1微波天线节课总结.docx

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1微波天线节课总结

一、均匀传输线理论……………………………2

二、规则金属波导………………………………5

三、微波集成传输线……………………………8

四、微波网络基础………………………………10

五、微波元器件…………………………………12

六、天线辐射与接收的基本理论………………15

七、电波传播概论………………………………18

八、线天线………………………………………20

九、面天线………………………………………25

十、心得体会……………………………………27

第1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。

各种微波传输线

本章从“化场为路”的观点出发,首先建立传输线方程,导出传输线方程的解,引入传输线的重要参量——阻抗、反射系数及驻波比。

然后分析无耗传输线的特性,给出传输线的匹配、效率及功率容量的概念。

最后介绍最常用的TEM传输线——同轴线。

1.1均匀传输线方程及其解

1.均匀传输线方程

由均匀传输线组成的导波系统都可等效为均匀平行双导线系统。

其中传输线的始端接微波信号源<简称信源）,终端接负载,选取传输线的纵向坐标为z,坐标原点选在终端处,波沿负z方向传播。

均匀传输线方程，也称电报方程。

u（z,t>z=Ri（z,t>+Li（z,t>t

i（z,t>z=Gu（z,t>+Cu（z,t>t

2.均匀传输线方程的解

电压的通解U（z>=U+（z>+U-（z>=A1e+γz+A2e-γz

电流的通解为I（z>=I+（z>+I-（z>=A1e+γz-A2e-γz

式中,Z。

=

3.传输线的工作特性参数

1>特性阻抗Z。

2>传播常数γ3>相速vp与波长λ

1.2传输线阻抗与状态参量

传输线上任意一点电压与电流之比称为传输线在该点的阻抗，它与导波系统的状态特性有关。

因为微波阻抗是不能直接测量的，只能借助于状态参量如反射系数或驻波比的测量而获得，为此，引入物理量：

输入阻抗、反射系数和驻波比。

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Ul、终端电流Il的关系如下：

定义传输线上任意一点z处的输入电压和输入电流之比为该点的输入阻抗,记作

Zin（z>=

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：

通常将电压反射系数简称为反射系数,并记作Γ（z>。

3.输入阻抗与反射系数的关系

U（z>=U+（z>+U-（z>=A1ejβz［1+Γ（z>］I（z>=I+（z>+I-（z>=ejβz［1-Γ（z>］

Z。

为传输线特性阻抗。

4.驻波比

定义传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比为电压驻波比,用ρ表示：

ρ=

电压驻波比有时也称为电压驻波系数,简称驻波系数,其倒数称为行波系数,用K表示。

1.3无耗传输线的状态分析

对于无耗传输线,负载阻抗不同则波的反射也不同。

反射波不同则合成波不同。

合成波的不同意味着传输线有不同的工作状态。

归纳起来,无耗传输线有三种不同的工作状态:

①行波状态。

②纯驻波状态。

③行驻波状态。

下面分别讨论之。

1.行波状态

行波状态就是无反射的传输状态,此时反射系数Γl=0,而负载阻抗等于传输线的特性阻抗,即Zl=Z0,也可称此时的负载为匹配负载。

行波状态下传输线上的电压和电流：

2.纯驻波状态

纯驻波状态就是全反射状态,也即终端反射系数|Γl|=1。

在此状态下,负载阻抗必须满足：

3.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。

传输线上各点电压、电流的时谐表达式为

U（z>=A1ejβz[1+Γle-j2βz]

I（z>=ejβz[1-Γle-j2βz]

