微波技术重点复习PPT课件

.,1,微波技术与天线复习,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，电路的分析方法。（微波网络）长线与短线的定义：传输线的长度远远大于或等于波长的传输线叫长线，传输线的长度小于波长的线叫短线,绪论,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。均匀传输线方程：（单位长分布电阻、漏电导、电感和电容）,传播常数,第1章均匀传输线理论,传输线的边界条件通常有以下三种已知始端电压和始端电流Ui、Ii已知终端电压和终端电流Ul、Il已知信号源电动势Eg和内阻Zg以及负载阻抗Zl。,传输线上任意点上的电压和电流都由二部分组成，在任一点处电压或电流均由沿-z方向传播的入射波和沿+z方向传播的反射波叠加而成。,传输线的工作特性参数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,传播常数,对于无耗传输线，此时（）,相速传输线上行波等相位面沿传输方向的传播速度。,传输线上的波长,均匀无耗传输线三个重要的物理量,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。,电压驻波比传输线上电压最大值与电压最小值之比。,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。,对无耗传输线,三个参量之间的关系,终端反射系数,而当终端负载为任意复数时，一部分入射波被负载吸收，一部分被反射回去行驻波状态。,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。,传输线的三种工作状态,纯驻波状态终端短路,终端开路,终端接纯电抗Zin=jX,行驻波状态,无耗传输线两个重要的特性,/4阻抗变换性无耗传输线上距离为/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重复性无耗传输线上距离为/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/2的周期性。,例题：设一特性阻抗为50的均匀传输线终端负载Zl=100，求负载反射系数l的值是多少？在离负载0.5、0.25处的输入阻抗及反射系数分别为多少？,传输线的传输功率、效率和损耗,传输线上任一点处的传输功率为,传输线总长为l，则始端传输功率和负载吸收功率分别为,传输效率传输线终端负载吸收到的功率PL与始端的传输功率Pt(l)之比，即,传输功率,当终端负载与传输线匹配时，此时传输效率最高，其值为。当终端短路或者开路时，此时传输效率为0。,回波损耗和反射损耗回波损耗入射波功率与反射波功率之比,对于无耗线,若负载匹配，则Lr-，表示无反射波功率。,反射损耗信源匹配条件下，表征由负载不匹配引起的负载功率减少程度。,回波损耗取决于反射信号本身的损耗，|l|越大，则|Lr|越小；反射损耗LR则表示反射信号引起的负载功率的减小，|l|越大，则|LR|也越大。,阻抗匹配：信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间满足特定配合关系，从而使信号源给出最大功率，负载能够吸收全部的入射波功率阻抗匹配：负载阻抗匹配Zl=Z0信号源阻抗匹配Zg=Z0共轭阻抗匹配Zin=Zg*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。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。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/4阻抗变换器法；支节调配器法/4阻抗变换器法支节调配器法,将反射系数圆图、归一化电阻圆图和归一化电抗圆图画在一起，为完整的阻抗圆图，也称为史密斯圆图。,向负载,向电源,实轴左半边为电压波节点又代表行波系数K,实轴右半边为电压波腹点又代表驻波比,史密斯圆图及其应用,幅角与电长度关系20.5半径R代表反射系数大小,结论：阻抗圆图上的重要点、线、面,图中任一点都可读出四个量：，已知其中两个量，就可以根据圆图求另外两个量。,阻抗圆图导纳圆图上的重要点、线、面,b=-1电纳圆弧,b=+1电纳圆弧,上半圆电容性,下半圆电感性,同轴线的特性阻抗,特性阻抗,耐压最大时的特性阻抗为60传输功率最大时的特性阻抗为30衰减最小时的特性阻抗为76.7,实际使用的同轴线特性阻抗一般有50和75两种。,50的同轴线兼顾了耐压、功率容量和衰减的要求，是一种通用型同轴传输线；75的同轴线是衰减最小的同轴线，它主要用于远距离传输。,第2章规则金属波导,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。,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。,kc2=k22，kc为截止波数。,导波理论,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。