微波天線與技術(shù)

1、微波天線與技術(shù)一、傳輸線理論1. 傳輸線定義：用于引導(dǎo)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?shù)碾姶挪ǚ?種類型： （1）TEM波（橫電磁波）：電場(chǎng)和磁場(chǎng)都與電磁波傳播方向相垂直。（2）TE波（橫電波）：電場(chǎng)與電磁波傳播方向相垂直，傳播方向上有磁場(chǎng)分量。（3）TM波（橫磁波）：磁場(chǎng)與電磁波傳播方向相垂直，傳播方向上有電場(chǎng)分量。 TEM傳輸線無(wú)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(yīng)能滿足設(shè)計(jì)要求。 3. 傳輸線的及機(jī)械性能（1）傳輸線的機(jī)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(biāo)，所以，傳輸線有平面化趨勢(shì)。（2）TE

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

3、單位為/m。分布電導(dǎo)G傳輸線單位長(zhǎng)度上的總電導(dǎo)值，單位為S/m。分布電感L傳輸線單位長(zhǎng)度上的總電感值，單位為H/m。分布電容C傳輸線單位長(zhǎng)度上的總電容值，單位為F/m。如果長(zhǎng)線的分布參數(shù)是均勻分布的，不隨位置而變化，則稱其為均勻長(zhǎng)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(guān)系的方程。 6. 傳輸線的基本特性參數(shù)特性阻抗、傳播常數(shù)、相速度與相波長(zhǎng)。 （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(shù)稱為傳輸線的特性導(dǎo)納，用表示。 當(dāng)時(shí)，此時(shí)傳輸線稱為無(wú)耗傳輸線。 當(dāng)和時(shí)

4、，此時(shí)傳輸線稱為微波傳輸線?？梢姡谏漕l情況下可以認(rèn)為傳輸線的特性阻抗為純阻抗。 （2）傳播常數(shù) 傳播常數(shù)是反映波經(jīng)過(guò)單位長(zhǎng)度傳輸線后波的幅度和相位變化的一個(gè)物理量，;對(duì)于無(wú)耗傳輸線 ;對(duì)于射頻低耗傳輸線 ,其中是衰減常數(shù)，單位1/m,或dB/m;為相移常數(shù)，單位1/m或rad/m。 (3)相速度與相波長(zhǎng) a. 相速度是表示沿一個(gè)方向傳播的波（入射波或是反射波）等相位點(diǎn)移動(dòng)的速度，. b. 相波長(zhǎng)定義為同一瞬時(shí)相位相差的兩點(diǎn)間的距離，。 7. 傳輸線的輸入阻抗與反射系數(shù)（1）輸入阻抗:傳輸線上任一點(diǎn)的輸入阻抗定義為該點(diǎn)電壓與電流之比,即；當(dāng)長(zhǎng)線長(zhǎng)度為l時(shí)，長(zhǎng)線始端輸入阻抗。（2）反射系數(shù)：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(xiàn)象是傳輸線上最基本的物理現(xiàn)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(shù)反映了傳輸線的反射特性。反射系數(shù)是指?jìng)鬏斁€上某點(diǎn)的反射電壓（波）與入射電壓（波）之比，也等于傳輸線上該點(diǎn)反射電流（波）與入射電流之比的負(fù)值，用表示 ；當(dāng)時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的是終端反射系數(shù)，也叫負(fù)載反射系數(shù)，用表示， ,然而對(duì)于無(wú)源負(fù)載， 因此，對(duì)于無(wú)耗傳輸線，則有說(shuō)明無(wú)損耗傳輸線上任何一點(diǎn)反射系數(shù)的模值是相同的，也說(shuō)明了無(wú)傳輸線上任何一點(diǎn)反射波與入射波雖然相位有差異，但是振幅之比為常數(shù)。因此可得到結(jié)論如下：(1) 反射系數(shù)隨傳輸線位置變化。(2) 反射系數(shù)為復(fù)數(shù)，這反映出反射波

