第 18章 单口元件
One - Port Element
完成特殊功能的网络称为元件 (Element)。 在
习惯上, 我们常常采用网络理论来分析元件 。 在传
输线理论中, 已经介绍过传输 A参数, 这里将首先
研究散射 S参数 。
一,S散射参数
由传输线理论已经导出,
直接用入射波和反射波表示, 其中
(18-1)U U e U e
I
Z
U e U e
z z
z z
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? ?1
0
( )
U U IZ e
U U IZ e
z
z
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1
2
1
2
0
0
( )
( )
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(18-2)
在本讲中, 首先定义出入射波和散射波 (a和 b)。
其中, 散射波是广义的 (理论上可以任意方向 )反射
波 。
a
U e
Z
U
Z
I Z
a
U e
Z
U
Z
I Z
z
z
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0 0
0
0 0
0
1
2
1
2
(18-3)
一,S散射参数
我们把上式中的 称为归一化电压, 称为
归一化电流分别用 u 和 i表示 。
则进一步写出
U
Z0 I Z0
u U
Z
i I Z? ?
0
0
(18-4)
u a b
i a b
? ?
? ?
?
?
?
(18-5)
一,S散射参数
功率
后一项的实部显然等于 0,于是可见
物理意义是功率等于入射功率减去散射功率 。
p ui a b a b? ? ? ??12 12R e ( ) R e [( )( )]* *
? ? ? ?12 12( ) R e ( )* * * *aa bb a b ab
p aa bb? ?12 ( )* *
(18-6)
一,S散射参数
1,S 散射矩阵定义
S散射矩阵与 A矩阵有两点显著不同:一是 S散射
矩阵适合多端口 (当然也满足双端口 )网络;二是,
象任何多端口网络一样, 它必须是 对称化定义 (具体
是流进每个端口的均是 a,流出每个端口的均是 b)
一,S散射参数
a
1
b
1
a
2
b
2
a
i
b
i
a
n
b
n
1
2
i
n
Ne tw or k
图 18-1 散射矩阵
一,S散射参数
b
b
b
S S S
S S S
S S S
a
a
a
n
n
n
n n nn n
1
2
11 12 1
21 22 2
1 2
1
2
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(18-7)
定义式 (18-7)表明,S参数联系入射波和散
射波,是广义的反射系数。
一,S散射参数
2,S散射参数性质
·网络对称时 Sii=Sjj (18-8)
·网络互易时 Sij=Sji (18-9)
·网络无耗时[ I]-[ S] +[ S] =0 (18-10)
其中[ I] —— n阶单位矩阵
? ?I ?
?
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1 0
1
0 1
?
一,S散射参数
[ ] +—— Hermite 符号, 表示共轭转置或转
置共轭 [ ] +=[ *] T=([ ] T)*
[ 证明 ] 无耗条件具体为
p=0,或 aa*-bb*=0
假如对于双口网络
? ? ? ? ? ?a a a a a a aa a a1 1 2 2 1 2 1
2
* * * *,? ? ?
??
?
??
? ?
一,S散射参数
于是,把多口网络的无耗条件写成

考虑到 [ a] 激励的任意性,可知
? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?
a a b b
a a b S S a
? ?
? ? ?
? ?
? ?
0
0
? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ?a I S S a? ?? ? 0
[ I]-[ S] +[ S] =0
一,S散射参数
对于双口网络,输入反射系数 Г in和负载反射
系数 Г L有关系
[证明]注意到 Г in和 Г L的不对称性
? ?
?in
L
L
S S S
S
? ?
?11
12 21
221
(18-11)
? ?in Lba ab? ?1
1
2
2
,
一,S散射参数
a 1
b
1
NetworkΓ in
图 18-2 双口网络散射参数[ S]
一,S散射参数
且写出双口网络的[ S] 参数
由上式中①得到
又从上式②可知
b S a S a
b S a S a
1 11 1 12 2
2 21 1 22 2
? ?
? ?
?
?
??


