1、微波技術(shù)與天線課程學習知識要點第一章 學習知識要點 1微波的定義 把波長從1米到0.1毫米范圍內(nèi)的電磁波稱為微波。微波波段對應(yīng)的頻率范圍為: 300MHz3000GHz。在整個電磁波譜中，微波處于普通無線電波與紅外線之間，是頻率最高的無線電波，它的頻帶寬度比所有普通無線電波波段總和寬1000倍。一般情況下，微波又可劃分為分米波、厘米波和毫米波和亞毫米四個波段。 2微波具有如下主要特點：1) 似光性；2) 穿透性；3) 寬頻帶特性與與信息性；4) 熱效應(yīng)特性；5）散射特性；6）非電離特性；7）抗低頻干擾特性；8）視距傳輸特性；9）分布參數(shù)的不確定性；10）電磁兼容和電磁環(huán)境污染。3微波技術(shù)的主要

2、應(yīng)用：1) 在雷達上的應(yīng)用；2) 在通訊方面的應(yīng)用；3) 在科學研究方面的應(yīng)用；4) 在生物醫(yī)學方面的應(yīng)用；5) 微波能的應(yīng)用。4.長線與短線長線：指幾何長度L與工作波長可相比擬的傳輸線，采用分布參數(shù)電路描述。電長度滿足L/0.05的傳輸線 稱為長線。短線：指幾何長度L與工作波長相比可以忽略的傳輸線，采用集總參數(shù)電路描述。電長度滿足L/0.05的傳輸線 稱為短線。 5.傳輸線分類： 雙導體傳輸線；封閉金屬波導；介質(zhì)傳輸線。 6微波技術(shù)是研究微波信號的產(chǎn)生、傳輸、變換、發(fā)射、接收和測量的一門學科，它的基本理論是經(jīng)典的電磁場理論，研究電磁波沿傳輸線的傳播特性有兩種分析方法。一種是“場”的分析方法，

3、即從麥克斯韋方程出發(fā)，在特定邊界條件下解電磁波動方程，求得場量的時空變化規(guī)律，分析電磁波沿線的各種傳輸特性；另一種是“路”的分析方法，即將傳輸線作為分布參數(shù)電路處理，用克希霍夫定律建立傳輸線方程，求得線上電壓和電流的時空變化規(guī)律，分析電壓和電流的各種傳輸特性。第二章 學習知識要點 1. 傳輸線可用來傳輸電磁信號能量和構(gòu)成各種微波元器件。微波傳輸線是一種分布參數(shù)電路，線上的電壓和電流是時間和空間位置的二元函數(shù)，它們沿線的變化規(guī)律可由傳輸線方程來描述。傳輸線方程是傳輸線理論中的基本方程。 2. 均勻無耗傳輸線方程為其解為其參量為 ， 已知始端電壓電流的傳輸線上任意點電壓電流的計算方程：已知終端電壓

4、電流的傳輸線上任意點電壓電流的計算方程：輸入阻抗：對均勻無耗線，具有周期性，即存在/2的重復(fù)性和/4的變換性。反射系數(shù)：輸入阻抗與反射系數(shù)：駐波比：3. 終端接的不同性質(zhì)的負載，均勻無耗傳輸線有三種工作狀態(tài)： (1) 當時，傳輸線工作于行波狀態(tài)。線上只有入射波存在，電壓電流振幅不變，相位沿傳播方向滯后；沿線的阻抗均等于特性阻抗；電磁能量全部被負載吸收。 (2) 當、和時，傳輸線工作于駐波狀態(tài)。線上入射波和反射波的振幅相等，駐波的波腹為入射波的兩倍，波節(jié)為零；電壓波腹點的阻抗為無限大，電壓波節(jié)點的阻抗為零，沿線其余各點的阻抗均為純電抗；沒有電磁能量的傳輸，只有電磁能量的交換。 (3) 當時，傳輸

5、線工作于行駐波狀態(tài)。行駐波的波腹小于兩倍入射波，波節(jié)不為零；電壓波腹點的阻抗為最大的純電阻，電壓波節(jié)點的阻抗為最小的純電阻；電磁能量一部分被負載吸收，另一部分被負載反射回去。 4. 表征傳輸線上反射波的大小的參量有反射系數(shù)，駐波比和行波系數(shù)K。它們之間的關(guān)系為其數(shù)值大小和工作狀態(tài)的關(guān)系如下表所示。工作狀態(tài)行 波駐 波行駐波011K105. 傳輸線阻抗匹配方法常用阻抗變換器和單支節(jié)調(diào)配器。 1) 阻抗變換器：只能匹配電阻性負載 2) 串聯(lián)短路單支節(jié)調(diào)配器： 3） 并聯(lián)短路單支節(jié)調(diào)配器：6. 阻抗圓圖和導納圓圖是傳輸線進行阻抗計算和阻抗匹配的重要工具。第三章 學習知識要點 1. 微波傳輸線是引導電

