微波天線課程報(bào)告要點(diǎn)

1、微波技術(shù)與天線課 程杳 報(bào) 告班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：成績(jī)：I課程內(nèi)容總結(jié):、均勻傳輸線理論1 .1均勻傳輸線方程及其解共有三個(gè)參量：1）均勻傳輸線方程2）傳播常數(shù)丫 3）相速up與波長(zhǎng)入2 .2 傳輸線阻抗與狀態(tài)參量3 .珀入川:杭由上一節(jié)可知，對(duì)無(wú)耗均勻傳輸線，線上各點(diǎn)電壓U（z）、電流I（z）與終端 電壓Ul、終端電流I l的關(guān)系如下:U (z) =U1cos( jI1Z0 sin(z)口 U1 口'I (z) =I1cos(Pz)+jsin(Pz)Zo,4 . 反射系數(shù)定義傳輸線上任意一點(diǎn)z處的反射波電壓（或電流）與入射波電壓（或電流）之比為電壓（或電流）反射系數(shù)，即：U(z)Uz)

2、I(z) I (z)3.輸入阻抗與反射系數(shù)的關(guān)系 U(z)=U+(z)+U-(z)=A 1e j 0z 1+T(z)I(z)=I+(z)+I-(z)=1.仃液狀總e j pz 1-T(z)行波狀態(tài)下傳輸線上的電壓和電流:U(z)=U«z) = Ae 串A1 j z I(z) = I (z) =-e Z02 .純駐波狀態(tài)純駐波狀態(tài)就是全反射狀態(tài)，也即終端反射系數(shù)| F1|=1。在此狀態(tài)下,由式（1- 2-10 ）,負(fù)載阻抗必須滿足:3 .彳聽(tīng)泣狀態(tài)當(dāng)微波傳輸線終端接任意復(fù)數(shù)阻抗負(fù)載時(shí)，由信號(hào)源入射的電磁波功率一 部分被終端負(fù)載吸收，另一部分則被反射，因此傳輸線上既有行波又有純駐波， 構(gòu)

3、成混合波狀態(tài)，故稱之為行駐波狀態(tài)。1.4 傳輸線的傳輸功率、效率和損耗1.5 阻抗區(qū)歸1）分三種：負(fù)載阻抗匹配，源阻抗匹配，共腕阻抗匹配。1.6 史密斯圓圖及其應(yīng)用傳輸線上任意一點(diǎn)的反射函數(shù)r（z）可表達(dá)為：r（z卜備-1Zn Z 11.7同軸線間寺件用杭同軸線是一種典型的雙導(dǎo)體傳輸系統(tǒng)，它由內(nèi)、外同軸的兩導(dǎo)體柱構(gòu)成二、規(guī)則金屬波導(dǎo)2.1導(dǎo)波原理1 .現(xiàn)如公,屬管內(nèi)出隧波2 .傳輸特性1）相移常數(shù)和截止波數(shù)：P=,k2k：=k,1k2/k2。2）相速up與波導(dǎo)波長(zhǎng)入g。電磁波在波導(dǎo)中傳播，具等相位面移動(dòng)速率稱為相速，于是有： 3=9=半 I122= c/y。3）波阻抗° 定義即： Z

4、 =-EL 。k 1 -k'/k21-k：/k2Ht4）傳輸功率:1一 1P = -Re s(E H ) dS =-Re s(Et Ht ) aZdS1_2Z2 c Z,2 cEt| dSqglHjdS1 .矩形波導(dǎo)中的場(chǎng)2 .矩兆波導(dǎo)川、:選杉叵I川2.3圓形波導(dǎo)1.同祓導(dǎo)中的場(chǎng)與矩形波導(dǎo)一樣，圓波導(dǎo)也只能傳輸TE和TM波型2.同波導(dǎo)的傳輸牡性1）截止波長(zhǎng)。圓波導(dǎo)TEmn真、TMm模的截止波數(shù)分別為:kcTEmnmnkcTM mnaumn2）簡(jiǎn)并模。在圓波導(dǎo)中有兩種簡(jiǎn)并模，它們是E-H簡(jiǎn)并和極化簡(jiǎn)并。1.1 種常用模式1）主模TE11模2）圓對(duì)稱TM01模TM01模是圓波導(dǎo)的第一個(gè)高

