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1、微波技术基础课程复习知识要点(2007版)第一章 “微波技术基础引论”知识要点廖承恩主编的微波技术与基础是国内较为经典的优秀教材之一，引论部分较为详细的介绍了微波的工作波段、特点及其应用，大部分应用背景取材于微波通讯占主导地位的上世纪80s / 90s年代。在科技迅猛发展的今天，建议同学们关注本网站相关联接给出的最新发展动态，真正做到学以致用，拓展自己的知识面，特别是看看微波在现代无线和移动通信、射频电路设计（含RFID）、卫星定位、宇航技术、探测技术等方面的应用，不要局限于本书的描述。(Microwaves have widespread use in classical communica
2、tion technologies, from long-distance broadcasts to short-distance signals within a computer chip. Like all forms of light, microwaves, even those guided by the wires of an integrated circuit, consist of discrete photons . NATURE| Vol 449|20 September 2007)1 本章的理论核心是在对导行波的分类的基础上推导了导行系统传播满足的微波的波段分类、特
3、点与应用（TE、TM、TEM）和基本求解方法，给出了导行系统、导行波、导波场满足的方程；（Halmholtz Eq、横纵关系）、本征值-纵向场法、非本征值-标量位函数法（TEM）。重点了解概念、回答实际问题，比如考虑一下如按如下的份类，RFID涉及那些应用？全球定位系统GPS呢？提高微波工作频率的好处及实现方法？ 1 微波的定义 把波长从1米到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: 3108Hz31011Hz。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
4、毫米波三个波段。2 微波具有如下四个主要特点：1) 似光性、2) 频率高、3) 能穿透电离层、4) 量子特性。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 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
5、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。需要重点记忆的公式：表1-2（要求会用）； 理解纵横关系、导行系统及分类（图1.4-1）第二章 “传输线理论”学习知识要点本章主要研究了均匀传输线的一般理论传输线的计算方法等问题。传输线理论本质上属于以为分布参数电路理论。 传输线即可以作为传输媒介，也可以用来制作各种类型的器件，如谐振电路、滤波器、阻抗匹配电路、脉冲形成网络等等，现代天线也与传输线密切相关，相关内容将在后续课程中介绍。原则上讲求解本章问题可以采用前半部分的理论推导方式，这也是相关现代软件编程设计的基础，也可采用本章后半部分介绍的圆图方法，
6、简便的得出问题的答案。传输线基本方程、传输下分布参数阻抗、无耗工作状态（特例）、有耗工作状态、史密斯圆图（工具）、阻抗匹配问题；理解圆图的构成方法，会用它求解基本题（传输线的特性参数求解）及单枝节匹配、双枝节匹配问题。 深刻领会“你站在哪里？想往哪里走？准备走多远？”的意义。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（结构图如何？要会由结构图推导他们满足的方程），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。传输线方程是传输线理论中的基本方程。2. 均匀无耗传输线方程为其解为其参量为 ，3. 终端接的不同性质的负载
7、，均匀无耗传输线有三种工作状态：（掌握推导方法） (1) 当时，传输线工作于行波状态。线上只有入射波存在，电压电流振幅不变，相位沿传播方向滞后；沿线的阻抗均等于特性阻抗；电磁能量全部被负载吸收。 (2) 当ZL=0、和jX时，传输线工作于驻波状态。线上入射波和反射波的振幅相等，驻波的波腹为入射波的两倍，波节为零；电压波腹点的阻抗为无限大，电压波节点的阻抗为零，沿线其余各点的阻抗均为纯电抗；没有电磁能量的传输，只有电磁能量的交换。 (3) 当时，传输线工作于行驻波状态。行驻波的波腹小于两倍入射波，波节不为零；电压波腹点的阻抗为最大的纯电阻，电压波节点的阻抗为最小的纯电阻；电磁能量一部分被负载吸收
