射频与微波技术知识点总结

射频/微波的特点: 1.频率高 2.波长短 3.大气窗口 4.分子谐振
微波频率：3003000 波长：0.11m
独特的特点：的波长与自然界物体尺寸相比拟
在波段，由于导体的趋肤效应、介质损耗效应、电磁感应等影响，期间区域不再是单纯能量的集中区，而呈现分布特性。

长线概念：通常把导线（传输线）称为长线，传统的电路理论已不适合长线！系统的组成：
传输线：传输信号
微波元器件：完成微波信号的产生、放大、变换等和功率的分配、控制及滤波天线：辐射或接收电磁波
微波、天线与电波传播的关系：（简答）
微波：
对象：如何导引电磁波在微波传输系统中的有效传输
目的：希望电磁波按一定要求沿微波传输系统无辐射的传输；
天线
任务：将导行波变换为向空间定向辐射的电磁波，或将在空间传播的电磁波变为微波设备中的导行波
作用：1.有效辐射或接收电磁波；2.把无线电波能量转换为导行波能量
电波传播
分析和研究电波在空间的传播方式和特点
常用传输线机构：矩形波导共面波导同轴线带状线
微带线槽线
分析方法 场分析法：麦克斯韦方程满足边界条件的波动解传输线上电磁场表达式分析传输特性
等效电路法：传输线方程满足边界条件的电压电流波动方程的解沿线等效电压电流表达式分析传输特性
称为传输线的特性阻抗
特性阻抗Z0通常是个复数, 且与工作频率有关。

它由传输线自身分布参数决定而与负载及信源无关, 故称为特性阻抗
对于均匀无耗传输线, 0, 传输线的特性阻抗为 此时, 特性阻抗Z0为实数, 且与频率无关。

常用的平行双导线传输线的特性阻抗有250Ω, 400Ω和600Ω三种。

常用的同轴线的特性阻抗有50 Ω 和75Ω两种。

均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗及工作频率有关, 且一般为复数, 故不宜直接测量。

无耗传输线上任意相距λ /2处的阻抗相同, 一般称之为λ /2重复性。

传输线上电压和电流以波的形式传播, 在任一点的电压或电流均由沿方向传播的行波（称为入射波）和沿方向传播的行波（称为反射波）叠加而成。

传播常数γ:
α为衰减常数, 单位为 β为相移常数 对于均匀无耗传输线来说, 由于β与ω成线性关系, 故导行波的相速与频率无关, 也称为无色散波。

当传输线有损耗时, β不再与ω成线性关系, 使相速υp 与频率ω有关,这就称为色散特性。

定义传输线上任意一点 z 处的反射波电压（或电流）与入射波电压（或电流）0L Z C
=)j /()j (0C G L R Z ωω++=β
ωωγj )j )(j (+=++≈a C G L R
之比为电压（或电流）反射系数(越小越好)
当0时, Γ0, 即负载终端无反射, 此时传输线上反射系数处处为零, 一般称之为负载匹配。

而当≠Z0时, 负载端就会产生一反射波, 向信源方向传播, 若信源阻抗与传输线特性阻抗不相等时, 则它将再次被反射。

定义传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比为电压驻波比, 用ρ表示：
电压驻波比有时也称为电压驻波系数, 简称驻波系数, 其倒数称为行波系数, 用K 表示。