5、次模3）低損耗的TE01模TE01模是圓波導(dǎo)的高次模式2.4 波導(dǎo)的激勵(lì)與耦合：1.電激勵(lì)2.磁激勵(lì)3.電流激.勵(lì)三、微波集成傳輸線3.1 微帶傳輸器對(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(guò)調(diào)整單一平面尺寸來(lái)控制其傳輸特性，從而實(shí)現(xiàn)微波電路的集成化。共分 三種：1.微帶線2.微帶線3.耦合微帶線3.2 介質(zhì)泣導(dǎo)介質(zhì)波導(dǎo)可分為兩大類：一類是開(kāi)放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括圓形介質(zhì)波導(dǎo)和 介質(zhì)鏡像線等；另一類是半開(kāi)放介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括H形波導(dǎo)、G形波導(dǎo)等。3.3 光打光纖又名光導(dǎo)纖維，它是在圓形介質(zhì)波導(dǎo)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的導(dǎo)光傳輸系統(tǒng)。光纖按組成材料可分為石英玻璃光纖、多組分

6、玻璃光纖、塑料包層玻璃芯 光纖和全塑料光纖。四、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)4.1 等效傳輸線1.等效電壓和等效電流2.模式等效傳輸線4.2 單口網(wǎng)絡(luò)1 .單口網(wǎng)絡(luò)的傳檢特性令參考面t處的電壓反射系數(shù)為ri,小 ej（1 e上任意點(diǎn)的反射系數(shù)為:：(z)=1勺尋勻傳輸線理論可知，等效傳輸線2 .歸一化壯壓和I電流一由于微波網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜,因此在分析時(shí)通常采用歸一化阻抗，即將電路中各個(gè)阻抗用特性阻抗歸與此同時(shí)電壓和電流也要?dú)w一。3 .3雙端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗與轉(zhuǎn)移矩陣在各種微波網(wǎng)絡(luò)中，雙端口網(wǎng)絡(luò)是最基本的，任意具有兩個(gè)端口的微波元件均可視之為雙端口網(wǎng)絡(luò)卜面介紹線性無(wú)源雙端口網(wǎng)絡(luò)各端口上電壓和電流之間的關(guān)系1.阻亢3導(dǎo)納

7、矩的UiU2= ZiiIiZ12I2= Z2iIi Z22I22.轉(zhuǎn)移犯陣轉(zhuǎn)移矩陣也稱為A夕!陣，它在研究網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)特性時(shí)特別方便。4散射矩陣與傳輸矩陣i.散射矩陣2.傳輸矩陣3.散射參量與其它參量之間的相互轉(zhuǎn)換 4.S參數(shù) 測(cè)量4.5多端口阿洛的散射班笄(i)互易性質(zhì)(2)無(wú)耗性質(zhì)(3)對(duì)稱性偵五、微波元器件5.i連接色配幾件(i) 短路負(fù)載(2)匹配負(fù)載(3)失配負(fù)載2 .我祓在核八件微波連接元件是二端口互易元件，主要包括：波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器、 轉(zhuǎn)換接頭。3 .配幾件(1) 螺釘調(diào)配器(2)多階梯阻抗變換器(3)漸變型阻抗變換器5.2功率一分配兒.零件i.定向戲合器i)定向F合需的性能

8、指“小(i)耦合度(2)隔離度(3)定向度(4)輸入駐波比(5)工作帶寬2)波導(dǎo)雙孔定向耦合器3)雙分支定向耦合器4)平行耦合微帶定向耦合2.功率分配器將一路微波功率按一定比例分成 n路輸出的功率元件稱為功率分配器。按輸 出功率比例不同，可分為等功率分配器和不等功率分配器。在結(jié)構(gòu)上，大功率往 往采用同軸線而中小功率常采用微帶線。兩路微帶功率分配器端口 “”無(wú)反射； 端口 “、”輸出已壓機(jī)空H同砧； 端口 “、”輸出功率比值為任意指定值(2)峨帶環(huán)形電嘯微帶環(huán)形電橋是在波導(dǎo)環(huán)形電橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種功率分配元件。3.波導(dǎo)公文器將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的元件稱為波導(dǎo)分支器，它是微波功率分 配

9、器件的一種，常用的波導(dǎo)分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配雙To(1) E-T 分支(2)H-T分丈(3)匹配雙T5. 3械液i皆振案件在低頻電路中，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。5.4微波鐵氧體器件1 .隔亶器1)諧振式隔離器2)場(chǎng)移式隔離器3)隔離器的性能指標(biāo)2 .鐵乳體好燈器一個(gè)理想的環(huán)行器必須具備以下的條件：輸入端口完全匹配，無(wú)反射；輸入 端口到輸出端口全通，無(wú)損耗；輸入端口與隔離器間無(wú)傳輸。SI1 = S22 = S33 = 0于是環(huán)行器的散射參