8、，另一部分被负载反射回去。4. 表征传输线上反射波的大小的参量有反射系数，驻波比和行波系数K。它们之间的关系为 其数值大小和工作状态的关系如下表所示。工作状态行 波驻 波行驻波011K105. 传输线阻抗匹配方法常用阻抗变换器和分支匹配器(单分支、双分支和三分支，重点掌握辅助园的画法，为什么要在那个位置)。6. 阻抗圆图和导纳圆图是传输线进行阻抗计算和阻抗匹配的重要工具。这部分主要是搞清楚圆图的组成原理，通过练习加深理解。（习题2-32、2-33都要练习一下）第三章 “规则金属波导”知识要点规则金属箔到基本理论在上世纪中叶传播模式及激励测量方法论著发表后一直得到广泛应用，发展日趋完善。上世纪9
9、0年代前为主流的通信系统，在光通信的崛起的今天，基于金属波导的微波通信仍然一起大功率、结构简单、易于制造等优点，广泛应用于3G到300G的通信、雷达、遥感、电子对抗和测量系统中。 本章以矩形金属波导的求解为引线，探讨了场解的基本规律，介绍了相关的公式及概念。随后给出了圆形波导、同轴线等结构，进行了类比讨论，最后探讨了波导中激励模式的产生及分析基础。Key Link矩形波导、圆形波导、同轴线、波导正规模、波导的激励1. 微波传输线是引导电磁波沿一定方向传输的系统，故又称作导波系统。被传输的电磁波又称作导行波。导行波一方面要满足麦克斯韦方程，另一方面又要满足导体或介质的边界条件；也就是说，麦克斯韦
10、方程和边界条件决定了导行波在导波系统中的电磁场分布规律和传播特性。2. 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。前两种是色散波，一般只在金属波导管中传输；后一种是非色散波，一般在双导体系统中传输。只有当电磁波的波长或频率满足条件或时，才能在导波系统中传输，否则被截止。3. 导波系统中场结构必须满足下列规则：电力线一定与磁力线相互垂直，两者与传播方向满足右手螺旋法则；在导波系统的金属壁上只有电场的法向分量和磁场的切向分量；电力线一定是封闭曲线。（要求会画基本场图、会根据场图判定模式）4. 本章主要讨论了矩形波导、圆波导、同轴线、其中矩形波导、圆波导和同轴线易
11、采用场解法来分析其场分布和传输特性； 5. 各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输条件列表如下：传输线类型主 模截止波长lc单模传输条件矩形波导TE10模2aal2b圆波导TE11模3.14R2.62Rlp/2(D+d)要会基本模式估算、方圆转换(主要习题3-1、3-7、3-10、3-23)；了解波导正规模的特性。会寻找一定频率下的单模工作条件。第四章 学习知识要点带状线和微带线等常用的微波传输线。带状线利用传输线理论分析其传输特性；而微带线则采用准静态分析法来分析其传输特性。传输线类型主 模截止波长lc单模传输条件带状线TEM模, 微带线准TEM模, , 会采用各类图表求解本章的特性阻
12、抗、结构尺寸等餐数、会利用奇偶模理论分析耦合微带线问题。第六章 学习知识要点1. 微波系统包括均匀传输线和微波元件两大部分。均匀传输线可等效为平行双线；微波元件可等效为网络。然后利用微波网络理论，可对任何一个复杂微波系统进行研究。2. 根据网络外接传输线的路数，来定义微波网络端口的个数。微波网络按端口个数一般分为：二端口网络和多端口网络(如三端口网络、四端口网络等)。本章以二端口网络为重点，介绍了二端口网络的五种网络参量：阻抗参量、导纳参量、转移参量、散射参量和传输参量，以及基本电路单元的网络参量。3. 二端口网络参量的性质有可逆网络：， ，对称网络：，无耗网络：， ，4. 二端口微波网络的组
13、合方式有：级联方式、串联方式和并联方式，可分别用转移矩阵、阻抗矩阵和导纳矩阵来分析；二端口网络参考面的移动对网络参量的影响，可利用转移矩阵和散射矩阵来分析。5. 微波元件的性能可用网络的工作特性参量来描述，网络的工作特性参量和网络参量之间有密切的关系，可以相互转换。其工作特性参量与网络参量的关系为：电压传输系数：插入衰减： 插入相移： 输入驻波比： 6. 可逆无耗二端口网络的基本特性有：S参量只有三个独立参量，它们的相互关系为：，；若网络的一个端口匹配，另一个端口一定自动匹配，即若(或)，则(或)；若网络完全匹配，则网络一定完全传输，即若，则。（要会用三点法求解参数：匹配开路短路连立求解）7.
