微波技术与天线-第三章 微波元器件
微波技术与天线复习知识要点
微波技术与天线复习知识要点绪论●微波的定义：微波是电磁波谱介于超短波与红外线之间的波段,它属于无线电波中波长最短的波段;●微波的频率范围：300MHz~3000GHz ,其对应波长范围是1m~●微波的特点要结合实际应用：似光性,频率高频带宽,穿透性卫星通信,量子特性微波波谱的分析第一章均匀传输线理论●均匀无耗传输线的输入阻抗2个特性定义：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注：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、工作频率有关;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Z in z= Z in z+λ／22、λ／4变换性: Z in z- Z in z+λ／4=Z02证明题：作业题●均匀无耗传输线的三种传输状态要会判断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●传输线的三类匹配状态知道概念▪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;▪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;▪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Z in=Z g﹡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;●传输线的阻抗匹配λ／4阻抗变换P15和P17●阻抗圆图的应用与实验结合史密斯圆图是用来分析传输线匹配问题的有效方法;1.反射系数圆图：Γz=|Γ1|e jΦ1-2βz= |Γ1|e jΦΦ1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r min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r max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;●回波损耗、功率分配等问题的分析✓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Lrz=10lgP in／Pr dB对于无耗传输线,ɑ=0,Lr与z无关,即Lrz=-20lg|Γ1| dB2.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| L in|越大;P21:有关回波损耗的例题例1-4✓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;P192.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●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;知道概念➢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;E z=0而H z=0➢TM波E波：只有纵向电场,又称磁场纯横向波;E z≠0而H z=0➢TE波H波：只有纵向磁场,又称电场纯横向波;E z=0而H z≠0●导行条件：k c＜k时,f＞f c为导行波;●矩形波导、圆波导主要模式的特点及应用✧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E z和H z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k c,➢矩形波导中可以存在无穷多种TE导模,用TE mn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;4)主模TE10的场分布及其工作特性➢主模的定义：在导行波中截止波长最长截止频率最低的导行模➢特点：场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等;✧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;➢主模TE11,截止波长最长,是圆波导中的最低次模;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;➢圆对称TM01模：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;因此常作为雷达天线与馈线的旋转关节中的工作模式;➢低损耗的TE01模：是圆波导的高次模式,它与TM11模是简并模;它是圆对称模,故无极化简并;当传输功率一定时,随着频率升高,管壁的热损耗将单调下降;故其损耗相对于其他模式来说是低的,故可将工作在此模式下的圆波导用于毫米波的远距离传输或制作高Q值的谐振腔;●熟悉模式简并概念及其区别1.矩形波导中的E-H简并：对相同的m和n,TE mn和TM mn模具有相同的截止波长或相同的截止频率;虽然它们的场分布不同,但是具有相同的传输特性;2.