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1、微波技术与天线课程考察报告 学院：计算机科学与技术学院专业：通信工程班级：通信09-2班姓名：侯永超学号：310909020213指导老师：许焱平绪论 1微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学科，它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性；另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用克希霍夫定律建立传输线方程，求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。2微波的定义：把
2、波长从1m到0.1mm范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 300MHz3000GHz。在整个电磁波谱中，微波介于超短波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和宽1000倍。一般情况下，微波又可划分为分米波、厘米波和毫米波和亚毫米四个波段。 3微波具有如下主要特点：（1)似光性；（2)穿透性；（3)宽频带特性；（4)热效应特性；（5）散射特性；（6）抗低频干扰特性；（7）视距传输特性；（8）分布参数的不确定性；（9）电磁兼容和电磁环境污染。4微波技术的主要应用：（1)在雷达上的应用；（2)在通讯方面的应用；（3)在科学研究方面的应用；（4)在生物
3、医学方面的应用；（5)微波能的应用。第一章 均匀传输线理论1.微波传输线是用以传播微波信息和能量的各种形式的传输系数的总称，它的作用是引导电磁波沿一定方向传输，因此又称为导波系统，其所引导的电磁波被成为导行波。微波传输线可以分为三种类型，第一类是双导体传输线，第二类是均匀填充介质的金属波导管，第三类是介质传输线。2.本章从“化场为路”的观点出发，首先建立了传输线方程，导出传输线方程的解，引入传输线的重要参量阻抗、反射系数及驻波比；然后分析无耗传输线的特性，给出传输线的匹配、效率及功率容量的概念。3.传输线可用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。微波传输线是一种分布参数电路，线上的电压和电流
4、是时间和空间位置的二元函数，它们沿线的变化规律可由传输线方程来描述。传输线方程是传输线理论中的基本方程。4.均匀无耗传输线方程为：其解为： 其参量为： ， 已知始端电压电流的传输线上任意点电压电流的计算方程： 已知终端电压电流的传输线上任意点电压电流的计算方程：Input Impedance：对均匀无耗线，具有周期性，即存在/2的重复性和/4的变换性。Reflection Coefficient：VSWR：5.终端接的不同性质的负载，均匀无耗传输线有三种工作状态： (1) 当时，传输线工作于行波状态。线上只有入射波存在，电压电流振幅不变，相位沿传播方向滞后；沿线的阻抗均等于特性阻抗；电磁能量全
5、部被负载吸收。 (2) 当、和时，传输线工作于驻波状态。线上入射波和反射波的振幅相等，驻波的波腹为入射波的两倍，波节为零；电压波腹点的阻抗为无限大，电压波节点的阻抗为零，沿线其余各点的阻抗均为纯电抗；没有电磁能量的传输，只有电磁能量的交换。 (3) 当时，传输线工作于行驻波状态。行驻波的波腹小于两倍入射波，波节不为零；电压波腹点的阻抗为最大的纯电阻，电压波节点的阻抗为最小的纯电阻；电磁能量一部分被负载吸收，另一部分被负载反射回去。6.表征传输线上反射波的大小的参量有反射系数，驻波比和行波系数K。它们之间的关系为:7.传输线阻抗匹配方法常用阻抗变换器和单支节调配器。(1)阻抗变换器：只能匹配电阻
