微波網路

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微波網路理論主要研究微波電路的分析和設計方法,它與電磁場理論(見電磁場基本定理)同為微波領域中的主要理論基礎。複雜的微波網路由許多簡單的微波網路所組成,後者有不同的分類方法。微波網路分析主要包括外特性分析、靈敏度分析和容差分析。

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正文

各類電子系統中用於檢測、傳輸、處理信息或能量的微波電路。微波網路理論主要研究微波電路的分析和設計方法,它與電磁場理論(見電磁場基本定理)同為微波領域中的主要理論基礎。
分類 複雜的微波網路由許多簡單的微波網路所組成,後者有不同的分類方法。如按網路外接的傳輸線連線埠數可分為一連線埠、二連線埠、多連線埠的微波網路;按電路元件的性質可分為有源和無源的微波網路、線性和非線性的微波網路、可逆和非可逆的微波網路等。
無源微波網路 屬於二連線埠網路的有微波濾波器、模式變換器(用於將波導中的一種電磁波模式變換成另一種)、極化變換器(用於改變波導中電磁波的極化性質)、移相器、鐵氧體和隔離器等。屬於三連線埠網路的有功率分配器、鐵氧體 Y形環形器等。屬於四連線埠網路的有微波混合接頭定向耦合器和定向濾波器等。用於微波多路通信的多工器屬於多連線埠網路,其功能是把一個寬頻帶信道分割成若干窄頻帶信道,使信號分別從不同的連線埠輸出。多工器可由多個定向濾波器連線而成,或由帶通濾波器及匹配雙T電橋組合而成。
有源微波網路 典型的二連線埠網路是微波電晶體放大器,採用雙極型電晶體場效應電晶體可構成低噪聲放大器功率放大器寬頻放大器和窄頻帶放大器。典型的三連線埠網路是微波混頻器,常用肖特基勢壘二極體作混頻管,為了降低混頻器噪聲還可用二隻混頻管組成平衡混頻器。用於低噪聲放大的參量放大器也是一種三連線埠網路,其典型結構由一個三連線埠Y形環行器和一個二連線埠反射式放大器組成。信號自環行器的一個連線埠輸入,經接於第二連線埠的反射式放大器放大後,由環行器的第三連線埠輸出。反射式放大器具有信號連線埠和泵源連線埠,輸入信號經變容管的非線性電容吸取泵源功率而獲得增益。
參量 任何微波網路的特性都可以用某一組網路參量來表示。描述 n連線埠網路的電壓{U1, U2, …,Un}與電流{I1, I2,…, In}之間關係的網路參量,有阻抗參量{Zij|j,j=1,2,…,n}或導納參量{Yij|j,j=1,2,…,n}(圖a),即關係式

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適用於二連線埠網路的網路參量有轉移參量{A,B,C,D}(圖b),即關係式

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描述網路各連線埠上入射波幅度{ɑ1,ɑ2,…,ɑn}與反射幅度{b1,b2,…,bn}之間關係的網路參量為散射參量{Sij|j,j=1,2,…,n}(圖a),即關係式

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適用於2n連線埠網路的有傳輸參量{Tij|j,j=1,2,…,n}(圖c),即關係式

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上述五組參量都可用矩陣形式表示,並可以互相轉換。網路參量可通過理論計算或實驗測量的方法來確定。簡單網路的參量可以根據電路定理直接計算;含有不連續性的複雜網路須根據電磁場邊值問題的數學模型,利用數值解法計算;對於含有源器件的網路或十分複雜的微波網路,需要藉助微波網路分析儀或六連線埠反射計等專用儀器測定其網路參量。

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分析 微波網路分析主要包括外特性分析、靈敏度分析和容差分析。①外特性分析:求出輸入連線埠的激勵與輸出連線埠的回響兩者之間的函式關係。頻域分析法和時域分析法分別適用於分析微波網路的穩態特性和瞬態特性。時域分析的基本方法有拉普拉斯變換法、伴隨網路法和狀態變數法等。②靈敏度分析:目的是獲得微波網路中各元件值或參量值的變化對網路外特性的影響,主要是分析散射參量的靈敏度,常用直接法和伴隨網路法進行分析。③容差分析:是微波網路計算機輔助設計的一項重要內容。對於已完成設計的網路,還須定量計算各元件參量值的偏差對網路外特性的總影響。元件參量值的偏差與製造公差、模型的近似性以及測量誤差等有關。容差分析有最壞情況分析和統計容差分析等方法。
綜合 在給定網路輸入連線埠的激勵和輸出連線埠的回響特性的條件下,設計網路結構並確定其中各元件的參量。一般可襲用低頻網路綜合理論中的零點-極點法進行綜合,如微波濾波器原型、電晶體放大器的寬頻帶匹配網路等;也可用級聯網路的反射係數進行綜合,如阻抗變換器和定向耦合器等。
參考書目
 李嗣范:《微波元件原理與設計》,人民郵電出版社,北京,1982。

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