圆波导中有两种简并模：➢E-H简并：TE0n模和TM1n模的简并➢极化简并模：考虑到圆波导的轴对称性,因此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cosmφ和sinmφ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;●熟悉矩形波导壁电流分布及应用●波导激励的几种类型1.电激励2.磁激励3.电流激励●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;第三章微波集成传输线●带状线、微带线的结构及特点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;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、微带线特征参数的计算会查图➢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v p和波导波长λg ●介质波导主模及其特点➢主模HE11模的优点：a)不具有截止波长；b)损耗较小；c)可直接由矩形波导的主模TE10激励;第四章微波网络基础●熟练掌握阻抗参量、导纳参量、转移参量、散射参量结合元件特性和传输参量的定义P84-P93➢阻抗矩阵Z➢导纳矩阵Y➢转移矩阵A➢散射矩阵S➢传输矩阵T●掌握微波网络思想在微波测量中的应用三点法的条件➢前提条件：令终端短路、开路和接匹配负载时,测得的输入端的反射系数分别为Γs,Γo和Γm,从而可以求出S11, S12, S22;第五章微波元器件●匹配负载螺钉调配器原理、失配负载；衰减器、移相器作用➢匹配负载作用：消除反射,提高传输效率,改善系统稳定性；➢螺钉调配器：螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配原件,它是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配原件;螺钉深度不同等效为不同的电抗原件,使用时为了避免波导短路击穿,螺钉·都设计成为了容性,即螺钉旋入波导中的深度应小于3b/4b为波导窄边尺寸;➢失配负载：既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率,而且一般制成一定大小驻波的标准失配负载,主要用于微波测量;➢衰减器,移相器作用：改变导行系统中电磁波的幅度和相位；●了解定向耦合器的工作原理P106➢定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件,它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的;➢利用波程差;●熟练掌握线圆极化转换器的工作原理及作用●了解场移式隔离器的作用P122➢根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的;●了解铁氧体环行器的分析及作用P123➢环行器是一种具有非互易特性的分支传输系统;第六章天线辐射与接收的基本理论第七章电波传播概论●天波通信、地波通信、视距波通信的概念1.天波通信：指自发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式,也成为电离层电波传播;主要用于中波和短波波段2.地波通信：无线电波沿地球表面传播的传播方式;主要用于长、中波波段和短波的低频段;3.视距波通信：指发射天线和接收天线处于相互能看见的视距距离内的传播方式;地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式;主要用于超短波和微波波段的电波传播●天线的作用●无线电波传输是产生失真的原因无线电波通过煤质除产生传输损耗外,还会使信号产生失真——振幅失真和相位失真两个原因：1.煤质的色散效应：色散效应是由于不同频率的无线电波在煤质中的传播速度有差别而引起的信号失真;2.随机多径传输效应：会引起信号畸变;因为无线电波在传输时通过两个以上不同长度的路径到达接收点;接收天线收到的信号是几个不同路径传来的电场强度之和;。
微波技术与天线--刘学观-第3.2节
《微波技术与天线》
第三章 微波集成传输线之•介质波导
要使w=0同时满足（3-2a）或（3-2b），必须有J0(u)=0。
可见圆形介质波导的TE0n和TM0n模在截止时是简并的， 它们的截止频率均为：
fc0n
0nc 2a r 1
《微波技术与天线》
第三章 微波集成传输线之•介质波导
2.介质镜像线(dielectric image line)
对主模HE11来说，由于圆形介质波导的OO平面两侧场分布具有对 称性，因此可以在OO平面放置一金属导电板将不致影响其电磁场分 布，从而可以构成介质镜像线。
圆形介质 镜像线
矩形介质 镜像线
《微波技术与天线》
第三章 微波集成传输线之•介质波导
H形波导中传输的模式取决于介质条带的宽度和金属 平板的间距，合理地选择尺寸可使之工作于LSM模，此 时两金属板上无纵向电流，此模与金属波导的TE0n模有 类似的特性，并且可以通过与波传播方向相正交的方向 开槽来抑制其它模式，而不会对该模式有影响。在H形 波导中，其主模为LSE10e，其场结构完全类似于矩形金 属波导的TE10模，但它的截止频率为零，通过选择两金 属平板的间距可使边缘场衰减到最小，从而消除因辐射 而引起的衰减。
《微波技术与天线》
第三章 微波集成传输线之•介质波导
波导 (waveguide)