6、與入射波之間有相位差異。(3) 無(wú)耗傳輸線上任一點(diǎn)反射系數(shù)的模值是相同的，說(shuō)明了無(wú)傳輸線上任何一點(diǎn)反射波與入射波振幅之比為常數(shù)。 (4) 反射系數(shù)是周期性函數(shù)，周期為。8. 駐波系數(shù)與行波系數(shù) (1) 駐波系數(shù)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(shù).當(dāng)，即行波狀態(tài)時(shí)，駐波系數(shù)，行波系數(shù)。 當(dāng)，即駐波狀態(tài)時(shí)，駐波系數(shù)，行波系數(shù)。 當(dāng)，即行駐波狀態(tài)時(shí)，駐波系數(shù)，行波系數(shù)。 9. 反射系數(shù)與終端負(fù)載的關(guān)系(1) 當(dāng)時(shí)，傳輸線上無(wú)反射波，只有入射波，稱為行波狀態(tài)。(2) 當(dāng)（終端短路）時(shí)，；當(dāng)（終端開路）時(shí)，；當(dāng)（終端接純電抗負(fù)載）

7、時(shí)，。(3)當(dāng)時(shí)，入射波能量部分被負(fù)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(wú)耗長(zhǎng)線的工作狀態(tài)(1) 行波工作狀態(tài)（也叫無(wú)反射工作狀態(tài)） 產(chǎn)生無(wú)反射工作狀態(tài)，即： a. 或，這時(shí)是傳輸線無(wú)限長(zhǎng)的情況。 b. ，這是負(fù)載匹配的情況。 無(wú)耗傳輸線上行波的工作狀態(tài)，行波有三大特點(diǎn)： a. 傳輸線上各點(diǎn)點(diǎn)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(diǎn)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(fù)載；均勻無(wú)耗傳輸線終端無(wú)論

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

9、點(diǎn)，但離開終端第一個(gè)出現(xiàn)的是電壓波節(jié)點(diǎn)、電流波腹點(diǎn)。 b. 沿線阻抗變化規(guī)律，有以下三個(gè)特點(diǎn)： 傳輸線上阻抗最大值點(diǎn)與相鄰的阻抗最小值點(diǎn)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(wú)耗傳輸線的特性阻抗，即：；阻抗具有變換性，如感性負(fù)載容性負(fù)載，；阻抗具有的重復(fù)性，即相距半波長(zhǎng)整數(shù)倍點(diǎn)輸入阻抗都相等。 c. 傳輸線的功率 因?yàn)閭鬏斁€是無(wú)耗的，所以傳輸線的輸入功率就是傳送到負(fù)載的功率。 d. 傳輸線的效率 傳輸線的效率即負(fù)載吸收的功率與傳輸線輸入功率之比，用表示.對(duì)于無(wú)耗傳輸線有 ， .對(duì)于有耗傳輸線，。 11. 長(zhǎng)線的阻抗匹配 (1) 阻抗匹配 a. 共軛匹配 設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻

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

11、載的反射波也將被匹配信號(hào)源所吸收，始端不會(huì)產(chǎn)生新的反射，所以無(wú)反射匹配的條件為：, 。由于共軛匹配和無(wú)反射匹配要求的條件不同，所以兩種匹配不一定能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。(2) 無(wú)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(fù)載阻抗為純電阻RL，但RLZ0，此時(shí)傳輸線上傳行駐波，傳輸線終端為電壓波腹點(diǎn)或電壓波谷點(diǎn)。若在純電阻終端前加一段特性阻抗為Z0 1 的/4長(zhǎng)傳輸線，可以使終端匹配，此/4長(zhǎng)的傳輸線稱為/4阻抗變換器 經(jīng)過(guò)/4阻抗變換器，輸入阻抗為Zin in (/4)，達(dá)到傳輸線匹配要求.式中Z01為待求的量，為:b. 單支節(jié)調(diào)配器.單支節(jié)調(diào)配器也叫短截線或分支線調(diào)配器，其匹配原

12、理是利用分支線電抗產(chǎn)生一新的反射，來(lái)抵消原來(lái)不匹配負(fù)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(dǎo)、同軸線2. 微帶線：(1) 微帶線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)是一種雙導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。微帶線是在介質(zhì)基片的一面制作導(dǎo)體帶，另一面制作接地金屬平板而構(gòu)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(chǎng)的泄露，但導(dǎo)體帶會(huì)帶來(lái)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(dǎo)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(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)r有關(guān)，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(zhì)基片是介電常數(shù)高、高頻損耗小的材料。 (3) 微帶線的有效介電常數(shù)和特性阻抗：當(dāng)

