河南理工萬方科技學(xué)院微波天線課程考察報(bào)告考超報(bào)告題目（2號(hào)黑體居中）姓名：黃詩煒班級(jí)： 通信11升學(xué)號(hào)： 0926303039評(píng)定成績： 2011.11.7微波天線課程考察報(bào)告班級(jí)：通信11升姓名：黃詩煒學(xué)號(hào)：0926303039微波天線是一門重要而又難學(xué)的課程，想學(xué)有所成必須下大力氣，我們要學(xué)習(xí)它首先要知道它的體系結(jié)構(gòu)，微波天線是無線電技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，它們研究的對(duì)象和目的有所不同。微波主要研究如何導(dǎo)引電磁波在微波傳輸系統(tǒng)中的有效傳輸，它的特點(diǎn)是希望電磁波按一定要求沿微波傳輸系統(tǒng)無輻射地傳輸，對(duì)傳輸系統(tǒng)而言，輻射是一種能量的損耗。天線的任務(wù)則是將導(dǎo)行波變換為向空間定向輻射的電磁波，或?qū)⒃诳臻g傳播的電磁波變?yōu)槲⒉ㄔO(shè)備中的導(dǎo)行波，因此天線有兩個(gè)基本作用：一個(gè)是有效地輻射或接收電磁波，另一個(gè)是把無線電波能量轉(zhuǎn)換成導(dǎo)行波的能量。在均勻傳輸線中用以傳輸微波信息和能量的各種形式傳輸系統(tǒng)的總稱，引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸，又稱為導(dǎo)波系統(tǒng)，其所導(dǎo)引的電磁波被稱為導(dǎo)行波。一般將截面尺寸、形狀、媒質(zhì)分布、材料及邊界條件均勻不變的導(dǎo)波系統(tǒng)稱為規(guī)則，又稱為均勻傳輸線。把導(dǎo)行波傳播的方向稱為縱向，垂直于導(dǎo)波傳播的方向稱為橫向。無縱向電磁場分量的電磁波稱為橫電磁波，即TEM波。傳輸線本身的不連續(xù)性可以構(gòu)成各種形式的微波無源元器件，這些元器件和均勻傳輸線、有源元件及天線一起構(gòu)成微波系統(tǒng)。微波傳輸線大致可以分為三種類型。第一種是由兩根或兩根以上平行導(dǎo)體構(gòu)成的雙導(dǎo)體傳輸線。第二種是以主要包括矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、脊型波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)等均勻填充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)管。第三種是以主要包括介質(zhì)波導(dǎo)、鏡像線和單根表面波傳輸線等介質(zhì)傳輸線。均勻傳輸線的分析方法通常有兩種：一種是場分析法，即從麥克斯韋方程出發(fā)，求出滿足邊界條件的波動(dòng)解，得出傳輸線上電場和磁場的表達(dá)式，進(jìn)而分析傳輸特性；另一種是等效電路法，即從傳輸線方程出發(fā)，求出滿足邊界條件的電壓、電流波動(dòng)方程的解，得出沿線等效電壓、電流的表達(dá)式，進(jìn)而分析傳輸特性。建立傳輸線方程，導(dǎo)出傳輸線方程的解，引入傳輸線的重要參量一一阻抗、反射系數(shù)及駐波比；然后分析無耗傳輸線的特性，給出傳輸線的匹配、效率及功率容量和同軸線的概念。在對(duì)由均勻填充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)組成的規(guī)則金屬波導(dǎo)，一般用場分析法。首先對(duì)規(guī)則波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)中的電磁場問題進(jìn)行分析，研究規(guī)則波導(dǎo)的一般特性，然后著重討論矩形金屬波導(dǎo)和圓形金屬波導(dǎo)的傳輸特性和場結(jié)構(gòu)，及波導(dǎo)的耦合和激勵(lì)方法。在規(guī)則波導(dǎo)中場的縱向分量滿足標(biāo)量齊次波動(dòng)方程，結(jié)合相應(yīng)邊界條件即可求得橫縱方向分量。既滿足波動(dòng)方程又滿足邊界條件的解有許多，每一個(gè)解對(duì)應(yīng)一個(gè)波型也稱之為模式，不同的模式具有不同的傳輸特性。波導(dǎo)傳輸特性的主要參數(shù)有：相移常數(shù)、截止波數(shù)、相速、波導(dǎo)波長、群速、波阻抗及傳輸功率。導(dǎo)行波的三種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，即TEM傳輸線、封閉金屬波導(dǎo)和表面波導(dǎo)。通常將由金屬材料制成的、矩形截面的、內(nèi)充空氣的規(guī)則金屬波導(dǎo)稱為矩形波導(dǎo)，應(yīng)用比較廣泛。將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體抽走，一定條件下，由外導(dǎo)體所包圍的圓形空間也能傳輸電磁能量就是圓形波導(dǎo)。圓波導(dǎo)具有加工方便、有加工方便、雙極化、低消耗等優(yōu)點(diǎn)。波導(dǎo)的激勵(lì)與耦合就本質(zhì)而言是電磁波的輻射和接受，是微波源向波導(dǎo)內(nèi)有限空間的輻射或在波導(dǎo)的有限空間內(nèi)接受微波信息。