14、会利用微波网络的信号流图可以简化网络线性方程组的求解，从而分析网络的外特性参量（定义，串联、并联、自环、分裂法则）。必须掌握种矩阵的定义（两类：波与等效）并能够熟练运用（相互转换），常规解题思路：写出基本结构的（表6.6-1） ） 同类：直接移项、合并同类项；与） 不同类：利用桥梁关系（两种）= a b 转换，移项、合并同类项 写成标准形式（定义），对应各项就是答案。 如有计算功率问题直接将电流乘电压即可得到。第七章学习要点：第八章 学习知识要点（不作要求）1. 本章采用网络方法对一些常用的微波元件进行了分析和综合。主要讨论了下列内容：微波系统中的电抗元件，连接元件、转接元件和终端负载，衰减器
15、和移相器，阻抗变换器，定向耦合器，微带功分器，波导匹配双T，微波滤波器，微波谐振器，微波铁氧体元件以及微波集成电路。2. 对各种连接元件和短路活塞要求有良好的电接触，以保证不产生反射，常采用抗流结构。匹配负载和短路负载是两种常用的终端元件，它们均属于一端口网络。衰减器和移相器均属于二端口网络，但两者具有不同的功能。衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减；而移相器的作用是对通过它的微波信号产生一定的相移，微波能量可无衰减地通过。3. 阻抗变换器是微波系统中一种常用的阻抗匹配元件，它主要包括单节阻抗变换器、多节阶梯阻抗变换器和渐变线阻抗变换器，其阻抗匹配原理是将原来较大的反射波分成许多振幅较小而
16、相位又能互相抵消的反射波，只要合理选择节数和各段阻抗值，就能得到满意的结果。4. 定向耦合器是一个四端口的网络元件，它具有定向传输的特点。它的主要指标是耦合度和隔离度(或方向性)。定向耦合器的种类很多，本章仅讨论了波导双孔耦合的定向耦合器，平行耦合线定向耦合器，分支定向耦合器。对于波导孔耦合的定向耦合器一般采用耦合波理论进行分析；对于后几种定向耦合器，由于它们结构上都具有对称平面，故易采用奇、偶模参量法进行分析。无论是哪一种定向耦合器，至少有两种以上的耦合波相互干涉，才能产生定向性。参加干涉的耦合波个数愈多愈能改善定向耦合器定向性的频率特性，从而增宽频带。另外还介绍了两种常用微波元件：微带功分
17、器和波导匹配双T (魔T)，它们也可看成是一类定向耦合器。5. 微波滤波器主要功能是分隔频率。表征滤波器的主要特性是衰减特性。根据衰减特性分为低通、高通、带通和带阻滤波器，对滤波器的要求是通带内衰减尽可能小，阻带内衰减尽可能大，通带与阻带的过渡区尽可能小，即愈陡愈好。这些要求是相互矛盾的，解决这些矛盾的最经济和合理的方法是采用网络综合法进行设计。微波滤波器设计与低频滤波器的设计基本相同，唯一的差别是用分布参数元件代替集中参数元件。微波滤波器常采用高低阻抗线来构成。6. 微波谐振器是一种储能和选频元件，其作用相当于低频电路中的谐振回路。本章主要讨论了谐振器的分析方法、基本参量、基本特性及其等效电
18、路。微波谐振器与低频集中参数LC谐振回路的外特性是相同的，因此可以用等效电路来分析，尤其带有耦合装置的谐振器更适宜用等效电路法进行分析。对于传输线型谐振器的场分布的分析，采用使原有传输线的场分布满足两端面的边界条件，即可得到由该传输线组成的谐振器中的场分布。谐振器中的场分布是呈驻波分布的。各种形式传输线，只要满足谐振条件都可用来构成谐振器。对于由两端短路或开路的传输线构成的谐振器，其谐振条件为l = nl0/2；对于由一端短路，另一端开路的传输线构成的谐振器，其谐振条件为l = (2n-1)l0/4；对于由一端短路，另一端为容性电纳负载的传输线构成的谐振器，其谐振条件为。式中为构成谐振器的传输
19、线中电磁波的相波长。矩形谐振腔中的主模为TE101。圆柱谐振腔中，当l2.1R时， 主模为TE111。同轴谐振腔中主模为TEM模。圆柱谐振腔中TE011谐振模具有很高的Q值，可用作自动频率微调的标准腔、高频率稳定度的谐振腔和高精度波长计的工作模式。有耦合的谐振腔用场解法难以得到工程设计所需结果，故常采用网络分析方法，即将有耦合的谐振腔分成耦合结构和谐振腔两个部分，然后分别找出它们各自的等效电路。7. 微波铁氧体元件是根据微波铁氧体的两个重要特性做成的微波元件。铁氧体在恒定磁场和交变磁场共同作用下，它的导磁率为张量；而在恒定磁场和圆极化波磁场共同作用下，它的导磁率为标量，且有下列特性：铁磁谐振：
