1、第四章 微波网络,4.1 引言,微波网络理论是微波工程中的强有力的工具。传输线理论对于均匀传输线和简单不均匀的电路问题提供了一些有用的方法(V、Iz)，导波理论分析了各种结构形式的传输线内的场的模式(E、Hx、y、z)，但是对于结构复杂的微波元件和微波电路，上述两章所提供的方法就显得不够用了。随着集成度的提高，微波部件的结构愈来愈紧密，微波元件内部的电磁场数值计算的研究吸引了研究人员的兴趣。原则上，根据电磁场理论和相应的电磁场数值计算软件可以分析复杂微波元件内部的场结构和外部特性。但是，如果我们不关心微波元件内部的场分布，而只对其外部特性感兴趣，那么可以依据微波网络理论得出非常有价值的结果，用
2、以指导微波电路的分析、设计与综合。从场的理论也可以导出具体微波元件的网络特性。微波网络与场的理论相互结合，相互补充，使我们对微波电路的理解更加全面深入。,微波网络理论研究微波网络各端口的物理量之间的关系。一类物理量是归一化电压v和归一化电流i，非归一化电压V和非归一化电流I；另一类物理量是内向波a和外向波b，内向波指的是进入网络的波，外向波指的是离开网络的波。不同类的物理量之间将引出不同的微波网络矩阵，或称不同的网络参量，例如内向波与外向波的关系用散射矩阵描述，归一化电压与电流之间的关系用归一化阻抗矩阵和归一化导纳矩阵描述，非归一化阻抗与导纳矩阵则描述了非归一化电压电流之间的关系。由于物理量之
3、间存在着变换关系，所以网络矩阵之间也存在着变换关系。,一个微波网络可以由集总参数元件或等效的集总参数元件组成，如电阻、电容、电感、变压器；可以由分布参数电路组成，如一段均匀、非均匀传输线；可以由等效的集总参数电路和分布参数电路的组合构成；也可以由立体结构或平面结构的微波电路构成。上述各种形式的电路都可用微波网络理论进行分析。,微波网络可按下述几个特征予以分类：线性与非线性，有源与无源，有耗与无耗，互易与非互易。 所谓线性指的是，微波网络中所包含的电阻、电容、电感、电阻率、电容率、导磁率等参数均不随外加电场或磁场强度的变化而改变。实际上，非线性现象是不可避免的，但是线性网络的分析计算比非线性网络
4、的分析计算要容易得多，因此我们总是用线性网络去近似地描述实际的微波网络，有时将非线性网络分解为若干个状态，每一个状态都用线性网络的方法处理，如微波开关、微波限幅器就可分解为高、低功率，开、关两个状态。另一种关于线性与非线性的理解是：当微波网络使信号频率发生改变时称该网络为非线性网络。这一说法与前述关于线性、非线性的说法是相容的。本章将仅限于线性微波网络。,所谓有源与无源有几种不同的理解：其一是系统外是否有能量注入，例如直流能量转化为微波能量，或一个微波频率的能量转化为另一个微波频率的能量；其二是指微波电路中是否包含固态微波器件。 这方面的认识尚不统一。本书中所用有源和无源两词与英文中的Acti
5、ve和Passive两词相对应，倾向于前述第一种说法。 所谓有耗与无耗，指的是电路中是否包含有损耗的器件、元件。所谓互易网络指的是不包含非互易媒介（如铁氧化材料、等离子材料）的无源网络。理论上，由微波网络的无源、互易、无耗等特性可以引出许多有意义的结论。,4.2.1微波网络的坡印亭定理,式中，SEH/2，是角频率， 和 分别是磁场和电场能量密度的时间平均值，E是电场，H是磁场，J=E，是电导率，这里我们假设在微波网络中没有外加的电流源。,考虑图4.1所示的n端口微波网络，在各端口取定参考面Ti(i=1,2,n),各端口相应的归一化电压、电流为vi、ii，相应的内向波、外向波为ai，bi。下面由
6、电磁场的坡印亭定理导出其在微波网络中的具体形式。在电磁场理论中积分形式的复数坡印亭定理可以写作:,(4.2.1),4.2 微波网络的几个定理,图 4.1 微波网络示意图,对图4.1所示的n端口微波网络应用积分形式的复数坡印亭定理，积分是在体积V和包围体积V的闭合曲面S上进行。该封闭曲面按下述方式选取，其中一部分选在各端口的参考面处，其余部分与微波网络的导体表面重合。,于是式（4.2.1）左端的面积分仅在参考面T1、T 2、Tn处有效，而在其余的导体表面上的积分为零，那么,其中，Si是第i参考面的面积，参考面垂直于各端口的传输线，所以可用场的横向分量ET和HT取代E和H。在第i端口，归一化电压v