10、數(shù)應(yīng)滿足：|81 = 021 = S13 =3S31 = S12 = S23 =0 J六、天線輻射與接收的基本理論6.1 概論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：有線通信，無(wú)線通信。6.2 基本振子的幅劉1 .匕基本振子電基本振子是一段長(zhǎng)度l遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，電流I振幅均勻分布、相位相同的 直線電流元，它是線天線的基本組成部分，任意線天線均可看成是由一系列電基本振子構(gòu)成的2 .逋基本振子的場(chǎng)引入這種假想的磁荷和磁流的概念，將一部分原來(lái)由電荷和電流產(chǎn)生的電 磁場(chǎng)用能夠產(chǎn)生同樣電磁場(chǎng)的磁荷和磁流來(lái)取代 ，即將“電源”換成等效“磁源”， 可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算工作。3 .

11、3尺線向口參數(shù)1 .天線:方向圖及其行關(guān)參數(shù)所謂天線方向圖， 是指在離天線一定距離處，輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)(歸一化 模值)隨方向變化的曲線圖,通常采用通過(guò)天線最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直 的平面方向圖來(lái)表示。2 .丈踐效率天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比，記為“A,即PiP三 R3 .增益系數(shù)增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與大線效率的乘積，記為G即：G=D“A4 .極化和交叉極化電平極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。具體地說(shuō)，就是在空間某一固定位置上，電場(chǎng)矢量的末端隨時(shí)間變化所描繪的圖形， 如果是直線，就稱為線極化；如果是圓就稱為

12、圓極化；如果是橢圓就稱為橢圓極 化。5 .頻帶寬度(Frequency Band Width)天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān)，也就是說(shuō)，上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻 率設(shè)計(jì)的。當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)，往往要引起天線各個(gè)參數(shù)的變化，6 .輸入阻抗與駐波比(Input Impedance and Standing Wave Ratio)要使天線輻射效率高，就必須使天線與饋線良好地匹配，也就是天線的輸 入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，才能使天線獲得最大功率7 . .行一長(zhǎng).,支有效長(zhǎng)度是衡量天線輻射能力的又一個(gè)重要指標(biāo)。8 .4 接收天線理論接收天線主要考慮以下四個(gè)方面：1.天線接收的物理過(guò)程及收發(fā)互易性

13、2. 有效接收面積3.等效噪聲溫度4.接收天線的方向性七、電波傳播概論7.1電波傳播的基本概念1 .天線:L波莊口山空間的傳播2 .傳箍媒反對(duì)f波傳播的彩響(1) 傳輸損耗(2)衰落現(xiàn)象傳輸失真(4)電波傳播方向的變化7.2 視距傳播1 .視線距離：rv = v2a(jK+%-1區(qū))2 .大氣對(duì)H波的衰減大氣對(duì)電波的衰減主要來(lái)自兩個(gè)方面。一方面是云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的熱吸收及水分子、氧分子對(duì)電波的諧振吸收。另一方面是云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的散射。3 .場(chǎng)分析在視距彳播中，除了自發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的直射波外，還存在從 發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達(dá)接收天線的反射波，如圖7-5所示。因此接收

14、天線處的場(chǎng)是直射波與反射波的疊加。4 .3大破傳招1 .電離層概況2 . 線:心波莊口周層斗的傳播仿照電波在視距傳播中的介紹方法，可將電離層分成許多薄片層，每一薄 片層的電子密度是均勻的，但彼此是不等的。2.4 及面泣傳播垂直極化波沿非理想導(dǎo)電地面?zhèn)鞑r(shí)，當(dāng)?shù)孛娴碾妼?dǎo)率越小或電波頻率越高，電場(chǎng)縱向分量Ez1越大，說(shuō)明傳播損耗越大。地面波的波前傾斜現(xiàn)象 在接收地面上的無(wú)線電波中具有實(shí)用意義。在某些場(chǎng)合 ，由于受到條件的限制， 也可以采用低架水平天線接收。 地面波由于地表面的電性能及地貌、 地物等 并不隨時(shí)間很快地變化，并且基本上不受氣候條件的影響，因此信號(hào)穩(wěn)定，這 是地面波傳播的突出優(yōu)點(diǎn)。2.5

