西电简明微波大作业2
微波大作业
四端口网络研究分析1.四端口网络的基本性质性质1无耗互易四端口网络可以完全匹配，且为一理想定向耦合器。
性质2有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四个端口均匹配，即是说四个端口匹配是定向耦合器的充分条件，而不是必要条件。
性质3有两个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口电路必然为一理想定向耦合器，且其余两个端口亦匹配并相互隔离。
2.理想定向耦合器一个可逆无耗四端口网络，各个端口完全匹配，有一个端口同输入端口完全隔离，输入功率在其余两个端口上分配输出，这种网络称为理想定向耦合器。
如①口为输入端口，其它三个为输出口或隔离口。
由隔离口的端口的不同，其相应的矩阵为]S、[]03S、[]04S。
[02性质1 无耗互易四端口网络可以完全匹配，且为一理想定向耦合器。
（可由互易网络的幺正性证明。
）对于上图中(a)，其散射矩阵为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=00000000][241423132423141302S S S S S S S S S对于上图中(b)，其散射矩阵为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=00000000][341434232312141203S S S S S S S S S 对于上图中(c)，其散射矩阵为[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=00000000342434132412131204S S S S S S S S S 性质2 有理想定向性的无耗互易四端口网络不一定四个端口均匹配，即是说四个端口匹配是定向耦合器的充分条件，而不是必要条件。
[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡ΓT Γ-T T -ΓT Γ=0000j jCjC j j jC jC j S 性质 3 有两个端口匹配且相隔离的无耗互易四端口电路必然为一理想定向耦合器，且其余两个端口亦匹配并相互隔离。
[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=00000000342434132412131204S S S S S S S S S3..定向耦合器的技术参数以常用的互易无耗][04S 为例。
西电电磁场与电磁波大作业综合研究课题
综合研究课题
1.编制程序绘制电偶极子的电场与电位3D和2D空间分布图。
2.证明金属导体内的电荷总是迅速扩散到表面，弛豫时间？
3.实例展示静电场比拟法的2D和3D应用。
4.求置于无限大接地平面导体上方距导体面h处的点电荷q的电位，
绘制电位分布图；并求解、绘制无限大接地平面上感应电荷的分布图。
5.沿z向分布无限长线电荷等距置于x=0平面两侧，距离d，线密
度分别为ρl ，-ρl，求解电位且绘制等位面方程。
6.横截面如图所示的导体长槽，上方有一块与槽相互绝缘的导体盖
板，截面尺寸为a×b=10×10cm，槽体的电位为零，盖板的电位为U0=100V，采用有限差分法求此区域内的电位并绘制等位线。
7.设计计算机程序绘制无耗、无界、无源简单煤质中的均匀平面电
磁波传播的三维分布图（动态、静态均可）
8.编制计算机程序，动态演示电磁波的极化形式。
对于均匀平面电
磁波，当两个正交线极化波的振幅与初相角满足不同条件时，合成电磁波的电场强度矢量的模随时间变化的矢端轨迹。
9.以常用金属体（比如，铜、铝）为研究目标，讨论其表面电阻，
并计算绘制电磁波（电流密度）在其中传播时的衰减值及其变化规律。
10.推导并绘制三个半波长正交偶极子天线方向图（2D、3D）
（每个同学任意选择其中四道题，考试前提交结果）。
西电微波电子线路作业
微波电子线路作业班级：020911姓名：张盎农学号：02091086ADS混频器设计耦合器设计仿真结果J"尺*人¥申.* *rr”：M «SHW®I噩I逼AHKOD I A低通滤波器设计仿真结果川尸r« Lwp 1|代年*甲r *包誓爭欽》国■* H 4 4| |b b 种吐母和週输出频谱仿真1按照文档所连D-■10-错误提示2直接代入数值修改后端口 1:P=dbmtow (-20),功率源输出信号功率为 -20dBmFreq=3.6GHz,射频输入频率 端口 2：P=dbmtow ( 10)，功率源输出信号功率为 10dBmFreq=3.8GHz,本振输入频率谐波平衡仿真控制器设置如图所示■■I ■ i>li 1 -b -i.i -1 ■ I I"Ha > bl HO" »9 D 戈4■也申會譽令墓览熔样 囲園、 a«i.«i<rt 吉盥：：*" VJt 趣理1J JIL- +fiL.罪询 HL N guU肛I —IN. [uiLcE>rJ U阿 py MET +省申申mu * »国■'看警％嗚宀Tij*r*<77*9144本振与输出修改端口 2重新设置：P=dbmtow ( LO_pwr ),即设置变量 LO_pwr 增加变量设置VAR ，设置如图所示{■L B |J I ^ £*L M I fi.Ku^j UisEr-1.2 ■Qind^l 1F*7mm¥"MU ：I 器 y RM MIIC 囲心珂泗帕目■ I F 1 HB*1 .M|pjnn^i ：r»4f GMfFmq 可二3 tS GHz 0就讪叮 ◎隹羽冃W-0 靜 rfru L=2 bamC_JMW _ _ .TU &*5f-TW^*r vw-1島『mmL=10 2 Hl1L7*ct、ni氯i 斡训><1财tttn L=1£] 4G imnr&SmTL«Ua 匕 Wub 「 L=25niMMW F_M11I 伽3 比刚 hhlfitabJ *1利 C7 mrn> iM 二P 9fi mm 加』却«mMLH TL5宫 g.二1血 T 训■!斛HIIWL-10.2 ffV•:皿」f hSKi>[o CIA亍••ronnMum-3 九血oimP=dbmlD«4^FnH|=3c 6<«H±」 J 四臨・ idllLI 中Akij j fi ： uUh-uOttMlQd h F<PORT2Num---27=9OIMH 円如11晦■巩1训 rreqj-3B 0H1仿真结果从图像结果可看出 Vout 输出与本振功率有关三阶交调分析将的端口 1的单品功率源更换为多频功率源 P_n To ne ,对其设置如图所示修改端口 2和VAR 的设置，如图所示修改谐波平衡仿真控制器，设置如图所示 插入测量方程控件 Meas Eqn ，并对其参数如图设置EH"HARM Qh 心 BALANCEEDft□Cfh ■-iiirnriTsi R 斗1肿個H01l •iw&PddE 屮戸-9 GHz 电 IW*討盲(j-H/On»12|=Jfiwaapl别pg □ pi XtEL □ _pw r~ Art liTABnceNHSTBllj^lflB T M IHtDHiEVNiBrvP'lF Swii 如imNwepih ■ >M ■”理 rinNtvw 烛S*i lnw«»Nm[5> 5<n 5®r1-1 Sbp=X SfcU-l話MUM世IULn_prn 10tM <U ：B F=1gm i E 呻NwilSuniflr ----------|TP 0D5 ranJW^D-AJ LFWU5j I i!B“in Rgm«D BCdioPOPTi rjNum-1b-^n-'CetWW=D 価 moi回asPAfiAUErtR:PlH=t12 um=? £-30 Ohm(a zQt!mKraCLO_pwrj Fnqi=3 ・ GH EmmTU bU3M ："MMubr 吩0 N Him rrilll仿真结果vf(E g U L cos L t) (E o U L cos L t)I sa eI sa SPE gU L cos L t二，理论分析 微波混频器1、 微波混频器的作用与用途微波混频器是通信、雷达、电子对抗等系统的微波接收机以及很多微波测量 设备所不可缺少的组成部分。
西电射频大作业(精心整理)-精选.
