射頻網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)吉大通信PPT課件

1、 二端口低頻網(wǎng)絡(luò)參量3.1二端口射頻網(wǎng)絡(luò)參量3.2二端口網(wǎng)絡(luò)的參量特性3.3二端口網(wǎng)絡(luò)的參量互換3.4多端口網(wǎng)絡(luò)的散射參量3.5 第1頁/共56頁3.1 二端口低頻網(wǎng)絡(luò)參量對一個線性網(wǎng)絡(luò)特征的描述，可以采用網(wǎng)絡(luò)參量的形式給出。描述低頻線性網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出的物理量是電壓和電流，低頻網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參量通過電壓和電流的關(guān)系給出。第2頁/共56頁 二端口網(wǎng)絡(luò)電壓和電流的基本規(guī)定如圖3.1所示，圖中標明了電壓和電流的極性和方向，其中電流的下標標明了它將流入的相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)端口，電壓的下標標明了測量該電壓的相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)端口。圖3.1 二端口網(wǎng)絡(luò)的電壓和電流第3頁/共56頁 二端口網(wǎng)絡(luò)提供了電壓和電流的4個變量，分別為v1

2、、v2、i1和i2，這4個變量有不同的組合方式，因而對應(yīng)著不同的網(wǎng)絡(luò)參量。 常用的網(wǎng)絡(luò)參量有4種，分別稱為阻抗參量、導納參量、混合參量和轉(zhuǎn)移參量，視具體應(yīng)用場合，可選擇一種最適合電路特性的網(wǎng)絡(luò)參量。下面分別介紹上述4種網(wǎng)絡(luò)參量。第4頁/共56頁 3.1.1 阻抗參量 根據(jù)圖3.1，用二端口網(wǎng)絡(luò)2個端口上的電流表示2個端口上的電壓，網(wǎng)絡(luò)方程為或?qū)懗墒剑?.2）可以表示為第5頁/共56頁 式中Z稱為阻抗參量或阻抗矩陣。第6頁/共56頁 例3.1 已知T型網(wǎng)絡(luò)如圖，計算該網(wǎng)絡(luò)的阻抗參量。圖3.2 例3.1用圖第7頁/共56頁 3.1.2 導納參量根據(jù)圖3.1，用二端口網(wǎng)絡(luò)2個端口上的電壓表示2個端口

3、上的電流，網(wǎng)絡(luò)方程為或?qū)懗傻?頁/共56頁 式中Y稱為導納參量或?qū)Ъ{矩陣。 第9頁/共56頁 例3.2 已知 型網(wǎng)絡(luò)如圖，計算該網(wǎng)絡(luò)的導納參量。 圖3.3 例3.2用圖第10頁/共56頁 3.1.3 混合參量 根據(jù)圖3.1，用二端口網(wǎng)絡(luò)的i1和v2表示v1和i2，網(wǎng)絡(luò)方程為h稱為混合參量或混合矩陣。第11頁/共56頁 3.1.4 轉(zhuǎn)移參量根據(jù)圖3.1，用端口2的電壓和電流表示端口1的電壓和電流，且規(guī)定進網(wǎng)絡(luò)的方向為電流正方向，網(wǎng)絡(luò)方程為 或?qū)懗傻?2頁/共56頁 令 式中ABCD稱為轉(zhuǎn)移參量或轉(zhuǎn)移矩陣，也稱為ABCD矩陣。 ABCD矩陣特別適合于描述級連網(wǎng)絡(luò)。第13頁/共56頁 圖3.5 網(wǎng)絡(luò)

4、N1和N2相級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)N1和N2級連后的轉(zhuǎn)移矩陣為第14頁/共56頁 例3.4 分別計算串聯(lián)阻抗Z,并聯(lián)導納Y，T型網(wǎng)絡(luò)和 型網(wǎng)絡(luò)的ABCD 矩陣。圖3.6 例3.4用圖第15頁/共56頁3.2 二端口射頻網(wǎng)絡(luò)參量在射頻頻段，用散射參量S描述網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參量。S參量是在各端口匹配時用入射電壓和反射電壓之間的關(guān)系得到的，射頻電路利用S參量就可以避開不現(xiàn)實的終端條件，同時使參數(shù)易于測量。第16頁/共56頁 S參量可以表征射頻器件的特征，在絕大多數(shù)涉及射頻系統(tǒng)的技術(shù)資料和設(shè)計手冊中，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)都由S參量表示。對于級連網(wǎng)絡(luò)，射頻電路可以利用T參量簡化對網(wǎng)絡(luò)的分析。本節(jié)介紹S參量和T參量這2種射頻網(wǎng)絡(luò)參量。第