15、 不均勻媒偵I向放射傳播除了上述三種基本傳輸方式外，還有散射波傳播。八、線天線8.1 對(duì)稱振子天線8.2 陣列天線1.二元陣2.均勻直線陣8.3 直立振子天線與水平振子天線1. IT. *振子天線1）單極天線的輻射場(chǎng)及其方向圖2）有效高度3）提高單極天線效率的方 法2.水平振子天線水平振子天線經(jīng)常應(yīng)用于短波通信、電視或其它無(wú)線電系統(tǒng)中，這主要是因 為：水平振子天線架設(shè)和饋電方便；地面電導(dǎo)率的變化對(duì)水平振子天線的影響較 直立天線??；工業(yè)干擾大多是垂直極化波，因此用水平振子天線可減小干擾對(duì)接 收的影響。2）水振子大朋尺，的西擇為保證水平振子天線在較寬的頻帶范圍內(nèi)最大輻射方向不發(fā)生偏移，應(yīng)選擇振子的

16、臂長(zhǎng)h00.625入，以保證在與振子軸垂直的方向上始終有最大輻射，8.4引向天線與電視大1 .引向天線2）幻晅人我對(duì)于總元數(shù)為N的多元引向天線，其分析方法與二元引向天線的分析方法 相似。2 .匕現(xiàn)發(fā)射人線3 ）七視發(fā)射火線的撲點(diǎn) 頻率范圍寬。 覆蓋面積大。 在以零輻射方向?yàn)橹行牡囊欢ǖ牧Ⅲw 角所對(duì)的區(qū)域，電視信號(hào)變得十分微弱。 我國(guó)的電視發(fā)射信號(hào)采用水平極化。 為了擴(kuò)大服務(wù)范圍，發(fā)射天線必須架在高大建筑物的頂端或?qū)Ｓ玫碾娨曀?上。2）旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線，設(shè)有兩個(gè)電流大小相等11=12、相位差（=90°的直線電 流元，在水平面內(nèi)垂直放置8.5 移動(dòng)通信基站天線1 .移動(dòng)面信某站人線的卦點(diǎn)天線應(yīng)

17、架設(shè)在很高的地方,這就要求天線有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性；天線 應(yīng)采用垂直極化；采用扇形天線；如果是中心激勵(lì),采用全向天線；天線增益應(yīng) 盡可能的高；天線與饋線應(yīng)良好地匹配。2 .移動(dòng)辿信興站火線VHF和UH的動(dòng)通信基站天線一般是由饋源和角形反射器兩部分組成的,為了獲得較高的增益，饋源一般采用并饋共軸陣列和用饋共軸陣列兩種形式。8.6 螺旄k線螺旋天線的參數(shù)有：螺旋直徑d=2b;螺距h;圈數(shù)N每圈的長(zhǎng)度c；螺距角A ;軸向長(zhǎng)度L。1 . 法向模蛾旋天線每一圈螺旋天線的輻射場(chǎng)為：E=a8 E9 +a（|）E（|）2 .軸向模螺旋天線當(dāng)d/人=0.250.45時(shí)，螺旋天線的一圈的周長(zhǎng)接近一個(gè)波長(zhǎng)，此時(shí)

18、天線 上的電流呈行波分布，則天線的輻射場(chǎng)呈圓極化，具最大輻射方向沿軸線方向。8.7 行波天線1 .仃波單導(dǎo)線火線的方向圖若天線終端接匹配負(fù)載，則天線上電流為行波分布：I（z）=I0e-j 0z2 . V形天線和菱形天線8.8 寬頻帶天線在許多場(chǎng)合中，要求天線有很寬的工作頻率范圍。 按工程上的習(xí)慣用法， 若天線的阻抗、方向圖等電特性在一倍頻程（fmax/fmin=2）或幾倍頻程范圍內(nèi) 無(wú)明顯變化，就可稱為寬頻帶天線。8.9 縫隙天線1 .理想縫隙天線的輻射場(chǎng)2 .波導(dǎo)縫隙天線3 .10 微帶天線微帶天線的主要特點(diǎn)有：體積小、重量輕、低剖面，因此容易做到與高速飛 行器共形，且電性能多樣化（如雙頻微