当|Γ0 即传输线上无反射时, 驻波比ρ=1; 而当|Γ1,即传输线上全反射时, 驻波比ρ→∞, 因此驻波比ρ的取值范围为1≤ρ＜∞。

可见，驻波比和反射系数一样可用来描述传输线的工作状态。

行波状态就是无反射的传输状态, 此时反射系数Γ0, 而负载阻抗等于传输线的特性阻抗, 即0, 也可称此时的负载为匹配负载。

对无耗传输线的行波状态有以下结论:
① 沿线电压和电流振幅不变, 驻波比ρ=1;
② 电压和电流在任意点上都同相;
③ 传输线上各点阻抗均等于传输线特性阻抗。

纯驻波状态就是全反射状态, 也即终端反射系数|Γ1。

传输线上各点阻抗为纯电抗, 在电压波节点处0, 相当于串联谐振, 在电压波腹点处→∞, 相当于并联谐振, 在0＜z ＜λ /4内, 相当于一个纯电感, 在λ /4＜z ＜ λ /2内, － 相当于一个纯电容，从终端起每隔 λ/4阻抗性质就变换一次, 这种特性称为λ /4阻抗变换性。

无耗传输线上距离为λ／4的任意两点处阻抗的乘积均等于传输线特性阻抗的平方, 这种特性称之为λ /4阻抗变换性。

传输效率取决于传输线的损耗和终端匹配情况。

min
max
U
U =ρ
插入损耗仅取决于失配情况，故又称为失配损耗。

传输线的三种匹配状态：1) 负载阻抗匹配 2) 源阻抗匹配 3) 共轭阻抗匹配 保持同轴线外导体半径b 不变，改变导体半径a 可以使同轴线分别达到耐压最高、传输功率最大、衰减最小三种状态。

当填充介质为空气时：
2.72a ，即特性阻抗为60Ω时，耐压程度最高；
1.65a ，即特性阻抗为30Ω时，传输功率最大；
3.59a ，即特性阻抗为76.7Ω时，衰减最小；
在规则波导中波的传播的速度要比在无界空间媒质中传播的速度要快。

群速：它表征了波能量的传播速度
0 意味着该导行波既无纵向电场又无纵向磁场, 只有横向电场和磁场, 故称为横电磁波，简称波。

任意频率均能在此类传输线上传输。

将≠0而0的波称为磁场纯横向波, 简称波, 由于只有纵向电场故又称为E 波。

将0而≠0 的波称为电场纯横向波, 简称波, 此时只有纵向磁场，故又称为H 波。

无论是波还是波,其相速 均比无界媒质空间中的速度要快, 故称之为快波。

式中, 为矩形波导波的截止波数, 显然它与波导尺寸、传输波型有关。

m 和n 分别代表波沿x 方向和y 方向分布的半波个数, 一组m 、n, 对应一种波, 称作模; 但m 和n 不能同时为零, 否则场分量全部为零。

因此， 矩形波导能够存在0模和0n 模及(≠0)模; 其中10模是最低次模, 其余称为高次模。

11模是矩形波导波的最低次模, 其它均为高次模。

可见当工作波长λ小于某个模的截止波长λc 时, β2＞0, 此模可在波导中传输, r
r /εμβωc v p <= 22c ππ⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=b n a m k
称为传导模; 当工作波长λ大于某个模的截止波长λc时,β2＜0, 此模在波导中不能传输, 称为截止模。

一个模能否在波导中传输取决于波导结构和工作频率（或波长）。

对相同的m和n, 和模具有相同的截止波长，称为简并模, 虽然场分布不同, 但具有相同的传输特性。

主模：在导行波中截止波长λc最长的导行模称为该导波系统的主模, 因而也能进行单模传输
矩形波导的主模为10模
波导尺寸越大, 频率越高, 则功率容量越大。

而当负载不匹配时, 由于形成驻波, 电场振幅变大, 因此功率容量会变小
当允许传输功率不能满足要求时，可采用下述措施：
（1）在不出现高次模的条件下，适当加大波导的窄边尺寸b；
（2）密闭波导并充以压缩空气或惰性气体来提高介质的击穿强度；
（3）保持波导内壁清洁和干燥；
（4）提高行波系数，减少反射。

