微波技术与天线

知识梳理

绪论

微波、天线与电波传播是无线电技术的一个重要组成部分，它们三者研究的对象和目的有所不同。微波主要研究如何引导电磁波在微波传输系统中的有效传输，它的特点是希望电磁波按一定要求沿微波传输系统无辐射的传输，对传输系统而言辐射是一种能量的损耗。天线的任务则是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，因此天线有两个基本作用：一个是有效地辐射或接收电磁波，另一个是把无线电波能量转换为导行波能量。电波传播则是分析和研究电波在空间的传播方式和特点。微波、天线与电波传输播三者的共同基础是电磁场理论，三者都是电磁场在不同边值条件下的应用。

第一章均匀传输线理论

微波传输线是用以传输微波信息和能量的各种形式的传输系统的总称, 它的作用是引导电磁波沿一定方向传输, 因此又称为导波系统, 其所导引的电磁波被称为导行波。一般将截面尺寸、形状、媒质分布、材料及边界条件均不变的导波系统称为规则导波系统, 又称为均匀传输线。把导行波传播的方向称为纵向, 垂直于导波传播的方向称为横向。无纵向电磁场分量的电磁波称为横电磁波，即TEM波。另外, 传输线本身的不连续性可以构成各种形式的微波无源元器件, 这些元器件和均匀传输线、有源元器件及天线一起构成微波系统。

1.1均匀无耗传输线的输入阻抗

定义：传输线上任意一点z处的输入电压和输入电流之比称为传输线的输入阻抗两个特性：

(1)λ／2重复性：无耗传输线上任意相距λ／2处的阻抗相同Zin(z)=Zin(z+λ／2)；(2)λ／4变换性:Zin(z)-Zin(z+λ／4)=Z02

1.2均匀无耗传输线的三种传输状态

(1) 行波状态：无反射的传输状态，

匹配负载：负载阻抗等于传输线的特性阻抗沿线电压和电流振幅不变电压和电流在任意点上同相；

(2) 纯驻波状态：全反射状态，

负载阻抗分为短路、开路、纯电抗状态；

(3)行驻波状态：传输线上任意点输入阻抗为复数。

1.3传输线的三类匹配状态

(1)负载阻抗匹配：是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形，此时只有从信源到负载的入射波，而无反射波。

(2)源阻抗匹配：电源的内阻等于传输线的特性阻抗时，电源和传输线是匹配的，这种电源称之为匹配电源。此时，信号源端无反射。

(3)共轭阻抗匹配：对于不匹配电源，当负载阻抗折合到电源参考面上的输入阻抗为电源内阻抗的共轭值时，即当Zin=Zg﹡时，负载能得到最大功率值。共轭匹配的目的就是使负载得到最大功率。

1.4阻抗圆图的应用

(1) 反射系数圆图：Γ（z）=|Γ1|ej(Φ1-2βz)=|Γ1|ejΦ

Φ1为终端反射系数的幅度，Φ=Φ1-2βz是z处反射系数的幅角。反射系数圆图中任一点与圆心的连线的长度就是与该点相应的传输线上某点处的反射系数的大小。

(2) 阻抗原图（点、线、面、旋转方向）：

在阻抗圆图的上半圆内的电抗x＞0呈感性，下半圆内的电抗x＜0呈容性。实轴上的点代表纯电阻点，左半轴上的点为电压波节点，其上的刻度既代表rmin 又代表行波系数K，右半轴上的点为电压波腹点，其上的刻度既代表rmax又代表驻波比ρ。

|Γ|=1的圆图上的点代表纯电抗点。

实轴左端点为短路点，右端点为开路点，中心点处是匹配点。

在传输线上由负载向电源方向移动时，在圆图上应顺时针旋转，；反之，由电源向负载方向移动时，应逆时针旋转。

(3) 史密斯圆图：

将上述的反射系数圆图、归一化电阻圆图和归一化电抗圆图画在一起，就构成了完整的阻抗圆图。

(4) 基本思想：

特征参数归一（阻抗归一和电长度归一）；以系统不变量|Γ|作为史密斯圆图的基底；把阻抗（或导纳）、驻波比关系套覆在|Γ|圆上。

1.6回波损耗问题：

(1) 定义为入射波功率与反射波功率之比（通常以分贝来表示），即

Lr(z)=10lg(Pin／Pr) (dB)

对于无耗传输线，ɑ=0，Lr与z无关，即Lr(z)=-20lg|Γ1| (dB)

(2) 插入损耗：定义为入射波功率与传输功率之比

(3)|Γ1|越大，则|Lr |越小； |Γ1|越小，则| Lin|越大。

1.7功率分配问题：

(1)入射波功率、反射波功率和传输功率计算公式反映出了它们之间的分配关系。

(2)传输线的传输效率：η=负载吸收功率／始端传输功率。

(3)传输效率取决于传输线的损耗和终端匹配情况。

第二章规则金属波导

2.1导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为TE波、TM波和TEM波三种类型。

(1)TEM波：导行波既无纵向磁场有无纵向电场，只有横向电场和磁场，故称为横电磁波。Ez=0而Hz=0；

(2)TM波（E波）：只有纵向电场，又称磁场纯横向波。Ez≠0而Hz=0；

(3)TE波（H波）：只有纵向磁场，又称电场纯横向波。Ez=0而Hz≠0；

2.2矩形波导：将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气的规则金属波导称为矩形波导。

（1) 纵向场分量Ez和Hz不能同时为零，不存在TEM波。

（2) TE波：横向的电波，纵向场只有磁场。TE波的截止波数kc,矩形波导中可以存在无穷多种TE导模，用TEmn表示。最低次波形为TE10，截止频率最低。（3) TM波

TM11模是矩形波导TM波的最低次模，其他均为高次模。

2.3圆波导：若将同轴线的内导体抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的圆形空间也能传输电磁能量，这就是圆形波导。

应用：远距离通信、双极化馈线以及微波圆形谐振器等。

圆形波导也只能传输TE和TM波形。

2.4方圆波导转换器的作用

圆波导中TE11模的场分布与矩形波导的TE10模的场分布很相似，因此工程上容易通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导。即构成方圆波导变换器。

激励波导的方法通常有三种（1）电激励（2）磁激励（3）电流激励

第三章微波集成传输线

3.1带状线：

是由同轴线演化而来的，即将同轴线的外导体对半分开后，再将两半外导体向左右展平，并将内导体制成扁平带线。

主要传输的是TEM波。可存在高次模。

用途：替代同轴线制作高性能的无源元件。

特点：宽频带、高Q值、高隔离度

缺点：不宜做有源微波电路。

3.2微带线：

是由双导体传输线演化而来的，即将无限薄的导体板垂直插入双导体中间，再将导体圆柱变换成导体带，并在导体带之间加入介质材料，从而构成了微带线。微带线是半开放结构。

工作模式：准TEM波

带状线和微带线的传输特性参量主要有：特性阻抗Z0、衰减常数ɑ、相速vp 和波导波长λg

3.4分析光纤波导

光纤又称为光导纤维，它是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统。如图，光纤的结构

（1）光纤的分类石英玻璃光纤、

多组分玻璃光纤

塑料包层玻璃芯光纤

全塑料光纤

（2）三种常见的光纤波导