微波天線與技術

1、微波天線與技術一、傳輸線理論1. 傳輸線定義：用于引導電磁波的裝置。2. 傳輸線的電性能 從傳輸模式上看，傳輸線上傳輸的電磁波分3種類型： （1）TEM波（橫電磁波）：電場和磁場都與電磁波傳播方向相垂直。（2）TE波（橫電波）：電場與電磁波傳播方向相垂直，傳播方向上有磁場分量。（3）TM波（橫磁波）：磁場與電磁波傳播方向相垂直，傳播方向上有電場分量。 TEM傳輸線無色散。 TEM傳輸線的工作頻帶較寬。 TEM傳輸線的功率容量和損耗應能滿足設計要求。 3. 傳輸線的及機械性能（1）傳輸線的機械性能包括物理尺寸、制作難易程度、與其它元器件相集成的難易程度等指標，所以，傳輸線有平面化趨勢。（2）TE

2、M傳輸線有許多種類：常用的有平行雙導線、同軸線、帶狀線和微帶線(傳輸準TEM波)，用來傳輸TEM波的傳輸線，一般由兩個（或者兩個以上）導體組成。4. 傳輸線理論是長線理論傳輸線是長線還是短線，取決于傳輸線的電長度而不是它的幾何長度。電長度定義為傳輸線的幾何長度l與其上工作波長的比值。當傳輸線的幾何長度l比其上所傳輸信號的工作波長還長或者可以相比擬時，傳輸線稱為長線；反之稱為短線。例如，TEM波傳輸線就是長線。5. 分布參數電路 傳輸線理論是分布參數電路理論，認為分布電阻、分布電感、分布電容和分布電導這4個分布參數存在于傳輸線的所有位置上。分布參數定義如下：分布電阻R傳輸線單位長度上的總電阻值，

3、單位為/m。分布電導G傳輸線單位長度上的總電導值，單位為S/m。分布電感L傳輸線單位長度上的總電感值，單位為H/m。分布電容C傳輸線單位長度上的總電容值，單位為F/m。如果長線的分布參數是均勻分布的，不隨位置而變化，則稱其為均勻長線或者均勻傳輸線。均勻傳輸線方程：傳輸線方程是研究傳輸線上電壓、電流的變化規(guī)律，以及它們之間相互關系的方程。 6. 傳輸線的基本特性參數特性阻抗、傳播常數、相速度與相波長。 （1）特性阻抗：傳輸線上入射電壓與入射電流之比（也是行波電壓與行波電流之比)， 用表示傳輸線特性阻抗的一般公式為： ，的倒數稱為傳輸線的特性導納，用表示。 當時，此時傳輸線稱為無耗傳輸線。 當和時

4、，此時傳輸線稱為微波傳輸線?？梢姡谏漕l情況下可以認為傳輸線的特性阻抗為純阻抗。 （2）傳播常數 傳播常數是反映波經過單位長度傳輸線后波的幅度和相位變化的一個物理量，;對于無耗傳輸線 ;對于射頻低耗傳輸線 ,其中是衰減常數，單位1/m,或dB/m;為相移常數，單位1/m或rad/m。 (3)相速度與相波長 a. 相速度是表示沿一個方向傳播的波（入射波或是反射波）等相位點移動的速度，. b. 相波長定義為同一瞬時相位相差的兩點間的距離，。 7. 傳輸線的輸入阻抗與反射系數（1）輸入阻抗:傳輸線上任一點的輸入阻抗定義為該點電壓與電流之比,即；當長線長度為l時，長線始端輸入阻抗。（2）反射系數：傳輸