7、和归一化电流i与场的横向分量的关系为,（4.2.2）,（4.2.3）,式中，ei和hi是表征各端口传输线工作模式的矢量实函数，在选取ei、hi 时应使得eihi的积分满足归一化条件，即,正负号的选取与面积元的法向方向有关，通常在微波网络中法向单位矢量n指向包围体积V的S曲面的外边，所以式（4. 2. 4）取负号，于是,（4.2.5）,（4.2.4）,式（4.2.1）的右端两项积分分别为体积V内平均磁能Wm与电能We之差和平均损耗功率Pl，因此式（4.2.1）写作,（4.2.6）,式 (4.2.6）就是微波网络的坡印亭定理的表达式，左端表示流入微波网络的功率。,上式的左端还可以用非归一化的电压V
8、i和电流Ii表示，因为 ， ，于是得,（4.2.7）,为了导出微波网络的互易定理，需要引用电磁场的互易定理。考虑线性、各向同性媒质中有两组相同频率的源Je1、Jm1和Je2、Jm2，下角标e和m分别表示电流源和磁流源，Je1、Jm1产生的场为E1和H1，Je2、Jm2产生的场为E2和H2，在第1章中曾导出式（1.11.6）,即,4. 2. 2 微波网络的互易定理,（4.2.8）,（4.2.9）,（4.2.10）,其中，S是包围体积V的封闭曲面。为了书写方便，现将两组场记作E、H 和E、H。若体积V内无源，则1，2=2，1=0，于是式（1.11.6）变为,封闭曲面S的一部分与微波网络各端口的参考
9、面重合，其余部分与网络的导体表面重合。上述积分只在微波网络各端口参考面T1、T2、Tn处有值，而在其余的导体表面上的积分为零。于是式(4.2.11)可以写作,（4.2.12）,（4.2.11）,式中，vi、ii 、vi 和ii是归一化电压、电流。这就是无源微波网络的互易定理的具体形式之一。 用非归一化电压电流写出的微波网络的互易定理为,Si是第i端口参考面的面积，Si的法线方向与第i端口传输线的轴平行，因此可用各端口场的横向分量取代E、H和E、H。再次应用式（4.2.3）和式（4.2.4），得,利用式(4.2.13)或式 (4.2.14)可以导出互易微波网络各种矩阵、参量的性质。,（4.2.1
10、4）,（4.2.13）,对于一个无耗的一端口网络，其输入电抗或输入电纳对频率的导数总是正的，这称作福斯特电抗定理。无源无耗媒质区域中的电磁场方程为组为,4.2.3 微波网络的电抗定理,将上式对角频率求导，得,（4.2.16）,（4.2.15）,利用矢量恒等式,做出下述两等式：,取式（4.2.15）的复数共轭式，得,（4.2.17）,（4.2.19）,（4.2.18）,将式（4.2.16）和式（4.2.19）代入到式（4.2.18），得,二式相减，得,对上式作体积分，并应用高斯散度定理将左端的体积分化为面积分，注意到面积分仅在端口的横截面S1上对横向场的积分有值，于是得,（4.2.20）,（4.
11、2.21）,将体积V内对场的积分变为储能We和Wm，并设法将S1面上对场的积分变换为电压和电流，为此应用式（4.2.3）（场与归一化电压电流关系）和式（4.2.4）（归一化条件），且式（4.2.4）取负号，得,或,（4.2.22）,（4.2.24）,（4.2.23）,对于无耗单口网络，其输入电抗X或输入电纳B与电压电流的关系为,取其共轭复数后为,将式（4.2.25）对求导，得,（4.2.25）,（4.2.26）,（4.2.27）,将式（4.2.26）和式（4.2.27）代入到式（4.2.24）中，得,所以有,同样可得,（4.2.28）,（4.2.29）,（4.2.30）,式（4.2.29）和式
12、（4.2.30）等式右端正比于网络内的电场和磁场储能之和，为正值，这就证明了本小节开始叙述的福斯特电抗定理。,单端口无源无耗网络的电抗或电纳函数的导数恒为正，这表明电抗或电纳函数的零点和极点必定交替出现。传输线理论中一段无耗传输线终端开路、短路时其输入电抗或输入电纳的变化规律必然符合福斯特电抗定理，因为它们仅仅是无耗单端口网络的特例。请读者用传输线理论中的式（2.3.28）和式（2.3.29）作为例子验证福斯特电抗定理。,n端口线性网络的非归一化阻抗矩阵和导纳矩阵给出了非归一化的电压和电流之间的关系，即,4.3 阻抗矩阵和导纳矩阵,阻抗矩阵和导纳矩阵可分归一化和非归一化两种,4.3.1非归一化