相移常数和截止波数,相速度与波导波长,对导行波来说kkc，故,即在规则波导中波的传播的速度要比在无界空间媒质中传播的速度要快。,群速,波阻抗横向电场和横向磁场之比,传输功率,导行波分类,矩形波导矩形波导中的场,矩形波导的传输特性,TEmn和TMmn互为简并模,标准波导BJ-32各模式截止波长图,判断b和a/2的大小，决定单模工作区。,矩形波导主模TE10,(a)TE10模场分布,矩形波导TE10模的场分布图,(b)TE10模的传输特性,1)截止波长与相移常数,相移常数为,截止波长为,2)波导波长与波阻抗,3)相速与群速,4)传输功率,矩形波导尺寸选择原则,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。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。波导的衰减问题：通过波导后的信号功率不要损失太大。增大b也可使衰减变小，故b应尽可能大一些。,综合上述因素，矩形波导的尺寸一般选为：,圆波导圆波导中的场场分析法，圆柱坐标下求解,圆波导的传输特性,TE模,TM模,三种典型模式的截止波长分别为:TE11,TM01,TE01.,圆波导具有轴对称结构。对于m0的任意非圆对称模式,由于场沿方向存在sinm和cosm两种场分布，两者的截止波数相同传播特性相同，但极化面互相垂直，称之为极化简并。,简并模,(b)极化简并,在圆波导中除TE0n和TM0n外的所有模式均存在极化简并。,由于贝塞尔函数具有的性质，所以一阶贝塞尔函数的根和零阶贝塞尔函数导数的根相等，故，从而形成了TE0n模和TM1n模的简并。,(a)E-H简并,波导的激励和耦合的方法电激励，磁激励，电流激励,第3章微波集成传输线,微波集成传输线,微带传输线带状线，微带线，耦合微带线带状线,同轴线带状线，传输TEM模,特性阻抗,常用等效电容法和保角变换法求解分布电容。,工程应用上，给出了一组比较实用的公式，这组公式分为导带厚度为零(S.B.Cohn科恩)和导带厚度不为零(H.A.Wheeler惠勒)两种情况。,衰减常数带状线的衰减主要由导体损耗和介质损耗引起。,导体衰减可由增量电感法求解，可给出近似公式。,相速和波导波长,微带线,平行双导体传输线微带线，,当频率不很高时,传输准TEM模,特性阻抗,有效介电常数的取值就在1与之间,引入有效介电常数,工程上，用填充因子q来定义有效介电常数,只要求得空气微带线的特性阻抗Z0a及有效介电常数e，就可求得介质微带线的特性阻抗。（经验近似公式）,带状线的损耗包括由中心导带和接地板导体引起的导体损耗、两接地板间填充的介质损耗及辐射损耗。由于带状线接地板通常比中心导带大得多，因此带状线的辐射损耗可忽略不计。所以带状线的衰减主要由导体损耗和介质损耗引起，即：,衰减常数,由于微带线是半开放结构，因此除了有导体损耗和介质损耗之外，还有一定的辐射损耗。不过当基片厚度很小，相对介电常数较大时，绝大部分功率集中在导带附近的空间里，所以辐射损耗是很小的，和其它二种损耗相比可以忽略。,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,对应于尺寸选择原则,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周围，又称开波导。,场特征：介质波导边界内外都有电磁场存在，需要全空间求解，能量主要约束在介质波导的周围。表面波特点：电磁场沿两个媒质分界面法线方向按指数衰减，一般来说，它是一种慢波，它沿波导结构传播的速度小于光速。介质波导(dielectricwaveguide)分为两大类:一类是开放式介质波导主要包括圆形介质波导和介质镜像线等，另一类是半开放介质波导主要包括H形波导、G形波导等。,第4章微波网络基础,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。如功率传递，阻抗匹配等，而且网络分析的结果可以通过实际测量的方法来验证。,网络综合：根据微波元件的工作特性综合出要求的微波网络，从而用一定的微波结构实现它。,等效传输线,引入等效电压和电流的概念，将均匀传输线理论应用于任意导波系统。,规定(1):电压U(z)和电流I(z)分别与Et和Ht成正比；,规定(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；,规定(3):电压和电流之比应等于对应的等效特性阻抗值；,、是二维实函数，代表了横向场的模式横向分布函数；Uk(z)、Ik(z)都是一维标量函数，模式等效电压和模式等效电流。,Zek为该模式等效特性阻抗，Zw为波阻抗。,微波技术：麦克斯韦方程法微波网络方法低频电路：基尔霍夫方程法低频网络方法,微波网络理论低频网络理论的区别：（1）不同模式有不同的等效网络结构和参量。（2）对于波导，电压和电流是一个等效概念，不是单值。（3）需要确定网络的参考面。（4）微波中的网络及其参量只对一定频段适用。,单口网络,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。,归一化,双口网络任意具有两个端口的微波元件均可视之为双口网络。,描述双口网络的五个矩阵：描述端口面电压、电流（U1I1，U2I2）关系的阻抗矩阵，导纳矩阵，转移矩阵。