场的极化方向具有不确定性, 使导行波的场分布在φ方向存在和两种可能的分布, 它们独立存在, 相互正交, 截止波长相同, 构成同一导行模的极化简并模。

由于圆波导具有轴对称性，对m≠0的任意非圆对称模式，横向电磁场可以有任意的极化方向而截波数相同，任意极化方向的电磁波可以看成是偶对称极化波和奇对称极化波的线性组合。

偶对称极化波和奇对称极化波具有相同的场分布，故称之为极化简并。

圆形波导中，11模的截止波长最长，是圆波导中的最低次模，也是主模。

01模是圆波导的第一个高次模。

由于它具有圆对称性故不存在极化简并模
比01模低的模式有11、01、21模，它与11模是简并模。

它也是圆对称模，故无极化简并
波导的激励：电激励磁激励孔缝激励
微波集成电路：
优点：体积小、重量轻、低剖面、可靠性高、性能优越、一致性好、成本低；
缺点：损耗大、功率容量小、品质因数Q较低
各种微波集成传输系统，归纳起来可分为四大类：
平面型传输线的基本结构有两种形式：带状线、微带线。

它们均属于双导体传输线，主要传输的是波。

一般来说衰减主要是由导体损耗及介质损耗引起的
带状线传输的主模是模，但若尺寸选择不合理也会引起高次模模和模。

微带线所传输的波为准波
微带线的色散特性：
色散是指电磁波的相速、特性阻抗等随频率而变的现象。

当频率较低时，微带线上传播的波基本上是准模，故可不考虑色散。

当频率较高时，微带线的特性阻抗与相速随着频率变化而变化，即具有色散特性；
频率f↑→相速↓、εe↑、特性阻抗Z0↓
偶模激励
对称面上磁场的切向分量为零，电力线平行于对称面, 对称面可等效为“磁壁”；奇模激励
对称面上电场的切向分量为零, 对称面可等效为“电壁” 金属条带与地共面的优点：1.低色散宽频带特性 2.便于与其它元器件连接 3.特性阻抗调整方便 4.方便构成无源部件及平面天线的馈电
介质波导的应用：应用在毫米波段的传输器件
介质波导的分类：开放式介质波导：圆形介质波导和介质镜像线。

半开放式介质波导：H 形波导和G 形波导
光纤折射率：
光纤芯与包层相对折射率差：
用相对折射率差Δ来描述：
121n n n -∆=
1/2
1(2)NA n =∆
为取得较大的数值孔径，相对折射率差Δ应取大一些。

零色散工作原理：（简答）
光纤色散主要有材料色散、波导色散和模间色散三种色散效应。

材料色散和波导色散随波长的变化呈相反的变化趋势，因此总会存在着两种色散大小相等符号相反的波长区，即总色散为0或很小的区域。

1.55μm 零色散单模光纤即根据此原理制成。

光纤的损耗影响了传输距离，而光纤的色散影响了传输带宽和通信容量。

［U ］为电压矩阵, ［I ］为电流矩阵, 而［Z ］是阻抗矩阵, 其中Z11、 Z22分别是端口“1”和“2”的自阻抗; Z12、Z21分别是端口“1”和“2”的互阻抗。

［Z ］矩阵中的各个阻抗参数必须使用开路法测量, 故也称为开路阻抗参数, 而且由于参考面选择不同, 相应的阻抗参数也不同。

互易网络：如果任意网络是线性互易的，或说线性可逆矩阵
对称网络：
无耗网络：即对于无耗网络，阻抗矩阵的各项的实部均等于零；即阻抗矩阵为虚数矩阵。

同理无耗网络的导纳矩阵各导纳的实部也等于零，导纳矩阵亦为虚数矩阵。

［S ］矩阵的各参数是建立在端口接匹配负载基础上的反射系数或传输系数。

这样利用网络输入输出端口的参考面上接匹配负载即可测得散射矩阵的各个参量。

将这一角度的正弦值定义为光纤数值孔径，即： sin NA θ
=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡212221121121I I Z Z Z Z U U ,ij ji ij ji Z Z Y Y ==,ii jj ii jj
Z Z Y Y ==111112212222[][][]b a S S S S b a b S a ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
=
对于互易网络: S1221 对于对称网络: S1122
对于无耗网络: [S]+[S]=[E]
其中，[S]+是[S]的转置共轭矩阵，[E]为单位矩阵。

