《微波技术基础》课程学习知识要点

微波技术基础 课程复习知识要点 2007 版 第一章第一章 微波技微波技术术基基础础引引论论 知知识识要点要点 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80 s 90 s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 communication 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 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 全球定位系统涉及那些应用 全球定位系统 GPS 呢 呢 提高微波工作频率的好处及实现方法 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 3 108Hz 3 1011Hz 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 厘米波和毫米波三个波段 2 微波具有如下四个主要特点 1 1 似光性 似光性 2 2 频率高 频率高 3 3 能穿透电离层 能穿透电离层 4 4 量子特性 量子特性 3 微波技术的主要应用 1 在雷达上的应用 在雷达上的应用 2 在通讯方面的应用 在通讯方面的应用 3 在科学研究方面的应用 在科学研究方面的应用 4 在生物医学方面的应用 在生物医学方面的应用 5 微波能的应用 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 表需要重点记忆的公式 表 1 21 2 要求会用 要求会用 理解纵横理解纵横 f 3 10 8 10 5 1010 m Hz 3 10 3 2 3 10 6 3 10 9 1 3 10 12 10 4 3 10 15 10 7 3 10 18 10 10 x 关系 导行系统及分类 图关系 导行系统及分类 图 1 4 11 4 1 第二章第二章 传输线传输线理理论论 学学习习知知识识要点要点 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 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 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 有耗工作状态 史密斯圆图 工具 工具 阻抗匹配问题 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 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 d U z dz U z d I z dz I z 2 2 2 2 2 2 0 0 其解为 U zA eA e I z Z A eA e j zj z j zj z 12 0 12 1 其参量为 Z L C 0 0 0 2 p v v p r 0 p r 0 3 终端接的不同性质的负载 均匀无耗传输线有三种工作状态三种工作状态 掌握推导方法 1 当Z Z L 0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Z RjX LLL 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 RZ max 0 电压波节点的阻抗为最小的纯电阻R Z min 0 电磁能量一部分被负载吸收 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 11 1K 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 01 01 1 1 K1001 K 5 传输线阻抗匹配方法常用 4 阻抗变换器和分支匹配器 单分支 双分支和三分支 重点掌握辅重点掌握辅 助园的画法 为什么要在那个位置助园的画法 为什么要在那个位置 6 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 通过练习加深理解 习题 习题 2 322 32 2 332 33 都要都要 练习一下 练习一下 第三章第三章 规则规则金属波金属波导导 知知识识要点要点 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 90 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 矩形波矩形波导导 圆圆形波形波导导 同 同轴线轴线 波 波导导正正规规模 波模 波导导的激励的激励 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 c或 ffc 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 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 c 单模传输条件 矩形波导TE10模 2a a 2b 圆波导TE11模 3 14R 2 62R 2 D d 要会基本模式估算 方圆转换要会基本模式估算 方圆转换 主要习题主要习题 3 13 1 3 73 7 3 3 1010 3 23 3 23 了解波导正规模的特性 会寻找一定频率 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 下的单模工作条件 第四章第四章 学学习习知知识识要点要点 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 c 单模传输条件 带状线TEM 模 2w r 2b r 微带线准 TEM 模 2w r 2h r 41h r 会采用各类图表求解本章的特性阻抗 结构尺寸等餐会采用各类图表求解本章的特性阻抗 结构尺寸等餐 数 会利用奇偶模理论分析耦合微带线问题 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 可逆网络 Z Z 1221 Y Y 1221 A AA A 11221221 1 SS 1221 T T T T 11221221 1 对称网络 对称网络 Z Z 1122 Y Y 1122 AA 1122 S S 1122 T T 1221 无耗网络 无耗网络 ZjX ijij YjB ijij i j 12 SS T 1 4 二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 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 TS AAAA 21 11122122 2 插入衰减 A TS 11 2 21 2 LA S 1010 1 21 2 loglog dB 插入相移 argargTS21 21 输入驻波比 1 1 11 11 S S 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 SS 1122 SS 1211 2 1 121122 1 2 若网络的一个端口匹配 另一个端口一定自 动匹配 即若S11 0 或S22 0 则S22 0 或S11 0 若网络完全匹配 则网络一定完全传输 即若S S 1122 0 则 SS 1221 1 要会用三点法求解 参数 匹配 开路 短路连立求解 7 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 写出基本结构的 表 表 6 6 16 6 1 同类 直接移项 合并同类项 同类 直接移项 合并同类项 与与 不同类 利用桥梁关系 两种 不同类 利用桥梁关系 两种 a a b b 转换 移项 合并同类项转换 移项 合并同类项 写成标准形式 定义 写成标准形式 定义 对应各项就是答案 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 如有计算功率问题直接将电流乘电压即可得到 第七章第七章 学习要点 学习要点 第八章第八章 学习知识要点学习知识要点 不作要求 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 n 0 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 0 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 lZC 000 2 arcctg 式中为构成谐振器的传输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 当微波频率 等于铁氧体分子进动频率 0 H 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 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