6、性负载:(2)串联短路单支节调配器：(3)并联短路单支节调配器：8.史密斯圆图能直观地描述了无耗传输线各种特性参数的关系，是用来分析传输线匹配问题的有效方法。（1）阻抗圆图：在阻抗圆图的上半圆内的电抗x0呈感性，下半圆内的电抗x0呈容性；实轴上的点代表纯电阻点，左半轴上的点为电压波节点；在传输线上有负载向电源方向移动时，在圆图上应顺时针旋转，反之，有电源向负载方向移动时，应逆时针旋转。（2）导纳圆图：由无耗传输线的 的阻抗变换特性，将整个阻抗圆图旋转1800得到导纳圆图。第二章 规则金属波导1.本章以矩形金属波导的求解为引线，探讨了场解的基本规律，介绍了相关的公式及概念。随后给出了圆形波导、矩
7、形波导等结构，进行了类比讨论，最后探讨了波导的耦合和激励方法。2.导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为TE波、TM波和TEM波三种类型。前两种是色散波，一般只在金属波导管中传输；后一种是非色散波，一般在双导体系统中传输。只有当电磁波的波长或频率满足条件或时，才能在导波系统中传输，否则被截止。 3.导波系统中场结构必须满足下列规则：电力线一定与磁力线相互垂直，两者与传播方向满足右手螺旋法则；在导波系统的金属壁上只有电场的法向分量和磁场的切向分量；电力线一定是封闭曲线。4.本章主要讨论了矩形波导、圆波导、同轴线等常用的微波传输线以及波导的激励与耦合。其中矩形波导传输特性及基本概念：波型指数
8、，主模，模式兼并，驻波测量线；圆波导传输特性：波型指数，主模，模式兼并及三种常用模式特性；同轴线传输特性；波导的激励与耦合：电激励，磁激励，电流激励。5.各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输条件列表如下：传输线类型主 模截止波长lc单模传输条件矩形波导TE10模2aal2b圆波导TE11模3.14R2.62Rlp/2(D+d)第三章 微波集成传输线1.微波集成传输线的优点：体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、性能优越、功能的可复制性好。2.集成微波传输系统分为四大类：（1）准TEM波传输线，主要包括微带传输线和共面波导等。（2）非TEM波传输线，主要包括槽线等。（3）开放式介质波导传输
9、线，主要包括介质波导、镜像波导等。（4）半开放式介质波导，主要包括H形波导、G形波导等。3.带状线：它由两块相距为b的接地板与中间宽度为w、厚度为t的矩形截面导体构成，接地板之间填充均匀介质或空气。4.带状线和微带线传输特性参量主要有：特性阻抗Z0、衰减常数a、相速vp和波导波长lg。5.介质波导可以分为两大类：一类是开放式介质波导，主要包括圆形介质波导和介质镜像线等；另一类是半开放式介质波导，主要包括H形波导、G形波导等。6.光纤按组成材料可分为石英玻璃光纤、多组分玻璃光线、朔料包层玻璃芯光纤和全朔料光纤。按折射率分布形状可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。按传输模式可分为多模光纤和单模光纤。第四
10、章 微波网络基础1.微波系统包括均匀传输线和微波元件两大部分。均匀传输线可等效为平行双线；微波元件可等效为网络。然后利用微波网络理论，可对任何一个复杂微波系统进行研究。2.根据网络外接传输线的路数，来定义微波网络端口的个数。微波网络按端口个数一般分为：二端口网络和多端口网络(如三端口网络、四端口网络等)。本章以二端口网络为重点，介绍了二端口网络的五种网络参量：阻抗参量、导纳参量、转移参量、散射参量和传输参量，以及基本电路单元的网络参量。3.二端口网络参量的性质有可逆网络：，AD-BC=1 ，对称网络：，A=D，无耗网络：， ，4.二端口微波网络的组合方式有：级联方式、串联方式和并联方式，可分别
11、用转移矩阵、阻抗矩阵和导纳矩阵来分析；二端口网络参考面的移动对网络参量的影响，可利用转移矩阵和散射矩阵来分析。散射矩阵的重要特性有两条：无耗网络幺正性和参考面移动散射参量具有幅值不变性。5.微波元件的性能可用网络的工作特性参量来描述，网络的工作特性参量和网络参量之间有密切的关系，可以相互转换。其工作特性参量与网络参量的关系为：电压传输系数：插入衰减： 插入相移： 输入驻波比： 6.可逆无耗二端口网络的基本特性有：S参量只有三个独立参量，它们的相互关系为：，；若网络的一个端口匹配，另一个端口一定自动匹配，即若(或)，则 (或)；若网络完全匹配，则网络一定完全传输，即若，则。第五章 微波元器件1.