用来约束或引导电磁波的结构。通常，波导专指各种形状的空心金属 波导管和表面波波导(介质波导），前者将被传输的电磁波完全限制在 金属管内，又称封闭波导；后者将引导的电磁波约束在波导结构的周 围，又称开波导。 当无线电波频率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波 段时，同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。波 导管的优点是导体损耗和介质损耗小；功率容量大；没有辐射损耗； 结构简单，易于制造。波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波 导的边界条件求解，与普通传输线不同，波导管里不能传输 TEM模， 电磁波在传播中存在严重的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速 度与频率有关。表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在 。其传播 模式为表面波。
(四川理工学院)微波技术与天线-第3章 TEM波传输线
第3章 TEM波传输线理论
电压反射系数与电流反射系数间差一个负号Γ u=-Γ i 。 通常将电压反射系数简称为反射系数, 并记作Γ(z)。
对于无耗传输线 j
Ae jz Zl Z 0 j 2 z ( z ) e jz Be Zl Z0
反射系数与终端位置有关，而且是位置的函数，在终端
d 2 I ( z) 2 I ( z) 0 dz2
第3章 TEM波传输线理论
电压、电流的通解为
U Aez Bez 1 I ( Aez Bez ) Z0
式中，Z0 (R1 jL1 ) /(G1 jC1 )称为传输线的特性阻抗 。
解中的待定常数由边界条件决定 传输线的边界条件通常有以下三种: ① 已知终端电压Ul和终端电流Il ② 已知始端电压Ui和始端电流Ii ③ 已知信源电动势Eg和内阻Zg以及负载阻抗Zl。 在实际工程中，通常选择1类边界条件，因此
vp与频率ω有关,这就称为色散特性。
在微波工程中,特性阻抗Z0对分析TEM传输线的传输特性 具有重要意义，它是表征传输线与前级匹配和后级匹配的重 要参量。
第3章 TEM波传输线理论
3.2 传输线阻抗与反射
传输线与前级源的匹配主要取决于传输线在入端的输入阻 抗，传输线与后级的匹配不仅取决于传输线终端接收机的输入 阻抗，还与传输线本身的特性阻抗有关。它们的这些关系用特
对于时谐电压和电流, 可用复振幅表示为
u(z, t)=Re［U(z)e jωt］ i(z, t)=Re［I(z)e jωt］ 可得传输线方程在频域的表示为：
dU R1 jL1 I Z1 I dz dI G1 jC1 U Y1U dz
这里Z1 R1 jL1和Y1 G1 jC1分别是传输线单位长度 的串联阻抗和并联导纳 。
(四川理工学院)微波技术与天线-第4章 微波元件
1. 定向耦合器
定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件, 它是
由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的,
第4章 微波元器件
d ① ④
u1
u41
②
u31
u 42
u32
③
d (a) (b)
5-14 波导双孔定向耦合器
第4章 微波元器件
1) 定向耦合器的性能指标
(2) 隔离度
输入端“①”的输入功率P1和隔离端“④”的输出功率P4 之比定义为隔离度, 记作I。
(b)所示, 它们的有效短路面不在活塞和系统内壁直接接触处,
而向波源方向移动λg/2的距离。
第4章 微波元器件
这种结构是由两段不同等效特性阻抗的λg/4变换段构成, 其工作原理可用如图 5 - 1(c)所示的等效电路来表示, 其中cd段
相当于λg/4终端短路的传输线, bc段相当于λg/4终端开路的传
失配负载既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率, 而且一般制成一定大小驻波的标准失配负载, 主要用于微波测 量。失配负载和匹配负载的制作相似, 只是尺寸略微改变了一 下, 使之和原传输系统失配。 比如波导失配负载，就是将匹配 负载的波导窄边b制作成与标准波导窄边b0不一样, 使之有一定 的反射。设驻波比为ρ, 则有
空间互相垂直、大小相等、相位相同的两个线极化波, 只要设
法将其中一个分量产生附加90°相移, 再合成起来便是一个圆 极化波了。
第4章 微波元器件
l
2R＝61.9 mm
பைடு நூலகம்Em in
Eu 6.4 mm O 1
y Ev
Eu Ev z －x (b) 2
1
3 mm
2
微波技术与天线第三章3.4
第三章
3.4.3 微波滤波器
(3)微波高通滤波器
无源微波元件
3.4 微波系统中的部件
<λ/4
介质
同轴高通滤波器
2014-3-26 13
(b)
《微波技术与天线》
作者： 于 明 清 日期：2014-02-28
第三章
3.4.3 微波滤波器
(4)微波带通滤波器
无源微波元件
3.4 微波系统中的部件
带通
波导带通滤波器
2014-3-26 向耦合器 ;把大于20dB的耦合度的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。 6
《微波技术与天线》
作者： 于 明 清 日期：2014-02-28
第三章
3.4.2 定向耦合器
无源微波元件
3.4 微波系统中的部件
2. 定向度 D 在理想情况下,隔离端口应没有输 出功率,但由于受设计公式和制造的精度 的限制,使隔离端口尚有一些功率输出。
按功能分：低通、高通、带通和带阻滤波器。
