微波技术与天线

课程内容总结

微波、天线与电波传播是无线电技术的重要组成部分，它们三者研究的对象和目的有所不同。本课程主要讨论了均匀传输理论，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，通天线级微波应用系统等内容，具体内容在下面作简要概括：

一、均匀传输线理论

微波传输线的三种类型：双导体传输线，波导，介质传输线

1.1 均匀传输线方程及其解

共有三个参量：1）均匀传输线方程2) 传播常数γ3) 相速υp 与波长λ

1.2传输线阻抗与状态参量

1.输入阻抗

对无耗均匀传输线, 线上各点电压U (z )、电流I (z )与终端电压U l 、终端电流I l 的关系如下：

2.反射

系数 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）之比为

电压（或电流）反射系数, 即：⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫

==

++)()_()()_(i u z I z I Γz U z U Γ 3.输入阻抗与反射系数的关系U(z)=U+(z)+U-(z)=A 1e j βz ［1+Γ(z )］

I(z)=I+(z)+I-(z) = ej βz ［1-Γ(z )］

⎪⎭

⎪⎬⎫+=+=)sin(j )cos()()sin(j )cos()(011011z Z U z I z I z Z I z U z U ββββ

4.行驻波状态

当微波传输线终端接任意复数阻抗负载时, 由信号源入射的电磁波功率一部分被终端负载吸收, 另一部分则被反射, 因此传输线上既有行波又有纯驻波, 构成混合波状态, 故称之为行驻波状态。

1.4 传输线的传输功率、效率和损耗

1.5 阻抗匹配 分三种：负载阻抗匹配，源阻抗匹配，共轭阻抗匹配。

1.6 史密斯圆图及其应用

传输线上任意一点的反射函数Γ(z)可表达为：()()()1

1in +-=

z z z z z Γin 1.7 同轴线的特性阻抗 同轴线是一种典型的双导体传输系统, 它由内、外同轴的两导体柱构成。

二、规则金属波导

2.1导波原理

1. 规则金属管内电磁波

2. 传输特性

1) 相移常数和截止波数： 22c 2c 2/1k k k k k -=-=β。2) 相速υp 与波导

波长λg 。电磁波在波导中传播, 其等相位面移动速率称为相速, 于是有： 2

2c 22c p /1//11k k c k k k r r -=-==

εμωβωυ。3) 波阻抗。定义即：t t H E Z =。 4) 传输功率:⎰⎰⎰⎰==⋅⨯=⋅⨯=

**S

t S t S z t t S S H Z S E Z dS a H E S H E P d ||2d 21)(Re 21d )(Re 2122

2.2 矩形波导

1.矩形波导中的场

2.矩形波导尺寸选择原则

2.3 圆形波导

1. 圆波导中的场

与矩形波导一样, 圆波导也只能传输TE和TM波型。

2. 圆波导的传输特性

3. 几种常用模式

1) 主模TE11模2) 圆对称TM01模TM01模是圆波导的第一个高次模3) 低

损耗的TE01模TE01模是圆波导的高次模式

2.4 波导的激励与耦合：1. 电激励2. 磁激励

3. 电流激励

三、微波集成传输线

3.1 微带传输器

共分三种：1.微带线2. 微带线3. 耦合微带线

3.2介质波导

介质波导可分为两大类：一类是开放式介质波导，主要包括圆形介质波

导和介质镜像线等；另一类是半开放介质波导，主要包括H形波导、G

形波导等。

3.3 光纤

分为单模光纤、多模光纤。

光纤的基本参数：波长，相对折射率差，折射率分布因子

光线的传输特性：光线的损耗，光纤的色散效应

四、微波网络基础

4.1 等效传输线：1.等效电压和等效电流2.模式等效传输线

4.2 单口网络

1.单口网络的传输特性：反射系数为：

2.归一化电压和电流由于微波网络比较复杂, 因此在分析时通常采用归一化阻抗, 即将电路中各个阻抗用特性阻抗归一, 与此同时电压和电流也要归一。 4.3 双端口网络的阻抗与转移矩阵

在各种微波网络中, 双端口网络是最基本的, 任意具有两个端口的微波元件均可视之为双端口网络。

4.4线性无源双端口网络各端口上电压和电流之间的关系。

1.阻抗矩阵与导纳矩阵⎭

⎬⎫+=+=22212122121111I Z I Z U I Z I Z U 2.转移矩阵也称为［A ］矩阵,它在研究网络级联特性时特别方便。

3.散射参量与其它参量之间的相互转换

4.5多端口网络的散射矩阵：(1) 互易性质(2) 无耗性质(3) 对称性质

五、微波元器件

5.1连接匹配元件：(1) 短路负载(2) 匹配负载(3) 失配负载

2.微波连接元件是二端口互易元件, 主要包括: 波导接头、衰减器、相移器、

转换接头。 3.阻抗匹配元件：(1) 螺钉调配器(2) 多阶梯阻抗变换器(3) 渐变型阻抗变换

器

5.2 功率分配元器件

1(2)

1()j z z e φβ-Γ=Γ

1.定向耦合器1) 定向耦合器的性能指标：(1)耦合度(2)隔离度(3) 定向度

(4) 输入驻波比(5)工作带宽

2)波导双孔定向耦合器

3)双分支定向耦合器

4)平行耦合微带定向耦合器 2.功率分配器：将一路微波功率按一定比例分成n 路输出的功率元件称为

功率分配器。在结构上, 大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带 微带环形电桥是在波导环形电桥基础上发展起来的一种功率分配元件。

3.波导分支器：将微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器, 它是

微波功率分配器件的一种, 常用的波导分支器有E 面T 型分支、H 面T 型分支和匹配双T 。 (1) E-T 分支

(2)H-T 分支(3) 匹配双T 5.3 微波谐振器件、微波铁氧体器件

1)谐振式隔离器2) 场移式隔离器3) 隔离器的性能指标

环行器的散射参数应满足:⎪⎭

⎪⎬⎫=========010231231133221332211S S S S S S S S S

六、天线辐射与接收的基本理论

6.1基本振子的辐射

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, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。

2.磁基本振子的场，将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代,即将“电源”换成等效“磁源”, 可以大