13、阻抗矩阵和导纳矩阵,各端口电压电流的方向如图4.1所示。以上二式中V和I分别是非归一化的电压和电流列矩阵，即,(4.3.1),(4.3.2),(4.3.3),T表示转置。Z为非归一化阻抗矩阵，它是n阶方阵,Y为非归一化导纳矩阵：,(4.3.5),(4.3.6),(4.3.4),Zii为除第i端口外，其余各端口的电流都为零（开路）时第i端口的电压与电流之比，即除第i端口外，其余各端口开路时第i端口的输入阻抗。Zij是除第j端口外，其余各端口均开路时第i端口的电压与第j端口的电流之比，即除第j端口外，其余各端口开路时，第j端口到第i端口的转移阻抗。,Yii为除第i端口外，其余各端口的电压都为零（短
14、路）时第i端口的电流与电压之比，即除第i端口外，其余各端口短路时第i端口的输入导纳。Yij是除第j端口外，其余各端口短路时第i端口的电流与第j端口的电压之比，即除第j端口外，其余各端口短路时，第j端口到第i端口的转移导纳。将式（4.3.2）代入到式（4.3.1），得,（4.3.7）,或者说阻抗矩阵与导纳矩阵互为逆矩阵。,（4.3.8）,由此可知Z与Y的积为单位矩阵1，即,归一化阻抗矩阵z及归一化导纳矩阵y给出了归一化电压和归一化电流之间的关系，即,4.3.2 归一化阻抗矩阵和导纳矩阵,式中，v和i是归一化电压和电流的列矩阵，z和y是n阶方阵，且,（4.3.10）,（4.3.9）,（4.3.11
15、）,下面导出归一化阻抗矩阵、导纳矩阵与非归一化的阻抗矩阵、导纳矩阵之间的关系。由单根传输线归一化电压、电流与非归一化电压、电流之间的关系推广到n端口网络各端口的相应的关系，得,（4.3.12）,（4.3.13）,（4.3.14）,式中， 和 都是对角阵，分别表示为,（4.3.15）,（4.3.16）,对角线上的诸元素中的ZC1 、ZC2、ZCn表示各个端口的传输线的特性阻抗。将式(4.3.1)代入到式 (4.3.13)，得,（4.3.17）,由式(4.3.14)可知 ,可以证明 ，于是式(4.3.17)可以写作 由此可以得到归一化阻抗矩阵与非归一化阻抗矩阵的关系为,（4.3.18）,（4.3.
16、19）,当i=j时,当n端口网络退化为单端口网络时，式(4.3.20)在形式上也退化为传输线理论中的结果。 对于导纳矩阵可用类似方法导出类似的结果。归一化导纳矩阵与非归一化导纳矩阵的关系为,其中 是n阶对角矩阵，各元素为 ，YCi 表示第i端口传输线的特性导纳。,（4.3.21）,（4.3.22）,具体到阻抗矩阵的一个元素，有,（4.3.20）,（1）互易网络的阻抗矩阵和导纳矩阵,4.3.3 阻抗矩阵和导纳矩阵的性质,对于无源互易网络，其互易定理的具体形式已由式（4.2.9）或式（4.2.10）给出。注意到,和,将上述二式代入到式（4.2.10）中得,因为I和I是任意的，故上式成立必有,这就是
17、互易网络阻抗矩阵的性质。对于其中的非对角元素，有,类似地，对于互易网络的导纳矩阵，有,其中的非对角元素,（4.3.25）,（4.3.26）,（4.3.24）,（4.3.23）,（2）无耗网络的阻抗和导纳矩阵,由微波网络的坡印亭定理，若网络是无耗的，即网络的平均损耗功率P1等于零，那么式（4.2.7）变为,上式右端为纯虚数，由此得,注意到,式中T表示转置，*表示共轭，H表示共轭转置。式(4.2.28)可以写成下述形式：,（4.3.29）,（4.3.28）,（4.3.27）,或,式中，I可为任意值，于是对于无耗网络的阻抗矩阵，有,ZH是Z的埃米尔特（Hermite）矩阵。式(4.2.32)表明无耗
18、网络的阻抗矩阵为反埃米尔特矩阵。,类似地，无耗网络的导纳矩阵满足,此式表明无耗网络的导纳矩阵为反埃米尔特矩阵。,（4.3.33）,（4.3.32）,（4.3.31）,（4.3.30）,如果一个网络是无耗的同时又是互易的，那么其阻抗矩阵和导纳矩阵满足下面的关系式：,这就是说，无耗互易网络的阻抗矩阵和导纳矩阵的各个元素为纯虚数，显然无耗互易网络强以等效为纯电抗（纯电纳）元件组成的电路。但是非互易无耗网络的阻抗（导纳）矩阵的各个元素却不是纯虚数。,可以很容易证明，无耗网络的归一化阻抗矩阵和导纳矩阵分别满足下述关系式：,（4.3.36）,（4.3.37）,（4.3.35）,（4.3.34）,4.4 散