13、介質(zhì)基片的厚度h和相對(duì)介電常數(shù)r相同時(shí)，如果微帶線的導(dǎo)體帶寬度W越大，則微帶線的相對(duì)有效介電常數(shù)re越大，特性阻抗越小。微帶線的特性阻抗也滿足導(dǎo)帶越寬，阻抗越低；導(dǎo)帶越窄，阻抗越高的關(guān)系，通常稱這些窄、寬線為高、低阻抗線。 (4) 微帶線傳輸準(zhǔn)TEM模，但微帶線的傳輸特性近似按照TEM模計(jì)算。微帶線的波長(zhǎng)和相速度按公式 計(jì)算。(注:相移常數(shù)， 特性阻抗， 為標(biāo)準(zhǔn)微帶的單位長(zhǎng)分布帶電容)。(5) 微帶線的衰減 微帶線在忽略輻射損耗時(shí)，其衰減由導(dǎo)體衰減和介質(zhì)衰減構(gòu)成，導(dǎo)體衰減常數(shù)近似為 1/m，介質(zhì)衰減常數(shù)近似為 1/m.3. 帶狀線(1) 帶狀線傳輸?shù)闹饕Ｊ绞荰EM波，所以對(duì)帶狀線可以用長(zhǎng)線理

14、論的結(jié)論，TEM波傳輸線的傳輸參數(shù)為：相速度 ，相波長(zhǎng) ，相移常數(shù) ，特性阻抗 。(2) 衰減常數(shù)帶狀線的衰減由介質(zhì)衰減和導(dǎo)體衰減兩部分組成。4. 波導(dǎo) (1) 導(dǎo)行波波型分類 導(dǎo)行波的波型是指能夠單獨(dú)在導(dǎo)波系統(tǒng)中存在的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式，也叫傳輸模式。導(dǎo)行波橫向長(zhǎng)分量與縱向長(zhǎng)分量有關(guān)，因此可以根據(jù)導(dǎo)行波中是否存在縱向場(chǎng)分量對(duì)導(dǎo)行波的波形進(jìn)行分類。 a. 橫電磁波（TEM波） 波形特征：沒(méi)有電磁場(chǎng)的縱向場(chǎng)量，即b. 橫電波（TE波）或磁波（H波） 波形特征是：，所有的場(chǎng)分量可由縱向磁場(chǎng)分量求出。c. 橫磁波（TEM波）或電波(E波) 波形特征是：，所有的場(chǎng)分量可由縱向磁場(chǎng)分量求出。 (2) 導(dǎo)行波

15、的傳輸特性 a. 截止波長(zhǎng)與傳輸條件 導(dǎo)行波的場(chǎng)量都有因子（沿正z軸方向傳輸），量為傳播常數(shù)，則有，對(duì)于理想波導(dǎo)系統(tǒng)，為實(shí)數(shù)，而是由波導(dǎo)系數(shù)系統(tǒng)橫截面的邊界條件決定的，也是實(shí)數(shù)。 b. 波導(dǎo)波長(zhǎng) 理想波導(dǎo)系統(tǒng)中的相波長(zhǎng)稱為波導(dǎo)波長(zhǎng)，記為，對(duì)于TEM波，,則可得，為自由空間的工作波長(zhǎng)。 相速度、群速度和色散 TE波和TM波相速度公式：， 其中 對(duì)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(guò)程中的“共同”速度，或者說(shuō)是已調(diào)波包絡(luò)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(zhǎng)（即頻率）而變化，稱此現(xiàn)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(wú)關(guān)，稱為“非色散”波。 d. 傳輸功率 波導(dǎo)沿?zé)o耗規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)+z方向傳輸?shù)钠骄β势渲?或或).(3). 模式電壓與模式電流 TM波：TM波型磁場(chǎng)的縱分量，； TE波：TE波型磁場(chǎng)的縱分量，； TEM波：橫電磁波的縱向電磁場(chǎng)分量都為0，即，故，;(4) 波導(dǎo)傳輸線：矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)5. 同軸線a. 同軸線是雙導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其傳輸?shù)闹髂Ｊ绞荰EM波。b. 傳輸參數(shù)：相速度 ，相波長(zhǎng) ，相移常數(shù) .c為光速，為同軸線中填充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。c. 傳輸線的功率與衰減由兩部分構(gòu)成，一是由導(dǎo)體損耗引起的，用表示；另

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