微波天线课程考察报告

河南理工万方科技学院微波天线课程考察报告考超报告题目（2号黑体居中）姓名：黄诗炜班级： 通信11升学号： 0926303039评定成绩： 2011.11.7微波天线课程考察报告班级：通信11升姓名：黄诗炜学号：0926303039微波天线是一门重要而又难学的课程，想学有所成必须下大力气，我们要学习它首先要知道它的体系结构，微波天线是无线电技术的一个重要组成部分，它们研究的对象和目的有所不同。微波主要研究如何导引电磁波在微波传输系统中的有效传输，它的特点是希望电磁波按一定要求沿微波传输系统无辐射地传输，对传输系统而言，辐射是一种能量的损耗。天线的任务则是将导行波变换为向空间定向辐射的电磁波，或将在空间传播的电磁波变为微波设备中的导行波，因此天线有两个基本作用：一个是有效地辐射或接收电磁波，另一个是把无线电波能量转换成导行波的能量。在均匀传输线中用以传输微波信息和能量的各种形式传输系统的总称，引导电磁波沿一定方向传输，又称为导波系统，其所导引的电磁波被称为导行波。一般将截面尺寸、形状、媒质分布、材料及边界条件均匀不变的导波系统称为规则，又称为均匀传输线。把导行波传播的方向称为纵向，垂直于导波传播的方向称为横向。无纵向电磁场分量的电磁波称为横电磁波，即TEM波。传输线本身的不连续性可以构成各种形式的微波无源元器件，这些元器件和均匀传输线、有源元件及天线一起构成微波系统。微波传输线大致可以分为三种类型。第一种是由两根或两根以上平行导体构成的双导体传输线。第二种是以主要包括矩形波导、圆波导、脊型波导和椭圆波导等均匀填充介质的金属波导管。第三种是以主要包括介质波导、镜像线和单根表面波传输线等介质传输线。均匀传输线的分析方法通常有两种：一种是场分析法，即从麦克斯韦方程出发，求出满足边界条件的波动解，得出传输线上电场和磁场的表达式，进而分析传输特性；另一种是等效电路法，即从传输线方程出发，求出满足边界条件的电压、电流波动方程的解，得出沿线等效电压、电流的表达式，进而分析传输特性。建立传输线方程，导出传输线方程的解，引入传输线的重要参量一一阻抗、反射系数及驻波比；然后分析无耗传输线的特性，给出传输线的匹配、效率及功率容量和同轴线的概念。在对由均匀填充介质的金属波导组成的规则金属波导，一般用场分析法。首先对规则波导传输系统中的电磁场问题进行分析，研究规则波导的一般特性，然后着重讨论矩形金属波导和圆形金属波导的传输特性和场结构，及波导的耦合和激励方法。在规则波导中场的纵向分量满足标量齐次波动方程，结合相应边界条件即可求得横纵方向分量。既满足波动方程又满足边界条件的解有许多，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。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。导行波的三种导波结构，即TEM传输线、封闭金属波导和表面波导。通常将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气的规则金属波导称为矩形波导，应用比较广泛。将同轴线的内导体抽走，一定条件下，由外导体所包围的圆形空间也能传输电磁能量就是圆形波导。圆波导具有加工方便、有加工方便、双极化、低消耗等优点。波导的激励与耦合就本质而言是电磁波的辐射和接受，是微波源向波导内有限空间的辐射或在波导的有限空间内接受微波信息。辐射和接受是互易的，因此作为重点的是激励，一般激励波导有三种：电激励、磁激励和电流激励。虽然规则金属波导传输系统具有损耗小、结构牢固、功率容量高及电磁波限定在导管内等优点，但其缺点比较笨重、高频下批量成本高、频带较窄等。随着航空、航天事业发展的需要，对微波设备提出了体积要小，重量要轻、可靠性要高、性能要优越、一致性要好、成本要低等要求，促成了微波技术与半导体器件及集成电路的结合，产生了微波集成电路。对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具有平面型结构，这样可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性，从而实现微波电路的集成比。各种集成微波传输系统归纳分为四类：准TEM波传输线，主要包括微带传输线和共面波导等。非TEM波传输线，主要包括槽线、鳍线等。开放式介质波导传输线，主要包括介质波导镜像波导等。半开放式介质波导，主要包括H形波导、G形波导等。微带传输线的基本结构的两种形式，带状线和微带线。带状线是有同轴线演化而来的，即将同轴线的外导体对半分开，再将两半外导体向左右展开，并将内导体制成扁平带线。显然，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。而微带线是有双导体传输线演化而来。当工作频率处于毫米波波段时，普通的微带线将出现一系列的新问题，首先是高次模的出现使微带的设计和使用复杂化。自然又会想到用波导来传输信号。频率越高，使用波导的尺寸越小，可频率却太高了，要制造相应尺寸的金属波导会十分困难，于是人们积极研究适合于毫米波波段的传输器件。于是各种介质波导得到了广泛应用。光纤是现代科技用于传递信息的重要工具，它又被称为光导纤维，它是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统。光纤是由一定折射率的光学玻璃拉成的纤维作芯，表面覆盖一层玻璃或塑料作为套层构成。包层除使传输的光波免受外界干扰以外，还起到控制纤芯内传输模式的作用。光纤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。按传输模式分为多模光纤和单模光纤。实际生活中除了有规则传输系统外，还有很多具有独立功能的各种微波元件，如谐振元件、阻抗匹配元件、耦合元件等。这些元件在系统中产生不均匀性。会令系统产生主模的反射与透射，还会引起高模，由于现实中元件的复杂，不可能全都仔细的进行场分析，所以出现了微波网络。微波网络正是在分析场分析的基础上，用路的分析方法将微波元件等效为电抗或电阻元件，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。尽管用路的分析法只能得到元件的外部特性，但它却可给出系统的一般传输特性，如功率传递、阻抗匹配等，而且而且这些结果可以通过实际测量的方法来验证。另外还可以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，这就是微波网络的综合。微波网络的分析与综合是分析和设计微波系统的有力工具，而微波网络分析又是综合的基础。均匀传输理论是建立在TEM传输线的基础上的，因此电压和电流有明确的物理意义，而且电压和电流只与纵向坐标z有关，与横截面无关，而实际的非TEM传输线如金属波导等，其电磁场E与H不仅与z有关，还与x、y有关，这时电压和电流的意义十分不明确，例如在矩形波导中，电压值取决于横截面上两点的选择，而电流还可能有横向分量。