19、射矩阵,4.4.1 散射矩阵和散射参量的意义,在微波工程中散射参量和散射矩阵具有非常重要的作用，应用极为广泛，因为它所处理的是波与波之间的关系。对于图4.1所示的线性网络，外向波与内向波之间的关系可用一次线性方程表示为,式中，ai、bi、sij都是复数，i,j1,2,，n，ai是第i端口的内向波，bi是第i端口的外向波，ai和bi都是相对于某一截面而言的，此截面称为第i端口的参考面或端面。,（4.4.1）,式中，a和b是列矩阵，s是n阶方阵，s称为散射矩阵，表示为,s的各个元素称为散射参量。现举例说明散射参量sii和sij(ij)的物理意义。以s11为例，由式(4.4.1)可知,（4.4.4）
20、,（4.4.3）,（4.4.2）,式(4.4.1)可写成矩阵的形式为,再以s12为例，由式(4.4.1)可知,s12是除第2端口外，其余各端口内向波为零时第1端口的外向波与第2端口的内向波之比，又称为第2端口到第1端口的传输系数。,s11是1端口在下述条件下的反射系数，即除第1端口外其余各端口的内向波为零，换句话说，除第1端口外其余各端口接匹配负载并且不接入信号源，因此, s11代表了网络本身的第1端口的反射系数。,（4.4.5）,4.4.2 散射矩阵的性质,（1）互易网络的散射矩阵,在图4.1所示的微波网络的第i端口，归一化电压vi、归一化电流ii与内向波ai、外向波bi的关系为,将式(4.
21、4.6) 代入到式(4.2.10)，得,展开上式，一些不同符号的项相消，得,这里,（4.4.8）,（4.4.7）,（4.4.6）,于是式(4.4.8)变为,aT 和a/是任意的，若上式成立，必然有,这就是说，互易网络的散射矩阵等于其自身的转置矩阵。互易网络的散射矩阵的非对角线元素,（2）无耗网络的散射矩阵,由微波网络的坡印亭定理的表示式(4.2.6)，令损耗功率P10，可知等式右端为纯虚数，那么对于无耗网络有,（4.4.10）,（4.4.11）,（4.4.9）,（4.4.12）,用内向波和外向波代替上式中的归一化电压和电流，得,等式两端取共轭，可得,式中aH和bH分别表示a和b的转置共轭。将式
22、(4.4.2)代入到上式中，得,sH 称为s埃尔米特(Hermite)矩阵。a是任意的，故有,（4.4.15）,（4.4.14）,（4.4.13）,此等式可写成,展开此式，因biai*_aibi*为纯虚数，上式的实部为,此式表明无耗微波网络的散射矩阵的埃尔米特矩阵右乘相应的散射矩阵等于单位矩阵，式(4.4.15)称作酉条件，因此可以说无耗微波网络的散射矩阵满足酉条件。满足酉条件的矩阵称为酉矩阵，因此无耗网络的散射矩阵是酉矩阵。这是无耗网络散射矩阵的一个非常重要的性质。,式(4.4.15)的展开式为,若网络是互易的，式(4.4.16) 退化为,（4.4.16）,（4.4.17）,4.4.3 参考
23、面移动后的散射矩阵,设有一n端口网络，网络的散射矩阵s已知，其参考面在T1、T2、Tn处，现将参考面从T1、T2、Tn处分别移到T1、T2、Tn处，参考面移动后的散射矩阵记作s。下面求s和s的关系。,图4.2是一个二端口网络的参考面移动图。参考面Ti比Ti更远离网络,参考面Ti与Ti之间的传输线所对应的相位角为i。由图可知,写成矩阵的形式为,（4.4.19）,（4.4.18）,图 4.2 二端口网络的参考面移动,（4.4.20）,（4.4.21）,式中p是对角方阵，即,由式(4.4.21)可得,因此参考面移动后的散射矩阵 为,s/中各元素与s中各元素的关系为,（4.4.24）,（4.4.23）
24、,（4.4.22）,（4.4.25）,注意，在本书中定义Ti/远离网络时的i为正。当网络为一端口网络时，sij就是反射系数 ，sij /就是/，且有,这与传输线理论中所得的结果一致。,（4.4.26）,4.4.4 散射矩阵与阻抗导纳矩阵的关系,为了导出散射矩阵与阻抗、导纳矩阵的关系，把各端口的归一化电压电流与内向波外向波的关系写成列矩阵的形式，即,利用散射矩阵s，将上述二式改写为,v与i之间是通过归一化阻抗矩阵z联系起来的，因此,由式(4.4.28)可得,a是任意的，故,（4.4.29）,（4.4.28）,（4.4.27）,那么,式中，(l-s)1是 (l-s)的逆矩阵，或简称(l-s)的逆。