射频大作业基于PSpice仿真的振幅调制电路设计数字调制与解调的集成器件学习目录题目一：基于PSpice仿真的振幅调制电路设计与性能分析一、实验设计要求 (3)二、理论分析1、问题的分析 (3)2、差动放大器调幅的设计理论 (4)2.1、单端输出差动放大器电路2.2、双端输出差动放大器电路2.3、单二极管振幅调制电路2.4、平衡对消二极管调幅电路三、PSpice仿真的振幅调制电路性能分析 (10)1、单端输出差动放大器调幅电路设计图及仿真波形2、双端输出差动放大器调幅电路设计图及仿真波形3、单二极管振幅调制电路设计图及仿真波形4、平衡对消二极管调幅电路设计图及仿真波形四、实验总结 (16)五、参考文献题目二数字调制与解调的集成器件学习一、实验设计要求 (17)二、概述 (17)三、引脚功能及组成原理 (18)四、基本连接电路 (20)五、参考文献 (21)六、英文附录 (21)题目一基于PSpice仿真的振幅调制电路设计摘要随着大规模集成电路的广泛发展,电子电路CAD及电子设计自动化（EDA）已成为电路分析和设计中不可缺少的工具。
此次振幅调制电路仿真设计基于PSpice，利用其丰富的仿真元器件库和强大的行为建模工具，分别设计了差分对放大器和二极管振幅调制电路，由此对线性时变电路调幅有了更进一步的认识；同时，通过平衡对消技术分别衍生出双端输出的差分对放大器和双回路二极管振幅调制电路，消除了没用的频率分量，从而得到了更好的调幅效果。
本文对比研究了单端输出和双端输出的差分对放大器调幅电路及单二极管和双回路二极管调幅电路，通过对比观察时域和频域波形图，可知平衡对消技术可以很好地减小失真。
关键词：PSpice 振幅调制差分对放大器二极管振幅调制电路平衡对消技术一、实验设计要求1.1 基本要求参考教材《射频电路基础》第五章振幅调制与解调中有关差分对放大器调幅和二极管调幅的原理，选择元器件、调制信号和载波参数，完成PSpice电路设计、建模和仿真，实现振幅调制信号的输出和分析。
西电电院通信原理大作业2
通信原理大作业班级： 021215学号：02121441姓名：李雷雷光纤通信技术光纤即为光导纤维的简称。
光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。
从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。
光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。
传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。
光纤通信就是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。
光导纤维通信简称光纤通信。
可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。
实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。
光纤通信具有以下特点： (1)通信容量大、传输距离远。
(2)信号串扰小、保密性能好; (3)抗电磁干扰、传输质量佳。
(4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输; (5)材料来源丰富,环境保护好，有利于节约有色金属铜。
(6)无辐射,难于窃听, (7)光缆适应性强,寿命长。
(8)质地脆，机械强度差。
(9)光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。
(10)分路、耦合不灵活。
(11)光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm） (12)有供电困难问题。
就光纤通信技术本身来说，应该包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、光交换技术传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。
光纤光缆技术光纤技术的进步可以从两个方面来说明: 一是通信系统所用的光纤; 二是特种光纤。
早期光纤的传输窗口只有3个，即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及1550nm(第三窗口)。
近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纤)以及S波段窗口。
其中特别重要的是无水峰的全波窗口。
这些窗口开发成功的巨大意义就在于从1280nm到1625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。
西电微波网络-课后题答案
第2讲习题本作业针对微波网络的参量矩阵，介绍了Z 矩阵，Y 矩阵，A 矩阵，S 矩阵和T 矩阵的定义以及各矩阵间的相互转换。
2.1 证明Z 矩阵与A 矩阵的关系式二端口Z 矩阵电压-电流关系为2121111I Z I Z V +=（1）2221212I Z I Z V +=（2）由（2）得2212222111I Z ZV Z I -=（3）将（3）带入（1）得221221111I Z V Z Z V ∆-=证毕2.2 求图2-13所示网络的Z 矩阵cb a bc a I Z Z Z Z Z Z I V Z +++===)(|011112 c b a c b a I Z Z Z Z Z Z I V Z +++===)(|022221c b a c b I Z Z Z Z Z I V Z ++===021121| cb ac b I Z Z Z Z Z I V Z ++===012212| 2.3 求图2-14所示网络的A 矩阵⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡βθθβθθβθθβθθβθθθθβsin cos sin sin cos 2sin sin cos 1101cos sin 1sin cos 110102000000Z j Z Z j j jZ Z j Z j jZ j2.4 已知图2-11所示网络的[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=22211211A A A A A ，端口2接阻抗l Z ，求端口1的输入阻抗。
⎩⎨⎧-=-=22222112122111I A V A I I A V A V则 2221121122222121221111A Z A A Z A I A V A I A V A I V Z l lin ++=--==2.5⎩⎨⎧+=+=22222122122111i a u a i i a u a u 利用111b a u +=222b a u += 111b a i -=222b a i -=得⎩⎨⎧--+=---+=+)()()()()()(22222221112212221111b a a b a a b a b a a b a a b a两式相加2222112112222112111)()(2b a a a a a a a a a a ++++-+-=2222112112221121112221121122a a a a a a a a a a a a a a b ++++-+-++++=即 22211211212a a a a s +++=222112112221121122a a a a a a a a s ++++-+-=222112112221121111--a a a a a a a a s ++++=[]2221121112det 2a a a a a s +++=2.6 （a ）[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=101z A根据电路理论，得⎩⎨⎧-=-=22121ZI V V I I 利用01111)(Z b a I -= 02222)(Z b a I -= 01111)(Z b a V += 02222)(Z b a V +=得01220211)()(Z b a Z b a --=-Z b a Z b a Z Z b a )()()(220222020111--+=+于是⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-210202010102210202010102)(a a Z Z Z Z Z Z b b Z Z Z Z Z Z⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-+-++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2102020101020102020102020102210202010102020201010202010221)(22)()(1)(1a a Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z a a Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Zb b即ZZ Z ZZ Z s +++-=020*******ZZ Z ZZ Z s +++-=020*******ZZ Z Z Z s s ++==0201020121122由t 矩阵与s 矩阵的关系得02010*********Z Z ZZ Z s t ++==020102012122122Z Z Z Z Z s s t +--=-=020101022111212Z Z Z Z Z s st +-== )(2)(020102012020122122Z Z Z Z Z Z Z Z s t ++--=∆-= (b)[]⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=N N A 100根据电路理论，得21nV V = 211I nI -=利用01111)(Z b a I -= 02222)(Z b a I -= 01111)(Z b a V += 02222)(Z b a V +=得02220111)()(Z b a n Z b a +=+ 01220211)()(Z b a Z b a n --=-于是⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-21010202012101020201a a Z Z n Z n Z b b Z Z n Z n Z ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡210220102010201022010220121010202010102020102201212211a a Z n Z Z Z n Z Z n Z n Z Z n Z a a Z Z n Z n Z Z Z n Z n Z Z n Zb b即022010220111Z n Z Z n Z s ++-= 022010220122Z n Z Z n Z s +-= 02201020121122Z n Z Z Z n s s +== 由t 矩阵与s 矩阵的关系得020102201211121Z Z n Z n Z s t +==02010********122Z Z n Z n Z s s t --=-= 0201022012111212Z Z n Z n Z s s t +-== )(2)(0220102012022012122Z n Z Z Z n Z n Z s t +--=∆-= 2.7 已知一双端口网络的s 矩阵满足21122211,s s s s ==。
西电简明微波大作业
微波电路中匹配网络软件的研制及其应用摘要:利用Smith 圆图可以快速精确地设计微波电路匹配网络。
本文建立了微波电路匹配网络软件设计模型, 给出了各模块实现的功能, 以及用MATLAB 实现该软件的具体方法。
最后用该软件设计了一个L 形匹配网络和卫星电视接收机输入电路的共轭匹配网络。
关键词: 匹配网络, Smith 圆图, MATLAB引言:在微波电路设计中, 通常在信号源与负载之间插入一个匹配网络, 变换负载的阻抗, 使两者匹配。
理论证明, 当负载阻抗Z L 和源阻抗Z S 共轭匹配,即Z L = Z S* 时, 信号源和负载之间实现最大功率传输。
如果采用解析方法设计匹配网络, 复杂程度和计算量都会很大。
利用Smith 圆图, 可以快速精确地设计匹配网络。
虽然国外已经开发出利用Smith圆图设计匹配网络的CAD 软件, 但是价格比较昂贵。
我们根据文献 , 设计出了简单易用的软件。
利用该软件, 可以设计L 形、T 形、P形和微带短截线匹配网络, 并具有显示匹配网络的传递函数图, 计算微带线的参数等功能。
该软件使用起来非常简单, 大大简化了匹配网络的设计工作。
1、Smith圆图和匹配网络简介Smith 圆图是由P. H. Smith 在1936 年发明的。
Smith 圆图反映了归一化阻抗、反射系数和驻波比之间的关系, 是被广泛利用于微波电路设计中有效的工具。
在微波电路中, 要实现最大的功率传输, 就必须使源阻抗和负载阻抗相匹配。
匹配网络是这样一个网络: 它是在源阻抗和负载阻抗之间, 对负载阻抗起阻抗变换作用, 使负载阻抗和源阻抗共轭相等的网络。
本文所指的匹配网络均为无源匹配网络。
匹配网络按照组成的元件可以分为: 分立元件匹配网络和微带线匹配网络。
前者用于GHz 频段的低端及更低的频段。
后者用于GHz 频段的高端及更高频段。
其中分立元件匹配网络根据拓扑结构又可以分为L 形、T 形、P形。
L 形是最简单可行的双元件匹配网络, 但是它的品质因数Q 无法控制。
微波电子线路大作业(2)
微波电子线路大作业班级：020914学号：02091400姓名：袁宁一、微波晶体管放大器工作在微波波段的晶体管，其内部参数是一种分布参数，对于某特定频率可以用集总参量来等效，但是用这种等效电路进行分析很难得到一个明确的结论，且计算繁琐，也很难测得等效电路各参数值。
因此这种等效电路可以用来说明微波晶体管工作的物理过程，但不便用来计算。
为便于工程应用，常把在小信号工作状态下的微波晶体管看成一个线性有源二端口网络，并采用S参数来表征微波晶体管的外部特性。
Z L根据S参数定义得到错误！未找到引用源。
可以导出：晶体管放大器简化框图如图所示。
根据S参数与阻抗、反射系数之间的关系，错误！未找到引用源。
1.实际功率增益式中：错误！未找到引用源。
功率增益与晶体管S参数及负载反射系数有关，因此利用此式便于研究负载的变化对放大器功率增益的影响。
2.转换功率增益错误！未找到引用源。
转换功率增益错误！未找到引用源。
表示插入放大器后负载上得到的功率比无放大器时得到的最大功率所增加的倍数。
它的大小与输入端和输出端匹配的程度有关。
当输入端、输出端都满足传输线匹配时，即错误！未找到引用源。
，则由上式可知错误！未找到引用源。
此式说明的晶体管自身参数错误！未找到引用源。
的物理意义，但这样并未充分发挥晶体管用作放大器的潜力。
只有共轭匹配才能传输最大功率，即满足错误！未找到引用源。
时，错误！未找到引用源。
称为双共轭匹配。
3.资用功率增益错误！未找到引用源。
式中错误！未找到引用源。
