微波技術(shù)與天線考察報(bào)告

《微波技術(shù)與天線》課程考察報(bào)告學(xué)院：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)：通信工程班級：通信09-2班姓名：侯永超學(xué)號：310909020213指導(dǎo)老師：許焱平緒論微波技術(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(xué)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，即從麥克斯韋方程出發(fā)，在特定邊界條件下解電磁波動(dòng)方程，求得場量的時(shí)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?；舴蚨山鬏斁€方程，求得線上電壓和電流的時(shí)空變化規(guī)律，分析電壓和電流的各種傳輸特性。微波的定義：把波長從1m到0.1mm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：300MHz?3000GHz。在整個(gè)電磁波譜中，微波介于超短波與紅外線之間，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(gè)波段。#10 #1。女10 女102 #105 旅108人(m)10 10 10 101 104 10 1010微波具有如下主要特點(diǎn)：（1）似光性；（2）穿透性；（3）寬頻帶特性；（4）熱效應(yīng)特性；（5）散射特性；（6）抗低頻干擾特性；（7）視距傳輸特性；（8）分布參數(shù)的不確定性；（9）電磁兼容和電磁環(huán)境污染。微波技術(shù)的主要應(yīng)用：（1）在雷達(dá)上的應(yīng)用；（2）在通訊方面的應(yīng)用；（3）在科學(xué)研究方面的應(yīng)用；（4）在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用；（5）微波能的應(yīng)用。

第一章均勻傳輸線理論微波傳輸線是用以傳播微波信息和能量的各種形式的傳輸系數(shù)的總稱，它的作用是引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸，因此又稱為導(dǎo)波系統(tǒng)，其所引導(dǎo)的電磁波被成為導(dǎo)行波。微波傳輸線可以分為三種類型，第一類是雙導(dǎo)體傳輸線，第二類是均勻填充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)管，第三類是介質(zhì)傳輸線。本章從“化場為路”的觀點(diǎn)出發(fā)，首先建立了傳輸線方程，導(dǎo)出傳輸線方程的解，引入傳輸線的重要參量一一阻抗、反射系數(shù)及駐波比；然后分析無耗傳輸線的特性，給出傳輸線的匹配、效率及功率容量的概念。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(shí)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：d2U(z)其解為:U(z)=Ae-鄧z+Ae^PzI(z)= (Ae-鄧z—Ae鄧z其參量為：力vp0vp已知始端電壓電流的傳輸線上任意點(diǎn)電壓電流的計(jì)算方程:U(z)=UcosPz-jIZsinPzUI(z)=-j—sinPz+IcosPzo已知終端電壓電流的傳輸線上任意點(diǎn)電壓電流的計(jì)算方程:U(z')=Ucospz'+jlZsinpz,I(z')=Icospz'+j-—i-sinpz'0InputImpedance：Ucos。z)+jIZsin(3z) Z+jZtan。z)Z(z)= io_一二Z __—in Icos。z)+jUsin(pz) 0Zo+jZE。z)Zo對均勻無耗線，具有周期性，即存在入/2的重復(fù)性和入/4的變換性。ReflectionCoefficient：Z-Zr(z)=——AZZ+——0-Z0e-j2pz=re-j2pzrl=rze抻lr(z)=lrIj(中l(wèi)-2pz)rZ——Z-ZI-Z——0Z0-;r(z)=Z(4n z)-Z 0-I+Z(inz)+Z0VSWR：Umin終端接的不同性質(zhì)的負(fù)載，均勻無耗傳輸線有三種工作狀態(tài)：當(dāng)Zl=zo時(shí)，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(fù)載吸收。當(dāng)Zl=。、8和±jx時(shí)，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(diǎn)的阻抗為無限大，電壓波節(jié)點(diǎn)的阻抗為零，沿線其余各點(diǎn)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。

當(dāng)Z廣RL+jXL時(shí)，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(diǎn)的阻抗為最大的純電阻R=Pz，電壓波max 0節(jié)點(diǎn)的阻抗為最小的純電阻Rmin=zJp；電磁能量一部分被負(fù)載吸收，另一部分被負(fù)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：傳輸線阻抗匹配方法常用人M阻抗變換器和單支節(jié)調(diào)配器。"阻抗變換器：只能匹配電阻性負(fù)載：R+jZtan(PX/4)Z201RR+jZtan(PX/4)Z201R1譏01Z+jRtan(PX/4)串聯(lián)短路單支節(jié)調(diào)配器：XXl= 9土 arctan1=± arctan2兀P-11 4兀 =X±^arctan1=± arctan2兀P-1 =X±^arctan中 42兀 Jp史密斯圓圖能直觀地描述了無耗傳輸線各種特性參數(shù)的關(guān)系，是用來分析傳輸線匹配問題的有效方法。阻抗圓圖：在阻抗圓圖的上半圓內(nèi)的電抗x>0呈感性，下半圓內(nèi)的電抗x<0呈容性；實(shí)軸上的點(diǎn)代表純電阻點(diǎn)，左半軸上的點(diǎn)為電壓波節(jié)點(diǎn)；在傳輸線上有負(fù)載向電源方向移動(dòng)時(shí)，在圓圖上應(yīng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之，有電源向負(fù)載方向移動(dòng)時(shí)，應(yīng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。并聯(lián)短路單支節(jié)調(diào)配器:fXXX 1l= 9土—土 arctan14兀142兀 Jp轉(zhuǎn)1800得到導(dǎo)納圓圖。第二章規(guī)則金屬波導(dǎo)本章以矩形金屬波導(dǎo)的求解為引線，探討了場解的基本規(guī)律，介紹了相關(guān)的公式及概念。隨后給出了圓形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了類比討論，最后探討了波導(dǎo)的耦合和激勵(lì)方法。導(dǎo)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(dǎo)管中傳輸；后一種是非色散波，一般在雙導(dǎo)體系統(tǒng)中傳輸。只有當(dāng)電磁波的波長或頻率滿足條件人〈人c或f>fc時(shí)，才能在導(dǎo)波系統(tǒng)中傳輸，否則被截止。導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)、圓波導(dǎo)、同軸線等常用的微波傳輸線以及波導(dǎo)的激勵(lì)與耦合。其中矩形波導(dǎo)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(dǎo)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；波導(dǎo)的激勵(lì)與耦合：電激勵(lì)，磁激勵(lì)，電流激勵(lì)。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人c單模傳輸條件矩形波導(dǎo)TE10模2aa<X<2a，人>2b圓波導(dǎo)TE11模3.14R2.62R〈人<3.41R同軸線TEM模8。兀/2(D+d)第三章微波集成傳輸線微波集成傳輸線的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、價(jià)格低廉、可靠性高、性能優(yōu)越、功能的可復(fù)制性好。集成微波傳輸系統(tǒng)分為四大類：（1）準(zhǔn)TEM波傳輸線，主要包括微帶傳輸線和共面波導(dǎo)等。（2）非TEM波傳輸線，主要包括槽線等。