因此有必要引入等效电压和电流的概念，从而将均匀传输线理论应用于任意导波系统，这就是等效传输线理论。当一段规则传输线端接其他微波元件时，则在连接的端面引起不连续，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，这就是单口网络散射矩阵和传输矩阵就是建立在入射波、反射波的关系基础上的网络参数矩阵。元器件具有各种各样的功能，比如电容、电感、电阻、滤波器、分配器、谐振回路等无源元器件，可以实现信号匹配、分配、滤波等；又有品体管等有源元器件，它们的功能是对微波信号进行必要的处理或变换，它们是微波系统的重要组成部分。微波元器件按其变换性质可分为线性互易元器件、线性非互易元器件以及非线性元器件三大类。线性互易元器件只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性，并满足互易定理，它主要包括各种微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件等；线性非互易元器件主要是指铁氧体器件，它的散射矩阵不对称，但仍工作在线性区域，主要包括隔离器、环形器；非线性元器件能引起频率的改变，从而实现放大、调制、变频等，主要包括微波电子管、微波品体管、微波固态谐振器、微波场效应管及微波电真空器件等。微波连接匹配元件包括终端负载元件、微波连接元件以及阻抗匹配元器件三大类。终端负载元件是连接在传输系统终端实现终端短路、匹配或标准失配等功能的元件；微波连接元件用以将作用不同的两个微波系统按一定的要求连接起来，主要包括波导接头、衰减器、相移器及转换接头等；阻抗匹配元器件是用于调整传输系统与终端之间阻抗匹配的器件，主要包括螺钉调配器、多阶梯阻抗变换器及渐变型变换器等。在微波系统中，往往需要将一路微波功率按比例分成几路，这就是功率分配问题。实现这一功能的元件称为功率分配元器件，主要包括：定向耦合器、功率分配器及各种微波分支器件。一般都是线性多端口互易网络。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。在微波频率上，也有上述功能的器件，这就是微波谐振器件，它的结构是根据微波频率的特点从LC回路演变而成的。微波谐振器一般有传输线型谐振器和非传输线谐振器两大类，传输线型谐振器是一段由两端短路或开路的微波导行系统构成的，如金属空腔谐振器。同轴线谐振器和微带谐振器等。很多器件都是线性的，但在许多情况下，我们却需要具有非互易性的器件。例如，在微波系统中，负载的变化对微波信号源的频率和功率输出会产生不良影响，使振荡器性能不稳定。为了解决这样的问题，最好在负载和信号源之间接入一个具有不可逆传输特性的器件，微波从振荡器到负载是通行的，反过来从负载到振荡器是行不通的。这样当负载不匹配时，从负载反射回来的信号不能到达信号源，从而保证了信号源的稳定，这种器件具有单向通行、反向隔离功能，因此称为单向器或隔离器。另一类非互易器件是环形器，它具有单向循环流通功能。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：一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息，即所谓的有线通信，如电话，计算机局域网等有线通信系统；另一类是靠电磁辐射通过无线电波来传递信息，即所谓的无线通信，如电视、广播、雷达、导航、卫星等无线通信系统。在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为波导能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向辐射出去。达到接收点后，接受天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送至接收机输入端。天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备，它的选择与设计是否合理对整个无线电通信系统的性能有很大的影响，若天线设计不当，就可能导致整个系统不能正常工作。所以天线应有功能：天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统。其次要求天线与发射机或接收机匹配。天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上，或对确定方向的来波最大限度地接收，即天线具有方向性。天线应能发射或接收规定极化的电磁波，即天线有适当的极化。天线应有足够的工作频带。4点都可以作为天线的基本功能，也可作为天线的依据。通信的飞速发展对天线提出了很多新的要求，天线的功能也不断有了新的突破。除了完成高频能量的转换外，还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理，如信号处理天线、自适应天线和智能天线等。特别是1997年以来，第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点，而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一。天线的种类很多，按用途可将天线分为通信天线、广播电视天线、雷达天线等；按工作波长，可将天线分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等；按辐射元的类型可将天线分为两大类：线天线和面天线。所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长波、中波和短波波段；面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用于微波波段，超短波波段则两者兼用。把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的而分为双导线传输线、同轴线传输线、波导或微带线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密，有时把天线和馈线系统看成是一个部件，统称为天线馈线系统，简称天馈系统。电磁波由天线辐射到空间的一个区域后，以某种方式传播到接收天线处。从发射点到接收点，它所遇到的传输媒质主要就是大地及外围空间的大气层、电离层和大气中水凝物（如雨滴、雪等），这些媒质的电特性对不同频段的电磁波的传播有着不同的影响。根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播方式分为：1视距传播。2天波传播。3地面波传播。4不均匀媒质传播。横向尺寸远小于纵向尺寸并小于波长的细长结构的天线称为线天线，它们广泛应用于通信、雷达等无线电系统中。在工程中经常能用到鞭天线、水平振子天线、电视天线等。而面天线是承载的电流沿天线体的金属表面分布