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第5章 微波网络理论基础 引言 不均匀区等效为双端口网络 §5.1均匀传输系统与双线的等效 等效电压、等效电流 归一化等效电压和归一化等效电流 多模波导的等效电路 §5.2微波网络参量 微波网络参量的定义及物理意义 阻抗参量物理意义 导纳参量定义及物理意义 归一化与非归一化 散射参量定义 散射参量物理意义 S参量模值与端口参考面无关 [Z], [Y]与[S] 之间的关系 网络参量的性质 互易定理 互易网络的性质 互易网络的性质 无耗网络的性质 对称网络的性质 作业 * * §5.1 均匀传输系统与双线的等效 §5.2 微波网络参量 §5.3 二端口网络 §5.4 三端口网络 §5.5 四端口网络 §5.6 等效信号源法 §5.7 信号流图在微波网络分析中的应用 §5.0 引言 实际中的微波系统是由各种微波元件和微波传输线连接而组成的。 这些元件的引入相当于在传输系统中加入了一系列的不均匀区，本章讨论这些不均匀区分析方法 对微波元件的分析原则上可用电磁场理论的方法，其处理问题的途径是应用麦克斯韦方程及元件的特定边界条件，求解出系统中电磁场的空间分布及工作特性，这种方法严格、准确。但当元件的边界很复杂时，要把它们做为边值问题处理是极其困难的甚至是不可能的。 在实际工程应用中，往往采用等效的方法，把微波元件等效为“网络”，将微波传输线等效为双线，用类似于低频网络理论的方法来进行分析。 各种微波元件的功能不同，其结构也不同，如激励元件、阻抗匹配元件、衰减及相移元件、分支元件、连接元件及检测元件等. 右图中，在一工作于基模的单模波导W中，插入任意不均匀区V，输入波导W1中的TE10波从左方入射到不均匀区以后，在不均匀区V及其邻近的近区V1、V2激励起相当复杂的场以满足不连续的边界条件。 由于W是单模波导，高次模式做为截止波型随着离开不均匀区而迅速衰减，在距离不均匀区稍远的地方T1和T2参考面以外的波导远区中，就只剩下单一模式的传输波。 不均匀区对T1和T2外单模波导产生的影响可由输入波导W1中的反射波与输出波导W2中的透射波来描述。因此在单模波导的远区中，只要知道了由于插入不均匀区所引起的反射波和透射波的相对振幅与相位，就可以唯一地确定该不均匀区的特性 这时可将V及其邻近区域V1、V2用双端口网络来代替，将连接的单模波导用等效的平行双线来代替，如右图 因而可以采用网络理论来分析微波元件的特性，避免了对不均匀区结构内部场的复杂计算。 引言 将微波传输系统中各种结构内的电磁问题转化为电路问题，涉及到下面三个问题： ⑴ 确定网络参考面 ⑵ 将均匀单模传输线等效为双线 ⑶ 将不均匀区（包括其近区的导波系统）等效为网络 本节讨论将均匀单模传输线等效为双线。 包括双线的所有传输线系统在传输电磁能量的规律上十分相似。不同的是场结构 如果其他传输线系统中只传输一种模式的波，它们与双线非常相似。 平行双线上存在着分别对应于横向电场和横向磁场的单值电压波和电流波 在像波导这样的传输线系统中，不存在与双线上电压、电流波同样物理意义的单值电压波和电流波。等效目的是求出与传输模式对应的电压、电流。从而套用长线理论 下面引入等效电压、电流参量。 等效可行性 等效目的 在微波技术中，功率不仅具有确定的意义，也是可以直接测量，因此通过功率关系引入等效电压、等效电流 根据坡印亭定理，均匀传输系统中传输的功率为 式中ET和HT分别为电场和磁场的横向分量，S为传输系统的横截面积 由式可见，在单模传输下，微波传输线上的传输功率由该模式的横向电场和横向磁场分量决定，而与场的纵向分量无关。为此定义等效电压V和等效电流I分别与横向电场ET和横向磁场HT成正比，可表示如下 是二维矢量实函数，通常称为模式矢量函数，它们表示工作模式的场在传输线横截面上的分布。 则等效电压V和等效电流I满足功率关系： 若恰当选择模式矢量函数，使 仅满足功率关系，等效电压V和等效电流I还不能唯一确定。利用微波技术中的反射系数Γ这一基本参量，可消除不确定性。 双线的等效 传输线理论中阻抗Z与反射系数Γ之间的关系式如下： 传输线的特性阻抗Zc在波导这类色散波系统中的计算具有人为性，不是单值的。为了克服这一困难，将上式的两边同除以特性阻抗Zc，得到 上式中引入了归一化电压、归一化电流 所以由功率及反射系数这两个可测量就可以决定归一化电压 和归一化电流 因为