輻射和接受是互易的，因此作為重點(diǎn)的是激勵(lì)，一般激勵(lì)波導(dǎo)有三種：電激勵(lì)、磁激勵(lì)和電流激勵(lì)。雖然規(guī)則金屬波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)具有損耗小、結(jié)構(gòu)牢固、功率容量高及電磁波限定在導(dǎo)管內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)比較笨重、高頻下批量成本高、頻帶較窄等。隨著航空、航天事業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)微波設(shè)備提出了體積要小，重量要輕、可靠性要高、性能要優(yōu)越、一致性要好、成本要低等要求，促成了微波技術(shù)與半導(dǎo)體器件及集成電路的結(jié)合，產(chǎn)生了微波集成電路。對(duì)微波集成傳輸元件的基本要求之一就是它必須具有平面型結(jié)構(gòu)，這樣可以通過調(diào)整單一平面尺寸來控制其傳輸特性，從而實(shí)現(xiàn)微波電路的集成比。各種集成微波傳輸系統(tǒng)歸納分為四類：準(zhǔn)TEM波傳輸線，主要包括微帶傳輸線和共面波導(dǎo)等。非TEM波傳輸線，主要包括槽線、鰭線等。開放式介質(zhì)波導(dǎo)傳輸線，主要包括介質(zhì)波導(dǎo)鏡像波導(dǎo)等。半開放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括H形波導(dǎo)、G形波導(dǎo)等。微帶傳輸線的基本結(jié)構(gòu)的兩種形式，帶狀線和微帶線。帶狀線是有同軸線演化而來的，即將同軸線的外導(dǎo)體對(duì)半分開，再將兩半外導(dǎo)體向左右展開，并將內(nèi)導(dǎo)體制成扁平帶線。顯然，帶狀線仍可理解為與同軸線一樣的對(duì)稱雙導(dǎo)體傳輸線，主要傳輸?shù)氖荰EM波。而微帶線是有雙導(dǎo)體傳輸線演化而來。當(dāng)工作頻率處于毫米波波段時(shí)，普通的微帶線將出現(xiàn)一系列的新問題，首先是高次模的出現(xiàn)使微帶的設(shè)計(jì)和使用復(fù)雜化。自然又會(huì)想到用波導(dǎo)來傳輸信號(hào)。頻率越高，使用波導(dǎo)的尺寸越小，可頻率卻太高了，要制造相應(yīng)尺寸的金屬波導(dǎo)會(huì)十分困難，于是人們積極研究適合于毫米波波段的傳輸器件。于是各種介質(zhì)波導(dǎo)得到了廣泛應(yīng)用。光纖是現(xiàn)代科技用于傳遞信息的重要工具，它又被稱為光導(dǎo)纖維，它是在圓形介質(zhì)波導(dǎo)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的導(dǎo)光傳輸系統(tǒng)。光纖是由一定折射率的光學(xué)玻璃拉成的纖維作芯，表面覆蓋一層玻璃或塑料作為套層構(gòu)成。包層除使傳輸?shù)墓獠馐芡饨绺蓴_以外，還起到控制纖芯內(nèi)傳輸模式的作用。光纖按組成材料可分為石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層玻璃光纖和全塑料光纖。其中石英玻璃光纖損耗最小，最適合長距離、大容量通信。按傳輸模式分為多模光纖和單模光纖。實(shí)際生活中除了有規(guī)則傳輸系統(tǒng)外，還有很多具有獨(dú)立功能的各種微波元件，如諧振元件、阻抗匹配元件、耦合元件等。這些元件在系統(tǒng)中產(chǎn)生不均勻性。會(huì)令系統(tǒng)產(chǎn)生主模的反射與透射，還會(huì)引起高模，由于現(xiàn)實(shí)中元件的復(fù)雜，不可能全都仔細(xì)的進(jìn)行場分析，所以出現(xiàn)了微波網(wǎng)絡(luò)。微波網(wǎng)絡(luò)正是在分析場分析的基礎(chǔ)上，用路的分析方法將微波元件等效為電抗或電阻元件，將實(shí)際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線，從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡化為微波網(wǎng)絡(luò)。盡管用路的分析法只能得到元件的外部特性，但它卻可給出系統(tǒng)的一般傳輸特性，如功率傳遞、阻抗匹配等，而且而且這些結(jié)果可以通過實(shí)際測量的方法來驗(yàn)證。另外還可以根據(jù)微波元件的工作特性綜合出要求的微波網(wǎng)絡(luò)，從而用一定的微波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)它，這就是微波網(wǎng)絡(luò)的綜合。微波網(wǎng)絡(luò)的分析與綜合是分析和設(shè)計(jì)微波系統(tǒng)的有力工具，而微波網(wǎng)絡(luò)分析又是綜合的基礎(chǔ)。均勻傳輸理論是建立在TEM傳輸線的基礎(chǔ)上的，因此電壓和電流有明確的物理意義，而且電壓和電流只與縱向坐標(biāo)z有關(guān)，與橫截面無關(guān)，而實(shí)際的非TEM傳輸線如金屬波導(dǎo)等，其電磁場E與H不僅與z有關(guān)，還與x、y有關(guān)，這時(shí)電壓和電流的意義十分不明確，例如在矩形波導(dǎo)中，電壓值取決于橫截面上兩點(diǎn)的選擇，而電流還可能有橫向分量。