25、由式(4.4.29)还可解得,式(4.4.30)和式(4.4.31)就是归一化阻抗矩阵与散射矩阵的关系。读者可以回忆传输线理论中归一化阻抗与反射系数之间的关系，不难看出它们与式(4.4.30)和(4.4.31)的相似之处。,注意到下述恒等式：,（4.4.32）,（4.4.31）,（4.4.33）,（4.4.30）,可以证明归一化阻抗矩阵与散射矩阵之间的关系还可以写成,此二式与(4.4.30)和 (4.4.31)的区别仅仅是等式右边两因子的顺序不同。 仿照上述推导过程，读者可以导出归一化导纳矩阵与散射矩阵的关系为,散射矩阵是必然存在的，而阻抗矩阵与导纳矩阵却不一定存在。当(ls)的逆不存在时,则
26、归一化阻抗矩阵不存在；当(ls)的逆不存在时,则归一化导纳矩阵不存在。,（4.4.33）,（4.4.33）,（4.4.33）,（4.4.33）,4.5 二端口网络,4.5.1 二端口网络的各种矩阵,相对而言，二端口网络比较简单，也比较常用，本节将对二端口网络再进一步详细讨论，除阻抗导纳矩阵和散射矩阵之外，还将补充二端口网络特有的传输矩阵和转移矩阵。 归一化二端口网络的各种矩阵为,（4.5.3）,（4.5.2）,（4.5.1）,上述五式中v1 、v2 、i1、 i2分别是端口1和端口2的归一化电压电流，i2/-i2 ,a1 、a2 和b1 、b2分别是端口1和端口2的内向波和外向波。式( 4.5
27、.1)中2阶方阵记作z,称作二端口网络的归一化阻抗矩阵。式( 4.5.2)中的二阶方阵记作y,称作二端口网络的归一化导纳矩阵。式( 4.5.3) 中的2阶方阵记作s，称作二端口网络的散射矩阵。式( 4.5.4) 中的2阶方阵记作t,称作二端口网络的传输矩阵。式( 4.5.5) 中的2阶方阵记作a，称作二端口网络的转移矩阵。,五种归一化二端口网络矩阵之间存在着确定的变换关系，下面举例,（4.5.5）,（4.5.4）,说明散射参量和传输参量之间，传输参量和转移参量之间是如何变换的。除了转移矩阵a之外，其余四种矩阵的电压电流方向如图4.3所示，转移矩阵规定的电流方向有所不同，如图4.4所示。,图 4
28、.3 二端口网络,图 4.4 二端口网络的转移矩阵的电流方向,将式( 4.5.3)改写，即有,从而求出用散射参量表示的传输矩阵,式中|s|为散射矩阵的行列式，即,类似地，将( 4.5.4)改写，即有,（4.5.6）,（4.5.7）,（4.5.8）,（4.5.9）,可求出用传输参量表示的散射矩阵为,式中，|t|为传输矩阵的行列式，即,改写式(4.5.4)和式 (4.5.5)，可以求得二端口传输矩阵和归一化转移矩阵各参量之间的关系为,（4.5.11）,（4.5.10）,（4.5.12）,n端口网络的散射矩阵、归一化阻抗矩阵和归一化导纳矩阵之间的变换关系已经导出，很容易给出n2的特例。至于转移矩阵a
29、与s、z、y的关系，可以仿照上述方法推导出。此处不再详细推导，读者可以自己练习。表4.1中列出了二端口网络的s、z、y和a四种矩阵参量之间的关系，以备用时查阅。,有时还要用到非归一化的二端口网络矩阵，例如非归一化的阻抗矩阵Z、非归一化的导纳矩阵Y和非归一化的转移矩阵A，其端口物理量与网络矩阵参量的关系为,（4.5.14）,（4.5.13）,表 4.1 二端口网路参量换算表,说明：|s|、|z|、|是相应矩阵的行列式。,续表,式中，V1 、V2 、I1 、 I2分别是二端口网络的非归一化电压电流，I2/ -I2，式( 4.5.14)（4.5.16）中的2阶方阵分别记作Z、Y、A，称作二端口网络的
30、非归一化阻抗矩阵、导纳矩阵和转移矩阵。这三种非归一化矩阵与归一化矩阵的关系为,（4.5.17）,（4.5.16）,（4.5.15）,式( 4.5.17)和式( 4.5.18)分别是式( 4.3.18) 和式( 4.3.21)的特例。至于式( 4.5.19)可利用下述二式：,（4.5.20）,（4.5.19）,（4.5.18）,和式( 4.5.5)、式( 4.5.16)导出(归一化和非归一化转移矩阵定义式)。,应用描述网络的各种矩阵时，应注意下述两点：弄清非归一化矩阵和归一化矩阵的区别；弄清电流的方向是如何定义的，在转移矩阵中电流的方向与阻抗导纳矩阵中的电流方向在端口2相反。,阻抗矩阵、导纳矩阵