上式表明，资用功率增益错误！未找到引用源。
只与晶体管S参数及信源阻抗有关。
此式便于研究信源阻抗变换对放大器功率增益的影响。
实际上，放大器在输入端、输出端都满足共轭匹配的条件比较困难，错误！未找到引用源。
只表示放大器功率增益的一种潜力。
4.三种功率增益之间的关系式中：错误！未找到引用源。
分别为输入端和输出端的失配系数。
容易证明一般情况下，错误！未找到引用源。
,所错误！未找到引用源。
西电微波射频导论大作业
微波射频导论大作业授课老师:专业: 电子信息工程姓名:班级：学号:1.文献简介Miniature Four-Way and Two-Way 24 GHz Wilkinson Power Dividers Jeong-Geun Kim ; Gabriel M. RebeizIEEE Microwave and Wireless Components LettersYear: 2007 V olume: 17 , Issue: 9Pages: 658 - 660Cited by: Papers (44) | Patents (3)IEEE Journals & Magazines2. 概述这篇论文呈现24GHz 四路和双路微型威尔金森功率分配器(Wilkinson Power Divider )。
在标准的CMOS 技术下，使用集总单元设计大大减小了芯片面积。
四路和双路威尔金森功分器的有效面积分别为2mm 0.330.33⨯和2mm 0.290.12⨯。
从22到26 GHz ，四路威尔金森功分器导致插入损耗小于2.4 dB ，即输入/输出回波损耗优于15.5 dB ，端口到端口隔离大于24.7 dB ，双路威尔金森功分器导致插入损耗1.4 dB ，输入/输出回波损耗优于8.9 dB ，并且端口到端口隔离14.8 dB 。
主要面向短程汽车雷达与相控阵天线应用。
3. 设计与仿真(1) 原理图(2) 参数选取说明L 和C 的选取是依靠T T fZ C f Z ππ21,2L ==这两个公式决定的。
T Z 是4λ传输线等效特性阻抗,在四路威尔金森功分器中4λ传输线等效特性阻抗是20Z 并且这个隔离电阻阻抗为0Z ，计算得出在24GHz 下电感值为660pH 电容值为66fF ，输入输出端口阻抗为50Ω.(3) 电路图(4) 仿真S 参数图总结：从22到26 GHz，四路威尔金森功分器，插入损耗小于2.4 dB，端口到端口隔离大于24.7 dB，输入端口回波损耗小于13.8dB。
《简明微波》精编版
西安电子科技大学 微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE
Review
不同传输线的特征反映在哪里？这根传输线与哪根传 输线的区别在哪里？
一次特征量 L-单位长度电感 C-单位长度电容
我们要把一次特征量转化成传输相关的特征量 二次特征量
二次特征量
LC
p
A1
A2 g
Eg Z0 Z0 Zg
A1le j2l A2 0
g
Zg Zg
Z0 Z0
, l
Zl Zl
Z0 Z0
A1
D1 D
(Z0
Eg Z0 Zg )(1 gl e j2l )
A2
D2 D
(Z0
Eg Z0l e j2l Zg )(1 gl e j2l )
阻抗有周期特性，tan z' 周期是
Z(z
')
Z0
Zl Z0
jZ0 jZl
tan tan
z z
' '
Z(z'mg / 2) Z(z' )
西安电子科技大学 微波技术研究所 MICROWAVE RESEARCH INSTITUE
第3讲 传输状态
任意 z' 情况
Z
(
z'
)
Z0
cos z 'Ul jZ0 sin z ' Il
j
1 Z0
sin
z
'Ul
cos
西安电子科技大学微波大作业——Smith_chart在计算慢波微带线特征阻抗中的应用
当中的Γ代表其线路的反射系数(reflection coefficient)，即S-parameter里的S11，ZL是归一负载值，即ZL/ Z0。当中电路的负载值Z0是传输线的特性阻抗值，通常会使用50Ω。图表中的圆形线代表电阻抗力的实数值，即电阻值，中间的横线与向上和向下散出的线则代表电阻抗力的虚数值，即由电容或电感在高频下所产生的阻力，当中向上的是正数，向下的是负数。图表最中间的点(1+j0)代表一个已匹配(matched)的电阻数值(ZL)，同时其反射系数的值会是零。图表的边缘代表其反射系数的长度是1，即100%反射。在图边的数字代表反射系数的角度(0-180度)和波长(由零至半个波长)。有一些图表是以导纳值(admittance)来表示，把上述的阻抗值版本旋转180度即可。
该图表是由菲利普·史密斯(Phillip Smith)于1939年发明的，当时他在美国的RCA公司工作。史密斯也许不是图表的第一位发明者，一位名为Kurakawa的日本工程师声称早于其一年发明了这种图表。史密斯曾说过，“在我能够使用计算尺的时候，我对以图表方式来表达数学上的关联很有兴趣。”
史密斯图的基本在于以下的算式:
史密斯圆图的应用
用史密斯图求
我们知道，传输线上前向和后向的行波合成会形成驻波，其根本原因在于源端和负载端的阻抗不匹配。我们可以定义一个称为电压驻波比(voltage standing-wave ratio, VSWR)的量度，来评价负载接在传输线上的不匹配程度。VSWR定义为传输线上驻波电压最大值与最小值之比：
特征参数
从应用角度看，描述波导的特征参数有以下四点
色散特性
色散特性表示波导纵向传播常数
与频率
的关系，常用 平面上的曲线表示
微波电子线路大作业讲解
微波电子线路大作业第一部分1-1 噪声系数定义一、表征单口网络噪声(噪声源)的参数1. 热噪声功率，1928年，尼奎斯特在热力学统计理论分析和实验研究的基础上，导出电阻热噪声电压均方值的表达式kTRB U n 42= (.1-1)式中，k =1.38×9-23(J/K)为玻耳兹曼常数；T 为电阻温度(K)；R 为电阻值(Ω)；B 为测试设备的通频带(Hz)。
这就是尼奎斯特定理。
2n U 表示在带宽B 内，处于热力学温度T 的电阻R 所产生的热噪声开路电压均方值。
若用等效源表示，可将一个热噪声电阻用等效为一个无噪声电阻R 与一个噪声电压源2n U 串联而成的等效电压源；或等效为一个无噪声电导G 与一个噪声电流源2n I 并联组成的等效电流源，kTGB R U I n n 4/222==。
当几个电阻串联时，采用等效电压源较方便；并联时，采用等效电流源较方便。
当接入负载电阻R L =R 时，温度为T 的电阻R ，在带宽B 内产生的资用噪声功率是kTB R R U N n =⋅=22)2( (.1-2) 热噪声是一种随机过程，通过傅里叶分析知，其频率分量是连续、均匀的频谱分布，称为白噪声。
由式(.1-2)得出资用热噪声功率的谱密度为kT W n = (W/Hz) (.1-3)上式表明，电阻输出的单位带宽资用噪声功率只与热力学温度(K)二、表征双口网络(放大器、混频器等)噪声的参数1. 等效输入噪声温度：一个实际双端口网络(线性或准线性)，设网络增益为G ，其输出端产生的总噪声功率N out 应为网络输入端电阻R i 产生的噪声功率N i 和网络内部噪声功率在输出端的贡献之和。
将实际网络用理想网络代替，把网络内部噪声折合到输入端，用等效输入噪声功率N e 和等效输入电阻R e 来表示。
则N e 通过理想网络传输到输出端所贡献的噪声功率，将与网络内部噪声功率在输出端的贡献相等。
如图.1-1所示。
西电微波技术基础Ch02
——称之为集肤深度。
一、低频传输线和微波传输线
I Jds J 0 e a ( r0 r ) ds E0 e a ( r0 r ) rdrd 1 r0 I 2E0 e re dr 2E0 e rde ar 0 a 0 r0 ar0 1 ar ar 2E 1 r 1 1 e ar0 2E0 e re e dr 0 0 0 a a a2 a2