（3）開放式介質(zhì)波導(dǎo)傳輸線，主要包括介質(zhì)波導(dǎo)、鏡像波導(dǎo)等。（4）半開放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括H形波導(dǎo)、G形波導(dǎo)等。g。帶狀線：它由兩塊相距為b的接地板與中間寬度為w、厚度為t的矩形截面導(dǎo)體構(gòu)成，接地板之間填充均勻介質(zhì)或空氣。g。D和波導(dǎo)波長p介質(zhì)波導(dǎo)可以分為兩大類：一類是開放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括圓形介質(zhì)波導(dǎo)和介質(zhì)鏡像線等；另一類是半開放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括H形波導(dǎo)、G形波導(dǎo)等。光纖按組成材料可分為石英玻璃光纖、多組分玻璃光線、朔料包層玻璃芯光纖和全朔料光纖。按折射率分布形狀可分為階躍型光纖和漸變型光纖。按傳輸模式可分為多模光纖和單模光纖。第四章微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)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(gè)復(fù)雜微波系統(tǒng)進(jìn)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(gè)數(shù)。微波網(wǎng)絡(luò)按端口個(gè)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(diǎn)，介紹了二端口網(wǎng)絡(luò)的五種網(wǎng)絡(luò)參量：阻抗參量、導(dǎo)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，AD-BC=112211221S=S，TT-TT=11221，11221221對稱網(wǎng)絡(luò)：Z=Z，Y=Y，A=D，S=S，T=-T1122112211 2212 21無耗網(wǎng)絡(luò)：Zij=jXij，Y二ij=jBij(i,j=1,2)，[S]t[S*]=[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(dǎo)納矩陣來分析；二端口網(wǎng)絡(luò)參考面的移動(dòng)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(dòng)散射參量具有幅值不變性。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:電壓傳輸系數(shù):插入衰減：插入相移：輸入駐波比:T=S=—二二~21A+A+A+ATOC\o"1-5"\h\z11 12 21 221 1A= =ItI2S21|21L=10logA=10log——S219=argT=argS=9-(-(dB)21-S可逆無耗二端口網(wǎng)絡(luò)的基本特性有:s參量只有三個(gè)獨(dú)立參量，它們的相可逆無耗二端口網(wǎng)絡(luò)的基本特性有:s參量只有三個(gè)獨(dú)立參量，它們的相互關(guān)系為:S1J=S221，S」=d1-S11I2，甲12=函(甲11+甲22±Q；若網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)端口匹配，另一個(gè)端口一定自動(dòng)匹配，即若S11=0(或S11=0)，則S11=0(或互關(guān)系為:=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1=S」=1°第五章微波元器件本章采用網(wǎng)絡(luò)方法對一些常用的微波元件進(jìn)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(fù)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(dǎo)匹配雙丁，微波濾波器，微波諧振器和微波鐵氧體元件。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(fù)載和短路負(fù)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(gè)四端口的網(wǎng)絡(luò)元件，它具有定向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。它的主要指標(biāo)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(dǎo)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(dǎo)孔耦合的定向耦合器一般采用耦合波理論進(jìn)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，故易采用奇、偶模參量法進(jìn)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(gè)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(dǎo)匹配雙丁（魔T），它們也可看成是一類定向耦合器。微波諧振器是一種儲(chǔ)能和選頻元件，其作用相當(dāng)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=nX/2；對于由一端短路，另一端開路的傳輸線構(gòu)成的諧振器，0其諧振條件為l=（2n-1）X/4；對于由一端短路，另一端為容性電納負(fù)載的傳輸0線構(gòu)成的諧振器，其諧振條件為1=X「2兀arcctg（z尸。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(dāng)l<2.1R時(shí)，主模為TM010，當(dāng)l>2.1R時(shí)，主模為TE111O同軸諧振腔中主模為TEM模。圓柱諧振腔中TE?！敝C振模具有很高的Q值，可用作自動(dòng)頻率微調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)腔、高頻率穩(wěn)定度的諧振腔和高精度波長計(jì)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(jì)所需結(jié)果，故常采用