31、和散射矩阵中的各元素有明确的物理意义，传输矩阵和转移矩阵各元素的物理意义不十分明显。在微波网络中散射矩阵应用比较广泛。其余几种矩阵可用于分析和计算网络的串联、并联和级联。,（4.5.21）,4 .5.2 二端口网络的散射矩阵,二端口网络的散射矩阵为,若s12s21，称该二端口网络是可逆的或互易的。若s12s21且s11 s22，称该二端口网络的散射矩阵是对称的，对称必定可逆，可逆未必对称。二端口网络在几何物理结构上对称，则网络的散射矩阵必定是对称的；二端口网络的散射矩阵是对称的，对应于该二端口网络的几何物理结构却未必是对称的。下一小节将举例说明结构上不对称的二端口网络而与其相应的散射矩阵却是对
32、称的这种情况。,若二端口网络是无耗的，但并不限定是互易的，将酉条件展开，则得,（4.5.22）,（4.5.23b）,（4.5.23a）,列,式( 4.5.23a)和式( 4.5.23b)是二端口网络的能量守恒定律的两个特殊形式。在S参量的定义式中，如 a2=0，可证明式( 4.5.23a )可改写为 |b1|2|b2|2=|a1|2,它的物理意义是端口1和端口2的外向波功率之和等于端口1的内向波功率。式(4.5.23b)的物理意义亦类似。式(4.5.23c)和式(4.5.23d)两式是同一个式子，取一式之共轭则变为另一式，令,（4.5.23d）,（4.5.23c）,（4.5.24a）,（4.5
33、.24d）,（4.5.24c）,（4.5.24b）,将上述四式代入到式( 4.5.23d)中，得,在复数平面上两个复数量之和等于零，必定是模相等、相角差，因此由式( 4.5.23)可得,式( 4.5.23a)和式( 4.5.23b)两式相减，得,再由式( 4.5.25a)解出|s11|，代入上式整理后得,（4.5.25b）,（4.5.25a）,（4.5.26）,因此,那么，从( 4.5.25a)或式( 4.5.26)又可得到,此外，不难证明无耗二端口散射矩阵的行列式,从上述无耗二端口网络的讨论中可引出下述几点结论：,（1）s11和s22的绝对值相等，s12和s21的绝对值相等。这意味着，当端口
34、1匹配时，即s11=0，则端口2必定匹配，即s22=0，反之亦然，此时传输系数的模等于1；若传输系数的模等于1，则网络必定是匹配的。,（4.5.27）,（4.5.28）,（4.5.29）,（2）若不限定二端口网络是互易的，即s12可以不等于s21，这时无耗二端口网络的|s12|=|s21|，那么s12 和s21的差别只能是相位，因此无耗二端口网络只能实现不可逆相移，不可能实现不可逆隔离。所谓不可逆相移指的是s12和s21的相位不同，所谓不可逆隔离指的是|s12|=0而|s21|0，或|s12|0，而|s21|=0。 （3）无耗二端口网络理想隔离时，则退化为一个全反射的一端口网络，因为当|s12
35、|=|s21|=0时，有|s11|=|s22|=1。 互易二端口网络的散射矩阵只有三个独立参量。互易无耗二端口网络的散射矩阵原则上只有两个独立参量，因为一个互易无耗二端口网络的|s11|=|s22|且s12=s21，适当选择参考面，即网络的端口面，总可以使s11=s22，于是不对称散射矩阵变为对称散射矩阵。对称二端口网络的散射矩阵只有两个独立参量。,4.5.3 二端口等效单元电路,在许多情况下，微波电路中涉及到的二端口网络可以用下述四种二端口等效单元电路及其组合来表示。这四种二端口等效单元电路是：串联阻抗、并联导纳、变压器、一段均匀传输线。注意，二端口等效单元电路的两端都与特性阻抗为ZC1和Z
36、C2的传输线相连接，这是与集总参数电路的不同之处。两段不同特性阻抗传输线的连接是这些二端口网络的特例。四种二端口网络等效单元电路的矩阵列于表4.2和4.3。散射矩阵和传输矩阵是必定存在的，因此表4.3中各项都能列出。若串联阻抗z等于零，或并联导纳等于零时，这两种二端口网络则退化为两段不同传输线相连的情况。,表4.2二端口等效单元电路的阻抗矩阵、导纳矩阵和转移矩阵,续表,表4.3 二端口等效单元电路的散射矩阵和传输矩阵,【例4.1】求串联阻抗的散射矩阵s、传输矩阵t.,解 按照非归一化的电压电流列出电路方程,图4.5 例4.1的附图,用四个例题说明二端口等效单元电路的各种矩阵的求法。,将式(4.