du ( R jL) I ZI dz dI ( G jC )U YU dz
(2-5)
三、无耗传输线方程
无耗传输线是我们所研究的最重要条件之一，可表 示为：R=0，G=0这时方程写出
dU jLI dz dI jCU dz
dE jH dz dH jE dz
四、无耗传输线的边界条件
1 1 U ( z ) (U 0 Z0 I 0 )e jz (U 0 Z0 I 0 )e jz 2 2 1 1 jz I( z ) (U 0 Z0 I 0 )e (U 0 Z0 I 0 )e jz 2 Z0 2 Z0
U l A1e jl A2 e jl 1 I l ( A1e jl A2 e jl ) Z0
四、无耗传输线的边界条件
图 2-6
边界条件坐标系( ( z z' 1) )
四、无耗传输线的边界条件
代入通解，为
A1 U l Z 0 I l j l e 2
一、低频传输线和微波传输线
看来，微波传输线必须走自己的路。每一种事物都 有自己独特的本质，硬把不适合的情况强加给它， 必然会出现荒唐的结论。刚才讨论的例子正是因为 我们硬设想把微波“关在”铜导线内传播，事实上 也不可能。“满圆春色关不住，一枝红杏出墙来” 微波功率应该(绝大部分)在导线之外的空间传输， 这便是结论。 最简单而实用的微波传输线是双导线，它们与 低频传输线有着本质的不同：功率是通过双导线之 间的空间传输的。
西电微波电子线路课后习题标准答案
微波电子线路习题(3-2)(1)分析：电路a 、b 线路相同，信号、本振等分加于二管，混频电流叠加输出，1D 、2D 两路长度差4，是典型的双管平衡混频器电路。
但a 、b 两路本振、信号输入位置互换。
在a电路中，本振反相加于两管，信号同相加于两管，为本振反相型平衡混频器。
B 电路则为信号反相型平衡混频器。
（2）电流成分①a 电路输出电流成分：t v u s s s ωcos 1= t v u s s s ωcos 2= t v u l l l ωcos 1= ()πω-=t v u l l l cos 2()t n g g t g l n n ωcos 2101∑∞=+= ()t td n u f g l l l n ωωππcos 21201/⎰=()()πω-+=∑∞=t n g g t g l n n cos 2102 ()t td n u f g lll n ωωππcos 21202/⎰=()111s u t g i = ()222s u t g i =*中频分量 1,0=-=n t s ωωω()t v g i l s s ωω-=cos 101()[]()t v g t v g i l s s l s s ωωπωω--=+-=cos cos 1102 t v g i i i s 0102010cos 2ω=-=*和频分量 1,=+=+n t s ωωω()t v g i l s s ωω+=+cos 11()[]()t v g t v g i l s s l s s ωωπωω+-=++=+cos cos 112 t v g i i i s ++++=-=ωcos 2121*本振噪声 ()πωω-==t v u t v u nl nl n nl nl n cos ,cos 21()t v g i l nl nl n ωω-=cos 101()01102cos n l nl nl n i t v g i =---=πωπω00=n i*外来镜频干扰s l s ωωω-=2/()[]t v g t v g i io s l s s i ωπωωcos cos /1//1/2-=+-=t v g i i i i s i i i 0/1/2/1/cos 2ω=-= 不能抵消，二倍输出。
西电 微波大作业
试验结果表明，蒸汽杀青由于蒸汽含水量高,原料外层受高温 影响,因此杀青后的茶叶几乎无减重,部分叶绿素受破坏,原料所含 营养物质随冷凝水而部分流失,品质不太理想。微波杀青与炒青方 式加工的茶叶品质均好,色泽方面无明显差异,但微波杀青升温迅 速、温度均匀、热效率高、杀青时间短(为炒青时间的1/8),可连 续进行，且微波杀青所用能源为电能，对加工环境没有污染。 微波作为一种新的 能量传递方法，已被日 本、新加坡、印尼等国 用于茶叶的杀青和烘干， 提高了茶叶的品质档次， 取得了明显的经济效益。 但微波杀青也在茶叶香 气、滋味上存在不足， 可对微波加工参数作进 一步的试验调整，或采 用组合式杀青方法。
安徽岳西将微波冷 冻干燥生产工艺成功应 用于茶叶制作中，实现 了高效、节能、环保、 安全，兼有杀菌功能， 更好的保证了岳西翠兰 品质。
于其热由重 够长细电的应死效较到由 茶杀效于组 强发胞子电使亡应好较于茶 、 饮菌应微， 的育膜和径微；使的大高饮 料温对波从 微受的离分波而蛋效损温料 香度生杀而中波到通子布电微白果失长在 气低物菌诱的电抑透的，场波质。。时常 的于的利发氢场制性浓影改对变微而，规 保常破用遗键可而能度响变微性波微会热 持规坏了传松以死，，了了生，对波使 。方作热基弛导亡使从细细物导微杀茶力 法用效因、致。微而胞胞的致生菌叶杀 ，，应突断生此生改膜膜生微物，香菌 有因和变裂物外物变周断物生的具气中 利此非。和的足生了围面效物热有受， ， RNA
DNA
茶叶在贮运过程中 易生虫，在黑茶的渥堆 过程中也常发生昆虫污 染的现象。过去常用药 物熏蒸的杀虫方法，但 存在药物残留的问题。 采用微波处理可以取得 良好的杀虫效果，杀虫 效果与茶叶和虫体的介 电性质密切相关，当茶 叶的含水量小于12％时， 有利于增强杀虫的效果。
微波考试用(西电第二版)
［例1- 1］一根特性阻抗为50 Ω、 长度为0.1875m耗均匀传输线, 其工作频率为200MHz, Z l=40+j30 (Ω), 试求其输入阻抗。
解: 由工作频率f =200MHz 得相移常数β=2πf/c =4π/3将Z l=40+j30 (Ω), Z0=50,z =l =0.1875及β值代入式（1- 3），有[例1-2］一根75Ω均匀无耗传输线, 终端接有负Z l=R l+j X l, 欲使线上电压驻波比为3, 则负载的实部R l 虚部X l 应满足什么关系？解: 由驻波比ρ=3, 可得终端反射系数的模值应为将Z l=R l+j X l, Z 0=75整理得负载的实部R l 部X l 应满足的关系式为(R l-125)2+X 21=1002即负载的实部R l 和虚部X l 为（125, 0）、半径为100的圆上, 而下半圆对应负载为容抗。
［例 1- 3］设有一无耗传输线, 终端接有负Z l=40-j30(Ω):①要使传输线上驻波比最小, 多少？②此时最小的反射系数及驻波比各为多少？ ③离终端最近的波节点位置在何处？ ④画出特性阻抗与驻波比的关系曲线。
解: ① 要使线上驻波比最小, 的模值最小,即 将上式对Z 0求导, 并令其为零, 经整理可402+302-Z 02=0即Z 0=50Ω。
这就是说, 当特性阻抗Z Ω时终端反射系数最小, 从而驻波比也为最小。
② 此时终端反射系数及驻波比分别为③ 由于终端为容性负载, 位置为④ 终端负载一定时, 曲线如图 1- 7 所示。
其中负载阻抗Z l=40-j30 (Ω)可见，当Z 0=50Ω时驻波比最小, 图 1- 7 特性阻抗与驻波系数的关系曲线 [例 1-4]现有同轴型三路功率分配器，如图1-10该功分器在2.5GHz-5.5GHz 波比均小于等于1.5，插入损耗为，配到各个输出端口，试计算（1）输入端的回波损耗贝表示）；（2）功率的比值（用百分比表示）。
西电通信原理大作业