? in ba S S aa? ? ?1
1
11 12
2
1
S aa S ba
L
21
1
2
22
2
2
1? ? ?
?
一,S散射参数
代入可得
3,物理意义
还以双口网络为例
它表示端口 2匹配时,端口 1的反射系数。
? ??in L
L
S S SS? ? ?11 12 21
221
S b
a a11
1
1 02
?
?
一,S散射参数
S b
a a12
1
2 01
?
?
它表示端口 1匹配时,由端口 2到端口 1的传输系数。
4,与[ A] 参数之间的关系
我们讨论归一化电流电压构成的[ A] 参数
u A u A i
i A u A i
1 11 2 12 2
1 21 2 22 2
? ?
? ?
?
?
?
(18-12)
一,S散射参数
i 1 i 2
N e t w o r ku
1
u 2
图 18-3 双口网络的归一化[ A] 参数
一,S散射参数
很明显,A参数是 不对称 定义。
u a b u a b
i a b i a b
a b A a b A a b
a b A a b A a b
b A A b a A A a
b A A
1 1 1 2 2 2
1 1 1 2 2 2
1 1 11 2 2 12 2 2
1 1 21 2 2 22 2 2
1 11 12 2 1 11 12 2
1 21 22
? ? ? ?
? ? ? ? ?
? ? ? ? ?
? ? ? ? ?
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?
?
? ? ? ? ? ?
? ? ?
( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) b a A A a
2 1 11 12 2
? ? ? ?
?
?
? ( )
一,S散射参数
写成矩阵形式
1
1
1
1
11 12
21 22
1
2
11 12
21 22
1
2
? ?
? ? ?
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( )
( )
A A
A A
b
b
A A
A A
a
a
b
b
A A
A A
A A
A A
a
a
A A A A
A A A A
A A
A A
a
a
1
2
11 12
21 22
1
11 12
21 22
1
2
11 12 21 22
21 22 11 12
11 12
21 22
1
2
1
1
1
1
1
1 1
1
1
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? ?
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?
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?
( )
( )
( )
?
?
?
一,S散射参数
这样
? ?S A A A A A A A A AA A A A? ? ? ? ? ? ? ? ? ???? ???1 22
11 12 21 22
11 12 12 22
22 12 21 11
d e t [ ]
(18-13)
一,S散射参数
所谓单口元件, 也就是向外只有一个端口, 它是
作为负载来应用的 。 作为网络它只须用一个反射系
数 ΓL来表示 。
二、单口元件的一般讨论
(18-14)?L ab?
a
b
单 口 元 件 Γ L
图 18-4 单口元件
这里着重讨论三种:匹配负载
短路负载
失配负载
这三种单口元件所要解决的主要矛盾各不相同。
匹配负载 —— 解决波反射和吸收两者之间的矛盾;
短路负载 —— 解决理想短路和活动间隙之间的矛盾;
失配负载 —— 解决宽带和反射系数变化之间的矛盾。
?L ? 0
?L je? ?
| |,? L 1 ? C o n s t a n t
二、单口元件的一般讨论
三、匹配负载
?L 称为理想的匹配负载,其功能是吸收功率。
作为标准测量元件性能,构成无 (实际上是小 )反射
系统。


小功率匹配负载
中功率匹配负载
大功率水负载


宽带匹配负载
窄带匹配负载

料 木材、石墨、羰基铁、吸收负载
匹配负载可以采用 S参数进行分析,实际上任何负
载都可以认为是双口网络接终端 —— 例如短路
Γ in Γ
L
图 18-5 匹配负载的 S参数分析
二、单口元件的一般讨论
已经知道
终接短路 Γ L=- 1,且要求 Γ in=0
? ??in L
L
S S SS? ? ?11 12 21
221
? in S S S
S
? ?
?11
12 21
221
(18-15)
二、单口元件的一般讨论
宽带型
case 1
抵消型
case 2
S S SS11 12 21
22
0 1 0? ? ?,
S S SS11 12 21
221
? ?
二、单口元件的一般讨论
不论是宽带型还是抵消型的,均存在反射 S11
和吸收 之间的矛盾,要减少反射,必须
S11↓, 要增加吸收,S12S21↓, 但是 S12S21的减少必
须会增加 S11(材料特性阻抗突变 )。
S S
S
12 21
221?
二、单口元件的一般讨论
图 18-6 磁流体发电 Waveguide
二、单口元件的一般讨论
采取的措施是外形渐变 (劈形、楔形 ),材料的
Z0
Note,如果我们限于讨论电损耗,那么首先必须有
σ 才会有损耗。
σ 成份愈大则损耗愈大,从这个意义上,理想
导体损耗最大。
但是,问题在于波入射到理想导体全部反射了,
根本没有进去。这正体现了反射和损耗之间的矛盾。
二、单口元件的一般讨论
讲到这里,不禁想起一则轶事。一位年青人向
Einstein自荐一项发明,有一种液体碰上什么物质都会
将其腐蚀。 Einstein反问这位青年:哪么,这种物质应
该用什么, 瓶子, 来装呢?
但是,科学的进展表明,这种事情是可能发生的。
几千万度的磁流体-真可谓遇到什么物质都能腐蚀。但
是它们可以处在磁线 N,S之间,什么都不碰。
事实上,电磁波在波导中是高损耗材料,可是波象
一只飞翔的海燕,它对于波导是, 擦翼而过,,而不会
沾上海洋的水滴。
二、单口元件的一般讨论
三、短路活塞
短路活塞要移动,太紧的配合会使移动不方
便,间隙 Δ 又会造成不理想短路。因此,间隙 Δ
和理想短路构成了设计的主要矛盾。
e
吸收 物质 △

