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1、微波技术与天线（第二版）总结绪论微波频段：300MHz3000GHz微波波长：0.1mm1m （分米波 ，厘米波，毫米波，亚毫米波）微波的特点：似光性，穿透性，宽频带特性，热效应特性，散射特性， 抗低频干扰特性，视距传播特性，分布参数的不确定性，电磁兼容和电磁环境污染。分析方法：场的分析方法， 路的分析方法。（微波网络）一、均匀传输线理论1.1、均匀传输线方程及其解1.1.1传输线的分类：双导体传输线，金属波导管，介质传输线。分析方法: 场分析法，等效电路法。1.1.2传输线的工作特性参数（1）特性阻抗传输线上行波的电压与电流的比值 对于均匀无耗传输线特性阻抗：（2）传播常数（3）相速p传输线
2、上行波等相位面沿传输方向的传播速度（4）传输线的波长1.2、传输线阻抗与状态参量1.2.1均匀无耗传输线三个重要的物理量（1） 输入阻抗传输线上任意一点处的输入电压和输入电流之比值。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、终端电流的关系如下：（2） 反射系数传输线上任意一点处的反射波电压（或电流）与入射波电压（或电流）之比。（3） 电压驻波比传输线上电压最大值与电压最小值之比。1.3、无耗传输线的状态分析1.3.1传输线的三种工作状态（1）行波状态 沿线电压和电流振幅不变，驻波比等于1 电压和电流在任意点上都同相 传输线上各点阻抗均等于传输线特性阻抗（2）纯驻波
3、状态 终端短路 终端开路 终端接纯电抗 Zin= j X （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。1.3.2无耗传输线两个重要的特性（1）l/4 阻抗变换性无耗传输线上距离为l/4的任意两点处输入阻抗的乘积均等于传输线特性阻抗的平方。（2）l/2 重复性无耗传输线上距离为l/2的任意两点处，电压、电流的大小（绝对值）；输入阻抗；反射系数的值相等，具有l/2 的周期性。1.4、传输线的传输功率、效率和损耗1.5、阻抗匹配分类： 负载阻抗匹配
4、Zl=Z0 信号源阻抗匹配 Zg=Z0 共轭阻抗匹配 Zin=Zg*u 负载阻抗匹配负载阻抗等于传输线的特性阻抗。此时传输线上只有从信源到负载的入射波，而无反射波。 u 源阻抗匹配电源的内阻等于传输线的特性阻抗。 对匹配源来说，它给传输线的入射功率是不随负载变化的，负载有反射时，反射回来的反射波被电源吸收。u 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等于电源内阻的共轭值时，负载得到最大功率值：阻抗匹配的方法：l/4阻抗变换器法；支节调配器法 1.6、史密斯圆图及其应用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。二、规则
5、金属波导2.1、导波原理2.1.1场分析方法先由矢量齐次亥姆霍兹方程结合边界条件分离变量求解纵向场分量，然后由麦克斯韦方程组求解横向场分量。2.1.2波的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。导行波分类：TEM波、TM波、TE波、慢波2.2、矩形波导2.1.1矩形波导尺寸选择原则（1）波导带宽问题：保证在给定频率范围内的电磁波在波导中都能以单一的模传播，其它高次模都应截止。 （2）波导功率容量问题：在传播所要求的功率时，波导不致于发生击穿。适当增加b可增加功率容量，故b应尽可能大一些。（3）波导的衰减问题：通过波导后的信号功率不要损失
6、太大。增大b也可使衰减变小，故b应尽可能大一些。2.3、圆形波导圆波导传输特性：波型指数，主模，模式兼并及三种常用模式特性2.4、波导的激励和耦合方法：电激励，磁激励，电流激励总结：矩形波导和圆波导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3.14R2.62Rl3.41R三、微波集成传输线3.1、微带传输线分类：带状线、微带线、耦合微带线3.2、介质波导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
7、周围，又称开波导。3.3光 纤3.3.1光纤分类 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。其中，石英玻璃光纤损耗最小，最适合长距离、大容量通信。 按折射率分布形状可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。 按传输模式可分为多模光纤和单模光纤。3.3.2光纤损耗单模光纤在1.3m和1.55m波长附近损耗较低，且带宽较宽，适合用于远距离光纤通信。光纤的损耗影响了传输距离，而光纤的色散影响了传输带宽和通信容量。四、微波网络基础4.1等效传输线微波网络: 是在分析场分布的基础上，用路的分析方法将微波元件等效为电抗或电阻等集中元件网络，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实
8、际的微波系统简化为微波网络。网络分析: 借助于“路”的分析法,通过分析网络(微波元件)的外部特性，给出系统的一般传输特性。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。4.2单口网络构成：当一段规则传输线端接其它微波元件时，则在连接的端面引起不连续性，产生反射。若将参考面T选在离不连续面较远的地方，则在参考面T左侧的传输线上只存在主模的入射波和反射波，可用等效传输线来表示，而把参考面T以右部分作为一个微波网络，把传输线作为该网络的输入端面，这样构成了单口网络。 4.3双端口网络的阻抗与转移矩阵4.3.1双端口网络构成：任意具有两个端口的微波元件均可视之为双口网络。4.3.