西电通信原理大作业一．微波通信技术综述1．1微波通信技术概念微波常指频率在1O00兆赫()以上(波长在30厘米以下)的电磁波，利用微波传播进行的通信称为微波通信微波的传播特性类似于光的传播，一般沿直线传播，绕射能力很弱，一般进行视距内的通信，对于长距离通信可采用接力的方式，为微波接力通信，或称微波中继通信，也可利用对流层传播进行通信，称为对流层散射通信；或利用人造卫星进行转发，即卫星通信1．2微波通信特点1)通信频段的频带宽，传输信息容量大微波频段占用的频带约，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足30一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作，或传输电视图像信号等宽频带信号2)通信稳定、可靠当通信频率高于时工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对其影响小由于微波频段频率高，这些干扰对微波通信的影响极小数字微波通信中继站能对数字信号进行再生，使数字微波通信线路噪声不逐站积累，增加了抗于扰性因此，微波通信较稳定和可靠3)接力在进行地面上的远距离通信时，针对微波视距传播特性和传输损耗随距离增加的特性，必须采用接力的方式，发端信号经若干中间站多次转发才能到达收端 4)通信灵活性较大微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、高山等特殊地理环境在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时，通信的建立及转移都较容易，这些方面比有线通信具有更大的灵活性 5)天线增益高、方向性强当天线面积给定时，天线增益与工作波长的平方成反比由于微波通信的工作波长短天线尺寸可做得很小，通常做成增益高，方向性强的面式天线这样可以降低微波发信机的输出功率，利用微波天线强的方向性使微波电磁波传播方向对准下一接收站，减少通信中的相互于扰6)投资少、建设快与其他有线通信相比，在通信容量和质量基本相同的条件下，按话路公里计算，微波中继通信线路的建设费用低，建设周期短 7)数字化对于数字微波通信系统来说，是利用微波信道传输数字信号，因为基带信号为数字信号，所以称为数字微波通信系统2．关键技术与发展趋势 2．1关键技术1)编码( ，自适应调制编码)应用于移动通信，根据信道质量来调整编码速率来获得较高的吞吐量无线通信速率较低时，信道估计会比较准确，因此能获得较好效果随着终端移动速度的增加，信道质量估计会跟不上信道的变化，在错误的信道测量下，采用的调制编码方式与实际情况不一致，会对系统容量、误码率，吞吐量等性能指标带来很大的负面影响 2)多天线技术分集接收应用于微波中继系统中，是对抗多径衰落、提高数字微波电路传输质量的重要手段在微波系统中，由于采用多状态调制方式，对频率选择性衰落更敏感，因而分集接收的应用广泛分集改善很大程度上取决于各分集支路的信号之间的不相关性为了对抗多径衰落和降雨衰落的影响，将多个特性不相同的收信信号合成或切换，得到良好信号的技术称为分集技术，在微波中继系统中，常用的分集技术有频率分集、空间分集、角度分集、路由分集应用于移动通信中，它是在发送端和接收端采用多天线传输无线信号的一种技术，属于智能天线的一种技术将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的宽带内由多个发射天线同时刻发射，经过无线信道后，由多个接收天线接收，并根据各个并行数据流的空间特性解调出原来的数据流技术核心是空时信号处理，即利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理技术能提高频谱利用率，在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务与其他智能天线技术相比，天线安装和维护成本低；技术在发送端工作时可以不需要信道信息，适用于移动环境中信道估计复杂的情况3)线性功放与自动功率控制射频功率放大器是无线通信系统发射机的主要部件，其内在的非线性会使信号产生失真，并引起邻信道干扰多载波系统，如，比单载波系统对放大器的线性范围要求更高，要求更为严格的线性传输采用功率回退的传统设计方法所得的线性放大器的线性度不高，已无法满足现代无线传输系统越来越严格的线性要求放大器的线性化已成为保证其他高效的无线技术得以应用的重要前提目前射频放大器的线性化技术主要有反馈线性化、前馈线性化和预失真三种技术自动功率控制主要用于补偿功放器件特性随时间改变和无线信道衰落给信号传输带来的影响，使得信号能以合适的功率到达接收机2．2发展趋势当前，光纤通信以其巨大带宽、超低损耗和较低成本而成为干线传输的主要手段，对微波中继通信形成巨大的冲击，而移动通信技术则取得了迅速发展综合分析认为微波通信技术发展趋势主要有以下几个方面 1)向高速大容量发展数字微波中继通信将继续向更高容量发展，采用多状态的调制移动通信则凭借技术开发更快速的宽带互联技术 2)向更高频段发展根据电信主管部门的规划，3以下频段要分配给移动和个人通信，而3-10的频段也已十分拥挤许多数字微波通信设备厂家及时调整发展方向，向10以上的高频段进军 3)向高集成度、微型化方向发展采用微波单片集成、数字专用集成电路等，朝着设备体积更小、重量更轻、功耗更低的方向发展，天线也进一步朝微型化方向发展 4)向智能化、低成本方向发展采用软件无线电技术，使数字微波通信系统成为一个较为通用的平台，能够根据用户的不同要求完成各种功能3．结语光纤通信和移动通信已成为当前通信网的两大主流，形成了完整的产业链，拥有庞大的用户群微波中继系统应用于干线光纤传输的备份和补充，以及其他不适合使用光纤或卫星的场合，因而必不可少由于移动通信网络与互联网的融合，微波频段的移动通信承担了用户的大量无线宽度数据业务，得到迅速发展移动通信仍将在今后很长一段时间内保持业务的高速增长和技术的更新演变是微波通信技术发展的热点目前，微波通信技术在各个行业的应用已经很广泛，在应用中需要注意影响应用的因素，这种技术在应用中已经形成了很大的用户群，承担了大量的数据业务，发展速度非常快，在一段时间内，要保持业务的有效增长，这是微波技术发展的重点过程因此作为光纤通信的补充，微波通信在特殊地段发挥着重要的作用，未来它的前景必将十分广阔二．编程完成3的实现xn=[1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1];% 输入单极性码 yn=xn;% 输出yn初始化=0;% 计数器初始化 k=1:(xn) xn(k)==1=+1; % "1"计数器/2 == (/2) % 奇数个1时输出-1进行极性交替 yn(k)=1; yn(k)=-1;% 3编码=0; % 连零计数器初始化 yh=yn; % 输出初始化=0; % 极性标志初始化为0V=(1(yn));% V脉冲位置记录变量 B=(1(yn));% B脉冲位置记录变量 k=1:(yn)yn(k)==0=+1; % 连“0”个数计数==4 % 如果4连“0” =0; % 计数器清零 yh(k)=1*yh(k-4);% 让的最后一个0改变为与前一个非零符号相同极性的符号V(k)=yh(k); % V脉冲位置记录yh(k)== % 如果当前V符号与前一个V符号的极性相同yh(k)=-1*yh(k); % 则让当前V符号极性反转以满足V符号间相互极性反转要求yh(k-3)=yh(k); % 添加B符号与V符号同极性 B(k-3)=yh(k); % B脉冲位置记录 V(k)=yh(k); % V脉冲位置记录yh(k+1:(yn))=-1*yh(k+1:(yn));% 并让后面的非零符号从V符号开始再交替变化=yh(k); % 记录前一个V符号的极性=0; % 当前输入为“1”则连“0”计数器清零% 编码完成re=[xn'yn'yh'V'B']; % 结果输出: xn 3 V&B符号 % 3解码 =yh; % 3码输入=; % 输出初始化 =0; % 极性标志初始化k=1:(yh) (k) ~= 0==yh(k) % 如果当前码与前一个非零码的极性相同 (k-3:k)=[0 0 0 0];% 则该码判为V码并将*00V清零=(k); % 极性标志=(); % 整流=([xn'-']); % 解码的正确性检验作图(311);([0:(xn)-1]xn);([0 (xn) -2 2]); (312);([0:(xn)-1]yh);([0 (xn) -2 2]); (313);([0:(xn)-1]);([0 (xn) -2 2]);。
