将网络本身看成黑匣子,网络有N个端口,每个端口都有电压和电流(vj、ik)两个变量。假设网络是线性网络,则变量之间的关系可以用线性方程组表示。
⎣⎢⎢⎢⎡v1v2⋮vN⎦⎥⎥⎥⎤=⎣⎢⎢⎢⎡z11z21⋮zN1z12⋱zN2⋯⋱⋯z1Nz2N⋮zNN⎦⎥⎥⎥⎤⎣⎢⎢⎢⎡i1i2⋮iN⎦⎥⎥⎥⎤⇔V=ZI
⎣⎢⎢⎢⎡i1i2⋮iN⎦⎥⎥⎥⎤=⎣⎢⎢⎢⎡y11y21⋮yN1y12⋱yN2⋯⋱⋯y1Ny2N⋮yNN⎦⎥⎥⎥⎤⎣⎢⎢⎢⎡v1v2⋮vN⎦⎥⎥⎥⎤⇔I=YV
4.1 阻抗和导纳矩阵
二端口网络★

阻抗矩阵★
[v1v2]=[z11z21z12z22][i1i2]⇔v1=z11i1+z12i2v2=z21i1+z22i2
zmn=invm∣∣∣ik=0;k=n
导纳矩阵★
[i1i2]=[y11y21y12y22][v1v2]⇔i1=y11v1+y12v2i2=y21v1+y22v2
ymn=vnim∣∣∣ik=0;k=n
如果上述矩阵是可逆的,则Z=Y−1,Y=Z−1
所有变量都属于复数域
各种参数矩阵之间的关系
4.1.2 互易网络
所谓两端口网络的互易性是指,互换两端口之间的激励源,其网络响应保持不变。

左边
Vs=z11i1+z12IP
0=z21i1+z22IP
IP=z11z22−z12z21z12Vs
右边
0=z11IP+z12i2′
Vs=z21IP+z22i2′
IP=z11z22−z12z21z21Vs
4.1.3 无耗网络
自身不消耗能量也不产生能量的网络称为无耗网络。
无耗网络在任何条件下满足P=21Re{VTI∗}=0★
VTI∗=ITZTI∗=n=1∑Nm=1∑Nimzmnin∗=n=1∑Nm=1∑Nimin∗zmn
由于各in是独立的,且在任何条件下满足上条件,因此各zmn均为虚数。(LC网络满足条件)
网络两端分别接恒流源,分别令恒流源{i1,i2}分别为{ 1,0 }、{ 0,1 }、{ 1,j }和{ j,1 }便可证明上述结论。
4.2 传输矩阵(ABCD矩阵)

v1=Av2+Bi2i1=Cv2+Di2⇔[v1i1]=[ACBD][v2i2]★
这种产生定义适于网络级联网络运算:
[v1i1]=[A1C1B1D1][v2i2][v2i2]=[A2C2B2D2][v3i3][v1i1]=[A1C1B1D1][A2C2B2D2][v3i3]
互易:AD-BC=1

ABCD矩阵 教材(4.10)的定义 PDF116页
[v1i1]=[ACBD][v2−i2]★
各种参数矩阵之间的关系

同教材107页表4.1 PDF123页★
4.3 混合参数矩阵[H] 教材100页 PDF116页

混合参数矩阵
[v1i2]=[h11h21h12h22][i1v2]★
常用于晶体管交流等效电路,一端口作为输入端口。
h11表示输入阻抗
h12表示反向电压增益
h21表示正向电流增益
h22表示输出导纳
各种参数矩阵之间的关系
各种参数矩阵之间的关系★★

各种参数矩阵之间的关系 统一电流方向为上图
阻抗矩阵
[v1v2]=[z11z21z12z22][i1i2]⇔v1=z11i1+z12i2v2=z21i1+z22i2
导纳矩阵
[i1i2]=[y11y21y12y22][v1v2]⇔i1=y11v1+y12v2i2=y21v1+y22v2
ABCD矩阵
[v1i1]=[ACBD][v2−i2]★
混合参数矩阵
[v1i2]=[h11h21h12h22][i1v2]★
由于各种矩阵都是由端口电压、电路作为变量构成,通过简单的移项,代入处理便可方便的转换
需要注意的是转换中电压电流的方向

