相同，高度不同的波導(dǎo)波阻抗是相同的，但它們相連接時(shí)，連接處顯然會(huì)出現(xiàn)反射，而用波阻抗來(lái)代替特征阻抗得不出結(jié)果歸一電壓和電流的定義

由于反射系數(shù)是唯一并可測(cè)的因此，歸一阻抗可唯一確定，并滿足功率不變?cè)瓌t。

歸一入射電壓、電流和歸一反射電壓、電流歸一特征阻抗顯然，上面的歸一定義是滿足功率不變?cè)瓌t的。4.2阻抗和導(dǎo)納矩陣阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣的定義

如圖所示的網(wǎng)絡(luò),Vi和Ii分別代表第i個(gè)端口的輸入電壓和電流，則該網(wǎng)絡(luò)的[Z]矩陣和[Y]矩陣定義如下：

阻抗矩陣寫成矩陣形式有4.2阻抗和導(dǎo)納矩陣導(dǎo)納矩陣寫成矩陣形式有阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣分別可簡(jiǎn)寫為:阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣的關(guān)系或4.2阻抗和導(dǎo)納矩陣[Z]矩陣和[Y]矩陣參數(shù)的意義

Z矩陣

Zii是除第i個(gè)端口外,其余端口都開(kāi)路時(shí),i端口的自阻抗Zij是除第j個(gè)端口外,其余端口都開(kāi)路時(shí),端口i和端口j之間的轉(zhuǎn)移阻抗,又稱為互阻抗。由上面的定義可計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣參數(shù)以T型網(wǎng)絡(luò)為例計(jì)算∏型網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣4.2阻抗和導(dǎo)納矩陣導(dǎo)納矩陣Yii是除第i個(gè)端口外,其余端口都短路時(shí),i端口的自導(dǎo)納Yij是除第i個(gè)端口外,其余端口都短路時(shí),端口j和端口i之間的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納（互導(dǎo)納）。同樣由上面的定義可計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)4.2.1互易網(wǎng)絡(luò)定義設(shè)網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端口分別為a和b，如果它們之間滿足如下關(guān)系，則這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的端口a和b是互易的。如果網(wǎng)絡(luò)所有端口之間都滿足上面的關(guān)系，則這個(gè)網(wǎng)絡(luò)稱為互易網(wǎng)絡(luò)。其中下標(biāo)a和b表示網(wǎng)絡(luò)中某處的兩個(gè)獨(dú)立源產(chǎn)生的等效電壓和電流。由此可以導(dǎo)出，互易網(wǎng)絡(luò)的Z和Y矩陣參數(shù)的關(guān)系如果網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱的，則有

4.2.2無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)

——網(wǎng)絡(luò)只有功率的交換沒(méi)有功率的損耗展開(kāi)，由阻抗和導(dǎo)納矩陣的定義，有可以證明由于端口電壓是任意的，由此得到，必有Re[Z]=0同樣的過(guò)程，有Re[Y]=04.3散射矩陣在微波頻段，電壓和電流已失去明確的物理意義，且難以直接測(cè)量由于測(cè)量所需參考面的開(kāi)路條件和短路條件在高頻情況下難以實(shí)現(xiàn)，故Z參數(shù)和Y參數(shù)也難以測(cè)量。為了研究微波電路和系統(tǒng)的特性，設(shè)計(jì)微波電路的結(jié)構(gòu)，需要引入一種在微波頻段能用直接測(cè)量方法確定的網(wǎng)絡(luò)矩陣參數(shù)，這樣的參數(shù)就是散射參數(shù)，簡(jiǎn)稱S參數(shù)。（可直接測(cè)量）4.3散射矩陣歸一入射波與歸一反射波如圖所示的網(wǎng)絡(luò)，各端口定義歸一入射電壓和電流、歸一反射電壓和電流4.3散射矩陣且有歸一入射電壓、電流和歸一反射電壓、電流與歸一端口電壓、電流的關(guān)系4.3散射矩陣歸一入射波和歸一反射波在S參數(shù)的定義中，歸一入射波和歸一反射波與入射電壓、電流、反射電壓和電流的關(guān)系定義為因而有4.3散射矩陣S矩陣的定義一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的散射參量定義為該網(wǎng)絡(luò)歸一反射波與歸一入射波的線性關(guān)系，即4.3散射矩陣寫成矩陣形式，有簡(jiǎn)寫為4.3散射矩陣或簡(jiǎn)寫為4.3散射矩陣散射參量的意義或即