按滤波器的频率响应来划分：巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、 切比雪夫Ⅱ型及椭圆型等； 按滤波器的构成元件来划：有源型及无源型两类； 按滤波器的制作方法和材料：波导滤波器、同轴线滤波器、 带状线滤波器、微带滤波器。
2014-3-26 9
《微波技术与天线》
作者： 于 明 清 日期：2014-02-28
《微波技术与天线》
高等学校信息工程类专业规划教材
作者： 于 明 清 日期：2014-02-28
微波技术与天线
编著 曹祥玉 高 军
曾越胜
杨 芳
西安电子科技大学出版社
2014-3-26 1
《微波技术与天线》
作者： 于 明 清 日期：2014-02-28
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)=Z021.2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。
《微波技术与天线》课件
这个PPT课件将为您介绍微波技术与天线的基本概念和应用，从微波技术的 发展历程，到微波器件、微波天线、微波信号传输、微波测量技术、微波辐 射安全等多个方面进行深入讲解。
一、微波技术概述
微波技术的发展历程，基本特征以及在通信领域的应用。
二、微波器件
微波器件的分类
介绍不同类型的微波器件，如微波管、半导 体器件和微波集成电路。
微波天线的设计 与制造
提供设计和制造微 波天线的关键步骤 和技术。
四、微波信号传输
1 微波信号的特点
2 微波信号的传输方式
介绍微波信号的特点，如频率和传输距离。
讲述微波信号的不同传输方式，如无线和 光纤传输。
3 微波信号的功率损耗ຫໍສະໝຸດ 4 微波信号的干扰与抗干扰方法
解释微波信号传输中的功率损耗问题及其 影响。
半导体器件
讲述半导体器件在微波技术中的重要性和功 能。
微波管
深入解释微波管的工作原理和应用。
微波集成电路
介绍微波集成电路的设计和制造过程。
三、微波天线
微波天线的基本 原理
解释微波天线的工 作原理和其在通信 中的作用。
微波天线的分类
介绍不同类型的微 波天线，如方向性 天线和宽带天线。
微波天线的参数
讲述微波天线的常 见参数和它们的意 义。
提供微波信号干扰及其抗干扰方法的详细 信息。
五、微波测量技术
微波测量的基本 原理
介绍微波测量的基 本原理和常见应用。
微波频率计的工 作原理
解释微波频率计的 工作原理以及它在 微波测量中的作用。
微波功率计的工 作原理
深入讲解微波功率 计的工作原理和它 在微波测量中的应 用。
微波技术与天线——第3章
第三章、常用微波元器件
耦合器、阻抗变换器和滤波器等。 二、线性非互易元件 这类元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质，具有 非互易特性，其散射矩阵是不对称的。但仍工作于线性 区域，属于线性元件范围。常用的线性非互易元件有隔 离器、环行器等。 三、非线性元件 这类元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非 线性变换，从而引起频率的改变，并能通过电磁控制以 改变元件的特性参量。常用的非线性元件有检波器、混 频器、变频器以及微波控制元件等。
放大器
第三章、常用微波元器件
衰减器 back
第三章、常用微波元器件
传输线中的电抗元件
微波系统中的电抗元件：利用微波传输线中结构尺寸 的不连续性组成的。由于不连续性引起的损耗很小，故 不连续性的等效电路不外乎是电感、电容、理想变压器 和无耗传输线段以及它们的组合。 电抗元件：包括感性元件和容性元件。感性元件是指 能够集中磁场和存储磁能的元件；而容性元件是指能够 集中电场和存储电能的元件。
第三章、常用微波元器件
电感销钉（等效为电感，结构为贯穿波导窄边的销钉） 电容销钉（等效为电容，结构为贯穿波导宽边的销钉） 5、波导阶梯 E面阶梯等效为并联的电容 H面阶梯等效为并联的电感 同轴中的不连续性等效为电抗元件： 同轴线中的阶梯和开路端以及间隙都等效为电容
微带线中的电抗元件
在微波电子电路中，还常用微带结构来模拟集总元件， 一般认为有限长度的微带线损耗很小，故仅用微带线结构 来实现电感、电容等储能元件及电感、电容的串、并联结
工作原理：当螺钉插入波导中时．一方面螺钉附近高 次模的电场较为集中；另一方面，宽壁上的轴向电流也 要进入螺钉产生附加磁场。当h较小(即h< λ /4)时，前 者影响较大，螺钉等效为一电容；当h增大时，高次模 的电能和磁能发生相对变化，如h＝ λ /4 ，电能和磁能
微波技术与天线复习要点
第一章 学习知识要点1．微波的定义— 把波长从1米到0.1毫米范围内的电磁波称为微波。
微波波段对应的频率范围为: 300M Hz ～3000GHz 。
在整个电磁波谱中，微波处于普通无线电波与红外线之间，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。
2．微波具有如下主要特点：1) 似光性；2) 穿透性；3) 宽频带特性与与信息性；4) 热效应特性；5）散射特性；6）非电离特性；7）抗低频干扰特性；8）视距传输特性；9）分布参数的不确定性；10）电磁兼容和电磁环境污染。
3．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。
4.长线与短线长线：指几何长度L 与工作波长λ可相比拟的传输线，采用分布参数电路描述。
电长度满足L/λ≥0.05的传输线 称为长线。