9、2双端口微波网络的组合方式有：级联方式、串联方式和并联方式，描述双口网络的五个矩阵： 描述端口面电压、电流关系的阻抗矩阵，导纳矩阵，转移矩阵。 描述端口入射波和反射波归一化的电压、电流关系的散射矩阵，传输矩阵。4.4散射矩阵与传输矩阵散射矩阵的重要特性有两条：无耗网络幺正性和参考面移动散射参量具有幅值不变性。六、天线辐射与接收的基本理论6.1概论发射机（天线辐射）接收机信道信息源受信者信号变换信号变换无线电通信系统框图6.2基本阵子的辐射6.2.1电基本振子电基本振子又称电流元或者电偶极子,它是指一段载有理想的高频电流的短导线,其长度l远小于波长,其半径a远小于l,同时这段导线沿线的电流I处处
10、等幅同相。用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线,因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。6.3天线的电参数（1）天线方向图及其有关参数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。 （2） 天线效率（3） 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=DA（4） 极化和交叉极化电平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。具体地说,就是在空间某一固定位置上,电场矢量的末端随时间变化所描
11、绘的图形,如果是直线, 就称为线极化;如果是圆就称为圆极化。（5） 输入阻抗与驻波比要使天线辐射效率高, 就必须使天线与馈线良好地匹配, 也就是天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,才能使天线获得最大功率（6） 有效长度有效长度是衡量天线辐射能力的一个重要指标。 6.4接收天线理论接收天线主要考虑以下四个方面：（1）天线接收的物理过程及收发互易性（2）有效接收面积（3）等效噪声温度（4）接收天线的方向性七、电波传播概论7.1电波传播的基本概念无线电波在自由空间的传播及传输媒质对电波传播的影响：（1）传输损耗（信道损耗）（2）衰落现象 （3）传输失真 （4）电波传播方向的变化7.2几种不同的电波传
12、播根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播分为四种：（1）视距传播（2）天波传播（3）地面波传播（4）不均匀媒质传播概念解释：（1）视距传播：指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式（2）天波传播：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 （3）地面波传播：无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播，当天线低架于地面，且最大辐射方向沿地面时，这时主要是地面波传播。 （4）不均匀媒质的散射传播：电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”时就会发生散射，散射波的一部分到达接收天线处，这种传播方式称为不均匀媒质的散射传播。八
13、、线天线常见线天线：（1）对称振子天线构成：对称振子天线由两根粗细和长度都相同的导线构成，中间为两个馈电端，是一种应用广泛且结构简单的基本线天线。（2）阵列天线（3）、直立振子天线：垂直于地面或导电平面架设的天线称为直立振子天线，它广泛地应用于长、中、短波及超短波波段。 水平振子天线（4）、引向天线：又称八木天线，它由一个有源振子及若干个无源振子组成 电视发射天线（5）、移动通信基站天线：特点：为尽可能避免地形、地物的阻挡，天线应架设在很高的地方，这就要求天线有足够的机械强度和稳定性 为使用户在移动状态下使用方便，天线应采用垂直极化 根据组网方式的不同，如果是顶点激励，采用扇形天线；如果是中心
14、激励，采用全向天线 为了节省发射机功率，天线增益应尽可能的高 为了提高天线的效率及宽带，天线与馈线应良好地匹配。（6）、螺旋天线：将导线绕制成螺旋形线圈而构成的天线称为螺旋天线 （7）、行波天线：如果天线上电流分布是行波，则此天线称为行波天线。它是由导线末端接匹配负载来消除反射波而构成的。 （8）、宽频带天线：按工程上的习惯用法，若天线的阻抗、方向图等电特性在一倍或几倍频程范围内无明显变化，就可称为宽频带天线。 （9）、缝隙天线：如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝，可使电磁波通过缝隙向外空间辐射而形成一种天线，这种天线就称为缝隙天线。 （10）、微带天线：特点：体积小、
