一文学会微波网络里的那些参量们：Z，Y，S，A，T

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“ 我们在前面的学习中，了解到了S参数的相关知识，对于任何一个微波系统或者微波器件都可以用一个微波网络来表示，我们只要知道微波网络的相关参数即可得到这个微波电路或者系统的特性。我们今天简要学习一下微波网络的概况，以便后期更好的学习微波技术”
       
       

     

01    

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什么是微波网络

微波网络理论主要研究微波电路的分析和设计方法，它与电磁场理论同为微波领域中的主要理论基础。微波网络是指具有若干输出、输入端口的任意形状及结构的区域，其内为由波导或传输线连接的微波元器件构成的功能性微波电路或系统。

复杂的微波网络由许多简单的微波网络所组成，后者有不同的分类方法。

如按网络外接的传输线端口数可分为一端口、二端口、多端口的微波网络；按电路元件的性质可分为有源和无源的微波网络、线性和非线性的微波网络、可逆和非可逆的微波网络等。

二端口网络主要有微波滤波器、模式变换器（用于将波导中的一种电磁波模式变换成另一种）、极化变换器（用于改变波导中电磁波的极化性质）、移相器、铁氧体和隔离器等。属于三端口网络的有功率分配器、铁氧体 Y形环形器等。属于四端口网络的有微波混合接头、定向耦合器和定向滤波器等。

用于微波多路通信的多工器属于多端口网络，其功能是把一个宽频带信道分割成若干窄频带信道，使信号分别从不同的端口输出。多工器可由多个定向滤波器连接而成，或由带通滤波器及匹配双T电桥组合而成。

典型的二端口网络是微波晶体管放大器，采用双极型晶体管或场效应晶体管可构成低噪声放大器、功率放大器、宽带放大器和窄频带放大器。典型的三端口网络是微波混频器，常用肖特基势垒二极管作混频管，为了降低混频器噪声还可用二只混频管组成平衡混频器。用于低噪声放大的参量放大器也是一种三端口网络,其典型结构由一个三端口Y形环行器和一个二端口反射式放大器组成。信号自环行器的一个端口输入，经接于第二端口的反射式放大器放大后，由环行器的第三端口输出。反射式放大器具有信号端口和泵源端口，输入信号经变容管的非线性电容吸取泵源功率而获得增益

02    

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微波网络参量

网络的特性可以用网络参量来描述，常见的微波网络参量有Z参量，Y参量，A参量，S参数和T参数，下面以二端口网络为例一一介绍。


2.1 阻抗参数  Z

阻抗参数是用描述两个端口电流和电压关系的参数，如下图所示。

，    表示 T2面开路时T1面的输入阻抗；

       表示 T1面开路时T2面的输入阻抗；

    表示 T1面开路时，端口2到端口1的转移阻抗；

    表示 T21面开路时，端口1到端口2的转移阻抗.

4 个阻抗参量都是在对方端口开路、电流为 0的前提下定义的

2.2 导纳参数 Y  Adittance Parameter

 导纳参数是用两个端口电压表示两个端口电流的参量。

，        T2面短路(V2 = 0)时T1面的输入导纳。

，           T1面短路(V1 = 0)时T2面的输入导纳。

， T1面短路(V1 = 0)时端口(2)至端口(1)的转移导纳。

，T2面短路(V2 = 0)时端口(1)至端口(2)的转移导纳。

虽然两种参量都是反映两个端口电压和电流之间的关系，但是对应的元素却不是互为倒数关系。因为阻抗参量是在两个端口分别开路的前提下定义的；导纳参量是在两个端口分别短路的前提下定义的。

2.3 转移参数 A  Transfer Parameter

转移参数是用端口(2)的电压和电流表示端口(1)电压和电流的参量。

-I2 表示电流方向与图中相反，目的是为了使转移参量便于用于级联网络。

, 端口(2)开路(I2 = 0)时的电压转移系数。

, 端口(2)短路(V2 = 0)时的电流转移系数。

,端口(2)短路(V2 = 0)时的转移阻抗

， 端口(2)开路(I2 = 0)时的转移导纳。

2.4  散射参数 S  Scatter Parameter

散射参量有归一化和非归一化之分，通常所说的散射参量是指归一化散射参量，用s表示，它给出的是各端口归一化入、反射波电压之间的关系；非归一化散射参量则称为电压散射参量，用S表示，它给出的是各端口非归一化的入、反射波电压之间的关系。实际工作中最常用的散射参量是归一化散射参量。

，端口(2)接匹配负载时端口(1)的电压反射系数。

，端口(1)接匹配负载时端口(2)的电压反射系数。

，端口(1)接匹配负载时端口(2)到端口(1)的归一化电压传输系数。

，端口(2)接匹配负载时端口(1)到端口(2)的归一化电压传输系数。

2.5  传输参量 T   Transmission Parameter

传输参量是用端口(2)的归一化入、反射波电压表示端口(1)归一化入、反射波电压的参量。

 t参量的元素中，除t11表示端口(2)接匹配负载时端口(1)到端口(2)的归一化电压传输系数s21的倒数外，其余各参量元素并无明显的物理意义。

03    

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微波网络参量的应用

射频/微波工程中,散射参数［S］使用最多,因为端口反射系数概念清晰,容易测量,端口之间的传输系数就是衰减或增益,便于工程使用。但是网络级联时,使用［A］参数很方便,多个网络［A］参数相乘就是整个网络的［A］参数。这就需要在［S］和［A］之间进行转换,通常是把每个网络单元的［S］变为［A］,相乘后得到整个网络的［A］,再变为［S］。
考虑归一化参数,［z］＝［Z］/Z0, ［y］＝［Y］/Y0,a11＝A11, a12＝A12/Z0,a21＝A21/Y0,a22＝A22。
这里给出多个网络级联的计算公式：
1， 首先把网络的散射参数转换为 转移参数 A，公式如下：

2，级联之后的转移参量A=A1*A2
3， 把转移参量A 转换成散射参量S

同时，我们把［z］、 ［y］、  ［a］、［s］间的变换关系。

上述五种网络参量可用来表征同一个微波网络，因此它们之间必定能够相互转换。Z、Y、A三个参量均表示网络各端口间电压、电流关系的参量，所以根据定义式适当调整即可得各参量之间的转换关系。同样，s、t两个参量均表示网络端口间归一化入、反射波电压的关系，二者的转换关系也很容易得出。

Z、Y、A参量与S、T参量间的转换则需要用到下式

换算表参考《微波工程》第160页。

 

参考书：
1，《微波技术与微波器件》
 

2，《微波工程导论》
 

3，《微波工程》
 

4，《微波与射频电路工程设计》

04    

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