短线：指几何长度L 与工作波长λ相比可以忽略的传输线，采用集总参数电路描述。
电长度满足L/λ＜0.05的传输线 称为短线。
5.传输线分类：双导体传输线；封闭金属波导；介质传输线。
6．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。
第二章 学习知识要点1. 传输线可用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。
微波传输线是一种分布参数电路，线上的电压和电流是时间和空间位置的二元函数，它们沿线的变化规律可由传输线方程来描述。
2023年大学_微波技术与天线(王新稳著)课后答案下载
2023年微波技术与天线（王新稳著）课后答案下载2023年微波技术与天线（王新稳著）课后答案下载绪篇电磁场理论概要第1章电磁场与电磁波的基本概念和规律1.1 电磁场的四个基本矢量1.1.1 电场强度E1.1.2 高斯(Gauss)定律1.1.3 电通量密度D1.1.4 电位函数p1.1.5 磁通密度B1.1.6 磁场强度H1.1.7 磁力线及磁通连续性定理1.1.8 矢量磁位A1.2 电磁场的基本方程1.2.1 全电流定律：麦克斯韦第一方程1.2.2 法拉第一楞次(Faraday-Lenz)定律：麦克斯韦第二方程1.2.3 高斯定律：麦克斯韦第三方程1.2.4 磁通连续性原理：麦克斯韦第四方程1.2.5 电磁场基本方程组的微分形式1.2.6 不同时空条件下的麦克斯韦方程组1.3 电磁场的媒质边界条件1.3.1 电场的边界条件1.3.2 磁场的边界条件1.3.3 理想导体与介质界面上电磁场的边界条件1.3.4 镜像法1.4 电磁场的能量1.4.1 电场与磁场存储的能量1.4.2 坡印廷(Poyllfing)定理1.5 依据电磁场理论形成的电路概念1.5.1 电路是特定条件下对电磁场的简化表示1.5.2 由电磁场方程推导出的电路基本定律1.5.3 电路参量1.6 电磁波的产生——时变场源区域麦克斯韦方程的解 1.6.1 达朗贝尔(DAlembert)方程及其解1.6.2 电流元辐射的电磁波1.7 平面电磁波1.7.1 无源区域的时变电磁场方程1.7.2 理想介质中的均匀平面电磁波1.7.3 导电媒质中的均匀平面电磁波1.8 均匀平面电磁波在不同媒质界面的入射反射和折射 1.8.1 电磁波的极化1.8.2 均匀平面电磁波在不同媒质界面上的垂直入射 1.8.3 均匀平面电磁波在不同媒质界面上的斜入射__小结习题上篇微波传输线与微波元件第2章传输线的基本理论2.1 传输线方程及其解2.1.1 传输线的电路分布参量方程2.1.2 正弦时变条件下传输线方程的解2.1.3 对传输线方程解的讨论2.2 无耗均匀传输线的工作状态2.2.1 电压反射系数2.2.2 传输线的工作状态2.2.3 传输线工作状态的测定2.3 阻抗与导纳厕图及其应用2.3.1 传输线的匹配2.3.2 阻抗圆图的构成原理2.3.3 阻抗圆图上的特殊点和线及点的移动2.3.4 导纳圆图2.3.5 圆图的应用举例2.4 有损耗均匀传输线2.4.1 线上电压、电流、输入阻抗及电压反射系数的'分布特性 2.4.2 有损耗均匀传输线的传播常数2.4.3 有损耗均匀传输线的传输功率和效率__小结习题二第3章微波传输线3.1 平行双线与同轴线3.1.1 平行双线传输线3.1.2 同轴线3.2 微带传输线3.2.1 微带线的传输模式3.2.2 微带线的传输特性3.3 矩形截面金属波导3.3.1 矩形截面波导中场方程的求解3.3.2 对解式的讨论3.3.3 矩形截面波导中的TElo模3.3.4 矩形截面波导的使用3.4 圆截面金属波导3.4.1 圆截面波导中场方程的求解3.4.2 基本结论3.4.3 圆截面波导中的三个重要模式TE11、TM01与TE01 3.4.4 同轴线中的高次模3.5 光波导3.5.1 光纤的结构形式及导光机理3.5.2 单模光纤的标量近似分析__小结习题三第4章微波元件及微波网络理论概要4.1 连接元件4.1.1 波导抗流连接4.1.2 同轴线——波导转接器4.1.3 同轴线——微带线转接器4.1.4 波导——微带线转接器4.1.5 矩形截面波导——圆截面波导转接器4.2 波导分支接头……微波技术与天线（王新稳著）：内容简介本书是在作者三十多年教学及科研实践基础上编写而成的，系统讲述电磁场与电磁波、微波技术、天线的基本概念、理论、分析方法和基本技术。
《微波技术与天线》题集
《微波技术与天线》题集一、选择题（每题2分，共20分）1.微波的频率范围是：A. 300 MHz - 300 GHzB. 300 kHz - 300 MHzC. 300 GHz - 300 THzD. 300 Hz - 300 kHz2.微波在自由空间传播时，其衰减的主要原因是：A. 散射B. 反射C. 绕射D. 折射3.下列哪种天线常用于微波通信？A. 偶极子天线B. 螺旋天线C. 抛物面天线D. 环形天线4.微波传输线中，最常用的传输线是：A. 同轴线B. 双绞线C. 平行线D. 光纤5.微波器件中，用于反射微波的器件是：A. 微波晶体管B. 微波二极管C. 微波反射器D. 微波振荡器6.在微波电路中，常用的介质材料是：A. 导体B. 绝缘体C. 半导体D. 超导体7.微波集成电路（MIC）的主要优点是：A. 高集成度B. 低功耗C. 低成本D. 大尺寸8.微波通信中，用于调制微波信号的常用方法是：A. 调幅B. 调频C. 调相D. 脉冲编码调制9.下列哪种效应是微波加热的主要机制？A. 热辐射效应B. 电磁感应效应C. 介电加热效应D. 光电效应10.在雷达系统中，发射天线的主要作用是：A. 接收目标反射的微波信号B. 发射微波信号照射目标C. 处理接收到的微波信号D. 放大微波信号二、填空题（每空2分，共20分）1.微波的波长范围是_____至_____毫米。