Sii是除端口i之外,其余端口都匹配時(shí),端口i的反射系數(shù)。

4.3散射矩陣或即Sji是除端口i之外，其余端口都匹配時(shí)，由端口i到端口j的傳輸系數(shù)4.3散射矩陣散射矩陣與阻抗和導(dǎo)納矩陣的關(guān)系阻抗和導(dǎo)納矩陣的歸一化電壓和電流的歸一化且其中Zi0為端口i的端接的傳輸線特征阻抗。歸一后的電壓和電流仍然保持了功率不變性。4.3散射矩陣歸一阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣和未歸一阻抗和導(dǎo)納矩陣的關(guān)系其中4.3散射矩陣散射矩陣與歸一阻抗矩陣的關(guān)系其中[U]為單位矩陣，即4.3.1互易網(wǎng)絡(luò)與無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)互易網(wǎng)絡(luò)互易網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)性質(zhì)可由阻抗矩陣的特性導(dǎo)出,由(4.44)式，有又可以證明對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)，有4.3.1互易網(wǎng)絡(luò)與無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)如果網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱，則將對(duì)稱的口互換，其s參數(shù)應(yīng)該不變，因此必有由此可知對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)必定是互易網(wǎng)絡(luò)4.3.1互易網(wǎng)絡(luò)與無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)散射參量的性質(zhì)可由網(wǎng)絡(luò)的功率特性導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)無(wú)耗，有由歸一電壓和電流與歸一入射電壓和電流的關(guān)系，有4.3.1互易網(wǎng)絡(luò)與無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)則由于必有（么正性）4.3.1互易網(wǎng)絡(luò)與無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)幺正性的意義幺正性的實(shí)際上是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量守恒的結(jié)果。即：如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是無(wú)耗的，則網(wǎng)絡(luò)的輸入功率必然等于輸出功率和反射功率之和對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)，S12=S21，只要求測(cè)量S11，S12，S22

阻抗法：對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)用三次獨(dú)立測(cè)量確定參數(shù)：在T2參考面上選特定負(fù)載：匹配：短路：開(kāi)路：4.3雙端口網(wǎng)絡(luò)的一些討論

4.3.2參考平面的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)參考面移動(dòng)對(duì)入射和反射波的影響設(shè)在端口n參考面1上的入射波和反射波電壓為設(shè)參考面2與參考面1相比，遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)端口電長(zhǎng)度θn，則參考面2上有

4.3.2參考平面的移動(dòng)寫成矩陣形式，有由此得到參考面2上入射和反射波電壓和電流的關(guān)系即

4.4傳輸(ABCD)矩陣

——矩陣的基本定義ABCD矩陣（又稱為A矩陣）反映了雙端口網(wǎng)絡(luò)的輸出和輸入的關(guān)系，因此當(dāng)需要處理網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)問(wèn)題時(shí)，采用ABCD矩陣比較方面

4.4傳輸(ABCD)矩陣

——矩陣的基本定義傳輸矩陣的定義寫成矩陣形式，有

4.4傳輸(ABCD)矩陣

——矩陣參數(shù)的意義與計(jì)算端口2開(kāi)路時(shí)的端口1到端口2的電壓轉(zhuǎn)移系數(shù)

端口2短路時(shí)端口1與端口2的轉(zhuǎn)移阻抗

端口2開(kāi)路時(shí)的端口1與端口2的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納

端口2短路時(shí)的端口1到端口2的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)4.4傳輸(ABCD)矩陣

——網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的應(yīng)用由網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)2、網(wǎng)絡(luò)2和網(wǎng)絡(luò)3的關(guān)系，有4.4傳輸(ABCD)矩陣

——網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的應(yīng)用由此得到即級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸矩陣為各網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣的乘積。4.4傳輸(ABCD)矩陣

——?dú)w一化傳輸矩陣設(shè)有4.4傳輸(ABCD)矩陣

——?dú)w一化傳輸矩陣于是由此展開(kāi)后有4.4.1與阻抗矩陣的關(guān)系與阻抗矩陣的關(guān)系4.4.1與阻抗矩陣的關(guān)系傳輸矩陣的性質(zhì)互易網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)A、D：實(shí)數(shù)B、C：虛數(shù)

歸一傳輸矩陣與s矩陣的關(guān)系

歸一傳輸矩陣與s矩陣的關(guān)系S參量與A參量S參量的物理量是歸一化入波a和歸一化出波b，并以微波網(wǎng)絡(luò)為參考方向。A參量的物理量是總電壓波和總電流波，并以波源到負(fù)載的方向?yàn)閰⒖挤较?。S參量是歸一化量，其值與輸入、輸出傳輸線的特征阻抗有關(guān)。A參量既可以是歸一化量也可以是非歸一化量，當(dāng)其為歸一化量時(shí)與輸入、輸出傳輸線的特征阻抗有關(guān)；當(dāng)其為非歸一化量時(shí)與輸入、輸出傳輸線的特征阻抗無(wú)關(guān)。4.5信號(hào)流圖在微波網(wǎng)絡(luò)中，用散射參量方程求解，常常會(huì)遇到復(fù)雜的運(yùn)算，難以得到簡(jiǎn)明的結(jié)果。訊號(hào)流圖概念的引入，將有助于免去對(duì)散射方程的復(fù)雜運(yùn)算，容易得到所需的結(jié)果。流圖中的變量為歸一入射波和反射波，變量間的關(guān)系常數(shù)都是散射參數(shù)和反射系數(shù)。

