微波技术基础复习重点

第一章第一章 引论引论 微波微波是指频率从 300MHz 到 3000GHz 范围内的电磁波 相应的波长从 1m 到 0 1mm 包括分米波 300MHz 到 3000MHz 厘米波 3G 到 30G 毫米波 30G 到 300G 和亚毫米波 300G 到 3000G 微波这段电磁谱具有以下重要特点重要特点 似光性和似声性 穿透性 信息性和非 电离性 微波的传统应用传统应用是雷达和通信 这是作为信息载体的应用 微波具有频率高 频带宽和信息量大等特点 强功率 微波加热 弱功率 各种电量和非电量的测量 导行系统导行系统 用以约束或者引导电磁波能量定向传输的结构 导行系统的种类可以按传输的导行波划分为 1 TEM transversal Electromagnetic 横电磁波 或准 TEM 传输线 2 封闭金属波导 矩形或圆形 甚至椭圆或加脊波导 3 表面波波导 或称开波导 导行波导行波 沿导行系统定向传输的电磁波 简称导波 微带 带状线 同轴线传输的导行波的电磁能量约束或限制在导体之间沿轴 向传播 是横电磁波 TEM 或准 TEM 波即电场或磁场沿即传播方向具有纵向电 磁场分量 开波导开波导将电磁能量约束在波导结构的周围 波导内和波导表面附近 沿轴向传 播 其导波为表面波 导模导模 guided mode 即导波的模式 又称为传输模或正规模 是能够沿导行 系统独立存在的场型 特点 1 在导行系统横截面上的电磁场呈驻波分布 且是完全确定的 与频率以 及导行系统上横截面的位置无关 2 模是离散的 当工作频率一定时 每个导模具有唯一的传播常数 3 导模之间相互正交 互不耦合 4 具有截止频率 截止频率和截止波长因导行系统和模式而异 无纵向磁场的导波无纵向磁场的导波 即只有横向截面有磁场分量 称为横磁 TM 波或 E 波 无纵向电场的导波无纵向电场的导波 即只有横向截面有电场分量 称为横电 TE 波或 H 波 TEM 波的电场和磁场均分布在与导波传播方向垂直的横截面内 第二章第二章 传输线理论传输线理论 传输线传输线是以 TEM 模为导模的方式传递电磁能量或信号的导行系统 其特点 是横向尺寸远小于其电磁波的工作波长 集总参数电路和分布参数电路的分界线 几何尺寸几何尺寸 L 工作波长工作波长 1 20 这些量沿传输线分布 其影响在传输线的每一点 因此称为分布参数分布参数 传播常熟是描述导行系统传播过程中的衰减和相位变化的参数 传输线上的电压和电流是由从源到负载的入射波和反射波的电压以及电流叠 加 在传输线上呈行驻波混合分布 特性阻抗特性阻抗 传输线上入射波的电压和入射波电流之比 或反射波电压和反射 波电流之比的负值 定义为传输线的特性阻抗 传输线上的电压和电流决定的传输线阻抗是分布参数阻抗分布参数阻抗 分布参数阻抗 分布参数阻抗 传输线上任意一点的阻抗 输入阻抗 定义为该点的电压和电 流之比 对于无耗传输线而言 传输线上任意一点的输入阻抗与传输线上的位置 d 和 负载的阻抗有关 从输入阻抗公式可以知道 1 传输线的输入阻抗随位置 d 变化 且和负载的阻抗有关 2 传输线具有阻抗变换作用 从公式可以看出阻抗从负载阻抗 ZL变换到 Zin d 3 因为正切三角函数具有周期性 传输线的输入阻抗呈周期性变化 L L L L L L Z tgjZZ tgjZZ ZZin d ZZ tgjZZ tgjZZ ZZin d 2 2 2 2 2 阻抗的周期特性 2 4 2 4 2 4 阻抗变换特性 4 0 0 0 2 0 0 0 0 无耗传输线的电压反射系数随着位置的不同 其模的大小不变 只是相位 以 沿顺时针 向信号源 变化 有耗传输线的电压反射系数随着位置的不同 其模的大小改变 相位以 沿顺时针 向信号源 变化 对于负载阻抗 ZL Z0的情况 反射系数为 0 将无反射的情况称为行波状 态 行波状态下的特点 1 沿线各点的电压 