15、重量轻、低剖面，适合大规模生产。 （11）、智能天线：使用智能天线技术的主要优点有:具有较高的接收灵敏度;使空分多址系统（SDMA）成为可能;消除在上下链路中的干扰;抑制多径衰落效应。 九、面天线面天线是指具有初级馈源并由反射面形成次级辐射场的天线。前馈式抛物面天线，卡塞格伦式和格雷果里式双镜天线等均属面天线，主要应用于微波和毫米波波段。微波五讲总结一、波1.1波物质有粒子和波两种状态，波距离我们很近又很远，近由于我们自身耳朵接收声波，眼睛接收光波，远由于我们对波的归类很晚，距今只有两百年历史。1.2电磁波1.2.1电和磁关于磁，磁早于电，由于地球本身就是一个大磁场，如中国的指南针的出现，英国
16、的吉尔伯特（1544-1623）在1600年发表论磁和地磁。关于电，富兰克林（1706-1790）发现正电和负电、电荷转移不能创生、电荷守恒，最伟大之处在于1752年他发现了天电与地电的统一。1.2.2电磁丹麦的哥本哈根大学教授奥斯特（1777-1851）发现电能产生磁，实现了电和磁的结合。1.2.3电磁波法拉第（17901867）提出了场和力线的概念，利用对称性思想，由奥斯特的电产生磁，提出磁也能产生电的想法，经过无数次的实验后，发现动磁能产生电。1864年，英国科学家麦克斯韦（18311879）在总结前人研究电磁现象的基础上，创立了麦克斯韦方程，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，
17、推导出电磁波与光具有同样的传播速度。1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。1.3波特点和参数波特点：可以脱离源、可以脱离媒质，否定中心力波有三个参数：频率、振幅、相位1.4微波微波是指频率为300MHz300GHz的电磁波，波长在1米（不含1米）到0.1厘米之间，与人结合比较紧密。二、空间波粒子和波是物质存在两种状态， 对波而言，它是可以向前进，即随时间变，又随着地点变化。2.1空间平面波 主要研究麦克斯韦的四个天才思想：（1）麦克斯韦 （18311879 1）认为研究规律必须先确定方程，于是导出了麦克斯韦方程，它有两种表达方式:第一种是积分形式的麦克斯韦方程组： 另一种是微分
18、形式的麦克斯韦方程组： （2）波可以脱离源麦克斯韦研究无源波，符合的方程为微分形式的麦克斯韦方程组（3）空间的一维Ex不变性2.2空间能流坡印廷定理是根据麦克斯韦方程组（包含法拉第电磁感应定律及改进的安培定律等）推导出来的。2.3界面（1）介质界面：入射场+反射场=透射场 （2）理想导体界面：反射系数=12.4空间特征量（1）能流，是二次量（2）波阻抗，是零次量（3）速度，等于光速（4）相位三、导引波导引波思想的提出使波能完全按人类的意愿行走3.1波的特点随时间变化，随地点变化 （1） 波是打圈圈的，这是由它的本质决定，因为波产生的根本原因是电磁双向转化，由数学上的复平面得出复球面的思想，运用
19、到磁场线到磁圆圈的转化。（2）波的速度Vp=c（3）极化按电场矢量轨迹的特点它可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种。与接收有很重要的关系。3.2广义传输线方程3.3同轴线同轴线是常见的信号传输线，中心的铜芯是传送高电平的，被绝缘材料包覆；绝缘材料外面是与铜芯共轴的筒状金属薄层，传输低电平，同时起到屏蔽作用。特性阻抗，同轴电缆的主体是由内、外两导体构成的，对于导体中流动的电流存在着电阻与电感，对导体间的电压存在着电导与电容导与电容。四、天线波空间波、导引波都是无源波，麦克斯韦提出波可以脱离源独立运行。而天线波是有源的，讨论方法：（1） 双位法：矢量A和相位构成方法，。不同质的矛盾，要用不同质的方法
20、加以解决，无源波时通过无缘波动方程来表示场，有源时用矢量位和标量位来表示场（2） 麦克斯韦方程组由麦克斯韦方程组四大方程得出有源四大方程和无源四大方。五、波网络5.1网络思想（1）端口思想强调外部特性，而不强调内部机理（2）能量思想输入能量=网络的消耗能量+输出能量+反射能量（3）相互作用思想端口接触有相互作用，多端口构成复合系统5.2平面波网络5.3传输线网络同轴线与平面波的区别不同处：波阻抗不同相同处：传播常数相同、速度相等5.4 S网络S网络又称散射网络，可以多端口。求解S参数用讯号流图法，在用讯号流图法要特别注意输入点，它有四个法则: （1）串联支路相乘法则 （2）并联支路相加法则 （3）自闭环消除法则（4）结点分裂法则