4.5信號(hào)流圖

——網(wǎng)絡(luò)訊號(hào)流圖的建立法則

每個(gè)變量（訊號(hào)）a1、a2、a3、.....和b1、b2、......都用一個(gè)結(jié)點(diǎn)（小圓圈）表示。每個(gè)s參數(shù)和反射系數(shù)都用一條支線（線段）表示。支線上的箭頭方向表示訊號(hào)流圖的方向，支線旁的系數(shù)表示訊號(hào)流圖的系數(shù)。節(jié)點(diǎn)上訊號(hào)流的大小，等于該流圖訊號(hào)乘以它所經(jīng)支線旁的系數(shù)，而與其他支線的訊號(hào)流通無(wú)關(guān)。節(jié)點(diǎn)上流入訊號(hào)的總和等于該結(jié)點(diǎn)的訊號(hào)，而與流出的訊號(hào)無(wú)關(guān)。

4.5信號(hào)流圖

——散射方程的訊號(hào)流圖表示

例1

例2例3

例44.5信號(hào)流圖

——常用簡(jiǎn)單微波網(wǎng)絡(luò)的訊號(hào)流圖

短截線

信號(hào)源負(fù)載串聯(lián)阻抗

4.5信號(hào)流圖

——訊號(hào)流圖拓?fù)渥儞Q的基本法則相乘法則

兩個(gè)串聯(lián)支路可合并在一起，合并后支路的系數(shù)為原兩個(gè)串聯(lián)支路系數(shù)的積。

相加法則

兩個(gè)并聯(lián)支路可合并在一起，合并后支路的系數(shù)為原兩個(gè)并聯(lián)支路系數(shù)之和。

4.5信號(hào)流圖

——訊號(hào)流圖拓?fù)渥儞Q的基本法則單環(huán)消除法則

將所有進(jìn)入單環(huán)（自閉環(huán)）的支路系數(shù)除以1-Q，即可把單環(huán)消去。其中Q是單環(huán)的環(huán)路值。

4.5信號(hào)流圖

——訊號(hào)流圖拓?fù)渥儞Q的基本法則結(jié)點(diǎn)分裂法則

一個(gè)結(jié)點(diǎn)可以分裂成幾個(gè)結(jié)點(diǎn)，分裂后的圖形仍保持原來(lái)結(jié)點(diǎn)上的輸入，輸出的結(jié)合。單結(jié)點(diǎn)上如有單環(huán)，則分裂后的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)上都有一個(gè)單環(huán)。

4.5信號(hào)流圖

——應(yīng)用例：如圖所示的微波網(wǎng)絡(luò)，試用訊號(hào)流圖求出其輸入反射系數(shù)

信號(hào)流圖拓?fù)渥儞Q的圖解過(guò)程4.6不連續(xù)性和模式分析

——常見(jiàn)傳輸線的不連續(xù)性及其等效電路4.6不連續(xù)性和模式分析

——常見(jiàn)傳輸線的不連續(xù)性及其等效電路4.7波導(dǎo)的激勵(lì)—電流和磁流激勵(lì)和耦合是將微波能量饋入到波導(dǎo)和傳輸線的主要方式。波導(dǎo)的激勵(lì)與耦合滿足如下的規(guī)律功率正交性在一個(gè)沒(méi)有任何損耗（理想導(dǎo)電壁）的金屬空心柱形波導(dǎo)中，每一種能夠傳播的模傳送能量時(shí)，與所有可能出現(xiàn)的其他模式無(wú)關(guān)。這個(gè)結(jié)論稱為功率的正交性。奇耦禁戒

對(duì)于偶對(duì)稱的激勵(lì)，只能激勵(lì)出偶對(duì)稱的的模式，對(duì)于奇對(duì)稱（反對(duì)稱）的激勵(lì)，只能激勵(lì)出奇對(duì)稱的模式。

4.7波導(dǎo)的激勵(lì)—電流和磁流

——常見(jiàn)的激勵(lì)和耦合方式激勵(lì)方式的分類按物理方式分類電場(chǎng)激勵(lì)磁場(chǎng)激勵(lì)電流激勵(lì)波導(dǎo)中主要的激勵(lì)裝置探針激勵(lì)環(huán)激勵(lì)孔激勵(lì)電子流激勵(lì)波形轉(zhuǎn)換4.7波導(dǎo)的激勵(lì)—電流和磁流

——常見(jiàn)的激勵(lì)和耦合方式4.7波導(dǎo)的激勵(lì)—電流和磁流

——波導(dǎo)中的面電流片4.7波導(dǎo)的激勵(lì)—電流和磁流4.7.1只激勵(lì)一個(gè)波導(dǎo)模式的電流片激勵(lì)單個(gè)TEmn模式的電流源激勵(lì)單個(gè)TMmn模式的電流源4.7波導(dǎo)的激勵(lì)—電流和磁流激勵(lì)單個(gè)T