2.微波在自由空间传播时，其传播速度接近光速，约为_____米/秒。
3.抛物面天线的主要优点是具有较高的_____和_____。
4.微波传输线中，同轴线的内导体通常采用_____材料制成。
5.微波器件中，用于产生微波振荡的器件是_____。
6.微波加热中，被加热物体必须是_____材料。
7.微波集成电路（MIC）是在_____基片上制作的微波电路。
8.雷达系统中，接收天线的主要作用是_____。
9.微波通信中，为了减小传输损耗，通常采用_____方式进行传输。
《微波技术与天线》傅文斌-习题答案-第3章
第3章 规则波导和空腔谐振器3.1什么是规则波导？它对实际的波导有哪些简化？答 规则波导是对实际波导的简化。
简化条件是：（1）波导壁为理想导体表面（∞=σ）；从而可以利用理想导体边界条件；（2）波导被均匀填充（ε、μ为常量）；从而可利用最简单的波动方程；（3）波导内无自由电荷（0=ρ）和传导电流（0=J ）；从而可利用最简单的齐次波动方程；（4）波导沿纵向无限长，且截面形状不变。
从而可利用纵向场法。
3.2纵向场法的主要步骤是什么？以矩形波导为例说明它对问题的分析过程有哪些简化？答 纵向场法的主要步骤是：（1）写出纵向场方程和边界条件（边值问题），（2）运用分离变量法求纵向场方程的通解，（3）利用边界条件求纵向场方程的特解，（4）导出横向场与纵向场的关系，从而写出波导的一般解，（5）讨论波导中场的特性。
运用纵向场法只需解1个标量波动方程，从而避免了解5个标量波动方程。
3.3什么是波导内的波型（模式）？它们是怎样分类和表示的？各符号代表什么物理意义？ 答 运用纵向场法得到的解称为波导内的波型（模式）。
分为横电模和横磁模两大类，表示为TEmn 模和TMmn 模，其中TE 表示横电模，即0=z E ，TM 表示横磁模，即0=z H 。
m 表示场沿波导截面宽边分布的半波数；n 表示场沿波导截面窄边分布的半波数。
3.4矩形波导存在哪三种状态？其导行条件是什么？答 矩形波导存在三种状态，见表3-1-1。
导行条件是222⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛<b n a m λ3.5从方程H E ωμj -=⨯∇和E H ωεj =⨯∇出发，推导矩形波导中TE 波的横向分量与纵向分量的关系式（3-1-25）。
解 对TE 波，有0=z E 。
由H E ωμj -=⨯∇和E H ωεj =⨯∇、 βj z-=∂∂得 ()x y z E H j yH ωεβj =--∂∂ ⑴ ()y zx E xH H j ωεβj =∂∂-- ⑵ 0=∂∂-∂∂yH x H x y⑶()x y H E j ωμβj -=-- ⑷()y x H E j ωμβj -=-⑸ z x y H yE x E ωμj -=∂∂-∂∂ ⑹ 由式⑴、⑸y H k E zcx ∂∂-=2j ωμ⑺ 由式⑵、⑷xH k E zc y ∂∂=2j ωμ⑻ 由式⑷得xH k H zc x ∂∂-=2j β⑼ 由式⑸得y H k H zc y ∂∂-=2j β⑽ 3.6用尺寸为2mm 04.3414.72⨯的JB-32矩形波导作馈线，问：（1）当cm 6=λ时波导中能传输哪些波型？（2）写出该波导的单模工作条件。
微波技术与天线3.4-3.5
从归一化的入射波和反射波出发，定义一种新的网络矩阵，称为散射矩阵
3.4.1 双端口网络的散射矩阵
端口1归一化入射波和归一 化反射波的关系为
U1 U1 a1 b1 Z 01
I1 I1 Z 01 a1 b1
图3-13 双端口网络的入射波与反射波
1 2
UU21
I1 I2
b 与 a 之间存在线性关系
b1 b2
S11 S 21
S12 S 22
a1 a2
有
b1 S11a1 S12a2
b2 S21a1 S22a2
第3章 微波网络
S11
b1 a1
a2 0
(1 S11 )(1 S22 ) - S12S21
2S21
(1
S11
)(1 S22 2S21
)
S12S21Fra bibliotek 3.4.5 S 参数的测量
第3章 微波网络
图 3-15 S参数的测量
在 T2 参考面上选三种特定负载情况：匹配 、短路及开路，
测得对应参考面 T1 的反射系数分别为 1m 1s 1o
b1 S11
b2 bn
S 21 S n1
S12 S 22
Sn2
S1n a1
S2n a2
S nn
an
a12
1
a21
a22
a11
a12
《微波技术与天线》课件第5章
(2)相移元件
相移元件是用来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
3)转换接头
(1)形状转换器
形状转换器既要保证形状转换时阻抗的匹配以使信号有
效传送,又要保证工作模式的 转换。
(2)线圆极化转换器
常用的线圆极化转换器有两种:多螺钉极化转换器和介
质极化转换器,如图5-6所 示。这两种结构都是慢波结构,其
其结构及等效电路分别如图5-18(a)、(b)所示。
(2)工作原理 当微波信号从端口③输入时,平均地分给端
口①和②,这两个端口得到的是等幅同相 的 TE10波;当在端
口①和②同相激励时,则在端口③合成输出最大,而当反相激
励时端口 ③将无输出。
图 5-18 H T分支结构及等效电路
3)匹配双T
(1)匹配双 T 的定义