1.4传输线的传输功率、效率和损耗

1.传输功率与效率

其中,P+（z>为入射波功率,P-（z>为反射波功率。

2.损耗

传输线的损耗可分为回波损耗和反射损耗

1.5阻抗匹配

1.传输线的三种匹配状态

阻抗匹配具有三种不同的含义,分别是负载阻抗匹配、源阻抗匹配和共轭阻抗匹配,它们反映了传输线上三种不同的状态。

2.阻抗匹配的方法

阻抗匹配方法从频率上划分有窄带匹配和宽带匹配，从实现手段上划分有串联λ/4阻抗变换器法、支节调配器法。

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：

1.7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。

同轴线外半径b不变时,改变内半径a,会出现耐压最高、传输功率最大及衰减最小三种状态,它们分别对应的不同阻抗特性。

第2章规则金属波导

本章首先对规则波导传输系统中的电磁场问题进行分析，研究规则波导的一般特性，然后着重讨论矩形金属波导和圆形金属波导的传输特性和场结构。

最后介绍波导的耦合和激励方法。

2.1导波原理

1.规则金属管内电磁波

①在规则波导中场的纵向分量满足标量齐次波动方程,结合相应边界条件即可求得纵向分量Ez和Hz,而场的横向分量即可由纵向分量求得。

②既满足上述方程又满足边界条件的解有许多,每一个解对应一个波型也称之为模式,不同的模式具有不同的传输特性。

③kc是微分方程

在特定边界条件下的特征值,它是一个与导波系统横截面形状、尺寸及传输模式有关的参量。

因为当相移常数β=0时,意味着波导系统不再传播,亦称为截止,此时kc=k,故将kc称为截止波数。

2.传输特性

描述波导传输特性的主要参数有：

相移常数、截止波数、相速、波导波长、群速、波阻抗及传输功率。

1>相移常数和截止波数：

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：

导行波的波长称为波导波长,用λg表示,它与波数的关系式为

3>波阻抗。

定义即：

。

4>传输功率:

3.导行波的分类

用以约束或导引电磁波能量沿一定方向传输的结构称为导波结构，在其中传输的波称为导行波。

导行波的结构不同，所传输的电磁波的特性就不同，因此，根据截止波数kc的不同可将导行波分为三种情况：

1>=0即kc=02>＞03>＜0

2.2矩形波导

通常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,它是微波技术中最常用的传输系统之一。

1.矩形波导中的场

矩形金属波导中只能存在TE波和TM波

2.矩形波导的传输特性

1）截止波数与截止波长

2>主模TE10的场分布及其工作特性

3.矩形波导尺寸选择原则

1>波导带宽问题2>波导功率容量问题3>波导的衰减问题

2.3圆形波导

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,简称圆波导。

圆波导具有加工方便、双极化、低损耗等优点广泛应用于远距离通信、双极化馈线以及微波圆形谐振器等,是一种较为常用的规则金属波导。

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。

1>TE波：

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。

圆波导中同样存在着无穷多种TE模,不同的m和n代表不同的模式,记作TEmn,式中,m表示场沿圆周分布的整波数,n表示场沿半径分布的最大值个数。

2>TM：

圆波导中存在着无穷多种TM模,波型指数m和n的意义与TE模相同.

2.圆波导的传输特性

与矩形波导不同,圆波导的TE波和TM波的传输特性各不相同。

1>截止波长

在所有的模式中,TE11模截止波长最长,其次为TM01模。

圆波导中各模式截止波长的分布图

2>简并模

在圆波导中有两种简并模,它们是EH简并和极化简并模。

3>传输功率

3.几种常用模式

1>主模TE11模TE11模的截止波长最长,是圆波导中的最低次模,也是主模。

但因为圆波导中极化简并模的存在,所以很难实现单模传输,因此圆波导不太适合于远距离传输场合。

2>圆对称TM01模TM01模是圆波导的第一个高次模,其场分布如图2.10所示。

因为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,

3>低损耗的TE01模TE01模是圆波导的高次模式,比它低的模式有TE11、TM01、TE21模,它与TM11模是简并模。

它也是圆对称模，故无极化简并。

2.4波导的激励与耦合

波导的激励与耦合就本质而言是电磁波的辐射和接收,是微波源向波导内有限空间的辐射或在波导的有限空间内接收微波信息。

因为辐射和接收是互易的,因此激励与耦合具有相同的场结构，所以我们只介绍波导的激励。

激励波导的方法通常有三种:

电激励、磁激励和电流激励,分述如下。

第3章微波集成传输线

对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具有平面型结构,这样可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性,从而实现微波电路的集成化。

①准TEM波传输线。

②非TEM波传输线。

③开放式介质波导传输线。

④半开放式介质波导。

本章首先讨论带状线、微带线及耦合微带线的传输特性,然后介绍介质波导的工作原理,并对几种常用介质波导传输线进行介绍,最后对介质波导的特例——光纤波导进行分析。

3.1微带传输线

微带传输线的基本结构有两种形式:

带状线和微带线。

1.带状线

带状线是由同轴线演化而来的,仍可理解为与同轴线一样的对称双导体传输线,主要传输的是TEM波。

带状线的传输特性参量主要有:

特性阻抗Z。

、衰减常数α、相速vp和波导波长λg。

2.微带线

微带线是由沉积在介质基片上的金属导体带和接地板构成的一个特殊传输系统,它可以看成由双导体传输线演化而来。

1>特性阻抗Z。

与相速2>波导波长λg3>微带线的衰减常数α4>微带线的色散特性5>高次模与微带尺寸的选择

3.耦合微带线

4.奇偶模分析方法2>奇偶模有效介电常数与耦合系数

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，另一类是半开放介质波导，本节着重讨论圆形介质波导的传输特性,同时对介质镜像线和H形波导加以简单介绍。

1.圆形介质波导

圆形介质波导由半径为a、相对介电常数为εr（μr=1>的介质圆柱组成,分析表明,圆形介质波导不存在纯TEmn和TMmn模,但存在TE0n和TM0n模,一般情况下为混合HEmn模和EHmn模。

2.介质镜像线

对主模HE11来说,因为圆形介质波导的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而不致影响其电磁场分布,从而可以构成介质镜像线,圆形介质镜像线是由一根半圆形介质杆和一块接地的金属片组成的，它比金属波导远为优越。

3.H形波导

H形波导由两块平行的金属板中间插入一块介质条带组成,传输模式通常是混合模式,可分为LSM和LSE两类,并且又分为奇模和偶模。

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。

3.3光纤

光纤又名光导纤维,它是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统。

按组成材料可分为石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层玻璃芯光纤和全塑料光纤。

本节主要介绍单模光纤和多模光纤的特点、光纤的基本参数和基本传输特性。

1.单模光纤和多模光纤

只传输一种模式的光纤称为单模光纤。

因为是单模传输,避免了模式分散,因而传输频带很宽,容量很大。

单模光纤所传输的模式实际上就是圆形介质波导内的主模HE11,它没有截止频率。

2.光纤的基本参数

描述光纤的基本参数除了光纤的直径D外,还有光波波长λg、光纤芯与包层的相对折射率差Δ、折射率分布因子g以及数值孔径NA

3.光纤的传输特性

描述光纤传输特性的参数主要有光纤的损耗和色散。

常用光纤的损耗与用途

第4章微波网络基础

本章着重介绍微波网络分析的基础知识，首先从波导传输系统的等效电压、等效电流出发引入等效传输线，进而导出线性网络的各种矩阵参量，然后对二端口网络的工作特性参量进行分析，最后介绍多口网络的散射矩阵特性，为进一步分析微波系统打下基础。

4.1等效传输线

引入等效电压和电流的概念,从而将均匀传输线理论应用于任意导波系统,这就是等效传输线理论。

1.等效电压和等效电流

为定义任意传输系统某一参考面上的电压和电流,作以下规定:

①电压U（z>和电流I（z>分别与Et和Ht成正比。

②电压U（z>和电流I（z>共轭乘积的实部应等于平均传输功率。

③电压和电流之比应等于对应的等效特性阻抗值。

2.模式等效传输线

建立在等效电压、等效电流和等效特性阻抗基础上的传输线称为等效传输线,而将传输系统中不均匀性引起的传输特性的变化归结为等效微波网络,这样均匀传输线中的许多分析方法均可用于等效传输线的分析。