(归一化后u1i1，u2i2）描述端口入射波和反射波归一化的电压、电流（a1b1,a2b2)关系的散射矩阵，传输矩阵。,阻抗矩阵Z,取I1、I2为自变量，U1、U2为因变量，对线性网络有：,Z矩阵中的各个阻抗参数必须使用开路法测量，故也称为开路阻抗参数。,适合于微波网络的串联,导纳矩阵Y,取U1、U2为自变量，I1、I2为因变量，对线性网络有：,Y矩阵中的各个导纳参数必须使用短路法测量，故也称为短路参数。,适合于微波网络的并联,对于同一双端口网络阻抗矩阵和导纳矩阵有以下关系：,其中，I为单位矩阵。,例4-2求如图所示二端口网络的Z矩阵和Y矩阵。,解：由Z矩阵的定义：,于是：,因此,转移矩阵A,用端口2的电压U2电流I2作为自变量，而端口1的电压U1和电流I1作为因变量，则可得如下线性方程组：,适合于微波网络的级联,散射矩阵S,对于线性网络，归一化入射波和归一化反射波之间是线性关系，故有线性方程：,表示端口2接匹配负载时，端口1的反射系数,表示端口1接匹配负载时，端口2的反射系数,表示端口1接匹配负载时，端口2到端口1的反向传输系数,表示端口2接匹配负载时，端口1到端口2的正向传输系数,结论：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，实际的微波网络的反射系数和驻波系数及功率便于测量。,互易网络,对称网络,无耗网络,S矩阵的性质,传输矩阵T,当用a1、b1作为输入量，a2、b2作为输出量，此时有以下线性方程：,T11其中表示参考面T2接匹配负载时，端口1至端口2的电压传输系数的倒数，其余三个参数没有明确的物理意义.,适合于微波网络的级联,基本电路单元的参量矩阵（常用的双端口网络）,于是输入端参考面T1处的反射系数为：,已知终端反射系数和S矩阵，求输入端参考面的反射系数,a2=b2l，代入散射矩阵表达式，有,1.天线的定义天线的基本功能是辐射和接收无线电波发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电滋波转换为高频电流。不同的无线电设备对天线的要求不同。,第6章天线辐射与接收的基本理论,方向函数方向性图方向性系数增益输入阻抗驻波系数效率,影响天线性能指标的关键因素,天线电尺寸（与辐射电阻、辐射功率关系）天线的形状和结构天线上的电流分布,天线常用的性能指标：,(6-2-1),式中,，是媒质中电磁波的波数,电基本振子的辐射场,在电磁场理论中,已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子(图6-2)在周围空间产生的场为,近区场的特点在近区,电场和与静电场问题中的电偶极子的电场相似,磁场和恒定电流场问题中的电流元的磁场相似,所以近区场称为准静态场;由于场强与1/r的高次方成正比,所以近区场随距离的增大而迅速减小,即离天线较远时,可认为近区场近似为零。电场与磁场相位相差90,说明玻印廷矢量为虚数,也就是说,电磁能量在场源和场之间来回振荡,没有能量向外辐射,所以近区场又称为感应场。,(1)近区场,电基本振子的远区场为,(6-2-5),在远区,电基本振子的场只有和两个分量,它们在空间上相互垂直,在时间上同相位,所以其玻印廷矢量是实数,且指向r方向。这说明电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波,所以远区场又称辐射场;/=120（）是一常数,即等于媒质的本征阻抗,因而远区场具有与平面波相同的特性;辐射场的强度与距离成反比,随着距离的增大,辐射场减小。这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的,当距离增大时,辐射能量分布到更大的球面面积上;在不同的方向上,辐射强度是不相等的。这说明电基本振子的辐射是有方向性的。,远区场的特点,辐射场的方向性,磁基本振子是一个半径为b的细线小环,且小环的周长满足条件：2b,如图6-3所示。假设其上有电流i(t)=Icost,由电磁场理论,其磁偶极矩矢量为,根据电与磁的对偶性原理:,(6-2-6),(Am2),2.磁基本振子的场,根据电与磁的对偶性原理:,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（1）水平面：当仰角及距离r为常数时,电场强度随方位角的变化曲线,（2）铅垂平面：当及r为常数时,电场强度随仰角的变化曲线,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,(1)主瓣宽度主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度,在场强方向图中,等于最大场强的两点之间的宽度,称为半功率波瓣宽度;有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度,称为零功率波瓣宽度。,波瓣宽度越窄，能量越集中,（2）旁瓣电平（SideLobeLeverSLL）：指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平，以分贝表示,（3）前后比:后瓣平均功率密度最大值与主瓣平均功率密度最大值之比，以分贝表示,上述方向图参数虽能从一定程度上描述方向图的状态，但它们