λg/4,另一路经A→B→C→D 到达,波行程为3λg/4,故两条路径
到 达的波行程差为λg/2,相应的相位差为π,即相位相反,因此
若选择合适的特性阻抗,使到 达的两路信号的振幅相等,则端
口④处的两路信号相互抵消,从而实现隔离。
5)平行耦合微带定向耦合器
(1)结构
平行耦合微带定向耦合器是一种反向定向耦合器,其耦
数,变换器的总长度也要增 加,尺寸会过大,因此用渐变线代替
多阶梯,这就是渐变型阻抗变换器,如图5-10所示。
图 5-10 渐变型阻抗变换器
1.定向耦合器
1)定义
定向耦合器是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构
成的具有定向传输特性的四端口元件,如图5-11所示。常用
的有波导双孔定 向耦合器、双分支定向耦合器和平行耦合
③ 非线性元件能引起频率的改变,从而实现调制、变频
微波技术与天线微波元课件
串联电容的实现 实现方法
微带间隙。 微带间隙可等效成一Π型电容网络。
微带间隙越小，串联电容C12就越大，并联电容C1就 越小。 导体带条的宽带不可能太大。为了获得大的串联电容， 可将导体带条切断处做成对插形。
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微波电抗性元件
微带元件的实现方法
并联电容的实现（方法I ） 图（a）中，带条宽度为W’较宽微带线段是特性阻
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微波电抗性元件
微带元件的实现方法
预备知识 为加大电感值，将高阻抗线弯曲、螺旋，增加匝数。
串联在传输线上的谐振回路
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微波电抗性元件
微带元件的实现方法
预备知识 用低阻抗线实现并联电容。
用并联的终端电路支节实现并联电容或并联电感。
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微波电抗性元件
引言
微波元件按变换性质分类
线性互易元件
只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性，并满足互 易定理。
包括微波连接匹配元件、功率分配元件、微波滤波元件、 微波谐振器。
线性非互易元件
元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质。
铁氧体元件：它的散射矩阵不对称，但仍工作在线性区域。
包括隔离器、环形器。
非线性元器件
元件中含有非线性物质，能对微波信号进行非线性变换， 从而引起频率的改变，实现放大、调制、变频等。
当l<<λ时，输入电纳表达式可近似为：
Π型电路等效关系：Y 1Y 2jY 0ta 2 n l)Y (,3jY 0si1 n l)(
结论：当l<λ/4时，无论是T型电路还是Π型电路，其
串联元件均为电感，并联元件均为电容。
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• 将销钉看作是具有一定宽度和厚度的窄条电感膜片。
• 电感棒越粗，相对电纳越大。同样直径的电感棒，根数越多， 相对电纳越大。
• 销钉根数越多，几何尺寸越大，引起的高次模就越多，高次模 所储存的磁场就越大，其等效感性电纳也就越大。
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螺钉调配器（bolt tuner）
b
第三章 微波元器件
h C
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电容膜片
在矩形波导的横向放置一块 金属膜片，在其上对称或不 对称之处开一个与波导宽壁 尺寸相同的窄长窗口。
第三章 微波元器件
db
a
集中电场
Y0
jB Y0
储存电能
•
电纳的近似计算公式为：
B
4b
p
Y0
ln
cscd
2b
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电感膜片
通过在波导窄壁上放置金属 膜片使波导宽壁上的电流产 生分流，从而在膜片的附近 产生磁场，并存储磁能。
第三章 微波元器件
b
d
a
Y0
jX Y0
集中磁场 储存磁能
•
电纳近似计算公式： B p
a
Y0
ctg
2
d
2a
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谐振窗 a
第三章 微波元器件
b
a’ b’
谐振波长： 2a
r
ab ab
2
1 b b2
• 谐振时，并联回路的电抗为无穷大，无反射；
第三章 微波元器件
第3章 微波元器件
3.1
阻抗匹配与变换元件
3.2
定向耦合元件
3.3
微波谐振器
3.4 微波滤波器与微波铁氧体元件
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第三章 微波元器件
微波雷达系统 Radar System
1 - 发射机；
10
2 - 隔离器；
3 - 天线转换开关；
4 - 馈线波导；
9
5 - 旋转关节；
6 - 辐射器；
11
8
7 - 天线反射器；
8 - 混频器；
9 - 可变衰减器；
1
2
3
10-本地振荡器；
11-前中放大器。
7
6 5 4
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第三章 微波元器件