5、17頁/共56頁 3.2.1 散射參量在射頻頻段內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)端口與外界連接的是各類傳輸線，端口上的場量由入射波和反射波疊加而成，散射參量采用入射行波和反射行波的歸一化電壓表征各網(wǎng)絡(luò)端口的相互關(guān)系。下面討論散射參量的特性。第18頁/共56頁 1. 歸一化參量圖3.9 歸一化入射電壓和歸一化反射電壓的定義第19頁/共56頁 1端口和2端口的平均功率為式（3.35）和式（3.36）是非常有意義的，它表明傳遞到每個端口的有效功率為歸一化入射功率減去歸一化反射功率。第20頁/共56頁 2. 散射參量的定義二端口網(wǎng)絡(luò)中歸一化入射電壓和歸一化反射電壓的關(guān)系用方程表示為將式（3.37）寫成矩陣形式，為第21頁/共

6、56頁 上式可以簡寫成 式中，S稱為散射矩陣或散射參量。第22頁/共56頁 上述散射參量用于射頻頻段有許多優(yōu)點，簡述如下: （1）散射參量用來表示網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)和傳輸特性非常方便，而且它給出了一個網(wǎng)絡(luò)端口之外的完整特性描述。 （2）散射參量沒有使用開路或短路描述方式。在射頻電路中如果出現(xiàn)短路或開路的情況，將引起強烈的反射，會導致振蕩的產(chǎn)生，并引起晶體管元件的損壞。 （3）散射參量要求各端口使用匹配負載，因匹配負載可以吸收全部的入射功率，從而消除了過強的能量反射，降低了對源和設(shè)備損傷的可能性。第23頁/共56頁 例3.8 已知二端口網(wǎng)絡(luò)的散射系數(shù)矩陣S和負載反射系數(shù)，求其輸入端的反射系數(shù)和歸一化

7、輸入阻抗。圖3.10 例3.8用圖第24頁/共56頁 S21 表示網(wǎng)絡(luò)的正向電壓增益 S12 表示網(wǎng)絡(luò)的反向電壓增益3. S12和S21的物理意義第25頁/共56頁 4. 網(wǎng)絡(luò)參考面的平移 當網(wǎng)絡(luò)的參考面選定后，所定義的射頻網(wǎng)絡(luò)就是由這些參考面所包圍的區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)的散射參量也就唯一確定。但如果網(wǎng)絡(luò)的參考面位置改變，網(wǎng)絡(luò)的散射參量也隨之改變。第26頁/共56頁 圖3.12 網(wǎng)絡(luò)參考面的平移第27頁/共56頁 3.2.2 傳輸參量用T2參考面上的歸一化電壓入射波和歸一化電壓反射波表示T1參考面上的歸一化電壓入射波和歸一化電壓反射波，網(wǎng)絡(luò)方程為寫成矩陣形式為第28頁/共56頁 令T稱為傳輸參量或傳輸矩

8、陣。第29頁/共56頁 對于傳輸矩陣分別為T1，T2，.，Tn的n個二端口網(wǎng)絡(luò)的級連，同樣可以得到組合后的傳輸矩陣T為各分網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣的乘積，即第30頁/共56頁3.3 二端口網(wǎng)絡(luò)的參量特性3.3.1 互易網(wǎng)絡(luò)互易網(wǎng)絡(luò)是指滿足互易原理的網(wǎng)絡(luò)。在一個無源線性網(wǎng)絡(luò)中，交換激勵點與響應(yīng)點的位置，若在同樣大的激勵下產(chǎn)生同樣大的響應(yīng)，則稱此網(wǎng)絡(luò)為互易網(wǎng)絡(luò)。 第31頁/共56頁 例如，假定1端口參考面上加電流i1，2端口開路，2端口參考面上呈現(xiàn)的電壓為v2；然后倒過來，2端口參考面上加電流i2，且i2=i1，1端口開路，如果這時1端口參考面上呈現(xiàn)的電壓為v1，且v1=v2，則Z12=Z21。稱這樣的網(wǎng)絡(luò)為

