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~0.1mm

●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／2)

2、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：Γ（z）=|Γ1|e j(Φ1-2βz)= |Γ1|e jΦ

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

Lr(z)=10lg(P in／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| 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。（P19）

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

●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。