微波技术与天线第6章
微波天线与技术课程报告汇总
微波天线与技术课程报告汇总《微波技术与天线》课程考察报告姓名：专业班级：学号：指导老师：许焱平绪论1．微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学科，它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。
一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性；另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用克希霍夫定律建立传输线方程，求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。
2．微波的定义：把波长从1m 到0.1mm 范围内的电磁波称为微波。
微波波段对应的频率范围为: 300MHz ～3000GHz 。
在整个电磁波谱中，微波介于超短波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和宽1000倍。
一般情况下，微波又可划分为分米波、厘米波和毫米波和亚毫米四个波段。
3．微波具有如下主要特点：（1)似光性；（2)穿透性；（3)宽频带特性；（4)热效应特性；（5）散射特性；（6）抗低频干扰特性；（7）视距传输特性；（8）分布参数的不确定性；（9）电磁兼容和电磁环境污染。
4．微波技术的主要应用：（1)在雷达上的应用；（2)在通讯方面的应用；（3)在科学研究方面的应用；（4)在生物医学方面的应用；（5)微波能的应用。
f λ31081051010(m)(Hz)3103231063109-13101210-43101510-73101810-10无线电波宇宙射线射频目录绪论 (1)目录 (2)一、均匀传输线理论 (3)二、规则金属波导 (4)三、微波集成传输线……………………5四、微波网络基础 (5)五、微波元器件 (6)六、天线辐射与接收的基本理论 (7)七、电波传播概论 (8)八、线天线 (9)九、面天线 (10)十、微波应用系统 (11)心得体会 (12)本课程我们共学习了十章，主要学习了均匀传输线理论、规则金属波导、微波集成传输线、微波网络基础、微波元器件、天线辐射与接收理论、电波传播概论、线天线、面天线、微波应用系统。
微波技术与天线实验报告
�����
=
2.65代入式子，可以计算出微带天线矩形
贴片的宽度，即
w = 46.26mm
（2）、有效介电常数ε������ 把h = 3mm w = 46.26mm ε������ = 2.65代入，可计算出有效介电常数，即
ε������ = 2.444 （3）、辐射缝隙的长度∆L
把h = 3mm w = 46.26mm ε������ = 2.444代入式子，可以计算出微带天线辐射 缝隙的长度，即
五、HFSS 的实验结果 根据之前的参数设计得出的 HFSS 模型如图.2,进行仿真后的结果如图.3。查
看天线信号端口回波损耗（即 S11）的扫频分析结果，给出天线的谐振点。生成 如图所示的 S11 在 1.8~3.2GHz 频段内的扫频曲线报告。从图中可以看出，当 S11 最小时，频率是 2.36GHz。
������
=
0.412ℎ
(������������ (������������
+ −
0.3)(���ℎ��� + 0.264) 0.258)(���ℎ��� + 0.8)
对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度������之后，还需要确
定同轴线馈电点的位置，馈电点的位置会影响天线的输入阻抗，在微波应用中通
算结果就可以达到足够的准确，因此设计中参考地的长度������������������������和宽度������������������������只需 满足以下两式即可
������������������������ > L + 6h ������������������������ > w + 6h
标(������������, ������������)，即
《微波技术与天线》习题答案
第一章1-1解： f=9375MHz, / 3.2,/ 3.1251c f cm l λλ===> ， 此传输线为长线。
1-2解： f=150kHz, 4/2000,/0.5101c f m l λλ-===⨯<< ，此传输线为短线。
1-3答： 当频率很高，传输线的长度与所传电磁波的波长相当时，低频时忽略的各种现象与效应，通过沿导体线分布在每一点的损耗电阻，电感，电容和漏电导表现出来，影响传输线上每一点的电磁波传播，故称其为分布参数。
用1111,,,R L C G 表示，分别称其为传输线单位长度的分布电阻，分布电感，分布电容和分布电导。
1-4 解： 特性阻抗050Z ====Ωf=50Hz X 1=ωL 1=2π×50×16.65×10-9Ω/cm=5.23×10-6Ω/cmB 1=ωC 1=2π×50×0.666×10×10-12=2.09×10-9S/cm 1-5 解： ∵ ()22j z j z i r Uz U e U e ββ''-'=+()()2201j z j z i r I z U e U e Z ββ''-'=- 将 2223320,2,42i r U V U V z πβλπλ'===⋅= 代入33223420220218j j z U eej j j Vππλ-'==+=-+=-()3412020.11200z I j j j A λ'==--=- ()()()34,18cos 2j te z uz t R U z e t V ωλπω'=⎛⎫''⎡⎤==- ⎪⎣⎦⎝⎭ ()()()34,0.11cos 2j te z i z t R I z e t A ωλπω'=⎛⎫''⎡⎤==- ⎪⎣⎦⎝⎭ 1-6 解： ∵Z L=Z 0∴()()220j z i r U z U e U β''==()()()212321100j