5、線上的波一般為入射波與反射波的疊加。波的反射現象是傳輸線上最基本的物理現象，傳輸線的工作狀態(tài)也主要決定于反射的情況。反射系數反映了傳輸線的反射特性。反射系數是指傳輸線上某點的反射電壓（波）與入射電壓（波）之比，也等于傳輸線上該點反射電流（波）與入射電流之比的負值，用表示 ；當時，此時對應的是終端反射系數，也叫負載反射系數，用表示， ,然而對于無源負載， 因此，對于無耗傳輸線，則有說明無損耗傳輸線上任何一點反射系數的模值是相同的，也說明了無傳輸線上任何一點反射波與入射波雖然相位有差異，但是振幅之比為常數。因此可得到結論如下：(1) 反射系數隨傳輸線位置變化。(2) 反射系數為復數，這反映出反射波

6、與入射波之間有相位差異。(3) 無耗傳輸線上任一點反射系數的模值是相同的，說明了無傳輸線上任何一點反射波與入射波振幅之比為常數。 (4) 反射系數是周期性函數，周期為。8. 駐波系數與行波系數 (1) 駐波系數也稱為電壓駐波比，定義為傳輸線上最大電壓（電流）與最小電壓（電流）的幅值之比，用或者表示。即.(2)行波系數.當，即行波狀態(tài)時，駐波系數，行波系數。 當，即駐波狀態(tài)時，駐波系數，行波系數。 當，即行駐波狀態(tài)時，駐波系數，行波系數。 9. 反射系數與終端負載的關系(1) 當時，傳輸線上無反射波，只有入射波，稱為行波狀態(tài)。(2) 當（終端短路）時，；當（終端開路）時，；當（終端接純電抗負載）

7、時，。(3)當時，入射波能量部分被負載吸收，部分被反射，稱為部分反射工作狀態(tài)，為行駐波狀態(tài)。 10. 均勻無耗長線的工作狀態(tài)(1) 行波工作狀態(tài)（也叫無反射工作狀態(tài)） 產生無反射工作狀態(tài)，即： a. 或，這時是傳輸線無限長的情況。 b. ，這是負載匹配的情況。 無耗傳輸線上行波的工作狀態(tài)，行波有三大特點： a. 傳輸線上各點點電壓和電流的振幅不變。 b. 傳輸線上電壓與電流的相位相同，而且都隨z的增加線性滯后。 c. 傳輸線上各點的輸入阻抗均等于特性阻抗。(2) 駐波工作狀態(tài)(全反射工作狀態(tài)) a. 傳輸線終端短路； b. 傳輸線終端開路； c. 傳輸線終端接純電抗負載；均勻無耗傳輸線終端無論

8、是短路，開路，還是端接純電抗負載，終端均產生全反射 (3) 行駐波工作狀態(tài) a.沿線電壓、電流分布: 當均勻無耗傳輸線終端接任意負載時，信號源給出的能量一部分被負載吸收，另一部分被負載反射，傳播線上將形成行駐波。此時傳輸線上的電壓、電流振幅是以半波長為變化周期的。 當端接不同負載時：如果負載阻抗為大于特性阻抗的純電阻時，終端為電壓波腹點、電流波節(jié)點；如果負載阻抗為小于特性阻抗的純電阻時，終端為電壓波節(jié)點、電流波腹點；如果端接一感性負載時，在終端既不是電壓的波腹點，也不是電壓的波節(jié)點，但離開終端第一個出現的是電壓波腹點、電流波節(jié)點。如果端接一容性負載時，在終端既不是電壓的波腹點，也不是電壓的波節(jié)

9、點，但離開終端第一個出現的是電壓波節(jié)點、電流波腹點。 b. 沿線阻抗變化規(guī)律，有以下三個特點： 傳輸線上阻抗最大值點與相鄰的阻抗最小值點相間，并且最大電壓與最大電流的比值等于最小電壓和電流的比值，都等于無耗傳輸線的特性阻抗，即：；阻抗具有變換性，如感性負載容性負載，；阻抗具有的重復性，即相距半波長整數倍點輸入阻抗都相等。 c. 傳輸線的功率 因為傳輸線是無耗的，所以傳輸線的輸入功率就是傳送到負載的功率。 d. 傳輸線的效率 傳輸線的效率即負載吸收的功率與傳輸線輸入功率之比，用表示.對于無耗傳輸線有 ， .對于有耗傳輸線，。 11. 長線的阻抗匹配 (1) 阻抗匹配 a. 共軛匹配 設信號源內阻

