微波天线及技术课程报告

1、微波技术与天线课程考察报告姓 名 ： 专业班级：学 号： 指导老师： 许 焱绪论1 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。2微波的定义 ：把波长从 1m到 0.1mm范围内的电磁波称为微

2、波。 微波波段对应的频率范围为 : 300MHz3000GHz。在整个电磁波谱中，微波介于超短波与 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、厘米波和毫米波和亚毫米 四个波段。无线电波视频 射频光波 宇宙射线 可见光 红外线x射线 射线紫外线f(Hz3) 3 103 3 106 3 109 3 1012 3 1015 3 1018(m)108 105 102 10-1 10-4 10-7 10-103微波具有如下主要特点： （1）似光性；（2） 穿透性；（3）宽频带特性；（4） 热效应特性；（5）散射特性；

3、（6）抗低频干扰特性；（7）视距传输特性；（8）分 布参数的不确定性；（9）电磁兼容和电磁环境污染。4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。目录绪论 ,1目录 ,2一、均匀传输线理论 ,3二、规则金属波导 ,4三、微波集成传输线 , 5四、微波网络基础 ,5五、微波元器件 ,6六、天线辐射与接收的基本理论 , 7七、电波传播概论 ,8八、线天线 ,9九、面天线 ,10十、微波应用系统 ,11心得体会 ,12本课程我们共学习了十章， 主要学习了均匀传输线理论、 规则金属波导、 微

4、波集成传输线、微波网络基础、微波元器件、天线辐射与接收理论、电波传播概 论、线天线、面天线、微波应用系统。一、 均匀传输线理论1.1 均匀传输线方程及其解共有三个参量： 1)均匀传输线方程 2) 传播常数 3) 相速p 与波长 1.2 传输线阻抗与状态参量1. 输入阻抗由上一节可知 , 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 Il 的关系如下： U(z) U1 cos( z) jI1Z0 sin( z) I(z) I1 cos( z) jU1 sin( z)Z02. 反射系数定义传输线上任意一点 z 处的反射波电压(或电流)与入射波电压(或电

5、流) 之比为电压(或电流)反射系数 ,3. 输入阻抗与反射系数的关系 U(z)=U+(z)+U-(z)=A 1e jz1+ (z)I(z)=I+(z)+I-(z) = ejz1-(z)U(z) U (z) A1ej zA1 j zI(z) I (z) 1ej zZ01. 行波状态行波状态下传输线上的电压和电流：2. 纯驻波状态纯驻波状态就是全反射状态 , 也即终端反射系数 |l|=1。 在此状态下 , 由式(1- 2- 10)，负载阻抗必须满足：Z1 Z0Z1 Z03. 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 ,

6、 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。1.4 传输线的传输功率、 效率和损耗1.5 阻抗匹配1) 分三种：负载阻抗匹配，源阻抗匹配，共轭阻抗匹配。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、规则金属波导2.1 导波原理1. 规则金属管内电磁波2. 传输特性1) 相移常数和截止波数： k2 kc2 k 1 kc2/k2。2) 相速p与波 导波长 g。电磁波在波导中传播 , 其等相位面移动速率称为相速 ,。3) 波阻抗。定义即： Z HEtt2.2 矩形波导1. 矩形波导中的场2.

7、 矩形波导尺寸选择原则2.3 圆形波导1. 圆波导中的场与矩形波导一样 , 圆波导也只能传输 TE和 TM波型mn1) 截止波长2. 圆波导的传输特性a mn a2) 简并模。在圆波导中有两种简并模 , 它们是 E-H 简并和极化简并。3. 几种常用模式1) 主模 TE11模 2) 圆对称 TM01模 TM01模是圆波导的第一个高次模 3) 低 损耗的 TE01模 TE01模是圆波导的高次模式2.4 波导的激励与耦合： 1. 电激励 2. 磁激励 3. 电流激励2.5 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2aa 2b

8、圆波导TE11模3.14R2.62 R /2( D+d)、微波集成传输线1. 微波集成传输线的优点：体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、性能优 越、功能的可复制性好。2. 集成微波传输系统分为四大类：（1）准 TEM波传输线，主要包括微带传输线和共面波导等。（2）非 TEM波传输线，主要包括槽线等。（3）开放式介质波导传输线，主要包括介质波导、镜像波导等。（4）半开放式介质波导，主要包括 H形波导、 G形波导等。3. 带状线：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。4. 带状线和微带线传输特性参量主要有：特性阻抗Z0、衰减常

9、数 a、相速vp 和波导波长 g。5. 介质波导可以分为两大类： 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；另一类是半开放式介质波导，主要包括 H形波导、 G形波导 等。6. 光纤按组成材料可分为石英玻璃光纤、多组分玻璃光线、朔料包层玻璃芯 光纤和全朔料光纤。 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。四、微波网络基础4.1 等效传输线1. 等效电压和等效电流 2. 模式等效传输线4.2 单口网络1. 单口网络的传输特性令参考面 T 处的电压反射系数为 l, 由均匀传输线理论可知 , 等效传输线 上任意点的反射系数为： （z） 1