j z z Uz e U z e πβ''-''==()()()()611100,100cos 6jU z e V u z t t V ππω'=⎛⎫=+ ⎪⎝⎭1-7 解： 210.20.2130j L e ccmfπρρλ-Γ=-=-==Γ+==由 011L L L Z Z +Γ=-Γ 得 0110.2100150110.2L LL Z Z -Γ+===Ω+Γ- 由 ()()()22max0.20.2j z j z L z e e z πββ-'-''Γ=Γ==Γ= 得 max1max120,7.54z z cm λπβ''-===1-8 解： (a) ()(),1inin Z z z ''=∞Γ=(b) ()()0100,0in in Z z Z z ''==ΩΓ=(c) ()()00012200,3in in in in Z Z Z z Z z Z Z -''==ΩΓ==+(d) ()()02200,1/3inin Z z Z z ''==ΩΓ=1-9 解： 1 1.21.510.8ρ+Γ===-Γmax 0min 75,33Z Z Z Z ρρ==Ω==Ω1-10 解： min2min124z z cm λ''=-=min1120.2,0.514L z ρππβρλ-'Γ===⨯=+ min1min120.2j z z L e β'-'Γ=-=Γ∴ 2420.20.2j jLeeππ⨯-Γ=-=1-11 解： 短路线输入阻抗 0in Z jZ tg l β= 开路线输入阻抗 0in Z jZ ctg l β=-a) 00252063inZ jZ tgjZ tgj πλπλ=⨯=Ω b) 002252033in Z jZ tg jZ tg j πλπλ=⨯=-Ωc) 0173.23inZ jZ ctgj π=-=-Ωd) 02173.23in Z jZ ctg j π=-=Ω1-12 解： 29.7502050100740.6215010013oj L L L Z Z j j e Z Z j -++Γ=Γ====++1-13 解： 表1-41-17 解： 1350.7j Le Γ=1-18 解： minmax0.6U K U == min143.2o z β'= 用公式求 min1min100min1min111L j tg z K jtg z Z Z Z jtg z jKtg z ρββρββ''--==''-- 0.643.25042.8522.810.643.2oojtg j j tg -==-Ω-⨯ 用圆图求 ()42.522.5LZ j =-Ω短路分支线的接入位置 d=0.016λ时()0.516B =-最短分支线长度为 l=0.174λ()0.516B =-1-19 解： 302.6 1.4,0.3,0.30.16100LL lZ j Y j λ=-===+由圆图求得 0.360.48in Z j =+ 1824in Z j =+Ω1.01 1.31in Y j =- ()0.020.026in Y j S =-1-20 解： 12LY j =+ 0.5jB j =()()()()0.150.6 1.460.150.60.960.20.320.380.2 1.311.54in in in in Y j Y jB j Y j Z j λλλλ=-+=-=+=-∴ 6577inZ j =-Ω 1-21 解： 11 2.5 2.50.20.2L L Y j j Z ===+- 并联支节输入导纳 min 2.5B ctg l β=-=- min 0.061l λ=此时 1/2.5LZ '= 500/2.5200LZ '==Ω（纯电阻）变换段特性阻抗 0316Z '==Ω 1-22 解： 1/0.851.34308.66o o Larctg ϕ=-=-= 由 max120L z ϕβ'=-= 得 max10.43z λ'= 由 min12Lz ϕβπ''=-=- 得 min10.1804L z ϕπλλπ+'== 1-23 解： 原电路的等效电路为由 1inZ j '+= 得 1inZ j '=-向负载方向等效(沿等Γ图)0.25电长度得 1inin Z Z ''='则 ininY Z '''=由inin in Y Y j Z ''''''=+= 得 12in inY Z j j ''''=-=-由负载方向等效0.125电长度(沿等Γ图)得12LY j =+ 0.20.4L Z j =-1-24 答： 对导行传输模式的求解还可采用横向分量的辅助标位函数法。
第六章 天线基本原理与技术
分贝数表示为：D 10lg1.5 1.76(dB)
19:22
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微波技术与天线
第六章
天线基本原理与技术
6.4.5
输入阻抗
输入阻抗和输入电压 U in 和电流 I in的关系是
U in Z in Rin X in I in
注：输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天 线周围物体等的影响。 1 l le Idz 6.4.6 有效长度 I 0 l 天线有效长度定义：在保持实际天线最大
Idl j r E j 60 sin e r
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微波技术与天线
第六章
天线基本原理与技术
6.4 天线的电参数
6.4.1 天线方向性特性参数 一、方向函数
方向函数：描述天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系，分
场强方向函数和功率方向函数。 场强方向函数F ( , )：由辐射场电场表达式中与方位有关的表达
第六章
天线基本原理与技术
辐射电阻RΣ：
辐射电阻定义: 某电阻上通过电流等于天线上的最大电流， 若其损耗的功率等于天线的辐射功率 ，则该电阻值即为该天 P 线的辐射电阻。
1 2 2 P P I m R R 2 2 Im