10、，長線的輸入阻抗為；當，即， ，此時，信號源輸出功率最大，信號源與傳輸線匹配的最佳條件，是指信號源向傳輸線輸出的功率為最大。 信號源的共軛匹配就是使傳輸線的輸入阻抗與信號源的內阻互為共軛復數，此時信號源的功率輸出為最大。 信號源共軛匹配時，信號源功率的一半被信號源內阻消耗，一半輸出給傳輸線。 b. 無反射匹配 無反射匹配的條件為：要求負載阻抗等于長線的特性阻抗，此時負載吸收全部入射波功率，線上電壓、電流成行波分布。 當無反射匹配用于無耗長線的始端時，要求信號源的內阻為純電阻，并且等于長線的特性阻抗，而始端實現無反射匹配的信號源稱為匹配信號源 。當長線始端接匹配信號源時，即使負載與長線不匹配，負

11、載的反射波也將被匹配信號源所吸收，始端不會產生新的反射，所以無反射匹配的條件為：, 。由于共軛匹配和無反射匹配要求的條件不同，所以兩種匹配不一定能同時實現。(2) 無反射匹配的方法 a. /4 阻抗變換器 若傳輸線的特性阻抗為Z0，負載阻抗為純電阻RL，但RLZ0，此時傳輸線上傳行駐波，傳輸線終端為電壓波腹點或電壓波谷點。若在純電阻終端前加一段特性阻抗為Z0 1 的/4長傳輸線，可以使終端匹配，此/4長的傳輸線稱為/4阻抗變換器 經過/4阻抗變換器，輸入阻抗為Zin in (/4)，達到傳輸線匹配要求.式中Z01為待求的量，為:b. 單支節(jié)調配器.單支節(jié)調配器也叫短截線或分支線調配器，其匹配原

12、理是利用分支線電抗產生一新的反射，來抵消原來不匹配負載引起的反射。二、主要的傳輸線的類型 1. 類型：微帶線、帶狀線、波導、同軸線2. 微帶線：(1) 微帶線的場結構是一種雙導體結構。微帶線是在介質基片的一面制作導體帶，另一面制作接地金屬平板而構成。微帶線是半開放系統(tǒng)，雖然接地金屬板可以幫助阻擋場的泄露，但導體帶會帶來輻射，所以微帶線的限制之一是它有較高損耗并與鄰近的導體帶之間容易形成干擾。 (2) 微帶線的損耗和相互干擾的程度與介質基片的相對介電常數r有關，如果r增大，可以減小損耗和相互干擾的程度，所以常用的介質基片是介電常數高、高頻損耗小的材料。 (3) 微帶線的有效介電常數和特性阻抗：當

13、介質基片的厚度h和相對介電常數r相同時，如果微帶線的導體帶寬度W越大，則微帶線的相對有效介電常數re越大，特性阻抗越小。微帶線的特性阻抗也滿足導帶越寬，阻抗越低；導帶越窄，阻抗越高的關系，通常稱這些窄、寬線為高、低阻抗線。 (4) 微帶線傳輸準TEM模，但微帶線的傳輸特性近似按照TEM模計算。微帶線的波長和相速度按公式 計算。(注:相移常數， 特性阻抗， 為標準微帶的單位長分布帶電容)。(5) 微帶線的衰減 微帶線在忽略輻射損耗時，其衰減由導體衰減和介質衰減構成，導體衰減常數近似為 1/m，介質衰減常數近似為 1/m.3. 帶狀線(1) 帶狀線傳輸的主要模式是TEM波，所以對帶狀線可以用長線理