6、磁波沿一定方向傳輸?shù)南到y(tǒng)，故又稱作導波系統(tǒng)。被傳輸?shù)碾姶挪ㄓ址Q作導行波。導行波一方面要滿足麥克斯韋方程，另一方面又要滿足導體或介質(zhì)的邊界條件；也就是說，麥克斯韋方程和邊界條件決定了導行波在導波系統(tǒng)中的電磁場分布規(guī)律和傳播特性。 2. 導波系統(tǒng)中的電磁波按縱向場分量的有無，可分為TE波、TM波和TEM波三種類型。前兩種是色散波，一般只在金屬波導管中傳輸；后一種是非色散波，一般在雙導體系統(tǒng)中傳輸。只有當電磁波的波長或頻率滿足條件或時，才能在導波系統(tǒng)中傳輸，否則被截止。 3. 導波系統(tǒng)中場結(jié)構(gòu)必須滿足下列規(guī)則：電力線一定與磁力線相互垂直，兩者與傳播方向滿足右手螺旋法則；在導波系統(tǒng)的金屬壁上只有電場的

7、法向分量和磁場的切向分量；電力線一定是封閉曲線。4. 本章主要討論了矩形波導、圓波導、同軸線、帶狀線和微帶線等常用的微波傳輸線。其中矩形波導傳輸特性及基本概念：波型指數(shù)，主模，模式兼并，駐波測量線；圓波導傳輸特性：波型指數(shù)，主模，模式兼并及三種常用模式特性；同軸線傳輸特性；帶狀線利用傳輸線理論分析其傳輸特性；而微帶線則采用準靜態(tài)分析法來分析其傳輸特性和耦合傳輸線的分析方法：奇偶模分析法。 5. 各類傳輸線內(nèi)傳輸?shù)闹髂＜捌浣刂共ㄩL和單模傳輸條件列表如下：傳輸線類型主 模截止波長lc單模傳輸條件矩形波導TE10模2aal2b圓波導TE11模3.14R2.62Rlp/2(D+d)帶狀線TEM模, 微

8、帶線準TEM模, , 第四章 學習知識要點1.微波系統(tǒng)包括均勻傳輸線和微波元件兩大部分。均勻傳輸線可等效為平行雙線；微波元件可等效為網(wǎng)絡(luò)。然后利用微波網(wǎng)絡(luò)理論，可對任何一個復(fù)雜微波系統(tǒng)進行研究。2.根據(jù)網(wǎng)絡(luò)外接傳輸線的路數(shù)，來定義微波網(wǎng)絡(luò)端口的個數(shù)。微波網(wǎng)絡(luò)按端口個數(shù)一般分為：二端口網(wǎng)絡(luò)和多端口網(wǎng)絡(luò)(如三端口網(wǎng)絡(luò)、四端口網(wǎng)絡(luò)等)。本章以二端口網(wǎng)絡(luò)為重點，介紹了二端口網(wǎng)絡(luò)的五種網(wǎng)絡(luò)參量：阻抗參量、導納參量、轉(zhuǎn)移參量、散射參量和傳輸參量，以及基本電路單元的網(wǎng)絡(luò)參量。3.二端口網(wǎng)絡(luò)參量的性質(zhì)有可逆網(wǎng)絡(luò)：，AD-BC=1 ，對稱網(wǎng)絡(luò)：，A=D，無耗網(wǎng)絡(luò)：， ，4. 二端口微波網(wǎng)絡(luò)的組合方式有：級聯(lián)方式

9、、串聯(lián)方式和并聯(lián)方式，可分別用轉(zhuǎn)移矩陣、阻抗矩陣和導納矩陣來分析；二端口網(wǎng)絡(luò)參考面的移動對網(wǎng)絡(luò)參量的影響，可利用轉(zhuǎn)移矩陣和散射矩陣來分析。散射矩陣的重要特性有兩條：無耗網(wǎng)絡(luò)幺正性和參考面移動散射參量具有幅值不變性。5. 微波元件的性能可用網(wǎng)絡(luò)的工作特性參量來描述，網(wǎng)絡(luò)的工作特性參量和網(wǎng)絡(luò)參量之間有密切的關(guān)系，可以相互轉(zhuǎn)換。其工作特性參量與網(wǎng)絡(luò)參量的關(guān)系為：電壓傳輸系數(shù)：插入衰減： 插入相移： 輸入駐波比： 6. 可逆無耗二端口網(wǎng)絡(luò)的基本特性有：S參量只有三個獨立參量，它們的相互關(guān)系為：，；若網(wǎng)絡(luò)的一個端口匹配，另一個端口一定自動匹配，即若(或)，則 (或)；若網(wǎng)絡(luò)完全匹配，則網(wǎng)絡(luò)一定完全傳輸，