2017年西电电院微波技术与天线大作业
微波技术与天线大作业题目微波技术与天线大作业学院电子工程学院姓名学号大作业中心位于（0.3λ,0,0）和（-0.3λ,0,0）的两个半波对称报子，沿y轴取向（如图）组成二元线阵，设两报子等幅同相馈电，在Z=-λ/4处有一个理想导电平面，求此线阵的辐射方向图及线阵的增益，用MATLAB编程绘出住平面及立体方向图，并计算增益。
一、设计方案在xyz平面内，我们设方向函数与Y轴夹角γ，与X轴的夹角为θ，在yoz平面上的投影与y轴的夹角为φ，则单个的半波对称阵子的方向函数为：因为两个半波对称阵子组成二元天线阵，由于两个阵子等幅同相，且两个阵子之间的距离d=0.6λ，所以直线阵的阵因子为：在Z=-λ/4平面上有一理想导体平面根据镜像对称原理，可以看成原二元天线阵在距离理想地面高度为-λ/4，其地因子为：故可得：二、MATLAB程序代码如下：clear all;clc;theta=(0:pi/100:pi);phi=0:pi/100:pi;for m=1:length(theta)for n=1:length(phi)E(m,n)=cos(pi/2*sin(theta(m))*cos(phi(n)))/(sqrt(1-(cos(phi(n) )*sin(theta(m)))^2))*2*cos(0.6*pi*cos(theta(m)))*2*sin(0.5*pi* sin(theta(m))*sin(phi(n)));z(m,n)=abs(E(m,n))*sin(theta(m))*cos(phi(n));x(m,n)=abs(E(m,n))*sin(theta(m))*sin(phi(n));y(m,n)=abs(E(m,n))*cos(theta(m));endendfigure(1);mesh(x,y,z);xlabel('z');ylabel('x');zlabel('y');figure(2);polar(theta,abs(E(:,51)'));title('H面');figure(3);polar(phi,abs(E(51,:)));title('E面');三、结果截图如下：立体方向图四、结果分析：则该天线的增益为：。
微波电子线路西安电子科技大学2
●微波电子线路西安电子科技大学2构造原理及特性微波混频器是任何种类微波接收机的最要紧部件之一。
不仅由于它是必不可少的，更要紧原因是它处于整个接收机的前端位置、其性能好坏，对整个系统影响极大。
其基本作用是把微波频率信号变换成中频信号，中频信号的调制解调方便，滤波器相对滚降高。
要求混频器失真小、损耗小、噪声低、灵敏度高。
目前，混频器中的非线性元件要紧是肖特基势垒二极管。
混频器性能由管子性能与电路设计，工艺水平共同决定。
本章首先介绍混频器的核心器件—肖特基势垒二极管。
常见半导体材料的特性参数 T=25℃，N=10cm-3一、肖特基势垒二极管的构成及工作原理——管子内部的半导体机理1 构造：以重掺杂（319/μ，外延生长零10cm>）的+N为衬底、厚度为几十m点几mμ的二μ厚的N 型本征本导体作为工作层，在其上面再形成零点几m氧化硅绝缘层，光刻并腐蚀直径为零点几或者几十m μ的小洞，再用金属点接触或者淀积一层金属与N 型半导体形成金属半导体结，在该点上镀金形成正极，给另一面+N 层镀金形成负极，即可完成管芯。
将管芯封装于陶瓷管内为传统形式，集成电路中可不用管壳 高频二极管基本结构2 工作原理肖特基势垒二极管工作的关键区域是金属与N 型半导体结形成的肖特基势垒区域，是金属与N 型半导体形成的肖特基势垒结区域。
漂移电流,扩散电流金属1.1μm 氧化层1.2μm N 外延层0.5μm N ＋衬底层6mils肖特基势垒结的形成：在金属与N 型半导体中都存在导电载流子—电子。
它们的能级（f E ）不一致，逸出功也不一致。
当金属与N 型半导体相结时，电子流从半导体一侧向金属一侧扩散，同时也存在金属中的少数能量大的电子跳跃到半导体中，称之热电子。
显然，扩散运动占据明显优势，因此界面上金属中形成电子堆积，在半导体中出现带正电的耗尽层。
在界面上形成由半导体指向金属的内建电场，它是阻止电子向金属一侧扩散的，而对热电子发射则没有影响。
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4.脉冲功率的小型化和能量高效率传输问题 在相当一部分高功率微波源中都需要相当规 模的脉冲功率设备作为它的驱动源。在当今的脉 冲功率技术领域存在的重要问题之一就是脉冲功 率源的小型化和能量高效率传输问题。小型化问 题涉及到创新性概念的提出、高新技术的应用以 及工程、工艺等复杂问题的解决;而能量高效率 传输则主要依赖于能量传输的载体结构问题,同 时也制约高功率微波技术的发展。俄罗斯的科学 家在这方面做出了出色的工作。
2 高功率雷达 它可将雷达功率从1 M W提高到1 GW,作用距 离可提高一个数量级, 可用于超远程雷达。近 年来, 对一种超宽带的高功率冲击雷达开展了 研究工作, 其脉宽为纳秒量级。一个脉宽内, 为 提供给与普通雷达信号处理相同的能量, 要求 冲击雷达有很高的峰值功率。由于冲击雷达的 脉宽极短, 雷达具有很高的测距分辨力。同时 由于冲击雷达的超宽带, 因而很难受到干扰。 并能对 隐形飞机进行有效的探测。
( 5 ) 相对论返波管 俄罗斯已研制出8 ~ 12.5 GHz, 脉宽 60 ns,脉冲功率15 GW, 转换效率达50% 的 单脉冲返波振荡,其辐射能量可达10 kJ; 脉宽为 20 n s, 重复频率10Hz、脉冲功率1 GW、转换效率 30% 的返波振荡器。 ( 6 ) 回旋管 常规回旋管已达到非常高的平均功率和长脉冲功率,俄罗斯应 用物理研究所研制的回旋管在100GHz工作频率获得2.1 MW的 峰值功率,脉宽100 us,效率达30 %。在工作频率167 GHz时获得 0.5 MW的峰值功率,脉宽为1 ms ,效率30%。相对论回旋管在毫 米波段的峰值功率已超过 7GW。
2.微波的提取问题 当高功率微波产生之后,需要将微波从微波 管或腔中提取和发射出来。常见的方法是“ 轴向”提取和“侧向”提取,但对于相当一部 分高功率微波源,由于所产生的模式过于复杂, 其微波能量总是不能十分有效地被提取和发 射出来。另外,提取窗口也会反过来影响微波 的产生,从而使得这一问题变得难以有效地解 决,需要仔细认真地设计并考虑微波源的电磁 结构。
6 激光泵浦 高功率管和微波放电管产生 的微波已经用于泵浦激光。 微波泵浦的优点是:
( 1 ) 微波的输送不存在困难; ( 2) 放电时吸收的微波是有效的; ( 3 ) 电极放电不会引起等离子体放电不稳定性; ( 4 ) 无电极时, 激射物质的污染很小; ( 5 ) 能够达到高的比泵浦功率。