电流振幅不变 2 电压和电流同相 3 沿线各点的输入阻抗均等于传输线的特性阻抗 对于全反射的情况即反射系数的模为 1 的情况 称为驻波状态 负载短路 终端开路和终端接纯电感或纯电容负载无耗线 驻波状态的特点 实际的传输线构成的电路 反射系数 1 因此电磁波既有传输又有反射 称其为行驻波状态行驻波状态 实际应用的传输线都存在一定的损耗损耗 包括道题损耗 介质损耗和辐射损 耗 损耗的主要影响损耗的主要影响是导致导波的振幅 能量 衰减 其次由于损耗的存在导致 传输线的相位常数和频率相关 从而使得传播速度与频率有关 即色散效应 阻抗匹配的目的阻抗匹配的目的 使微波电路或系统无反射 尽量接近行波重要性 a 匹配可以使得传输给传输线和负载的功率最大 且馈线的功率损耗最小 b 避免失配时可能导致的功率击穿 c 减小失配对信号源的频率牵引 使信号源稳定工作 第三章第三章 规则金属波导规则金属波导 金属波导金属波导只有一个导体 故不能传输 TEM 波 只有 TE 和 TM 两种模式 存在多种模式 并存在严重的色散现象 广泛应用广泛应用 高功率 毫米波 精密测试设备 测速 测向仪器 Hmn为任意振幅常数 m n 为波型指数 每个 mn 的组合对应一个基本波 函数 导模在矩形波导矩形波导横截面上的场呈驻波分布 且在每个横截面上的场分布是 完全确定的 横截面上场的分布与频率 以及在导行系统上的位置无关 整个 导模以完整的场结构沿轴向 Z 方向 传播 当波导中传输微波信号的时候 在技术波导内壁表面上将产生感应电流 称为管壁电流管壁电流 高频工作状态 由于趋肤效应趋肤效应将使管壁电流集中在很薄的波导 内壁表面流动 由于趋肤深度很小 可以将管壁电流视为面电流 管壁电流的 大小和方向由管壁附近的切向磁场和波导壁法向矢量共同决定 t s HnJ 1 导模的传输条件 某导模能够在波导中传输 其工作的波长应该小于 波导的截止波长 或表述为导模的工作频率高于波导的截止频率 2 导模的截止 导模工作的波长大于波导的截止波长时 相位常数 为 虚数 相应的模式称为消失模或截止模 所有的场分量振幅由于截止 模的电抗反射损耗将按指数规律衰减 3 模式简并 波导中不同模式的截止波长相同的现象 称为模式简并现 象 对应的导模称为简并模 由 3 1 27 可以知道 TEmn 模和 TMmn 模 为简并模 除了 TEm0 和 TE0n 外 矩形波导中的模式都具有双重简并 4 主模 波导中工作频率最低的导模称为主模或基模 其他的工作模式 则称为高阶模 波阻抗波阻抗 行系统中导模的波阻抗定义为横向电场和横向磁场之比 与矩形波导一样 圆波导圆波导也只能传输 TE 和 TM 波型 TE11圆波导的主模 同轴线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 中间为支撑介质 是微波技术中最常见的 TEM 模传输线 第四章第四章 微波集成传输线微波集成传输线 带状线带状线又称三板线 它由两块相距为 b 的接地板与中间宽度为 w 厚度为 t 的矩形截面导体构成 接地板之间填充均匀介质或空气 带状线仍可理解为与 同轴线一样的对称双导体传输线 主要传输的是 TEM 波 也存在高次 TE 和 TM 模 微带线微带线的结构为厚度为 h 相对介电常数为 r 的介质基板厚度 以及宽 度为 W 厚度为 t 的金属导带 下面是接地板 场分布与 TEM 模很相似 可看成 准 TEM 模 并按 TEM 模处理 耦合传输线耦合传输线由两根或多根靠得很近的非屏蔽传输线构成的导行系统 由于 耦合线彼此靠得近 导致电场和磁场的能量互相耦合构成耦合带状线和耦合微 带线 奇模激励奇模激励 由大小相等方向相反的电流对耦合线两带状线导体产生的激励 奇模激励时中间对称面为电壁电壁 偶模激励偶模激励 由大小相等方向相同的电流产生的激励 偶模激励时中间对称 面为磁壁磁壁 对于均匀介质填充的对称耦合线其传输模为 