因此有必要引入等效電壓和電流的概念，從而將均勻傳輸線理論應(yīng)用于任意導(dǎo)波系統(tǒng)，這就是等效傳輸線理論。當(dāng)一段規(guī)則傳輸線端接其他微波元件時(shí)，則在連接的端面引起不連續(xù)，產(chǎn)生反射。若將參考面T選在離不連續(xù)面較遠(yuǎn)的地方，則在參考面T左側(cè)的傳輸線上只存在主模的入射波和反射波，可用等效傳輸線來表示，而把參考面T以右部分作為一個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)，把傳輸線作為該網(wǎng)絡(luò)的輸入端面，這就是單口網(wǎng)絡(luò)散射矩陣和傳輸矩陣就是建立在入射波、反射波的關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣。元器件具有各種各樣的功能，比如電容、電感、電阻、濾波器、分配器、諧振回路等無源元器件，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配、分配、濾波等；又有品體管等有源元器件，它們的功能是對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行必要的處理或變換，它們是微波系統(tǒng)的重要組成部分。微波元器件按其變換性質(zhì)可分為線性互易元器件、線性非互易元器件以及非線性元器件三大類。線性互易元器件只對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性，并滿足互易定理，它主要包括各種微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件等；線性非互易元器件主要是指鐵氧體器件，它的散射矩陣不對(duì)稱，但仍工作在線性區(qū)域，主要包括隔離器、環(huán)形器；非線性元器件能引起頻率的改變，從而實(shí)現(xiàn)放大、調(diào)制、變頻等，主要包括微波電子管、微波品體管、微波固態(tài)諧振器、微波場效應(yīng)管及微波電真空器件等。微波連接匹配元件包括終端負(fù)載元件、微波連接元件以及阻抗匹配元器件三大類。終端負(fù)載元件是連接在傳輸系統(tǒng)終端實(shí)現(xiàn)終端短路、匹配或標(biāo)準(zhǔn)失配等功能的元件；微波連接元件用以將作用不同的兩個(gè)微波系統(tǒng)按一定的要求連接起來，主要包括波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器及轉(zhuǎn)換接頭等；阻抗匹配元器件是用于調(diào)整傳輸系統(tǒng)與終端之間阻抗匹配的器件，主要包括螺釘調(diào)配器、多階梯阻抗變換器及漸變型變換器等。在微波系統(tǒng)中，往往需要將一路微波功率按比例分成幾路，這就是功率分配問題。實(shí)現(xiàn)這一功能的元件稱為功率分配元器件，主要包括：定向耦合器、功率分配器及各種微波分支器件。一般都是線性多端口互易網(wǎng)絡(luò)。在低頻電路中，諧振回路是一種基本元件，它是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)而成，在振蕩器中作為振蕩回路，用以控制振蕩器的頻率；在放大器中用作諧振回路；在帶通或帶阻濾波器中作為選頻元件等。在微波頻率上，也有上述功能的器件，這就是微波諧振器件，它的結(jié)構(gòu)是根據(jù)微波頻率的特點(diǎn)從LC回路演變而成的。微波諧振器一般有傳輸線型諧振器和非傳輸線諧振器兩大類，傳輸線型諧振器是一段由兩端短路或開路的微波導(dǎo)行系統(tǒng)構(gòu)成的，如金屬空腔諧振器。同軸線諧振器和微帶諧振器等。很多器件都是線性的，但在許多情況下，我們卻需要具有非互易性的器件。例如，在微波系統(tǒng)中，負(fù)載的變化對(duì)微波信號(hào)源的頻率和功率輸出會(huì)產(chǎn)生不良影響，使振蕩器性能不穩(wěn)定。為了解決這樣的問題，最好在負(fù)載和信號(hào)源之間接入一個(gè)具有不可逆?zhèn)鬏斕匦缘钠骷?，微波從振蕩器到?fù)載是通行的，反過來從負(fù)載到振蕩器是行不通的。這樣當(dāng)負(fù)載不匹配時(shí)，從負(fù)載反射回來的信號(hào)不能到達(dá)信號(hào)源，從而保證了信號(hào)源的穩(wěn)定，這種器件具有單向通行、反向隔離功能，因此稱為單向器或隔離器。另一類非互易器件是環(huán)形器，它具有單向循環(huán)流通功能。通信的目的是傳遞信息，根據(jù)傳遞信息的途徑不同，可將通信系統(tǒng)大致分為兩大類：一類是在相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)中用各種傳輸線來傳遞信息，即所謂的有線通信，如電話，計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)等有線通信系統(tǒng)；另一類是靠電磁輻射通過無線電波來傳遞信息，即所謂的無線通信，如電視、廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航、衛(wèi)星等無線通信系統(tǒng)。