《微波技術(shù)》學習指南

1、第1章緒論1.1學習要求掌握微波的波長和頻率范圍，以及波段的劃分。了解微波在電磁波譜中的位置，微波的特性。了解微波技術(shù)的發(fā)展方向和主要應(yīng)用領(lǐng)域。了解微波技術(shù)的分析方法。1.2內(nèi)容提要微波是頻率最高的無線電波，其頻率范圍大約在 300MHz3000GHz之間。它一般劃分為分米波、厘米波、毫米波 和亞毫米波四個主要波段。微波與普通無線電波相比，具有似光性、頻率高、能穿透 電離層和量子特性等特點。這些特點決定了傳輸和處理微波信號的 器件和系統(tǒng)，有別于普通無線電波所采用的器件和系統(tǒng)；也決定了 微波的獨特作用。微波技術(shù)在雷達、通信、科學研究、生物醫(yī)學工程和能源 利用與開發(fā)等方面都有重要應(yīng)用。研究微波的傳

2、輸特性有“場”和“路”兩種分析方法。第2章傳輸線理論2.1 學習要求了解傳輸線的種類及分布參數(shù)和分布參數(shù)電路的概念。了解傳輸線方程及入射波和反射波的概念。掌握均勻無耗傳輸線的傳播常數(shù)、相速、相波長和群速的概 念，重點掌握輸入阻抗、反射系數(shù)及駐波比之間的關(guān)系及求解方法。掌握均勻無耗傳輸線的三種工作狀態(tài)的分析過程，包括傳輸 線上電壓、電流的分布、阻抗特性的分析與計算等。了解阻抗圓圖的構(gòu)成原理，會利用阻抗圓圖進行傳輸線的分 析和計算。了解阻抗匹配的目的和含義，對常用的負載阻抗匹配的方法一串聯(lián)V/4阻抗變換器法和單分支匹配器法要會分析和計算。2.2內(nèi)容提要傳輸線可用來傳輸電磁信號能量和構(gòu)成各種微波元器

3、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。均勻無耗傳輸線方程為d 2dz： d 2 IIdz 2其解為U (z)= A e - jP z + A ejP zI)=-1 e-jPz 一 A ejPz)V -=0=T 世,vv = 0=p E其參量為z0L2兀.，p = C，V 0p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)：當Z廣Z。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。

4、當Zl=0、-和土 jX/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Z = RL + jXL時，傳輸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R =p Z 0，電壓波節(jié)點的阻抗為最小的純電阻Rmin= Z J p ； 電磁能量一部分被負載吸收，另一部分被負載反射回去。表征傳輸線上反射波的大小的參量有反射系數(shù)，駐波比P和行波系數(shù)K。它們之間的關(guān)系為1 + |r iT

5、其數(shù)值大小和工作狀態(tài)的關(guān)系如下表所示。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。阻抗匹配包括共軛匹配和無反射匹配，傳輸線阻抗匹配方 法常用V4阻抗變換器和分支匹配器(單分支、雙分支和三分支)。第3章微波傳輸線3.1學習要求了解規(guī)則波導分析方法及其與雙導線傳輸方法的異同之處；掌握矩形波導的一般理論與傳輸特性，掌握矩形波導主模的場分布與相應(yīng)參數(shù)；了解圓波導、同軸線、帶狀線和微帶線等傳輸線的工作原理、 結(jié)構(gòu)特點、傳輸特性和分析方法。3.2內(nèi)容提要微波傳輸線是引導電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

6、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。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X* 或f f時，才能在導波系統(tǒng) 中傳輸，否則被截止。 C C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 屬壁上只有電場的法向分量和磁場的切向分量；電力線一定是封閉 曲線。本章主要討論了矩形波導、圓波導、同軸線、帶狀

7、線和微 帶線等常用的微波傳輸線。其中矩形波導、圓波導和同軸線易采用 場解法來分析其場分布和傳輸特性;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。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X單模傳輸條件矩形波導TE”模2aaX2b圓波導TE”模3.14R2.62RX 兀/2(D+d)帶狀線TEM模8X 2 wj廠,X 2b JF微帶線 準TEM模人 2 w、H ,人 2 媳 e ,人 4h、e -1第4章微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)4.1學習要求掌握微波等效傳輸線的概念，了解用網(wǎng)絡(luò)觀點分析微波系 統(tǒng)的優(yōu)點；掌握二端口網(wǎng)絡(luò)的幾種網(wǎng)絡(luò)