10、 ej（ 1 2 z）2. 归一化电压和电流由于微波网络比较复杂 , 因此在分析时通常采用归一化阻抗 , 即将电路中 各个阻抗用特性阻抗归一 , 与此同时电压和电流也要归一。4.3 双端口网络的阻抗与转移矩阵在各种微波网络中 , 双端口网络是最基本的 , 任意具有两个端口的微波元件均可视之为双端口网络面介绍线性无源双端口网络各端口上电压和电流之间的关系1. 阻抗矩阵与导纳矩阵U1 Z11I1 Z12I 2U2 Z21I1 Z22I 22. 转移矩阵转移矩阵也称为 A矩阵, 它在研究网络级联特性时特别方便。4 散射矩阵与传输矩阵1. 散射矩阵 2. 传输矩阵 3. 散射参量与其它参量之间的相互转

11、换 4.S参数 测量 4.5 多端口网络的散射矩阵(1) 互易性质 (2) 无耗性质 (3) 对称性质五、微波元器件5.1 连接匹配元件(1) 短路负载 (2) 匹配负载 (3) 失配负载2. 微波连接元件微波连接元件是二端口互易元件 , 主要包括 : 波导接头、 衰减器、相移器、 转换接头。3. 阻抗匹配元件(1) 螺钉调配器 (2) 多阶梯阻抗变换器 (3) 渐变型阻抗变换器5.2 功率分配元器件1. 定向耦合器1) 定向耦合器的性能指标(1) 耦合度 (2) 隔离度 (3) 定向度 (4) 输入驻波比 (5) 工作带宽2) 波导双孔定向耦合器 3) 双分支定向耦合器 4) 平行耦合微带定

12、向耦合 器2. 功率分配器将一路微波功率按一定比例分成 n 路输出的功率元件称为功率分配器。 按输 出功率比例不同 , 可分为等功率分配器和不等功率分配器。 在结构上 , 大功率往 往采用同轴线而中小功率常采用微带线。(1) 两路微带功率分配器 端口“”无反射 ; 端口“、”输出电压相等且同相 ; 端口“、”输出功率比值为任意指定值(2) 微带环形电桥 微带环形电桥是在波导环形电桥基础上发展起来的一种功率分配元件。3. 波导分支器 将微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器 , 它是微波功率分 配器件的一种 , 常用的波导分支器有 E面 T 型分支、H面 T 型分支和匹配双 T。(1)

13、E-T 分支 (2)H-T 分支 (3) 匹配双 T5. 3 微波谐振器件在低频电路中 , 谐振回路是一种基本元件 , 它是由电感和电容串联或并联 而成 , 在振荡器中作为振荡回路， 用以控制振荡器的频率 ; 在放大器中用作谐振 回路 ; 在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。5.4 微波铁氧体器件1. 隔离器1) 谐振式隔离器 2) 场移式隔离器 3) 隔离器的性能指标2. 铁氧体环行器 一个理想的环行器必须具备以下的条件 : 输入端口完全匹配 , 无反射;输入 端口到输出端口全通 , 无损耗 ; 输入端口与隔离器间无传输。S21 S32 S13 1S31 S12 S23 0于是环行器的散射参

14、数应满足六、天线辐射与接收的基本理论6.1 概论通信的目的是传递信息 , 根据传递信息的途径不同 , 可将通信系统大致分 为两大类 :有线通信, 无线通信。6.2 基本振子的辐射1. 电基本振子电基本振子是一段长度 l 远小于波长 , 电流 I 振幅均匀分布、 相位相同的 直线电流元 , 它是线天线的基本组成部分 , 任意线天线均可看成是由一系列电 基本振子构成的。2. 磁基本振子的场引入这种假想的磁荷和磁流的概念 , 将一部分原来由电荷和电流产生的电 磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代 , 即将“电源”换成等效“磁 源” , 可以大大简化计算工作。6.3 天线的电参数1. 天线方向图

15、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。2. 天线效率 天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比 , 记为 A， 即PPPi P P13. 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=D A4. 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绘的图形 , 如果是直线 , 就

16、称为线极化 ; 如果是圆就称为圆极化 ;如果是椭圆就称为椭圆极 化。5. 频带宽度 (Frequency Band Width)天线的电参数都与频率有关 , 也就是说 , 上述电参数都是针对某一工作频 率设计的。当工作频率偏离设计频率时 , 往往要引起天线各个参数的变化 ,6. 输入阻抗与驻波比 (Input Impedance and Standing Wave Ratio) 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7. 有效长度 有效长度是衡量天线辐射能力的又一个重要指标。6.4 接收天线理论 接收天线