天线的辐射电阻表示了天线辐射电磁波的能力，与馈电电流 的大小无关，是天线自身具有的属性。
半功率主瓣宽度 2 0.5 ：功率方向图中两个半功率点之间的角
宽度，或场强方向图中最大场强的1
宽。
E
1 0 .9 0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0
2 10 °
2 两点之间的角宽度；
第6章 微波辐射测量
4) 波束效率与波束宽度
天线辐射方向图立体角为： 主波束立体角为：
M
P Fn ( , )d
4
( , )d F F ( , ) max
4
dP S r dA r 2 S r
dA F , d r2
主波束
Fn ( , )d
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微波遥感分类
微波无源遥感
探测信息
微波遥感分类
微波有源遥感
探测信息
微波频段范围从300MHz到300GHz。 微 主要是对地物所辐射微波进行探测。
微波频段范围从300MHz到300GHz。主要是 对地物所散射来自发射天线的的微波进行探测 对地物所散射来自发射天线的的微波进行探测。
2).点源和面源
点源：辐射源对观测点（接收天线相位中心）所张的立体角小 接收天线 波束 体角 发射天线 于接收天线的主波束立体角。（发射天线）
3). 谱辐射量和谱功率
物质的热辐射不仅与温度有关，还与辐射波的频率有关。 物质在某绝对温度下，可辐射各种不同频率的电磁辐射，微波遥
（来自于张祖荫，微波辐射测量 技术及应用，1995）
ˆE ˆE E
H
1
ˆ E) (r
1 ˆ ˆE ) (E
功率密度：
S
2 1 1 2 ˆ ( E E ) Re( E H ) r 2 2
S
2 1 2 ( E E ) 2
•
点源辐射场表 式 点源辐射场表达式： （远场条件）
6) 弗里斯传递公式
2. 无源微波辐射测量基础
1). 辐射测量术语简介
功率密度和输入功率的关系 功率密度和输入功率的关系：
《微波技术与天线》第6章
比较电基本振子的远区场 Eθ与磁基本振子的远区场 Eφ , 可 以发现它们具有相同的方向函数 |sinθ|, 而且在空间相互正交 , 相位相差90°。所以将电基本振子与磁基本振子组合后 , 可构
成一个椭圆（或圆）极化波天线, 具体将在第8章中介绍。
磁基本阵子的应用
电磁测井
6.3 天线的电参数
1. 天线方向图及其有关参数 天线方向图，是指在离天线一定距离处, 辐射场的 相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图, 通常采 用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向 图来表示。
例：画出沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面方向图。
解: ① E平面方向图:
② H平面方向图:
给定r处, 对于θ=π/2, Eθ的归一化场强值为|sinθ|=1,与φ无关， 因 而 H平面方向图为一个圆, 其圆心位于沿z方向的振子轴上, 且半径为1
图 6 -5 (a) 电基本振子E平面方向图
6.2 基本振子的辐射 预备知识：时变场的达朗贝尔方程，滞后位及其解
磁矢位和电标位 线性、均匀各向同性的无耗媒质中， 时谐形式的麦克斯韦方程
天线辐射场的求解思路：
点 点 源 的 磁 矢 位 转 换 点 源 的 辐 射 场 计算 连续 分布 结构 的辐 射场
源
突破点源后利用 结果推导新结构 的结果
pm k2 k 1 H j sin ( j 2 j 3 )e jkr 2 r r r
与电基本振子做相同的近似得磁基本振子的远区场为:
2 rλ 1 ω μ 0 pm Hθ sin θ e jkr η 2 rλ
E j
μ 0 pm
sin θe jkr
(6-2-8)
1. 电基本振子
微波技术与天线第6章复习
第6章1、简述天线的功能（概念+4个功能）在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或将无线电波转变为导波能量，原来辐射和接收无线电波的装装置称为天线。
①天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量.这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与发射机或接收机匹配.②天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性.③天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化.④天线应有足够的工作频带.2、名词解释:什么是天线？①作用：在发射部分，将高频导行波转换为空间电波，在接收端，空间电波转换为导行波。
②性能：是能量转换器件、具有定向辐射能力、频率选择特性、极化特性。
③结构：开放。
3、把天线和发射机或接收机连接起来的系统为馈线系统，天线和馈线系统统称天线馈线系统，简称天馈系统。
4、点电基本振子近区场又为准静态场；离天线较远时，近似为0；电场磁场相位差90°，为感应场。
远区场中电基本振子的的远区场是沿着径向外传的横电磁波，远区场又称辐射场。
E/H=120pi，远区场具有与平面波相同的特性。
随着距离增加，辐射场减小。
4、电，磁基本振子具有相同的方向函数，空间相互正交，相位差90°5、天线的电参数有哪些？①主瓣宽度:主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。
在场强方向图中，等于最大场强两点间的宽度，称为半功率波瓣宽度；或将头两个零点之间的角度作为主瓣宽度，即零功率波瓣宽度。
②旁瓣电平: 旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平, 一般以分贝表示。
③前后比: 前后比是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比, 通常以分贝为单位。