19、帶天線、 圓極化天線等），尤其是容易 和有源器件、微波電路集成為統(tǒng)一組件，因而適合大規(guī)模生產(chǎn)。在現(xiàn)代通信中, 微帶天線廣泛地應(yīng)用于100MH莊J 50GHzI勺頻率范圍。4 .11智能天線使用智能天線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：具有較高的接收靈敏度；使空分多址系統(tǒng) （SDMA成為可能；消除在上下鏈路中的干擾；抑制多徑衰落效應(yīng)。九、面天線9.1 惠更斯元的輻射如圖所示，面天線通常由金屬面S1和初級(jí)輻射源組成。設(shè)包圍天線的封閉 曲面由金屬面的外表面S1以及金屬面的口徑面S2共同組成，由于S1為導(dǎo)體的 外表面，其上的場(chǎng)為零，于是面天線的輻射問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為口徑面S2的輻射。由于口徑面上存在著口徑場(chǎng) ES和HS,根

20、據(jù)惠更斯原理（Huygen's Principle）,將 口徑面S2分割成許多面元，這些面元稱為惠更斯元或二次輻射源。由所有惠更斯元的輻射之和即得到整個(gè)口徑面的輻射場(chǎng)。為方便計(jì)算，口徑面S2通常取為平面。當(dāng)由口徑場(chǎng)求解輻射場(chǎng)時(shí)，每一個(gè)面元的次級(jí)輻射可用等效電流元與等效 磁流元來(lái)代替，口徑場(chǎng)的輻射場(chǎng)就是由所有等效電流元 （等效電基本振子）和等 效磁流元（等效磁基本振子）所共同產(chǎn)生的。這就是電磁場(chǎng)理論中的等效原理（Field Equivalence Theorem）。如同電基本振子和磁基本振子是分析線天線的基本輻射單元一樣，惠更斯元是分析面天線輻射問(wèn)題的基本輻射元。磁基本振子遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的表

21、達(dá)式為:Ilsin" e jkr, 60 Il jsin" e jkrjHr = H = Er = E = 0電基本振子的輻射場(chǎng):I mlsin-jkreI mlsia e jkr9.2 平面口徑的輻射綜合對(duì)不同口徑場(chǎng)輻射場(chǎng)的分析以及相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算，對(duì)同相口徑場(chǎng)而言， 可歸納出如下的重要結(jié)論：(D平面同相口徑的最大輻射方向一定位于口徑面的法線方向；(2)在口徑場(chǎng)分布規(guī)律一定(均勻程度一定，v一定)，的情況下，口徑面 的電尺寸越大，主瓣越窄(由上表或圖)，方向系數(shù)越大；(3)當(dāng)口徑電尺寸一定時(shí)，口徑場(chǎng)分布越均勻，其面積利用系數(shù)越大，方 向系數(shù)越大，但是副瓣電平越高；(4) 口

22、徑輻射的副瓣電平以及面積利用系數(shù)只取決于口徑場(chǎng)的分布情況， 而與口徑的電尺寸無(wú)關(guān)。9.3 旋轉(zhuǎn)拋物面天線旋轉(zhuǎn)拋物面天線(Paraboloidal Reflector Antennas)是應(yīng)用最廣泛的天線之一，它由饋源和反射面組成。天線的反射面由形狀為旋轉(zhuǎn)拋物面的導(dǎo)體表面 或?qū)Ь€柵格網(wǎng)構(gòu)成，饋源是放置在拋物面焦點(diǎn)上的具有弱方向性的初級(jí)照射器， 利用拋物面的幾何特性，拋物面天線可以把方向性較弱的初級(jí)輻射器的輻射反射 為方向性較強(qiáng)的輻射。9.4 卡塞格倫天線標(biāo)準(zhǔn)的卡塞格倫天線和普通單反射面天線都存在著要求對(duì)口面照射盡可能均 勻和要求從反射面邊緣溢出的能量盡可能少的矛盾，從而限制了反射面天線增益因子的提高。II心得體會(huì)：這一學(xué)期我們跟著許老師學(xué)習(xí)微波技術(shù)與天線，受益匪淺。在面對(duì)復(fù)雜 的數(shù)學(xué)公式計(jì)算與推導(dǎo)，老師另辟蹊徑，以結(jié)論出發(fā)，反觀初始條件，得到期許 的驗(yàn)證，避免成為冗雜乏味的數(shù)學(xué)公式講解，而失去應(yīng)有的物理意義。這對(duì)我這 這門課程乃至今后的學(xué)習(xí)都有很大的啟發(fā)。 與此同時(shí)，有通過(guò)日?？梢?jiàn)的天線等 與微波天線有關(guān)的設(shè)備來(lái)