微波通信系统 Communication System
中频 信号
中频 信号
混频器 本振 混频器
滤波器 低噪放
功放
双 工 器
滤波器
天线
本振
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第三章 微波元器件
jB1
ZL
B B’ A’ A
死区 d2＝ λ/8 和3λ/8时
死区
d2＝λ/4时
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三支节调配器
距负载三个固定的位置处，各并联
第三章 微波元器件
d3
d2 d1
一个短路线（或开路线）支节
jB3 jB2
jB1
ZL
• 通常取d3＝d2＝λ/4 （或λ/8）
C C’ B B’ A’ A
• 调节l 1，l2 ，l3
§3-1 阻抗匹配与变换元件
波导中的电抗元件
电抗性微波元件在微波系统中起着类似于低频电路中 L、C及其组合元件的作用。
利用在传输线中插入某种元件，由于不连续性而激起的高次模 所呈现的不同特性来构成一个相当于集总参数的电感或电容。
电抗性微波元件
电感器是指能够集中磁场和存储磁能的元件； 电容器是指能够集中电场和存储电能的元件。
• 失谐时，并联回路的电抗为容性或感性，反射较大；
• 作用：一个谐振窗相当于带通滤波器，谐振的频率就是 可通过的频率。
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销钉
第三章 微波元器件
Y0
jX Y0
b a
三销钉的相对电纳：
bL
BL Y0
4 g
aln
a 24.66r
40.4a2 1 0002
• 线性非互易元件：元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质， 具有非互易特性，其散射矩阵是不对称的。但仍工作于线 性区域，属于线性元件范围。
• 非线性元件：元件中含有非线性物质，能对微波信号进行 非线性变换，从而引起频率的改变，并能通过电磁控制以 改变元件的特性参量。
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第三章 微波元器件
第三章 微波元器件
微波铁氧体移相器
功分器
微带滤波器
数字移相器
微波环行器
微波衰减器
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微波元件的分类:
第三章 微波元器件
按传输线型分：波导型、同轴型和微带型等。
按功能分：连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、
相移元件、分路元件、波型变换元件、滤波元件等。
按变换性质分：
• 线性互易元件：元件中不含有非线性和非互易性的物质。
若A点在死区内，
• 调节支节1，使其输入端为开路状态A’ 与A点相同
• 若d2= λ/4，则B’点总能跳出死区 • 再使用支节2和支节3调配
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阻抗变换器
第三章 微波元器件
λ/4阻抗变换器
主传输线特性阻抗为Z0，终端接 纯电阻性负载ZL，若ZL Z0 ，则 可以在传输线与负载之间接一段
第三章 微波元器件
d2 d1
ZL
l2
l1
d2 d1
jB2
jB1
ZL
B B’ A’ A
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工已匹配，Yb＝1 Yb’＝1＋jB，b’必在G＝1的电导圆上。
从 b’ 到 a’，对应等反射系数圆上逆时针旋转 ＝2d2＝4d2/ a’ 应在由 G＝1 的电导圆沿逆时针旋转 所得的辅助圆上。
特性阻抗为Z1 、长度 l=p0/4 的
传输线段来实现匹配。
设此时 T0 面上的反射系数
ZL Z0
ZL Z0 2 j Z0ZL tg l
在中心频率附近，
a 点的导纳不一定在辅助圆上，调节
电纳支路 2 ，使 a’ 落在辅助圆上。
d2 d1
jB2
jB1
ZL
b b’ a’ a
d2
b’ a’ b
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缺点：存在死区，某些情况得不到匹配
死区：与辅助圆相切的等G圆 只适用于匹配由负载产生的驻波 比较小的传输线系统。
第三章 微波元器件
d2 d1
jB2
微波测试系统 Test System
1 - 小功率振荡器；
2 - 固定衰减器；
3 - 定向耦合器；
4
4 - 波长计；
5 - 可变衰减器； 1 2
3
5
6
8
9
6 - 定向耦合器；
7 - 功率指示器； 7
8 - 测量线；
9 - 被测元件。
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微波电路系统
第三章 微波元器件
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微波元器件
h
b
螺钉插入波导的深度可以
调节，电纳的性质和大小
也随之改变，使用方便，
b
h
是小功率微波设备中常采
用的调谐和匹配元件。
C L
L
上页 下页
螺钉调配器的应用
第三章 微波元器件
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等效成双支节调配器
距负载两个固定的位置处各并联 一个短路线（或开路线）支节 固定d1和d2，
d2一般取λ/8,λ/4或3λ/8 但不能选λ/2 调节l 1，l2