10、即若，則。7. 利用微波網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)線性方程組的求解，從而分析網(wǎng)絡(luò)的外特性參量。第五章 學習知識要點1. 本章采用網(wǎng)絡(luò)方法對一些常用的微波元件進行了分析和綜合。主要討論了下列內(nèi)容：微波系統(tǒng)中的電抗元件，連接元件、轉(zhuǎn)接元件和終端負載，衰減器和移相器，阻抗變換器，定向耦合器，微帶功分器，波導匹配雙T，微波濾波器，微波諧振器和微波鐵氧體元件。2. 對各種連接元件和短路活塞要求有良好的電接觸，以保證不產(chǎn)生反射，常采用抗流結(jié)構(gòu)。匹配負載和短路負載是兩種常用的終端元件，它們均屬于一端口網(wǎng)絡(luò)。衰減器和移相器均屬于二端口網(wǎng)絡(luò)，但兩者具有不同的功能。衰減器的作用是對通過它的微波能量產(chǎn)生衰減；而移相器的作用是對通過它

11、的微波信號產(chǎn)生一定的相移，微波能量可無衰減地通過。3. 阻抗變換器是微波系統(tǒng)中一種常用的阻抗匹配元件，它主要包括單節(jié)阻抗變換器、多節(jié)階梯阻抗變換器和漸變線阻抗變換器，其阻抗匹配原理是將原來較大的反射波分成許多振幅較小而相位又能互相抵消的反射波，只要合理選擇節(jié)數(shù)和各段阻抗值，就能得到滿意的結(jié)果。4. 定向耦合器是一個四端口的網(wǎng)絡(luò)元件，它具有定向傳輸?shù)奶攸c。它的主要指標是耦合度和隔離度(或方向性)。定向耦合器的種類很多，本章僅討論了波導雙孔耦合的定向耦合器，平行耦合線定向耦合器，分支定向耦合器。對于波導孔耦合的定向耦合器一般采用耦合波理論進行分析；對于后幾種定向耦合器，由于它們結(jié)構(gòu)上都具有對稱平面

12、，故易采用奇、偶模參量法進行分析。無論是哪一種定向耦合器，至少有兩種以上的耦合波相互干涉，才能產(chǎn)生定向性。參加干涉的耦合波個數(shù)愈多愈能改善定向耦合器定向性的頻率特性，從而增寬頻帶。另外還介紹了兩種常用微波元件：微帶功分器和波導匹配雙T (魔T)，它們也可看成是一類定向耦合器。5. 微波諧振器是一種儲能和選頻元件，其作用相當于低頻電路中的諧振回路。本章主要討論了諧振器的分析方法、基本參量及基本特性。掌握微波諧振器與低頻LC諧振回路的異同。各種形式傳輸線，只要滿足諧振條件都可用來構(gòu)成諧振器。對于由兩端短路或開路的傳輸線構(gòu)成的諧振器，其諧振條件為l = nl0/2；對于由一端短路，另一端開路的傳輸線

13、構(gòu)成的諧振器，其諧振條件為l = (2n-1)l0/4；對于由一端短路，另一端為容性電納負載的傳輸線構(gòu)成的諧振器，其諧振條件為。式中為構(gòu)成諧振器的傳輸線中電磁波的相波長。矩形諧振腔中的主模為TE101。圓柱諧振腔中，當l2.1R時， 主模為TE111。同軸諧振腔中主模為TEM模。圓柱諧振腔中TE011諧振模具有很高的Q值，可用作自動頻率微調(diào)的標準腔、高頻率穩(wěn)定度的諧振腔和高精度波長計的工作模式。有耦合的諧振腔用場解法難以得到工程設(shè)計所需結(jié)果，故常采用網(wǎng)絡(luò)分析方法，即將有耦合的諧振腔分成耦合結(jié)構(gòu)和諧振腔兩個部分，然后分別找出它們各自的等效電路。6. 微波鐵氧體元件是根據(jù)微波鐵氧體的兩個重要特性做成的微波元件。鐵氧體在恒定磁場和交變磁場共同作用下，它的導磁率為張量；而在恒定磁場和圓極化波磁場共同作用下，它的導磁率為標量，且有下列特性：鐵磁諧振：當微波頻率w 等于鐵氧體分子進動頻率w0=gH時，圓極化波的和具有諧振特性，此時鐵氧體對微