17、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1. 无线电波在自由空间的传播2. 传输媒质对电波传播的影响(1) 传输损耗 (2) 衰落现象 (3) 传输失真 (4) 电波传播方向的变化7.2 视距传播1. 视线距离： rv 2a( h1 h2 )2. 大气对电波的衰减 大气对电波的衰减主要来自两个方面。一方面是云、雾、 雨等小水滴对电 波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。 另一方面是云、雾、雨等小 水滴对电波的散射。3. 场分析在视距传播中 , 除了自发射天线直接到

18、达接收天线的直射波外 , 还存在从 发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波， 如图 7-5 所示。因此接收天线 处的场是直射波与反射波的叠加。7.3 天波传播1. 电离层概况2. 无线电波在电离层中的传播仿照电波在视距传播中的介绍方法 , 可将电离层分成许多薄片层 , 每一薄 片层的电子密度是均匀的 , 但彼此是不等的。7.4 地面波传播 垂直极化波沿非理想导电地面传播时 , 当地面的电导率越小或电波频率 越高, 电场纵向分量 Ez1 越大, 说明传播损耗越大。 地面波的波前倾斜现象 在接收地面上的无线电波中具有实用意义。在某些场合 , 由于受到条件的限制 , 也可以采用低架水平天线接收。

19、地面波由于地表面的电性能及地貌、 地物等 并不随时间很快地变化 , 并且基本上不受气候条件的影响 , 因此信号稳定 , 这 是地面波传播的突出优点。7.5 不均匀媒质的散射传播 除了上述三种基本传输方式外 , 还有散射波传播。八、线天线8.1 对称振子天线8.2 阵列天线1. 二元阵 2. 均匀直线阵8.3 直立振子天线与水平振子天线1. 直立振子天线1) 单极天线的辐射场及其方向图 2) 有效高度 3) 提高单极天线效率的方 法2. 水平振子天线水平振子天线经常应用于短波通信、 电视或其它无线电系统中 , 这主要是因 为: 水平振子天线架设和馈电方便 ; 地面电导率的变化对水平振子天线的影响

20、较 直立天线小 ; 工业干扰大多是垂直极化波 , 因此用水平振子天线可减小干扰对接 收的影响。2) 水平振子天线尺寸的选择 为保证水平振子天线在较宽的频带范围内最大辐射方向不发生偏移 , 应选 择振子的臂长 h0.625 , 以保证在与振子轴垂直的方向上始终有最大辐射 ,8.4 引向天线与电视天1. 引向天线2) 多元引向天线对于总元数为 N 的多元引向天线 , 其分析方法与二元引向天线的分析方法 相似。2. 电视发射天线1) 电视发射天线的特点 频率范围宽。 覆盖面积大。 在以零辐射方向为中心的一定的立体 角所对的区域 , 电视信号变得十分微弱。 我国的电视发射信号采用水平极化。 为了扩大服

21、务范围 , 发射天线必须架在高大建筑物的顶端或专用的电视塔 上。2) 旋转场天线，设有两个电流大小相等 I 1=I 2、相位差 =90 的直线电 流元 , 在水平面内垂直放置8.5 移动通信基站天线1. 移动通信基站天线的特点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 ; 天线 应采用垂直极化 ; 采用扇形天线 ; 如果是中心激励 , 采用全向天线 ; 天线增益应 尽可能的高 ; 天线与馈线应良好地匹配。2. 移动通信基站天线VHF 和 UHF移动通信基站天线一般是由馈源和角形反射器两部分组成的 , 为了获得较高的增益 , 馈源一般采用并馈共轴阵列和串馈共轴阵列两种形式。

22、8.6 螺旋天线螺旋天线的参数有 :螺旋直径 d=2b;螺距h; 圈数N;每圈的长度 c;螺距角; 轴向长度 L。1. 法向模螺旋天线 每一圈螺旋天线的辐射场为： E=aE+aE2. 轴向模螺旋天线当 d/ 0.250.45 时 , 螺旋天线的一圈的周长接近一个波长 , 此时天线 上的电流呈行波分布 , 则天线的辐射场呈圆极化 , 其最大辐射方向沿轴线方向。8.7 行波天线1. 行波单导线天线的方向图 若天线终端接匹配负载 , 则天线上电流为行波分布 : I(z)=I0 e- j z8.8 宽 频 带 天 线在许多场合中 , 要求天线有很宽的工作频率范围。 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频程( fmax/fmin=2)或几倍频程范围内无 明显变化 , 就可称为宽频带天线。8.9 缝隙天线1. 理想缝隙天线的辐射场2. 波导缝隙天线8.10 微带天线微带天线的主要特点有 : 体积小、重量轻、低剖面 , 因此容易做到与高速飞 行器共形 , 且电性能多样化 (如双频微带天线、 圆极化天线等) , 尤其是容易和 有源器件、微波电路集成为统一组件 , 因而适合大规模生产。在现代通信中 , 微 带天线广泛地应用于 1