TEM 模 第六章第六章 微波网络基础微波网络基础 在高频 尤其是微波 毫米波频段 测量电压 电流几乎是不可能的 这 是因为电压 电流的测量需要定义有效的端对 对传输 TEM 波的同轴线 带状 线端对存在 但是对于传输 TE TM 比如矩形波导或圆形波导 的波导系统则 端对不存在 等效等效电压 电流以及阻抗的定义做如下的约束 1 电压和电流仅对特定波导模式定义 且定义电压与其横向电场成正比 电流与其横向磁场成正比 2 为了和电路理论中的电压和电流应用方式相似 等效电压和电流的乘积 应当等于该模式的功率流 3 单一行波的电压和电流之比应等于此线的特性阻抗 此特性阻抗可任 意选择 但通常选择等于此线的波阻抗 或归一化为 1 TM TETEM 1 3 Z2 TEM 1 1 1 0 0 C L Y Z H E t t W 实用的微波元件及系统均含有各种各样的不均匀性不均匀性 即不连续性 不连续性 主要包括 1 截面形状或材料性能在波导某处的突然改变 2 截面形状或材料性能在一定距离内连续改变 3 均匀波导系统的障碍物或孔缝 4 波导的分支 各种各样的不均匀性附近将激励起高次模 注意 注意 1 微波网络的形式与模式相关微波网络的形式与模式相关 若传输单一模式 则等效为一个 N 端 口网络 对于传输 M 种模式 则可以等效为 N M 端口的微波网络 2 微波网络的形式和参考面微波网络的形式和参考面 不均匀区段的网络端面不均匀区段的网络端面 的选取有关的选取有关 参考 面的选取通常是垂直于各端口的轴线 并远离不均匀区 使得参考面上没 有高次模 只有相应的传输模式 一端口网络一端口网络就是功率技能进去又能出来的单个端口波导或传输线的电路 输入阻抗的实部与耗散功率有关 而虚部则与网络中的净储能有关 福斯特电抗定理福斯特电抗定理 对于一个无耗的网络 电抗对频率的斜率必然总是正的 无耗网络的电钠也具有对频率为正的斜率 应用此定理可以证明物理可实现的 电抗或电钠函数的极点和零点 必定在 轴上交替出现 散射参数散射参数 行波散射参数对应的是以特性阻抗匹配为原则 对应的在测量 上的外在表现为电压驻波比 VSWR 散射矩阵的特性 散射矩阵的特性 1 互易网络散射矩阵的对称性 对于互易网络 其阻抗矩阵和导纳矩阵 是对称阵 同样对于其散射矩阵也是对称阵 2 无耗无源网络散射矩阵的么阵性 么阵性 散射矩阵的转置和散射矩阵 的共轭矩阵的乘积为一个单位阵 3 无耗传输线条件下 散射参数的幅值不会随参考面的移动而改变 第八章第八章 常用微波元件常用微波元件 短路负载短路负载 又称为短路器 它的作用是将电磁能量全部反射回去 主要有 接触式活塞和扼流式活塞 主要的要求为 1 保证接触处的损耗小 其反射系数的模接近 1 2 当活塞移动时 接触损耗的变化要小 3 大功率条件下 活塞与波导 同轴导体 之间不能发生打火现象 匹配负载匹配负载能几乎无反射地吸收入射波的全部功率 当需要在传输系统工作 于行波状态时 都要用到匹配负载 对匹配负载的基本要求是 1 有较宽的工作频带 2 输入驻波比小和一定的功率容量 失配负载 既吸收一部分功率又反射一部分功率的负载 实用中的失配负 载都做成标准失配负载 即具有一固定的驻波比 无耗二端口网络的基本性质 1 若一个端口匹配 则另一个端口自动匹配 2 若网络是完全匹配的 则必然是完全传输的 或相反 3 相角只有两个是独立的 已知其中两个相角 则第三个相角便可确 定 连接元件连接元件的作用是将作用不同的微波元件连接成完整的系统 其主要指 标要求是接触损耗小 驻波比大 功率容量大 工作频带宽 衰减与相移元件 衰减与相移元件 分别是用来改变导行系统中电磁场强的幅度和相位 衰减器和相移器联合使用 可以调节导行系统中电磁波的传播常熟 三端口网络的性质三端口网络的性质 1 无耗互易三端口网络不可能完全匹配 2 任意完全匹配的无耗三端口网络必定非