12、本章采用网络方法对一些常用的微波元件进行了分析和综合。主要讨论了下列内容：微波系统中的电抗元件，连接元件、转接元件和终端负载，衰减器和移相器，阻抗变换器，定向耦合器，微带功分器，波导匹配双T，微波滤波器，微波谐振器和微波铁氧体元件。2.对各种连接元件和短路活塞要求有良好的电接触，以保证不产生反射，常采用抗流结构。匹配负载和短路负载是两种常用的终端元件，它们均属于一端口网络。衰减器和移相器均属于二端口网络，但两者具有不同的功能。衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减；而移相器的作用是对通过它的微波信号产生一定的相移，微波能量可无衰减地通过。3.阻抗变换器是微波系统中一种常用的阻抗匹配元件，它主
13、要包括单节阻抗变换器、多节阶梯阻抗变换器和渐变线阻抗变换器，其阻抗匹配原理是将原来较大的反射波分成许多振幅较小而相位又能互相抵消的反射波，只要合理选择节数和各段阻抗值，就能得到满意的结果。4.定向耦合器是一个四端口的网络元件，它具有定向传输的特点。它的主要指标是耦合度和隔离度(或方向性)。定向耦合器的种类很多，本章仅讨论了波导双孔耦合的定向耦合器，平行耦合线定向耦合器，分支定向耦合器。对于波导孔耦合的定向耦合器一般采用耦合波理论进行分析；对于后几种定向耦合器，由于它们结构上都具有对称平面，故易采用奇、偶模参量法进行分析。无论是哪一种定向耦合器，至少有两种以上的耦合波相互干涉，才能产生定向性。参
14、加干涉的耦合波个数愈多愈能改善定向耦合器定向性的频率特性，从而增宽频带。另外还介绍了两种常用微波元件：微带功分器和波导匹配双T (魔T)，它们也可看成是一类定向耦合器。5.微波谐振器是一种储能和选频元件，其作用相当于低频电路中的谐振回路。本章主要讨论了谐振器的分析方法、基本参量及基本特性。掌握微波谐振器与低频LC谐振回路的异同。各种形式传输线，只要满足谐振条件都可用来构成谐振器。对于由两端短路或开路的传输线构成的谐振器，其谐振条件为l = nl0/2；对于由一端短路，另一端开路的传输线构成的谐振器，其谐振条件为l = (2n-1)l0/4；对于由一端短路，另一端为容性电纳负载的传输线构成的谐振
15、器，其谐振条件为。式中为构成谐振器的传输线中电磁波的相波长。矩形谐振腔中的主模为TE101。圆柱谐振腔中，当l2.1R时， 主模为TE111。同轴谐振腔中主模为TEM模。圆柱谐振腔中TE011谐振模具有很高的Q值，可用作自动频率微调的标准腔、高频率稳定度的谐振腔和高精度波长计的工作模式。有耦合的谐振腔用场解法难以得到工程设计所需结果，故常采用网络分析方法，即将有耦合的谐振腔分成耦合结构和谐振腔两个部分，然后分别找出它们各自的等效电路。6. 微波铁氧体元件是根据微波铁氧体的两个重要特性做成的微波元件。铁氧体在恒定磁场和交变磁场共同作用下，它的导磁率为张量；而在恒定磁场和圆极化波磁场共同作用下，它
16、的导磁率为标量，且有下列特性：铁磁谐振：当微波频率w 等于铁氧体分子进动频率w0=gH时，圆极化波的和具有谐振特性，此时铁氧体对微波能量具有强烈的吸收，这种现象称为铁氧体谐振现象。利用此特性做成的隔离器称为谐振式隔离器。场移效应：在矩形波导中的圆极化波位置，放入合适的横向磁化强度的铁氧体后，则原有矩形波导中TE10模的场结构会发生位移，这种效应称为场移效应。利用此特性做成的隔离器称为场移式隔离器。隔离器是一种铁氧体的非互易元件，它是单向传输元件，即对正向波可以无衰减地通过，而对反向波产生很大的衰减。这种元件在微波系统中有广泛应用。环形器工作特性。第六章 天线辐射与接收的基本理论1.天线应有以下功能：（1）天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。（2）天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上，或确定方向的来波最大限度的接收。（3）天线应能发射或接收规定极化的电磁波。（4）天线应有足够的工作频带。2.基本阵子