8、矩陣，特別是轉(zhuǎn)移矩陣、散射 矩陣等矩陣參數(shù)的性質(zhì)及其求解；了解二端口微波網(wǎng)絡(luò)的組合方式，掌握網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)后網(wǎng)絡(luò)參 量的計算，以及參考面移動對網(wǎng)絡(luò)參量的影響掌握二端口網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移矩陣和散射矩陣的轉(zhuǎn)化關(guān)系，及其 與工作特性參量的關(guān)系；了解多口網(wǎng)絡(luò)散射矩陣參數(shù)的性質(zhì)。4.2內(nèi)容提要微波系統(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，可對任何一個復雜微波系統(tǒng)進行研究。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)

9、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。二端口網(wǎng)絡(luò)參量的性質(zhì)有可逆網(wǎng)絡(luò)：Z = Z，Y = Y，A A - A A = 1 TOC o 1-5 h z 1221122111 2212 21S = S，T T - T T = 1122111 2212 21對稱網(wǎng)絡(luò)：Z = Z，Y = Y，A = A，S = S ，T =-T11221122112211221221無耗網(wǎng)絡(luò)：Z = jX , Y = jBG, j = 1,2）, STS* = 1二端口微波網(wǎng)絡(luò)的組合方式有：級聯(lián)方式、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

10、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。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)：T = S21 =-11 +12 *21 *22插入衰減：A = 口一= 一-葉號2L = 10log A = 10log-(dB)S2插入相移：o = arg T = arg S 21 = 21輸入駐波比：p=空1 i1 - S1 11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：|S11| = |S22|，|S12| -|S

11、112，中12 = 1/2G1+也2兀）；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S11 = 0（或S22 = 0），則S22 = 0（或S11 = 0）；若網(wǎng)絡(luò) 完全匹配，則網(wǎng)絡(luò)一定完全傳輸，即若S11 = S22 = 0，則 Is=Is J = 1。利用微波網(wǎng)絡(luò)的信號流圖可以簡化網(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5章常用微波元件5.1學習要求了解微波元器件的分類及它們在微波電路中的作用；掌握終端負載元件、微波連接元件和阻抗匹配元件有哪些及他們的作用；掌握定向耦合器的性能指標及波導雙孔定向耦合器、平行耦合 帶狀線定向耦合器和雙分支定向耦合器的工作原理；掌握雙T、

12、匹配雙丁的特性；了解微波諧振腔的作用及性能參數(shù)；了解微波濾波器和微波鐵氧體元件的性能和用途。5.2內(nèi)容提要本章采用網(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，波導匹配雙丁，微波濾波器，微波諧振器，微波鐵氧 體元件以及微波集成電路。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

13、衰減;而移相器的作用是對通過它的微波信號產(chǎn)生一定的相 移，微波能量可無衰減地通過。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。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)?特點。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

14、耦合器，由于它們結(jié)構(gòu) 上都具有對稱平面，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。微波濾波器主要功能是分隔頻率。表征濾波器的主要特性 是衰減特性。根據(jù)衰減特性分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器， 對濾波器的要求是通帶內(nèi)衰減盡可能小，阻帶內(nèi)衰減盡可能大，通 帶與阻帶的過渡區(qū)盡可能小，即愈陡愈好。這些要求是相互矛盾的， 解決這些矛盾的最經(jīng)濟和合理的方法是采用網(wǎng)絡(luò)綜

15、合法進行設(shè)計。 微波濾波器設(shè)計與低頻濾波器的設(shè)計基本相同，唯一的差別是用分 布參數(shù)元件代替集中參數(shù)元件。微波濾波器常采用高低阻抗線來構(gòu) 成。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、 基本特性及其等效電路。微波諧振器與低頻集中參數(shù)LC諧振回路的外特性是相同的， 因此可以用等效電路來分析，尤其帶有耦合裝置的諧振器更適宜用 等效電路法進行分析。對于傳輸線型諧振器的場分布的分析，采用使原有傳輸線的場 分布滿足兩端面的邊界條件，即可得到由該傳輸線組成的諧振器中 的場分布。諧振器中的場分布是呈駐波分布的。各種形式傳輸線，只要滿足諧振條件

16、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 = nX0/2 ；對于由一端短路，另一端開路的傳輸線構(gòu)成的諧振器，其 諧振條件為l = （2n-1）如/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/ =人0/2兀arcctg（Z。C）。 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/2.1R時，主模為TE111O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。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：當微波頻率等于鐵氧體分子進動頻率苔H時， 圓極化波的虹和、，具有諧振特性，此時鐵氧體對微波能量具有強 +烈的吸收，這種現(xiàn)象稱為鐵氧體