④方向系数:方向系数定义为: 在离天线某一距离处, 天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之比,记为D, 即天线方向系数的一般表达式为6、要使天线方向系数大，不仅要求主瓣窄，还要全空间的旁瓣电平小。
微波技术与天线傅文斌习题答案
第2章 微波传输线2.1什么是长线？如何区分长线和短线？举例说明。
答 长线是指几何长度大于或接近于相波长的传输线。
工程上常将1.0>l 的传输线视为长线，将1.0<l 的传输线视为短线。
例如，以几何长度为1m 的平行双线为例，当传输50Hz 的交流电时是短线，当传输300MHz 的微波时是长线。
2.2传输线的分布参数有哪些？分布参数分别与哪些因素有关？当无耗传输线的长度或工作频率改变时分布参数是否变化？答 长线的分布参数一般有四个：分布电阻R 1、分布电感L 1、分布电容C 1、分布电导G 1。
分布电容C 1(F/m )决定于导线截面尺寸，线间距及介质的介电常数。
分布电感L 1(H/m )决定于导线截面尺寸，线间距及介质的磁导率。
分布电阻R 1(Ω/m )决定于导线材料及导线的截面尺寸。
分布电导G 1(S/m ) 决定于导线周围介质材料的损耗。
当无耗传输线（R 1= 0，G 1= 0）的长度或工作频率改变时，分布参数不变。
2.3传输线电路如图所示。
问：图（a ）中ab 间的阻抗0=ab Z 对吗？图（b ）中问ab 间的阻抗∞=ab Z 对吗？为什么？答 都不对。
因为由于分布参数效应，传输线上的电压、电流随空间位置变化，使图（a ）中ab 间的电压不一定为零，故ab 间的阻抗ab Z 不一定为零；使图（b ）中a 点、b 点处的电流不一定为零，故ab 间的阻抗ab Z 不一定为无穷大。
2.4平行双线的直径为2mm ，间距为10cm ，周围介质为空气，求它的分布电感和分布电容。
解 由表2-1-1，L 1=1.84×10-6（H/m ），C 1=6.03×10-12（F/m ）2.5写出长线方程的的解的几种基本形式。
长线方程的解的物理意义是什么？ 答（1）复数形式()()()z L L z L L I Z U I Z U z U ββj 0j 0e 21e 21--++= ()()()z L L z L L I Z U Z I Z U Z z I ββj 00j 00e 21e 21---+=（2）三角函数形式()z Z I z U z U L L ββsin j cos 0+=()z I z Z U z I L Lββcos sin j+= （3）瞬时形式()()A z t A t z u ϕβω++=cos , ()B z t B ϕβω+-+cos ()()A z t Z A t z i ϕβω++=cos ,0()B z t Z B ϕβω+--cos 0其中，()L L I Z U A 021+=，()L L I Z U B 021-= 物理意义：传输线上的电压、电流以波动的形式存在，合成波等于入射波与反射波的叠加。
微波技术和天线(第四版)刘学观 第6章
将B = ∇ × （ A A为磁矢位）代入上述第二式得 定义电标位φ ，因而有
E = −∇φ − ∂A ∂t
∂A ⎤ ⎡ ∇ × ⎢E + =0 ⎥ ∂t ⎦ ⎣
一旦求得位函数 旦求得位函数——磁矢位和电标位，即可求得时变电场和时变磁场。 磁矢位和电标位 即可求得时变电场和时变磁场 《微波技术与天线》
《微波技术与天线》
第六章 天线辐射与接收的基本理论之°概论
3. 天线的分类
如果按用途的不同，可将天线分为通信天线、广播 电视天线、雷达天线等； 如果按工作波长的不同 可将天线分为长波天线 如果按工作波长的不同，可将天线分为长波天线、 中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。 如果按辐射元的类型则天线大致可以分为两大类 如果按辐射元的类型则天线大致可以分为两大类： 线天线和面天线。
天线 波前
球面波
《微波技术与天线》
第六章 辐射与接收的基本理论之°基本振子的辐射
1.电基本振子的磁矢位
电基本振子：它是一段长度远小于波长（dl<<λ），电流 I振幅均匀分布、相位相同的直线电流元。 设电基本振子沿z轴放置其电流元为 a z Idl ′ = a z 式中 S为电流元的横截面积。 式中， 为电流元的横截面积 电基本振子的长度远小于波长，因此可取 r′=0 即 R≈r ， 所以 其磁矢位的表达式为 所以，其磁矢位的表达式为
第六章 天线辐射与接收的基本理论之°概论
第六章 天线辐射与接收的基本理论
随时间变化的电荷或电流激发出的电磁场，可以脱 离场源以电磁波的形式向远处传播出去而不再返回场 源，我们把这种现象称为电磁辐射。
本章内容
6.1 概论 6.2 基本振子的辐射 6.3 天线的电参数 6.4 接收天线理论
微波技术与天线,课后答案
|U |max = UC = 450 V
|I|min = UC /Zbc = 0.5 A
|U |min = |I|minZ01 = 300 V
|I|max = |U |max/Z01 = 0.75 A
(20)
Γ
=
RL RL
− Z0 + Z0
当RL > Z0时 ，Γ(z)为 正 实 数 ， 终 端 为 电 压 的 波 腹 点 ， 则 有RL = Z0ρ，所以ρ = RL/Z0 当RL < Z0时，Γ(z)为负实数，终端为电压的波节点，则有RL = Z0/ρ，所 以ρ = Z0/RL 证毕。
2-15 有一特性阻抗为75Ω、长为9λ/8的无耗传输线，测得电压结点 的 输入阻抗为25Ω，终端为电压腹点，求：(1)终端反射系数； (2)负载阻抗； (3)始端的输入阻抗； (4)距终端3λ/8处的反射系数。