9、互易網(wǎng)絡(luò)。 互易網(wǎng)絡(luò)僅適用于含有線性雙向阻抗的無源網(wǎng)絡(luò)，滿足該條件的無源網(wǎng)絡(luò)可含有電阻、電容、電感或變壓器等線性無源器件。由鐵氧體各向異性媒質(zhì)構(gòu)成的元件及有源電路不是互易網(wǎng)絡(luò)。一個互易二端口網(wǎng)絡(luò)最多只有3個獨立的參量。例3.1、3.2、3.4是無源線性網(wǎng)絡(luò)，均為互易網(wǎng)絡(luò)。第32頁/共56頁二端口互易網(wǎng)絡(luò)有如下特性第33頁/共56頁3.3.2 對稱網(wǎng)絡(luò)對稱網(wǎng)絡(luò)是互易網(wǎng)絡(luò)一個特例。若互易網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)具有對稱性，則網(wǎng)絡(luò)稱為對稱網(wǎng)絡(luò)。對稱網(wǎng)絡(luò)中電子元件的大小及尺寸位置對稱分布。 一個對稱二端口網(wǎng)絡(luò)2個端口參考面上的輸入阻抗、輸入導納以及電壓反射系數(shù)一一對應(yīng)相等。 第34頁/共56頁 對稱網(wǎng)絡(luò)首先是互易網(wǎng)

10、絡(luò)，二端口對稱網(wǎng)絡(luò)具有下列特性第35頁/共56頁 3.3.3 無耗網(wǎng)絡(luò)若網(wǎng)絡(luò)的輸入功率等于網(wǎng)絡(luò)的輸出功率，這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為無耗網(wǎng)絡(luò)。 二端口無耗網(wǎng)絡(luò)的阻抗參量和導納參量均為虛數(shù)，即二端口無耗網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移參量為：A和D為實數(shù)，B和C為純虛數(shù) 。第36頁/共56頁3.4 二端口網(wǎng)絡(luò)的參量互換3.4.1 網(wǎng)絡(luò)參量Z、Y、h、ABCD之間的相互轉(zhuǎn)換Z、Y、h、ABCD均是表征總電壓和總電流之間關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)參量，因此它們之間的相互關(guān)系容易導出。第37頁/共56頁 例如，將式（3.1）中的電壓v1和v2作自變量、電流i1和i2作因變量，可以得到第38頁/共56頁第39頁/共56頁3.4.2 網(wǎng)絡(luò)參量S和T之間的

11、相互轉(zhuǎn)換S、T均是表征入射電壓和反射電壓之間關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)參量，因此它們之間的相互關(guān)系也容易導出。第40頁/共56頁例如，將式（3.37）中的a2和b2作自變量、a1和b1作因變量，可以得到第41頁/共56頁第42頁/共56頁 3.4.3 網(wǎng)絡(luò)參量Z、Y、h、A與網(wǎng)絡(luò)參量S之間的相互轉(zhuǎn)換這里只討論 的情況。00201ZZZ第43頁/共56頁 由式（3.31）（3.34）可知，在二端口網(wǎng)絡(luò)T1和T2個參考面上，電壓V1和V2及電流I1和I2可以表示成第44頁/共56頁第45頁/共56頁 第46頁/共56頁3.5 多端口網(wǎng)絡(luò)的散射參量3.5.1 多端口網(wǎng)絡(luò)散射參量的定義 設(shè)多端口網(wǎng)絡(luò)各端口參考面上的歸一化入射波電壓為a1,a2,.,an，歸一化反射波電壓為b1， b2， .， bn，應(yīng)用疊加定理可以寫出多端口網(wǎng)絡(luò)歸一化入射波電壓和歸一化反射波電壓間關(guān)系的線性方程為第47頁/共56頁式（3.80）寫成矩陣形式為第48頁/共56頁 或簡寫成 式中，S為多端口網(wǎng)絡(luò)的散射參量或散射矩陣。第49頁/共56頁 3.5.2 常見的多端口射頻網(wǎng)絡(luò)1Wilkinson（威爾金森）功率分配器Wilkinson功率分配器是三端口網(wǎng)絡(luò)，它的微帶結(jié)構(gòu)如圖所示。第