在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波，或者將無線電波轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)能量，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻電流能量（或?qū)Р芰浚┙?jīng)饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線，通過天線將其轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量，并向所需方向輻射出去。達(dá)到接收點(diǎn)后，接受天線將來自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量，經(jīng)饋線輸送至接收機(jī)輸入端。天線作為無線電通信系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的重要設(shè)備，它的選擇與設(shè)計(jì)是否合理對(duì)整個(gè)無線電通信系統(tǒng)的性能有很大的影響，若天線設(shè)計(jì)不當(dāng)，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。所以天線應(yīng)有功能：天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰?。這首先要求天線是一個(gè)良好的電磁開放系統(tǒng)。其次要求天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配。天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上，或?qū)Υ_定方向的來波最大限度地接收，即天線具有方向性。天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。4點(diǎn)都可以作為天線的基本功能，也可作為天線的依據(jù)。通信的飛速發(fā)展對(duì)天線提出了很多新的要求，天線的功能也不斷有了新的突破。除了完成高頻能量的轉(zhuǎn)換外，還要求天線系統(tǒng)對(duì)傳遞的信息進(jìn)行一定的加工和處理，如信號(hào)處理天線、自適應(yīng)天線和智能天線等。特別是1997年以來，第三代移動(dòng)通信技術(shù)逐漸成為國內(nèi)外移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而智能天線正是實(shí)現(xiàn)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。天線的種類很多，按用途可將天線分為通信天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線等；按工作波長，可將天線分為長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等；按輻射元的類型可將天線分為兩大類：線天線和面天線。所謂線天線是由半徑遠(yuǎn)小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成，主要用于長波、中波和短波波段；面天線是由尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的，主要用于微波波段，超短波波段則兩者兼用。把天線和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的而分為雙導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、波導(dǎo)或微帶線等。由于饋線系統(tǒng)和天線的聯(lián)系十分緊密，有時(shí)把天線和饋線系統(tǒng)看成是一個(gè)部件，統(tǒng)稱為天線饋線系統(tǒng)，簡稱天饋系統(tǒng)。電磁波由天線輻射到空間的一個(gè)區(qū)域后，以某種方式傳播到接收天線處。從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)，它所遇到的傳輸媒質(zhì)主要就是大地及外圍空間的大氣層、電離層和大氣中水凝物（如雨滴、雪等），這些媒質(zhì)的電特性對(duì)不同頻段的電磁波的傳播有著不同的影響。根據(jù)媒質(zhì)及不同媒質(zhì)分界面對(duì)電波傳播產(chǎn)生的主要影響，可將電波傳播方式分為：1視距傳播。2天波傳播。3地面波傳播。4不均勻媒質(zhì)傳播。橫向尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸并小于波長的細(xì)長結(jié)構(gòu)的天線稱為線天線，它們廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等無線電系統(tǒng)中。在工程中經(jīng)常能用到鞭天線、水平振子天線、電視天線等。而面天線是承載的電流沿天線體的金屬表面分布