图 5: ZL = 0的情况 2-26 ( ) 传输线电路如下图所示。图中，Z0 = 75Ω，R1 = 150Ω，R2 = 37.5Ω，行波 电压幅值|U +| = 150V 。 (1)试求信号源端的电流|ID|； (2)画出各传输线上的电压、电流幅值分布并标出极大、极小值； (3)分别计算负载R1、R2吸收的功率。 解: (1) CA段的输入阻抗为：ZCA = R1 = 150Ω; CB段的输入阻抗为：ZCB = Z02/R2 = 150Ω; C点阻抗为:ZC = ZCA//ZCB = 75Ω;
ZCE
=
Z02 2Z0
=
Z0/2
(10)
ZCF
=
Z0
《微波技术与天线》习题集规范标准答案
《微波技术与天线》习题答案章节 微波传输线理路1.1设一特性阻抗为Ω50的均匀传输线终端接负载Ω=1001R ，求负载反射系数1Γ，在离负载λ2.0，λ25.0及λ5.0处的输入阻抗及反射系数分别为多少？解：1)()(01011=+-=ΓZ Z Z Zπβλ8.02131)2.0(j z j e e --=Γ=Γ31)5.0(=Γλ （二分之一波长重复性）31)25.0(-=ΓλΩ-∠=++=ο79.2343.29tan tan )2.0(10010ljZ Z ljZ Z Z Z in ββλΩ==25100/50)25.0(2λin Z （四分之一波长阻抗变换性）Ω=100)5.0(λin Z （二分之一波长重复性）1.2求内外导体直径分别为0.25cm 和0.75cm 的空气同轴线的特性阻抗；若在两导体间填充介电常数25.2=r ε的介质，求其特性阻抗及MHz f 300=时的波长。
解：同轴线的特性阻抗abZ rln600ε= 则空气同轴线Ω==9.65ln 600abZ 当25.2=r ε时，Ω==9.43ln600abZ rε 当MHz f 300=时的波长：m f c rp 67.0==ελ1.3题设特性阻抗为0Z 的无耗传输线的驻波比ρ，第一个电压波节点离负载的距离为1m in l ，试证明此时的终端负载应为1min 1min 01tan tan 1l j l j Z Z βρβρ--⨯=证明：1min 1min 010)(1min 101min 010in tan l tan j 1/tan tan 1min 1min l j Z Z Z Z l j Z Z l j Z Z Z Z l in l βρβρρββ--⨯=∴=++⨯=由两式相等推导出：对于无耗传输线而言：）（Θ1.4传输线上的波长为：m fr2cg ==ελ因而，传输线的实际长度为：m l g5.04==λ终端反射系数为： 961.0514901011≈-=+-=ΓZ R Z R输入反射系数为： 961.0514921==Γ=Γ-lj in eβ 根据传输线的4λ的阻抗变换性，输入端的阻抗为：Ω==2500120R ZZ in1.5试证明无耗传输线上任意相距λ/4的两点处的阻抗的乘积等于传输线特性阻抗的平方。
微波与天线
绪 论1.微波是电磁波谱中介于超短波和红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短（即频率最高）的波段，其频率范围从300MHz （波长1m ）至3000GHz （波长0.1mm ）。
微波波段分为米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个分波段。
2.微波的特点（因其波长）：①似光性 ②穿透性 ③宽频带特性④热效应特性 ⑤散射特性 ⑥抗低频干扰特性第一章 均匀传输线理论1.均匀传输线的分析方法：①场分析法，从麦克斯韦方程出发，求出满足边界条件的波动解，得出传输线上电场和磁场的表达式，进而分析传输特性；②等效电路法，从传输线方程出发，求出满足边界条件的电压、电流波动方程的解，得出沿线等效电压、电流的表达式，进而分析传输特性。
——后一种方法实质是在一定条件下“化场为路”。
2.无线传输线的三种工作状态：①行波状态 ②纯驻波状态 ③行驻波状态【例 1-3】设有一无耗传输线，终端接有负载()Ω-=30401j Z ，则①要使传输线上驻波比最小，则该传输线的特性阻抗应取多少？ 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？解：①要是线上驻波比最小，实质上只要使终端反射系数的模值最小，即001=∂Γ∂Z()()212202200101130403040⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++-=+-=ΓZ Z Z Z Z Z 将上式对0Z 求导，并令其为零，经整理可得：030402022=-+Z ；即Ω=500Z 。
这就是说，当特性阻抗Ω=500Z 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：230101131503040503040πj e j j Z Z Z Z =+---=+-=Γ 21111=Γ-Γ+=ρ ③由于终端为容性负载，故离终端的第一个电压波节点位置为：λλφπλ814401min =-=z 3.阻抗匹配的三种不同含义：①负载阻抗匹配 ②源阻抗匹配 ③共轭阻抗匹配【习题 1.6】设某一均匀无耗传输线特性阻抗为Ω=500Z ，终端接有未知负载1Z 。
电磁场、微波技术与天线图文 (6)
第6章 微波网络基础
2. 微波网络参数是在微波传输线中只存在单一传输模式下 确定的。例如，对矩形波导，是指TE10模；对微带线，是指 准TEM模；对同轴线与带状线，是指TEM模。当微波传输 线中存在多模传输时，一般按其模式等效为一个多端口网络， 如一个有n个传输模的单端口元件将等效成一个n端口网络， 一个有n个传输模的二端口元件应等效为2n端口网络，其网 络参数仍按各个传输模式分别确定。
如图6-4-1所示为双端口网络，端口参考面T1、T2上的 电压和电流的方向如图中所示。由网络理论有
U1 Z11I1 Z12 I2 U2 Z21I1 Z22 I2
(6-4-1)
第6章 微波网络基础
图6-4-1 ［Z］和［Y］参量网络
第6章 微波网络基础
或简写成
U1 U 2
Z11
Z21