4.2单口网络

端接微波元件的传输线及其等效网络

1.单口网络的传输特性

令参考面T处的电压反射系数为Γl,由均匀传输线理论可知,等效传输线上任意点的反射系数为Γ（z>=|Γl|ej（φl-2βz>

任意点的传输功率为

2.归一化电压和电流

因为微波网络比较复杂,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。

于是,单口网络可用传输线理论来分析。

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。

双端口网络

第3章阻抗矩阵与导纳矩阵

第4章

转移矩阵

4.4散射矩阵与传输矩阵

而散射矩阵和传输矩阵就是建立在入射波、反射波的关系基础上的网络参数矩阵。

1.散射矩阵

［S］矩阵的各参数是建立在端口接匹配负载基础上的反射系数或传输系数。

2.传输矩阵

当网络级联时,总的［T］矩阵等于各级联网络［T］矩阵的乘积,这个结论可以推广到n个网络的级联,即［T］总=［T1］［T2］…［Tn］

第5章散射参量与其它参量之间的相互转换

散射参量用以描述网络端口之间的输入输出关系,因此对同一双端口网络一定存在着相互转换的关系。

第6章［S］参数测量

对于互易双端口网络,S12=S21,故只要测量求得S11、S22及S12三个量就可以了。

4.5多端口网络的散射矩阵

多端口网络［S］矩阵具有以下性质:

（1>互易性质（2>无耗性质（3>对称性质

第5章微波元器件

微波元器件按其变换性质可分为线性互易元器件、线性非互易元器件以及非线性元器件三大类。

微波元器件品种繁多,而且随着技术的进步不断出现新的元器件,因此不能一一列举,本章从工程应用的角度出发,重点介绍具有代表性的几组微波无源元器件,主要有：

连接匹配元件、功率分配元器件、微波谐振元件和微波铁氧体器件。

5.1连接匹配元件

微波连接匹配元件包括终端负载元件、微波连接元件以及阻抗匹配元器件三大类。

2.终端负载元件

终端负载元件是典型的一端口互易元件,主要包括短路负载、匹配负载和失配负载。

3.微波连接元件

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。

4.阻抗匹配元件

阻抗匹配元件种类很多,它们的作用是消除反射,提高传输效率,改善系统稳定性。

这里主要介绍螺钉调配器、阶梯阻抗变换器和渐变型阻抗变换器三种。

5.2功率分配元器件

在微波系统中,往往需将一路微波功率按比例分成几路,这就是功率分配问题。

实现这一功能的元件称为功率分配元器件,主要包括:

定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。

这些元器件一般都是线性多端口互易网络,因此可用微波网络理论进行分析。

4.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,

4.定向耦合器的性能指标

定向耦合器是四端口网络,端口“①”为输入端,端口“②”为直通输出端,端口“③”为耦合输出端,端口“④”为隔离端,并设其散射矩阵为［S］。

描述定向耦合器的性能指标有:

耦合度、隔离度、定向度、输入驻波比和工作带宽。

2>波导双孔定向耦合器

波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器,主、副波导通过其公共窄壁上两个相距d=（2n+1>λg0/4的小孔实现耦合。

其中，λg0是中心频率所对应的波导波长,n为正整数,一般取n=0。

耦合孔一般是圆形,也可以是其它形状。

3>双分支定向耦合器

双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线组成,其中分支线的长度

和间距均为中心波长的1/4。

双分支定向耦合器

2.平行耦合微带定向耦合器

平行耦合微带定向耦合器是一种反向定向耦合器,其耦合输出端与主输入端在同一侧面。

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。

按输出功率比例不同,可分为等功率分配器和不等功率分配器。

在结构上,大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带线。

下面介绍两路微带功率分配器以及微带环形电桥的工作原理。

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。

5.3微波谐振器件

在低频电路中,谐振回路是一种基本元件,它是由电感和电容串联或并联而成,微波谐振器一般有传输线型谐振器和非传输线谐振器两大类,传输线型谐振器是一段由两端短路或开路的微波导行系统构成的,如金属空腔谐振器、同轴线谐振器和微带谐振器等,在实际应用中大部分采用此类谐振器。