14、論的結論，TEM波傳輸線的傳輸參數為：相速度 ，相波長 ，相移常數 ，特性阻抗 。(2) 衰減常數帶狀線的衰減由介質衰減和導體衰減兩部分組成。4. 波導 (1) 導行波波型分類 導行波的波型是指能夠單獨在導波系統(tǒng)中存在的電磁場結構形式，也叫傳輸模式。導行波橫向長分量與縱向長分量有關，因此可以根據導行波中是否存在縱向場分量對導行波的波形進行分類。 a. 橫電磁波（TEM波） 波形特征：沒有電磁場的縱向場量，即b. 橫電波（TE波）或磁波（H波） 波形特征是：，所有的場分量可由縱向磁場分量求出。c. 橫磁波（TEM波）或電波(E波) 波形特征是：，所有的場分量可由縱向磁場分量求出。 (2) 導行波

15、的傳輸特性 a. 截止波長與傳輸條件 導行波的場量都有因子（沿正z軸方向傳輸），量為傳播常數，則有，對于理想波導系統(tǒng)，為實數，而是由波導系數系統(tǒng)橫截面的邊界條件決定的，也是實數。 b. 波導波長 理想波導系統(tǒng)中的相波長稱為波導波長，記為，對于TEM波，,則可得，為自由空間的工作波長。 相速度、群速度和色散 TE波和TM波相速度公式：， 其中 對于TEM波相速度公式：（） 群速度：指一群具有相似的和的波群在傳輸過程中的“共同”速度，或者說是已調波包絡的速度。從物理概念上看，這種速度就是能量的傳播傳播速度，其公式為。 色散：TE和TM波的相速度和群速度都隨波長（即頻率）而變化，稱此現象為“色散”。

16、因此TE和TM波（即非TEM波）成為“色散”波，而TEM波的相速度和群速度相等，且與頻率無關，稱為“非色散”波。 d. 傳輸功率 波導沿無耗規(guī)則導行系統(tǒng)+z方向傳輸的平均功率其中(或或).(3). 模式電壓與模式電流 TM波：TM波型磁場的縱分量，； TE波：TE波型磁場的縱分量，； TEM波：橫電磁波的縱向電磁場分量都為0，即，故，;(4) 波導傳輸線：矩形波導、圓波導5. 同軸線a. 同軸線是雙導體結構，其傳輸的主模式是TEM波。b. 傳輸參數：相速度 ，相波長 ，相移常數 .c為光速，為同軸線中填充介質的相對介電常數。c. 傳輸線的功率與衰減由兩部分構成，一是由導體損耗引起的，用表示；另

17、一部分是由介質損耗引起的，用表示。d. 同軸線的尺寸與波長相比足夠大時，傳輸線上有可能傳輸TE或TM波。e. 同軸線的尺寸選擇時主要考慮到保證TEM波單模傳輸、獲得最小的導體損耗、獲得最大的功率容量。三、微波諧振器（腔）1. 特性參數：(1)諧振波長:諧振波長就是工作波長。 (2)品質因數：品質因數的大小與諧振器的損耗有關，2. 微波諧振器諧振的條件在一個LC并（或串）聯諧振電路中，當激勵源的信號頻率與LC電路的諧振頻率相同時，就會發(fā)生諧振，源的能量就儲存在LC電路中。 （a） (b) 圖(a)為的的串聯諧振回路,（b）為并聯諧振回路。 （1）串聯諧振電路的條件：如圖(a)所示，諧振電路的輸入阻抗為：,其中諧振頻率；當，為輸入阻抗的實部為的虛部；，即時，串聯電路發(fā)生諧振。 （2）并聯諧振電路的條件： 如圖（b）所示，諧振電路的輸入導納為：,其中諧振頻率,為輸入導納的實部為的虛部；當，即時，并聯電路發(fā)生諧振。 4. 微波諧振器的類型a. 同軸諧振腔：