件还不足以将U、I唯一确定。因为，U′=kU，I′=I/k，即e′(x， y)=e(x，y)/k，h′(x，y)=kh(x，y)将同样满足式(6-2-1)的定义 和式(6-2-4)的归一化条件。因此，按上述定义的电压、电流 都只能确定到相差一个常数因子，这种不确定性实际上是反 映了传输线中阻抗的不确定性。为了消除这种不确定性，需 进一步确定基准矢量e(x，y)和h(x，y)，也就是确定等效特 性阻抗的选用条件。由式(6-2-1)写出(以入射场为例)
Ui
I
* i
1 2
Ui
(6-2-11a) (6-2-11b)
由式(6-2-11)解得
Ui
ab 2 Em ,
Ii
ab Em
2
(6-2-12)
第6章 微波网络基础
将其代入式(6-2-10)解出
e ey
2 ab
微波技术与天线
微波技术与天线微波技术和天线是现代通信和广播技术中两个非常重要的领域。
这两个领域旨在提高通信效率和性能，并满足不断增长的业务需求。
微波技术和天线在各种应用中都有重要作用，包括无线通信、卫星通信、雷达、无线电传输、导航、航空航天和防御等方面。
在本文中，将介绍微波技术和天线的基础知识和应用领域。
微波技术是电磁波科学的重要方面，其主要研究微波频段的各种应用。
微波频段的频率范围是300MHz~300GHz，与射频和毫米波频段之间。
这个范围的频率被广泛用于通信、雷达、导航和遥感等应用。
微波技术应用广泛，最常见的应用之一是通信。
微波技术被用于构建各种类型的通信系统，如卫星、移动电话和电视广播。
此外，微波技术还用于雷达系统，用于军事和民用航空。
微波技术还被用于无线电传输和导航，如GPS定位系统就使用了微波的频率范围。
微波技术的一个重要组成部分是天线。
天线是将电磁能转换为无线信号的器件。
在微波频段，天线的设计变得复杂和精确。
微波天线设计涉及到一系列重要的参数，如频率响应、辐射图案、天线增益、电子孔径等。
天线的性能直接影响着通信系统的效率和效果，因此天线的选择和设计是非常重要的。
天线通常是由一个或多个射频元件组成的。
射频元件是用于执行射频能量转换的传输线、高频开关、滤波器和其他组件的成品。
通过控制射频元件的状态，可以实现通信系统的调制、分路、复用和解调。
当在微波频段进行通信时，由于信号在传输过程中的损耗，需要使用射频功率放大器和信号增强放大器来保证信号能够达到足够的强度，以克服高噪声环境和可能遇到的障碍物。
在设计天线的过程中，一个重要的考虑因素是电子孔径。
电子孔径是天线的有效长度，定义为天线的物理尺寸除以在接收和发射时电磁场存在的波长。
通过选择天线的长度，可以调整天线接收电磁波的频率和波长，以满足系统的特定需求。
另一个重要的参数是天线的增益。
天线增益是比较天线输出功率和输入功率之间的关系。
为了提高信号强度，可以通过增加天线增益来放大信号。
现代微波与天线测量技术 10微波天线测量技术第六章
测 近场测试 试 距 离
远场测试
缩距法（紧缩场） 平面
近场扫描法 柱面 球面
利用地面场
不利用地面场
测 室内场测试 试 场 地 室外场测试
近场 远场 紧缩场
辐射天线场分布
26
一、天线测试概述
（四）天线测试的应用
• 天线研发设计
• 检验理论分析正 确性
• 对比仿真结果 • 优化设计参数
• 天线生产制造
络散射参数、反射系数、驻波比 三、天线特性参数的测量
主要有阻抗特性和方向特性，包括输入阻抗、频率 特性、效率和匹配等；后者有方向图、主瓣宽度、付 瓣电平、增益系数、方向性系数、极化和相位特性以 及有效高度。
6
天线测量的主要任务
一、检验理论 求解天线场问题时，几乎总是对理 想条件作数学分析，再进行计算，因此理论的正 确性必须由试验检验。 二、独立研究 对天线技术中许多理论上还不够成 熟的课题要靠实验来解决，再逐步上升到理论， 是研制天线的一种方法。 三、工厂制造检验 天线在出厂前必须测量他的电 参数和机械性能，看是否能达到设计要求。 四、安装和维修 天线良好的性能还取决于正确的 安装和使用维修 天线测量的结果精度取决于仪表精度、测试方法、 测试场地条件及测试者的技术水平有关。
7
二、测试场地―测试和鉴定天线的场所
天线测试场地可分为室内和室外，但均要求无外 界干扰
室内微波暗室 室外：现场和专门的天线测试场 由于卫星通信、雷达等用途中，天线都处在它的 远区，所以要正确测试它的辐射特性，必须具备一 个能提供均匀平面波的照射待测天线的理想测试场， 测试场地分为自由空间测试场地和地面反射测试场 地
• 抽检天线合格率 • 指导改进生产工
艺
• 天线应用阶段
微波技术与天线考试重点复习归纳
微波技术与天线考试重点复习归纳第⼀章1.均匀传输线（规则导波系统）：截⾯尺⼨、形状、媒质分布、材料及边界条件均不变的导波系统。
2.均匀传输线⽅程，也称电报⽅程。
3.⽆⾊散波：对均匀⽆耗传输线, 由于β与ω成线性关系, 所以导⾏波的相速v p 与频率⽆关, 称为⽆⾊散波。
⾊散特性：当传输线有损耗时, β不再与ω成线性关系, 使相速v p 与频率ω有关,这就称为⾊散特性。
11010010110cos()sin()tan()()tan()cos()sin()in U z jI Z z Z jZ z Z z Z U Z jZ z I z jz Z ββββββ++==++02p rv fλπλβε===任意相距λ/2处的阻抗相同, 称为λ/2重复性z1 终端负载221021101()j z j zj zj zZ Z A ez eeZ Z A eββββ----Γ===Γ+ 1101110j Z Z eZ Z φ-Γ==Γ+ 终端反射系数均匀⽆耗传输线上, 任意点反射系数Γ(z)⼤⼩均相等,沿线只有相位按周期变化, 其周期为λ/2, 即反射系数也具有λ/2重复性4.00()()()in in Z z Z z Z z Z -Γ=+ 0()1()()()1()in U z Z Z Z Z I z Z +Γ==-Γ111ρρ-Γ=+ 1111/1/1Γ-Γ+=-+=+-+-U U U U ρ电压驻波⽐其倒数称为⾏波系数, ⽤K 表⽰5.⾏波状态就是⽆反射的传输状态, 此时反射系数Γl =0, 负载阻抗等于传输线的特性阻抗, 即Z l =Z 0, 称此时的负载为匹配负载。