另外，工程上经常用的回波损耗和插入损耗与[S]参数的关系可表达为
［T ］为双端口网络的传输矩阵。

其中T11表示参考面T2接匹配负载时, 端口“1”至端口“2”的电压传输系数的倒数, 其余三个参数没有明确的物理意义。

三点测量法
令终端短路、开路和接匹配负载时, 测得的输入端反射系数分别为Γs, Γo 和Γm, 代入
缺点：精度不高
解决方法——多点测量
线性非互易元器件：主要是指铁氧体器件，它的散射矩阵不对称，但仍工作在限[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡22222221121111a b T a b T T T T b a ⎪⎪⎪⎭
⎪⎪⎪⎬⎫Γ-ΓΓ+Γ-Γ=Γ-ΓΓ-ΓΓ-Γ=Γ=s 0s m 022s 0m 0s m 212m 112))((2S S S
行区域，主要包括隔离器、环行器等。

扼流短路活塞的特点
优点：损耗小，而且驻波比可以大于100。

缺点：这种活塞频带较窄, 一般只有1015%的带宽
同轴S 型扼流短路活塞——具有宽带特性
波导法兰接头：常用低功率、宽频带的场合。

扼流法兰接头：一般用于高功率、窄频带的场合。

波导扭转元件可以改变电磁波的极化方向，而不改变其传输方向
微波连接元件：衰减元件 和 相移元件
衰减元件是用来改变导行系统中电磁波幅度的元件。

对于理想的衰减器，其散射矩阵为： 常用吸收式衰减器：在一段矩形波导中平行与电场方向放置衰减片而构成。

有固定式和可变式两种。

相移元件是用于改变导行系统中电磁波相位的元件。

理想相移元件的散射矩阵为：
将衰减器中的衰减片换成介电常数εr ＞1的无耗介质片时, 就构成了移相器 慢波结构：多螺钉极化转换器 和 介质极化转换器。

它们在空间互相垂直，且都是主模11
微带环形电桥——基本原理（简答）
从端口①输入信号，一路经过b 到达端口②，行程为λ4，另一路经过到达端口②，行程为5λ4，因此，两路信号同相相加，端口④与端口②的两路信号完全类似，所以，端口②④是等幅同相输出；而从端口①经过和 到达端口③的两条信号的行程正好相差λ2，因此，两路信号反相相消，端口③无输出。

铁磁谐振效应是指：当磁场的工作频率ω等于铁氧体的谐振角频率ω0时，铁氧[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=--0e e 0l l S ααα[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=--0e e 0j j θθθS
体对微波能量的吸收达到最大值。

匹配双T ——特点：
① 四个端口完全匹配。

② 端口①②对称，即有S1122。

③ 当端口③输入，端口①②有等幅
同相波输出，端口④隔离。

④ 当端口④输入，端口①②有等幅
反相波输出，端口③隔离。

⑤ 当端口①或②输入时，端口③④等分输出
而对应端口②或①隔离。

⑥ 当端口①②同时加入信号，端口③输出两信号相量和的1/√2倍，端口④输出两信号差的1/√2倍
匹配双T ——S 矩阵
谐振频率由振荡模式、腔体尺寸以及腔中填充介质(μ,ε)所确定, 而且在谐振器尺寸一定的情况下, 与振荡模式相对应有无穷多个谐振频率。

隔离器：也称为反向器，基本特性是：电磁波正向通过时几乎无衰减，反向通过时衰减很大。

常用的隔离器有谐振式和场移式两种。

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===-===00
344433241423132211S S S S S S S S S []⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=001100111100110021S。