教材109页PDF125页★
ΔX=x11x22−x12x21
4.4 散射参量
前面定义的矩阵或线性方程组都以电流、电压为变量。
在求取矩阵参数时,不可避免涉及到电压为零或电流为零的条件
对应于电路而言,即端口的开路或短路
这在很多电路中是不可实现的
解决思路:
进行坐标变换,得到一组新的参量
新参量既满足物理可实现性又方便线性分析,还便于恢复电压电流参数
1、采用线性变换得到新变量,则新变量构成的系统仍然是线性系统
2、解决端口开短路的不可实现问题
回顾传输线方程,如果用入射波及反射波作为变量,则变量为零对应于某端口的阻抗匹配,而不是端口的开路或者短路
3、变量最好对功率归一化
P=RV2⇒VX=RV⇒P=VX2P=RI2⇒IX=RI⇒P=IX2
4.4.1 散射参量的定义
传输线方程
{V(z)=V0+e−γz+V0−eγzI(z)=Z0V0+e−γz−Z0V0−eγz⇒{V(0)=V0=V0++V0−I(0)=I0=Z0V0+−Z0V0−
用终端电流电压表示终端的电压入射波和反射波
V0+=(V0+Z0I0)/2V0−=(V0−Z0I0)/2
再对电压入射波和反射波进行功率归一化,产生一组端口新变量
an=2Z0Vn+Z0In★(4.36)
bn=2Z0Vn−Z0In★
Vn=Z0(an+bn)★(4.37)
In=Z01(an−bn)★
Pn=21Re{VnIn∗}=21Re{[Z0(an+bn)][Z01(an−bn)]∗}=21Re{anan∗−anbn∗+an∗bn−bn∗bn∗}=21(∣a∣2−∣b∣2)★
其中:Z0为特征阻抗,实数。其它均为复数
V+=Z0a(4.39)
I+=a/aZ0Z0
V−=Z0b
I−=−b/−bZ0Z0
Γ=V+V−=ab

[b1b2]=[S11S21S12S22][a1a2]★
a和b描述的是功率归一化的电压参量,与实际电压入射波、反射波只是比例不同
因此S参数矩阵也可表示为
Vn+/Vn+Z0Z0=anVn−/Vn−Z0Z0=bn
[V1−V2−]=[S11S21S12S22][V1+V2+]

教材PDF129页

入射波的方向指向网络内部
反射波指向网络外部
入射波网络外向网络内输入能量
反射波为网络向外输出能量
关于波与电压电流的关系问题
1、S参数方程中的波a、b必须由网络端口的两条线共同传输
不能认为是一条传输a而另一条传输b。
2、入射波表示向网络注入能量,反射波由网络向外输出能量
3、入射波与反射波的定义与电压电流方向的关系(两端口均为关联参考方向)
4、入射波与反射波的方向表示传输方向
虽然传输方向相反,但它们定义的端口电压方向相同
S参数的工程表示
矩阵公式中描述的S参数为复比例值
工程中常用dB表示幅度值
线性描述:Smn=SmnR+jSmnI=∣Smn∣ejφmn
dB描述:X∠φmn、X=20log∣Smn∣
magnitude = sqrt(Re^2 + Im^2)
phase = arctan(Im / Re)
S11=0.5+j0.5⇔S11=0.707∠45∘
网络传输过程与散射参量的关系

特征阻抗Z0
ΓS=ZS+Z0ZS−Z0,Γin=Zin+Z0Zin−Z0,Γout=Zout+Z0Zout−Z0,ΓL=ZL+Z0ZL−Z0★
对于阻抗不匹配时,会产生来回的多次反射,这时的 ai、bi是同方向的波的叠加,而不仅仅是某一端口的入射和反射的关系
因此不能直接用反射系数(a,b)计算S参数。
4.4.2 散射参量的物理意义
对于射频电路设计来讲,特征阻抗是一个标准值
所有电路、设备的输入输出阻抗,负载,电源输出阻抗等都要求与之相等
在网络连接标准电源和标准负载的条件下:
1、S11为网络输入反射系数,描述了输入阻抗与标准之间的差异。
S11=Γin=Zin+Z0Zin−Z0★
回波损耗
RL=−20log∣S11∣★
2、S21表示网络的正向传输增益
3、S12表示网络的反向传输系数
4、S22表示网络的输出阻抗
S22=Γout=Zout+Z0Zout−Z0★
功率问题:
我们研究电路通常研究负载上实际耗散的功率,而不是其存储的功率
换句话说我们对实功功率感兴趣。
如果信号为单频信号,用峰值描述,则端口接收的实功功率可表示为
Pn=21Re{VnIn∗}=21Re{[Z0(an+bn)][Z01(an−bn)]∗}=21Re{anan∗−anbn∗+an∗bn−bn∗bn∗}=21(∣a∣2−∣b∣2)★
4.4.3 链形散射矩阵

{a1b1}={T11T21T12T22}{b2a2}
[b1b2]=[S11S21S12S22][a1a2]★
T11=S211;T12=−S21S22;T21=S21S11;T22=S21−(S11S22−S12S21)=S21−ΔS★
S11=T11T21;S12=−T11ΔT;S21=T111;S22=−T11T12★
4.5 信号流图
4.5.1 信号流图的分解

串联法则★
V3=S32V2=S32S21V1
并联法则★
V2=SaV1+SbV1=(Sa+Sb)V1
自闭环法则★
V2=S21V1+S22V2
V3=S32V2
V3=1−S22S32S21V1
剖分法则★
V4=S42V2=S21S42V1
作业
《射频电路设计——理论与应用》
第四章中习题 4.3,4.6,4.13,4.15,4.19