综上所述, 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6终端负载短路：负载阻抗Z l =0, Γl =-1, ρ→∞, 传输线上任意点z 处的反射系数为Γ(z)=-e-j2βz此时传输线上任意⼀点z 处的输⼊阻抗为0()tan in Z Z jZ zβ=①沿线各点电压和电流振幅按余弦变化, 电压和电流相位差 90°, 功率为⽆功功率, 即⽆能量传输; ②在z=n λ/2(n=0, 1, 2, …)处电压为零, 电流的振幅值最⼤且等于2|A 1|/Z 0, 称这些位置为电压波节点；在z=(2n+1)λ/4 (n=0, 1, 2, …)处电压的振幅值最⼤且等于2|A 1|, ⽽电流为零, 称这些位置为电压波腹点。
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由于本书是针对非微波专业学生, 所以尽可能地绕过繁杂 的推导、计算, 主要介绍天线的基本概念、基本理论及与现代 通信紧密相关的新技术及其应用。
第6章 天线辐射与接收的基本理论
6.2 基本振子的辐射
1. 电基本振子 电基本振子是一段长度l远小于波长, 电流I振幅均匀分布、 相位相同的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天
第6章 天线辐射与接收的基本理论
(2) 远区场 实际上, 收发两端之间的距离一般是相当远的（kr1, 即 rλ/2π）, 在这种情况下, 式（6 2 1）中的1/r2和1/r3项比起1/r项 而言, 可忽略不计, 于是电基本振子的电磁场表示式简化为
k 2 Il E j sine jkr 4w 0 r
图 6 -5 (a) 电基本振子E平面方向图； (b) 电基本振子H平面方向图； (c) 电基本振子立体方向图
第6章 天线辐射与接收的基本理论
在给定r处, 对于θ=π/2, Eθ的归一化场强值为|sinθ|=1, 也与φ 无关。因而H平面方向图为一个圆, 其圆心位于沿z方向的振子
轴上, 且半径为1, 如图 6 - 5（b）所示。
第6章 天线辐射与接收的基本理论
稳态场有这种特性, 时变场也有这种特性。 小电流环的 辐射场与磁偶极子的辐射场相同。
磁基本振子是一个半径为b的细线小环, 且小环的周长满
足条件：2πbλ, 如图 6 - 3 所示。假设其上有电流i(t)=Icosωt, 由电磁场理论, 其磁偶极矩矢量为
Pm az Ib2 az pm
与电基本振子做相同的近似得磁基本振子的远区场为:
wu0 pm E j sine jkr 2r 1 wu0 pm H sine jkr 2r
第6章 天线辐射与接收的基本理论
比较电基本振子的远区场Eθ与磁基本振子的远区场Eφ, 可以发现它们具有相同的方向函数|sinθ|, 而且在空间相互正交,
1) 在地面上架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来 表示其方向图
（1） 水平面
当仰角Δ及距离r为常数时, 电场强度随方位角φ的变化曲线,
参见图 6 - 4;
第6章 天线辐射与接收的基本理论
（2） 铅垂平面 当φ及r为常数时, 电场强度随仰角Δ的变化曲线, 参见图 6 - 4。 2) 超高频天线, 通常采用与场矢量相平行的两个平面来 表示
k Il H j sine jkr 4r
式中,
K 2 w2 0u0 , w 2f 2c /
1 0 10 9 ( F / m) 36
第6章 天线辐射与接收的基本理论
u0 4 10 7 ( ）得电基本振子的远区场为
60Il E j sine jkr r Il H j sine jkr 2r
对式（6 2 5）进行分析可知:
第6章 天线辐射与接收的基本理论
① 在远区, 电基本振子的场只有Eθ和Hφ两个分量, 它们在 空间上相互垂直, 在时间上同相位, 所以其玻印廷矢量 1 s E H 是实数, 且指向 r 方向。 这说明电基本振子的远区场 2 是一个沿着径向向外传播的横电磁波, 所以远区场又称辐射场; ② Eθ/Hφ=η=
第6章 天线辐射与接收的基本理论
研究天线问题, 实质上是研究天线在空间所产生的电磁场 分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件, 因此, 求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件, 但这往往十分繁杂, 有时甚至是十分困难的。 在实际问题中, 往往将条件理想化, 进行一些近似处理, 从 而得到近似结果, 这是天线工程中最常用的方法； 在某些情况 下, 如果需要较精确的解, 可借助电磁场理论的数值计算方法 来进行。
第6章 天线辐射与接收的基本理论
第6章天线辐射与接收的基本理论
6.1 概论 6.2 基本振子的辐射 6.3 天线的电参数 6.4 接收天线理论
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第6章 天线辐射与接收的基本理论
第6章 天线辐射与接收的基本理论
6.1 概论
通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通 信系统大致分为两大类: 一类是在相互联系的网络中用各种传 输线来传递信息, 即所谓的有线通信, 如电话、计算机局域网等 有线通信系统; 另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信
息, 即所谓的无线通信, 如电视、 广播、 雷达、 导航、卫星等
无线通信系统。 在如图 6 1 所示的无线通信系统中, 需要将来 自发射机的导波能量转变为无线电波, 或者将无线电波转换为
导波能量, 用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。
第6章 天线辐射与接收的基本理论
信息源
信号变换
发射机
接收机
信号变换
受信者
图 6 – 1 无线电通信系统框图