7 在采油工业中的应用 现在开采稠油主要靠蒸汽或热水加热,开采成本高,更 重要的是蒸汽采油有很大的局限性,一般到1300 m深度 以下,蒸汽加热的热效率很低,难以开采。对于特超稠油 就更无法开采了。HPM采油是将HPM源放置井下,向地 层发射微波能量。由于微波能量受传导率影响,加热速 度快,加热效率高,从而能解决现有蒸汽开采效率低下以 及浅层和深层稠油不能开采的难题。
8 微波辅助破碎坚硬岩石 对于大于 25 Kps i 岩石构造来说, 目前的钻头已达 到其强度极限。在动用机械切割工具之前通过HPM 加热将岩石表面的强度降低的方法是一种重要的候 选方案。该项技术在美国已申请了专利。 9 在化工工业中的应用 已有实验表明, 微波催化可使一些化学反应的 速率提高几十倍。微波精细化工将产生性能奇 特的高新产品, 比如具有韧性的陶瓷
4 高能射频( RF) 加 速 进行高能物理的研 究要借助于高能加速 器, 目前,加速器发展 的目标是产生能量为 1Te V ( 1000GeV )的电子束,产生这种束流 的加速器将是RF加速器,其中的RF或HP M 源产生加速电子的电场。
5 等离子加热 为了实现磁约束等离子体受控热核聚 变所需的温度(约为108K ) ,需要某种形式 的辅助加热,两种辅助加热方案是中性束 注入加热和射频加热。 现在,聚变研究人员越来 越转向于高功率射频的 加热方法的研究。
( 3) 多波切伦科夫振荡器
俄罗斯强流电子学研究所采用U = 11 8 ~ 21 0M V , I = 13 ~ 1 5 kA的电子束在3 c m波 段获得15 GW的峰值功率, 脉冲宽度60 ~ 70 ns,单脉冲能量已接近 1 k J。结构上与其类 似的绕射振荡器, 在46 GHz 得到了 31 5 GH z的峰值功率。
3 反辐射导弹 使用反辐射导弹已成为现代战争的主要手段之一, 因此研究对抗反辐射导弹技术已成为保证雷达的战 斗力和生存能力的重要课题HPM 可能是一种比较理 想的对抗反辐射导弹的设备。已提出的一种用于摧 毁反辐射导弹的HPM 装置称为双模高功率雷达,其工 作原理是: 先用该雷达实现正常的对反辐射导弹的捕 获、识别和跟踪,然后使雷达无惯性地变到长脉冲(准 连续波) 大功率的工作状态, 如峰值功率为10 MW或 更高, 脉冲持续时间为0.1 ~ 1 s,于是1~ 10 M J的脉冲 能量射向目标, 经目标的天线或孔道接收, 使它的制 导系统破坏或阻塞。使用这种高电磁能量的微波炮 以光速对付反辐射导弹,可大大提高雷达的生存能力
( 1) 虚阴极器件 美国、俄罗斯和其他国家均有大量的关于虚阴极器件的报 道, 我国也在开展这一项研究工作, 目前的研究水平为: 频率从 0.5~ 17 GHz , 频率在 1 GHz时, 峰值功率已超过2 0 GW, 输出单 脉冲能量达1kJ以上, 但效率较低, 最好的仅达15%左右。由于 这种器件可用束流大、 电子注电压电流范围广, 结构简单, 也 不断有一些新方案出现, 可改善效率、 提高功率。预计在将 来, 达到 100 GW 也不会有太大的困难。考虑到这类器件在长 脉冲方面也很有潜力,若脉宽达微秒量级则可望达到 100 kJ 的 单脉冲能量 。
研究HPM源过程中遇到的问题
1.微波脉冲缩短问题 从目前各种高功率微波源的研究结果来看, 当微波 的功率进一步提高时,微波的脉冲宽度会明显缩短。 其主要物理机制是高功率微波会在微波源内部产生等 离子体、电场击穿,使电子束意外漂移和扩散等。这 是目前制约高功率微波器件发展的重要问题之一 ,各 国研究 人员在设计和优化器件时都已考虑这一问题, 但目前仍然没有得到很好的解决。
HPM 的崛起是由近 代微波理论和技术的 迅速发展而推动起来 的。它极大地促进了 高功率雷达、超级干 扰机、等离子物理和 H PM武器等的发展。
H PM 产生原理与关键技术
HPM源是HPM的关键器件
目前可用于HPM的微波器件主要有:回旋管、强相对论 微波器件、虚阴极振荡器、多波切伦科夫振荡器以及等 离子体辅助慢波振荡器等。
刘源 范亚男
一、高功率微波的概念 二、高功率微波的产生原理及关键技术 三、目前常用的高功率微波源 四、研究HPM源过程中遇到的问题 五、HPM的实际应用 六、HPM的发展趋势
高功率微波 ( HPM )
？？？
峰值功率在100MW以上 工作频率为1 ~ 300 GHz内 无线电电磁波
HPM 技术是近年来为 了获得和应用H PM而 发展起来的一门新兴技 术, 它包括高功率电磁 脉冲产生技术、 相对 论强流电子束产生与维 持技术、HPM元器件技 术、 H PM定向发射和 传输技术以及HP M 应 用技术等领域。
( 1 0) SUPPER - RELT RO N
美国 T I T AN SPECT RON 公司研制成一种高效、高功率微 波管, 称之为 SU PPER - REL T RON 。这种管子工作在1 GH z 时, 功率大于 4 00 M W, 效率50 % 左右; 工作在3 GHz 时, 功率 大于 300 M W, 效率为 50% , 脉宽为几百毫微秒。
( 2) 强流相对论速调管( R KA ) 美国海军实验室研制的 RK A, 其工作电压为 1M V ,束流 20 k A, 脉宽 160 ns。在 1.3 G H z 时,输出功率达15 GW, 效率 达50 % ,单脉冲能量超过1 k J,增益15 dB 左右。国际物理公 司已研制出一个大功率、S波段频率捷变相对论速调管,该 管峰值功率200 MW, 在中心频率为 219 GHz 时实现1 0%的 瞬时带宽 。
( 4 ) 相对论磁控管
美国国际物理公司研制的相对论磁控管,在S 波段单脉冲输出功率达7 GW, 重复频率的相对论 磁控管工作于L 波段 ( 1.1 GH z) , 在重复频率100Hz 时峰值功率达1 GW,平均功率为 4.4 k W;在重复频 率250 Hz时峰值功率达600 MW, 平均功率为6.3 k W; 俄罗斯研制的长脉冲的磁控管脉宽为 1us, 脉冲 功率为100 MW。
( 7 ) 回旋自谐振脉泽( CARM ) 俄罗斯应用物理研究所研制的电子回旋脉泽波长 为1.9cm,输出峰值功率80MW, 效率 30 % , 电压为500 kV ,电流为5 00 A 。 ( 8 ) 自由电子激光( FEL ) 在 8 mm波段的峰值功率已超过1 GW, 效率达34 % 。
( 9 ) 等离子辅助慢波振荡器 美国休斯公司研制出一种新型的等离子辅助慢波振荡器, 1*10^5V 的电子束能产生3 ~ 5 MW的脉冲功率,脉宽大于 100 us, 每个脉冲能辐射300~500 J的能量, 电子束转换效 率为 15 % ~ 25% 。
( 1 1) 非相对论磁控管
美国瓦里安联合公司研制出一种非 相对论磁控管, 由多个锁相 S 波段 磁控管构成, 其功率为60M W, 电压 低于 1 20 kV , 效率 60% 以上, 重复 频率 10Hz , 每微秒脉冲的总能量为 1 kJ 。
( 12) 弱流相对论速调管弱流相对论速调管即常规 结构的速调管, 目前已推进到相对论性的水平。美国斯 坦福线性加速器中心研制的多注速调管 SLA C5045 工作在 S 波段,脉冲功率 150MW、脉宽 3 L s、重复频率60Hz, 每个脉 冲 能 量为 450 J; XL 系列工作在 X 波段 ( 111 4GHz) , 峰值功率50 M W、脉宽 1.5 L s、重复频率 180Hz, 已投入运行, 正在制造采用行 波谐振环的 X 波段高功率管, 峰 值功率 3 00 M W, 脉宽 80 0 ns。现 已计划研制 GW 级多注速调 ( GMBK ) , 拟采用周期永磁聚焦代替螺 旋管聚焦, 研究的目标为: 电子注数目 10 个, 输出 功率 2 GW, 脉宽 2 L s, 重复频率 10Hz。美国马里兰大学正在研制 100 M W 的回旋速调管。 俄罗斯正在研制一种速调管工作频率为 14GHz, 峰值功率为 150 MW、 脉宽为 7 50 ns。