37、5.30)用内向波和外向波表示为,整理后得到,其中,由上述二式得,（4.5.31）,（4.5.32）,（4.5.30）,将行列式展开得,（4.5.34）,（4.5.33）,根据散射参量的定义可知,由散射参量和传输参量之间的关系和传输参量定义可得,【例4.2】求并联导纳的非归一化和归一化阻抗矩阵.,解 参考平面T1和T2之间的电路是集总参数电路,根据基尔霍夫定律可写出非归一化电压和电流的关系,上式可改写为,因此非归一化阻抗矩阵为,（4.5.36）,（4.5.35）,例2的附图,【例4.3】从均匀传输线上取一段电长度为=l的传输线,试求其散射矩阵、传输矩阵和归一化转移矩阵。解 首先求散射矩阵。显然
38、s11=s22 =0，该网络为互易网络，故s12=s21,由s21的定义可知，s21 =ej,因而散射矩阵为,注意，本例是在均匀传输线上设定两个参考面T1和T2，在参考面T1、T2两边的传输线的特性阻抗相同。若参考面T1和T2两边的传输线的特性阻抗不相同，那是三个简单网络的级联问题。,（4.5.38）,（4.5.37）,由式( 4.3.19)和式( 4.3.20)可求得此例的归一化阻抗矩阵为,其次，求传输矩阵t。直接从传输参量的定义求解不太方便。因为已得到本例电路所对应的散射参量，所以由t 与s的变换关系(4.5.7)很容易得到,最后求归一化转移矩阵。已知s，可由 与s的变换关系求得 ,但是作
39、为练习，我们从 的定义直接求解。由 矩阵各元素的定义可得,（4.5.39）,在上述 矩阵各元素的推导过程中，我们用到了这样两个关系式：当端口2开路时，即t2/0时，端口2电压是波腹，V2=Vm,端口1和端口2之间的电压关系为v1v2cos;当端口二短路时，即v20时，端口2电流是波腹，i2/=Im，端口1和端口2之间和电流关系为i1i2/ cos。这是由传输线理论的线上电压电流表达式得到的。,终端短路时：v1/i1=jtang,终端开路时：i1/v1=jtang,将归一化电压电流用内向波和外向波表示为,（4.5.40）,式中，n为变压器的变比，正负号与变压器极性有关。为简化,求解时仅考虑一组解
40、，将上述二式变换为归一化电压电流的关系式,【例4.4】求理想无耗变压器网络的散射矩阵。 解：变压器初级和次级的非归一化电压电流满足关系式,由此解得,（4.5.41）,设a10,a20,用a1除上述二式两端，得,从上述关于理想无耗变压器网络散射矩阵的推导结果可以看出：一个理想无耗变压器网络的散射参量都是实数，s11=s22， s21= s12。如设n2(ZC2/ZC1)1,这意味着s11是实数，且s110，在参考面T10处是波腹点，显然，这时有s220，在参考面T20处是波节点。如设n2(ZC2/ZC1)1，则参考面T10处是波节点，在参考面T20处是波腹点，因为s110，s220。,由网络互易
41、性可知s12=s21。如设a10,a20,用a2除式(4.5.40) 和式(4.5.41)两端，得一对含s12和s22的方程，于是可解得s22。其实，根据定义可直接解出s22，设端口1处接匹配负载ZC1，经过变压器后折合到端口2的阻抗为ZC1/n2，于是端口2的反射系数s22为,当Z1=0时，显然有Z2=0，反之亦然，这就是说，若端口1和端口2的参考面处阻抗同时为零，其中一个是特性参考面，另一个也必然是特性参考面。,使得在上一步骤中找到的T10处恰为波节点，那么短路面的位置即为T20，其理由可简单说明如下：,下面我们用一种想像的实验方法确定特性参考面T10 和T20。设n2(ZC2/ZC1)1
42、,端口2接匹配负载，在端口1用测量线找到波腹点的位置，即为参考面T10。然后在端口2接可移动的短路器，,任意一个无耗互易二端口网络可以用一个理想变压器来等效，但只在特定参考面T10和T20处等效才成立，参考面T10和T20称作特性参考面。,可见，若设法测得端口1的驻波系数，并已知两传输线的等效阻抗之比，那么可计算出理想变压器的变比。读者可以分析一个简单的例子：两段特性阻抗不同的传输线相连，忽略其跳变处的电抗，若将该网络等效为理想无耗变压器则其变比n1。,由理想变压器的阻抗关系 Z1=-n2Z2,（4.5.42）,进一步确定变比n。不妨设n2(ZC2/ZC1)1，此时端口1的反射系数的模与驻波系