20、当微波频率w 等于铁氧体分子进动频率w0=gH时，圆极化波的和具有谐振特性，此时铁氧体对微波能量具有强烈的吸收，这种现象称为铁氧体谐振现象。利用此特性做成的隔离器称为谐振式隔离器。场移效应：在矩形波导中的圆极化波位置，放入合适的横向磁化强度的铁氧体后，则原有矩形波导中TE10模的场结构会发生位移，这种效应称为场移效应。利用此特性做成的隔离器称为场移式隔离器。隔离器是一种铁氧体的非互易元件，它是单向传输元件，即对正向波可以无衰减地通过，而对反向波产生很大的衰减。这种元件在微波系统中有广泛应用。8. 微波集成电路具有体积小、重量轻、便于大批量生产和成本低的特点，因此它将在微波技术领域获得广泛应用。
21、微波集成电路分为“半集成”式和“全集成”式两种。第六章 学习知识要点1. 计算机辅助分析是机辅设计的基础。对于绝大多数微波电路来说，其机辅设计过程实质上是一个反复修改电路参数和反复分析电路特性的过程，因此，采用高效率的分析方法是机辅设计的一个关键问题。矩阵运算很适合计算机计算，因此机辅设计中一般采用矩阵分析法。另外，还有一个重要原因是，某些微波元、器件很难从纯理论研究中建立精确的数学模型，而矩阵分析法把它们作为网络处理，直接可用测得的参数模拟这些元、器件。任何一个微波电路都是由一些微波元、器件和微波传输线连接组成。在不涉及微波元、器件内部物理机理时，它们可用等效电路来描述；连接它们的微波传输线
22、可等效为双导线。因此，微波电路同样可用电路理论来分析。也正因如此，微波电路的机辅分析是电子线路机辅分析的发展。目前广泛应用的微波电路机辅分析方法主要有：待定导纳矩阵法、转移矩阵法和散射矩阵法。2. 一般情况下，微波元、器件通常可用集中参数和分布参数元件组成的等效电路表示，或用它们的网络参数表示(一般讲，一个n端口元件可用一个n端口网络表示)。这些等效电路元件或网络在按电路拓扑连接组成电路时，其端点的连接点便形成节点。待定导纳矩阵法就是利用上述元件或网络的待定导纳矩阵建立整个电路导纳矩阵并借以分析电路的方法。3转移矩阵法是目前微波电路机辅分析中应用最广的一种方法，它非常适合二端口电路的分析。其步
23、骤为：先建立电路中各元件的转移矩阵，然后根据电路中各元件的连接方式，利用矩阵运算法则，求出整个电路的转移矩阵，最后根据公式求出电路的各种外特性参数。4散射矩阵法是微波电路机辅分析中特有的一种分析方法。由于在微波频段，保持恒定的功率输出和匹配终端条件相对比较容易，故微波网络参数的测量一般都测其S参数，因而基于S参数的散射矩阵法，在直接分析微波电路时显得非常便利。因此，散射矩阵法也是微波电路机辅分析中的一种重要方法。第七章 学习知识要点1. 计算机辅助设计是利用计算机的快速计算能力和逻辑判断能力，对电路进行性能分析，然后根据分析结果自动修改电路元件参数，从而使电路性能达到最优，这一设计过程也称作最
24、优化设计。2. 最优化设计就是通过反复修正电路元件参数，使目标函数逐步最小化的过程。因此，目标函数的选取直接影响着优化的效果，如何根据给定的理想特性和实际电路特性构成目标函数，这是微波电路最优化设计的一个重要环节。微波电路设计中目标函数的形式较多，常用的有两种类型：一种是用最大误差表示；另一种是以平方和误差表示。3. 最优化方法在最优化设计中起着非常重要的作用。能否正确选用合适、高效的优化方法，往往将直接影响优化设计的效率和结果。最优化方法一般可分为梯度法和直接法两大类。所谓梯度法是指利用目标函数的梯度信息来确定搜索方向的方法，主要包括最速下降法、牛顿法、DFP变尺度法等，它们都是利用目标函数
25、的梯度或海森矩阵的信息而构造出来的方法。直接法是指那些不利用梯度信息，而通过直接计算目标函数值来确定搜索方向的方法。常用的直接法有单纯形法、共轭方向法等。4. 微波电路的最优化设计一般分为无约束最优化设计和有约束最优化设计两类问题。无约束最优化设计可以直接采用上述的梯度法或直接法对目标函数进行极小化寻优处理；而有约束最优化设计问题则要采用罚函数法，将约束条件作为一个“惩罚项”加入到目标函数中，从而形成新的目标函数，然后再对新目标函数进行无约束最优化设计。5. 敏感度分析是微波电路计算机辅助设计的一个重要内容。通过分析敏感度，可以知道各元件参数对电路特性的影响程度，在加工制作电路时合理地分配公差。