因此本节只介绍这类谐振器。

2.微波谐振器件的演化过程及其基本参量

所以通常将谐振器频率f。

、品质因数Q。

和等效电导G。

作为微波谐振器的三个基本参量。

、

3.矩形空腔谐振器

矩形空腔谐振器是由一段长为l、两端短路的矩形波导组成，与矩形波导类似,它也存在两类振荡模式，即TE和TM模式。

4.微带谐振器

微带电路型谐振器的结构形式很多,主要有传输线型谐振器（如微带线节谐振器>和非传输线型谐振器（如圆形、环行、椭圆形谐振器>。

5.谐振器的耦合和激励

前面介绍的都是孤立谐振器的特性,实际的微波谐振器总是通过一个或几个端口和外电路连接,我们把谐振器和外电路相连的部分称作激励装置或耦合装置。

对波导型谐振器的激励方法与第2章中波导的激励和耦合相似,有电激励、磁激励和电流激励三种,而微带线谐振器通常用平行耦合微带线来实现激励和耦合。

5.4微波铁氧体器件

在许多情况下,我们需要具有非互易性的器件：

单向器、隔离器或环行器。

在非互易器件中,应用很广泛的非互易材料是铁氧体。

铁氧体是一种黑褐色的陶瓷,最初因为其中含有铁的氧化物而得名。

实际上随着材料研究的进步,后来发展的某些铁氧体并不一定含有铁元素。

3.隔离器

隔离器也叫反向器,电磁波正向通过它时几乎无衰减,反向通过时衰减很大。

常用的隔离器有谐振式和场移式两种。

2.铁氧体环行器

环行器是一种具有非互易特性的分支传输系统,常用的铁氧体环行器是Y形结环行器,是由三个互成120°的角对称分布的分支线构成。

一个理想的环行器必须具备以下的条件:

①输入端口完全匹配,无反射。

②输入端口到输出端口全通,无损耗。

③输入端口与隔离器间无传输。

第6章天线辐射与接收的基本理论

6.1概论

通信的目的是传递信息,根据传递信息的途径不同,可将通信系统大致分为两大类:

一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息,即所谓的有线通信,如电话、计算机局域网等有线通信系统。

另一类是依靠电磁辐射通过无

线电波来传递信息,即所谓的无线通信,如电视、广播、雷达、导航、卫星等无线通信系统。

在无线通信系统中,需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波,或者将无线电波转换为导波能量,用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。

综上所述,天线应有以下功能:

①天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。

这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统,其次要求天线与发射机或接收机匹配。

②天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上,或对确定方向的来波最大限度的接受,即天线具有方向性。

③天线应能发射或接收规定极化的电磁波,即天线有适当的极化。

④天线应有足够的工作频带。

把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。

6.2基本振子的辐射

1.电基本振子

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

迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是,如果引入这种假想的磁荷和磁流的概念,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”,可以大大简化计算工作。

6.3天线的电参数

1.天线方向图及其有关参数

所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处,辐射场的相对场强<归一化模值）随方向变化的曲线图,通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。

1>在地面上架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向图

2>超高频天线,通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示

3>天线的方向图参数

为了方便对各种天线的方向图特性进行比较,就需要规定一些特性参数。

这些参数有:

主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及方向系数等。

4.天线效率

天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比,记为ηA，即

式中,Pi为输入功率；Pl为欧姆损耗。

5.增益系数

增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数,它是方向系数与天线效率的乘积,记为G,即G=D·ηA

由上式可见:

天线方向系数和效率愈高,则增益系数愈高。

4.极化特性

极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。

按天线所辐射的电场的极化形式,可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。

5.频带宽度

当工作频率变化时,天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度,简称为天线的带宽。

6.输入阻抗

要使天线效率高,就必须使天线与馈线良好匹配,也就是要使天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,这样才能使天线获得最大功率。

7.有效长度

天线的有效长度定义如下:

在保持实际天线最大辐射方向