第6章 天线辐射与接收的基本理论
发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经 馈线传输到发射天线, 通过天线将其转换为某种极化的电磁波 能量, 并向所需方向辐射出去。到达接收点后, 接收天线将来自 空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频 电流能量, 经馈线输送至接收机输入端。天线作为无线电通信 系统中一个必不可少的重要设备, 它的选择与设计是否合理, 对 整个无线电通信系统的性能有很大的影响, 若天线设计不当, 就 可能导致整个系统不能正常工作。 综上所述, 天线应有以下功能: ① 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。 这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与 发射机或接收机匹配。
第6章 天线辐射与接收的基本理论
② 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定 方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性。 ③ 天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当 的极化。 ④ 天线应有足够的工作频带。
以上四点是天线最基本的功能, 据此可定义若干参数作为设 计和评价天线的依据。通信的飞速发展对天线提出了许多新的 要求,天线的功能也不断有新的突破。除了完成高频能量的转换 外, 还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理, 如信 号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能天线等。特别是 自1997年以来, 第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信 领域的研究热点, 而智能天线正是实现第三代移动通信系统的 关键技术之一。
第6章 天线辐射与接收的基本理论
天线的种类很多，按用途可将天线分为通信天线、 广播 电视天线、雷达天线等; 按工作波长, 可将天线分为长波天线、 中波天线、 短波天线、 超短波天线和微波天线等； 按辐射元 的类型可将天线分为两大类: 线天线和面天线。所谓线天线是 由半径远小于波长的金属导线构成, 主要用于长波、中波和短 波波段; 面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的, 主要 用于微波波段, 超短波波段则两者兼用。 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、 波导或微带线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密, 有时 把天线和馈线系统看成是一个部件, 统称为天线馈线系统, 简称 天馈系统。
根据电与磁的对偶性原理, 只要将电基本振子场的表达式 （6- 2 -1）中的E换为η2H, H换为E, 并将电偶极矩p=Il/(jω)换为 磁偶极矩pm, 就可以得到沿z轴放置的磁基本振子的场:
第6章 天线辐射与接收的基本理论
z
P
I O
y b x
图 6 –3 磁基本振子的辐射
dl
第6章 天线辐射与接收的基本理论
u0 / 0=120π（Ω）是一常数, 即等于媒质的
本征阻抗, 因而远区场具有与平面波相同的特性; ③ 辐射场的强度与距离成反比, 随着距离的增大, 辐射场
减小。 这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的, 当距离
增大时, 辐射能量分布到更大的球面面积上;
第6章 天线辐射与接收的基本理论
[ 例 6 - 1］画出沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面 方向图。
解: ① E平面方向图:
在给定r处, Eθ与φ无关; Eθ的归一化场强值为
|Eθ|=|sinθ|
这是电基本振子的E平面方向图函数, 其E平面方向图如图 6 - 5（a）所示。 ② H平面方向图:
第6章 天线辐射与接收的基本理论
线均可看成是由一系列电基本振子构成的。
下面首先介绍电基本振子的辐射特性。 在电磁场理论中, 已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电 基本振子(图6 2)在周围空间产生的场为
第6章 天线辐射与接收的基本理论
z r
P
l O y
x
图 6 –2 电基本振子的辐
第6章 天线辐射与接收的基本理论
Il 2 j k jkr Er cos ( 3 3 )e 4 w 0 r r Il 1 j k jk 2 jkr E sin ( 3 2 )e 4 w 0 r r r
Er E H 0
wu0 pm jk 1 jkr E j sin( 2 )e 4 r r pm k 1 jkr Hr j cos ( 2 j 2 )e 2 r r
pm k2 k 1 jkr H0 j sin ( j 2 j 3 )e 2 r r r
相位相差90°。所以将电基本振子与磁基本振子组合后, 可构
成一个椭圆（或圆）极化波天线, 具体将在第8章中介绍。
第6章 天线辐射与接收的基本理论
6.3 天线的电参数
1. 天线方向图及其有关参数
所谓天线方向图， 是指在离天线一定距离处, 辐射场的相 对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图, 通常采用通过天 线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。
E 0
Hr 0
H 0 Il 1 jk jkr H sin ( 2 )e 4 r r