43、数的关系为,4.5.4 对称二端口网络的本征值和本征矢,一个二端口网络，若其散射参量满足下述关系式： s11=s22 s12=s21,那么我们说这是一个对称二端口网络。对于一个无耗互易二端口网络，有s12=s21，|s11|=|s22|。虽然在结构上这个无耗二端口网络不一定是对称的，但适当地选择参考面的位置总能达到s11=s22，s12=s21。因此在分析具体问题时应注意区分结构对称的对称网络和结构不对称的对称网络这两种情况。一般来说，我们主要关心结构对称的对称网络。以下求解散射矩阵的本征值和本征矢。,设n阶散射矩阵的本征值为sj，那么,（4.5.43）,其中s是网络的散射矩阵，u(j)是对应
44、于本征值sj的本征矢，且,若将u(j)看作一种特殊的激励方式，即u(j)为各端口的内向波，那么由式（4.5.43）可知，外向波b为,此式表明sj是在u(j)这种特殊激励方式下的外向波与内向波之比，换句话说，在u(j)激励方式下任意端口的外向波与内向波之比都是相同的，其比值为sj。式（4.5.43）可改写为,（4.5.44）,（4.5.46）,（4.5.45）,式中，是单位矩阵。上式存在非平凡解的充要条件是,（4.5.47）,这是特征方程。,以二端口网络为例，本征值和本征矢的示意图如图4.7所示。对于二端口网络，j1,2,这表明有两种独立的激励方式。对称二端口网络的特性方程为,（4.5.48）,
45、或,（4.5.49）,图 4.7 散射参量的本征值和本征矢,该特征方程的两个根，即两个本征值为,于是，对称二端口网络的散射参量可用本征值表示为,（4.5.51）,（4.5.50）,（4.5.52）,（4.5.53）,对于二端口网络，式（4.5.43）具体化为,（4.5.54）,展开得,将s1= s11+s21代入到上述二式中的一个，显然有u1(1)=u2(1)，取,这保证了对于本征值s1本征矢为单位本征矢。类似地，将s2= s11-s21代入式（4.5.55）或式（4.5.56），显然有,（4.5.57）,（4.5.58）,（4.5.56）,（4.5.55）,这是对应于本征值s2的单位本征矢。
46、上述两种本征矢相当于两种激励方式。式（4.5.57）是所谓同相激励，式（4.5.58）是所谓反相激励。,对于结构对称的互易二端口网络，同相激励与反相激励的物理意义可作如下解释。设结构对称的互易网络的示意图如图4.8(a)和(b)所示，图中画出了一个对称面。同相激励时，在对称面上电压或电场是等幅同相的，而电流或磁场等幅反相，因此在对称面上磁场的横向分量为零，若在对称面处放置一薄片导磁体，并不破坏网络内部的场分布，因此我们可以假想对称面处为一理想导磁体片，简称磁壁。反相激励时，在对称面上电压或电场等幅反相，而电流或磁场等幅同相，因此在对称面上电场的横向分量为零，若在对称面处放置一薄片导体并不会破坏
47、网络内部的场分布，因此我们可以假想对称面处为一理想导体片，简称电壁。,图 4.8 对称二端口网路本征矢的物理意义(a)同相激励的对称二端口网路 (b)反相激励的对称二端口网路,理想磁壁相当于开路，理想电壁相当于短路。这些概念可用来求对称结构的互易二端口网络的本征值s1和s2，然后利用式（4.5.52）和式（4.5.53）求s11和 s21。,【例4.5】网络电路如图4.9（a）所示，试求其散射矩阵的本征值，然后再计算散射参量。 解 首先将网络电路改画成4.9（b）的形式，以便找出其对称面。在对称面处开路，求本征值s1，其对应的电路如图4.9（c）所示。在对称面处短路，求本征值s2，其对应的电路如图4.9（d）。具体计算结果如下：,利用式（4.5.52）和式（4.5.53）分别得到,图 4.9 用本征值本征矢概念求解例4.5的示意图,4.6 网络的连接,4.6.1 网络的串联,图4.10所示为两个二端口网络，两端都是串联，虚线框内的连线不涉及电长度，仅表示连接关系。每个二端口网络的非归一化矩阵分别为Z和Z，其各端口的特性阻抗为 ZC1（）、ZC2（）、ZC1（）和ZC2（）。串联后的各端口的传输线特性阻抗为ZC1和ZC2。连接处的非归一化电流相同，即,I1=I1（I）= I1（II）I2=I2（I）= I2（II）,
