微波技术与天线复习知识要点说课讲解.doc

《微波技术与天线》复习知识要点
绪论
l 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。 
l 微波的频率范围：300MHz~3000GHz ,其对应波长范围是1m~0.1mm
l 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
l 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Zin(z)= Zin(z+λ／2)
           2、λ／4变换性: Zin(z)- Zin(z+λ／4)=Z02
   证明题：(作业题)

l 均匀无耗传输线的三种传输状态（ 要会判断 ） 
参数
行波
驻波
行驻波
|Γ|
0
1
0＜|Γ|＜1
ρ
1
∞
1＜ρ＜∞
Z1
匹配
短路、开路、纯电抗
任意负载
能量
电磁能量全部被负载吸收
电磁能量在原地震荡

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
l 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。
l 传输线的阻抗匹配（λ／4阻抗变换）(P15和P17)
l 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|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）：
Ø 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。
Ø 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。
Ø |Γ|=1的圆图上的点代表纯电抗点。
Ø 实轴左端点为短路点，右端点为开路点，中心点处是匹配点。
Ø 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：
Ø 特征参数归一（阻抗归一和电长度归一）；
Ø 以系统不变量|Γ|作为史密斯圆图的基底；
Ø 把阻抗（或导纳）、驻波比关系套覆在|Γ|圆上。
l 回波损耗、功率分配等问题的分析
ü 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。
P21:有关回波损耗的例题（例1-4）
ü 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
l 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）
Ø 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
Ø TM波（E波）：只有纵向电场，又称磁场纯横向波。Ez≠0而Hz=0
Ø TE波（H波）：只有纵向磁场，又称电场纯横向波。Ez=0而Hz≠0
l 导行条件：
kc＜k时，f＞fc 为导行波。
l 矩形波导、圆波导主要模式的特点及应用
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。
Ø TE波的截止波数kc,
Ø 矩形波导中可以存在无穷多种TE导模，用TEmn表示。
Ø 最低次波形为TE10，截止频率最低。
3) TM波
Ø 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
Ø 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
Ø 特点：场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等。
² 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。
Ø 应用：远距离通信、双极化馈线以及微波圆形谐振器等。
Ø 圆形波导也只能传输TE和TM波形。
Ø 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。
Ø 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。
Ø 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。
l 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，TEmn和TMmn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：
Ø E-H简并：TE0n模和TM1n模的简并
Ø 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。
l 熟悉矩形波导壁电流分布及应用
l 波导激励的几种类型
1. 电激励
2. 磁激励
3. 电流激励
l 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
l 带状线、微带线的结构及特点
1. 带状线：
Ø 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。
Ø 主要传输的是TEM波。可存在高次模。
Ø 用途：替代同轴线制作高性能的无源元件。
Ø 特点：宽频带、高Q值、高隔离度
Ø 缺点：不宜做有源微波电路。
2. 微带线：
Ø 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。
Ø 工作模式：准TEM波
l 带状线、微带线特征参数的计算（会查图）
Ø 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
l 介质波导主模及其特点
Ø 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
l 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)
Ø 阻抗矩阵【Z】
Ø 导纳矩阵【Y】
Ø 转移矩阵【A】
Ø 散射矩阵【S】
Ø 传输矩阵【T】
l 掌握微波网络思想在微波测量中的应用（三点法的条件）
Ø 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
l 匹配负载（螺钉调配器原理）、失配负载；衰减器、移相器（作用）
Ø 匹配负载作用：消除反射，提高传输效率，改善系统稳定性；
Ø 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/4（b为波导窄边尺寸）。
Ø 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。
Ø 衰减器，移相器（作用）：改变导行系统中电磁波的幅度和相位；
l 了解定向耦合器的工作原理（P106）
Ø 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。
Ø 利用波程差。
l 熟练掌握线圆极化转换器的工作原理及作用
l 了解场移式隔离器的作用（P122）
Ø 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。
l 了解铁氧体环行器的分析及作用(P123)
Ø 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
l 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
l 天线的作用
l 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。