图 18-7 平板活塞
考虑典型的平板活塞,计及宽边 a的两侧是电场
零点,只需考虑旁边 Δ 的影响。
b
1,n
jB

图 18-8 B b
g
b? ?
??
?
??
2
4? lg ?
三、短路活塞
jB
图 18-9 平板活塞网络
三、短路活塞
考虑简化情况,令 l→0
Y jB Z
Y jB
Z
Z
B
B
B B
B B
B
b
g
b g
in in
in
in
in
in
in
in
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1
1 1
1
1
1
4
1
1
4
4
2 1
4
2
2
2
| |
| |
| |
,
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?
?平板活塞性能 取
三、短路活塞
?/b ln b4???? ??? 4 2? B
1
50
1
100
1
1000
B VSWR ?
2.53 1.27 2.37 3.31
3.22 1.61 2.56 4.39
5.52 2.76 3.42 9.38
三、短路活塞
·若具体是 X - band(3cm波段 ),b=10mm
·驻波比 ?随 ?/b增加很慢,?/b小 10倍,?只大 1倍。
·平板活塞很短时,即 l↓, 则变压器匝数 n不是主要
矛盾而 B是。但 B的对数关系决定变化很慢。
·由此可见,要求 ?=100很难用平板活塞做到。解决
的办法是扼流活塞或用滤波器设计糖葫芦短路活塞。
? ?
b ? ?
1
1000 1,丝
三、短路活塞
l
g





图 18-10 扼流活塞 糖葫芦活塞
三、短路活塞
四、失配负载
失配负载的设计矛盾是要在宽频带条件下
|?L|=Constant。
[ 例] C 波段 ?=1.20的标准失配负
b
b'
j B
0
j B
0
b- b
b
△Y in
△b
图 18-11
a× b=40.40× 20.20 mm2 ?0=50 mm
? ?0 0
2
1 20? ? ?
?
?? ?
?
?? ??? ???.,B b bb
g
?
Y
b
b b
j
b b
b
b
b b
b b
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b
b b
b b
b
in
g
g
g
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?
2
2 2
2
2 2
2
1
1
| |
四、失配负载
设 | |,,? ? ?0 0
0
2 21
1?
?
? ? ? ?
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??
?
??
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? ? ? x
b
b b
b b
bg
x ? ?
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? ? ? ?
1
1
1
1
10
2
0
2
0
2
0
2
2
| |
| |
| |
| |
( )?
?
?
?
?
则方程可变为
采用迭代法 ?b=3.36 mm,带宽很宽。
四、失配负载
一、求图示网络的 S矩阵
PROBLEMS 18z
y
q
q
1 q 2
1
CZ
c 1
Z
c 2
[ ]S S SS S? ?
??
?
??
11 12
21 22
二、已知 S矩阵
试求 表达式
?in
[]S
q
Z c =1
PROBLEMS 18
三、已知图字同轴 — 波导转换移头的 S矩阵
求,2口接匹配负载时,1口的驻波函数;当 2口
的反射函数为 时,1口的反射函数为多少??
2
[ ]S S SS S? ?
??
?
??
11 12
21 22
2 R
1 R
T 1
T 2