微波技术复习题

微波技术复习题一、填空题（每空1分，共20分）微波是指频率在______Hz至______Hz之间的电磁波，对应的波长范围为______m至______m。传输线的特性阻抗Z₀定义为______与______的比值，理想传输线的特性阻抗与______无关。传输线的工作状态主要分为______、______和______三种，其中______状态下传输线无反射波。矩形波导中，TE₁₀波是______波型，其截止波长λc=______（设波导宽边为a）。微波网络的散射参数（S参数）中，Sᵢⱼ表示______端口接匹配负载时，______端口的______与______端口入射波的比值。微波谐振腔的品质因数Q表征其______能力，Q值越高，谐振腔的______越好。定向耦合器的主要参数有______、______和______，其作用是实现______的定向传输与耦合。二、选择题（每题2分，共20分，每题只有一个正确答案）以下不属于微波特点的是（）

A.频率高、波长短B.能穿透电离层C.传输损耗小D.绕射能力强理想传输线终端接特性阻抗Z₀时，其输入阻抗Zᵢₙ为（）

A.0B.∞C.Z₀D.Z₀/2矩形波导中，不能传播的波型是（）

A.TE₁₀B.TM₁₁C.TE₀₀D.TE₂₀传输线的反射系数Γ的模值范围是（）

A.0≤|Γ|≤1B.|Γ|≥1C.|Γ|≤0D.任意实数微波谐振腔的谐振频率主要取决于（）

A.腔的尺寸B.腔的材料C.激励方式D.负载大小S参数中，S₁₁表示（）

A.端口2接匹配负载时，端口1的反射系数B.端口1接匹配负载时，端口2的反射系数C.端口2接匹配负载时，端口1到端口2的传输系数D.端口1接匹配负载时，端口2到端口1的传输系数以下哪种传输线适合用于微波频段的长距离传输（）

A.平行双线B.同轴线C.波导D.微带线当传输线终端短路时，其电压驻波比VSWR为（）

A.0B.1C.∞D.不确定定向耦合器的耦合度定义为（）

A.入射波功率与耦合波功率的比值B.耦合波功率与入射波功率的比值C.入射波功率与隔离波功率的比值D.隔离波功率与入射波功率的比值微波放大器的核心部件是（）

A.谐振腔B.定向耦合器C.微波晶体管D.衰减器三、判断题（每题1分，共10分，对的打“√”，错的打“×”）微波的频率越高，其传输损耗越大。（）理想传输线没有损耗，因此传输功率不会衰减。（）矩形波导的宽边a必须大于波长的一半，否则无法传播电磁波。（）传输线的驻波比越大，说明反射越弱。（）TM波（横磁波）的电场方向与波的传播方向垂直。（）微波网络的S参数具有互易性，即Sᵢⱼ=Sⱼᵢ。（）谐振腔的品质因数Q值越高，其谐振带宽越窄。（）微带线适合用于集成化微波电路。（）定向耦合器的隔离度越高，说明其反向耦合的功率越小。（）微波振荡器的输出频率必须等于谐振腔的谐振频率。（）四、简答题（每题5分，共30分）简述微波的主要应用领域，并举例说明。什么是传输线的特性阻抗？影响实际传输线特性阻抗的因素有哪些？简述矩形波导中TE₁₀波的场结构特点。什么是微波网络的散射参数（S参数）？其优点是什么？简述微波谐振腔的工作原理，以及其主要应用。定向耦合器的主要功能是什么？如何判断其耦合方向？五、计算题（每题10分，共20分）有一特性阻抗Z₀=50Ω的无耗传输线，终端接负载阻抗Z_L=100Ω，工作频率f=3GHz，传输线长度l=0.25λ。求：（1）传输线的反射系数Γ；（2）电压驻波比VSWR；（3）输入阻抗Zᵢₙ。矩形波导的宽边a=8cm，窄边b=4cm，工作频率f=10GHz。求：（1）TE₁₀波的截止频率f_c；（2）TE₁₀波的波导波长λ_g；（3）若波导中填充相对介电常数εᵣ=4的介质，TE₁₀波的截止频率和波导波长会发生什么变化？参考答案（附解析）一、填空题3×10⁸；3×10¹¹；1；0.001（解析：微波频率范围通常定义为300MHz至300GHz，对应波长1m至0.001m）入射电压；入射电流；频率（解析：特性阻抗是传输线的固有参数，理想情况下与频率无关）行波；驻波；行驻波；行波（解析：终端接匹配负载时为行波，短路/开路时为驻波，其余为行驻波）主模；2a（解析：矩形波导中TE₁₀波是最低次模，即主模，截止波长仅与宽边a有关）j；i；反射波；i（解析：Sᵢⱼ的下标含义：第一个下标为反射/传输端口，第二个下标为入射端口）储能与耗能；选频特性（解析：Q值越高，谐振腔的储能效率越高，选频能力越强）耦合度；隔离度；定向性；微波信号（解析：定向耦合器核心参数决定其耦合性能，实现信号的定向分配）二、选择题D（解析：微波波长短，绕射能力弱，直线传播特性强）C（解析：终端接特性阻抗时，传输线无反射，输入阻抗等于特性阻抗）C（解析：TE₀₀波不存在，因为其场分量为零，无法传播）A（解析：反射系数模值范围为0到1，无反射时为0，全反射时为1）A（解析：谐振腔的谐振频率主要由其几何尺寸决定，材料和负载影响较小）A（解析：S₁₁是端口2接匹配负载时，端口1的反射系数）B（解析：同轴线损耗较小，适合长距离微波传输，波导多用于短距离和高频段）C（解析：终端短路时，反射系数模值为1，驻波比VSWR=（1+|Γ|）/（1-|Γ|）=∞）A（解析：耦合度定义为入射波功率与耦合波功率的比值，常用分贝表示）C（解析：微波晶体管是微波放大器的核心，实现信号的放大）三、判断题√（解析：频率越高，传输过程中的辐射损耗、介质损耗等越大）√（解析：理想传输线无损耗，功率沿传输线无衰减传输）√（解析：矩形波导传播TE₁₀波的条件是a>λ/2，否则截止）×（解析：驻波比越大，反射越强，驻波比=1时无反射）√（解析：TM波的电场垂直于传播方向，磁场有传播方向分量）√（解析：互易微波网络的S参数满足Sᵢⱼ=Sⱼᵢ，大多数微波元件为互易网络）√（解析：Q值与带宽成反比，Q越高，带宽越窄，选频性越好）√（解析：微带线体积小、重量轻，适合集成化微波电路，如手机射频模块）√（解析：隔离度越高，反向耦合的功率越小，定向性越好）√（解析：微波振荡器通过谐振腔选频，输出频率等于谐振腔的谐振频率）四、简答题（核心要点）答：主要应用领域包括：①通信领域（如微波中继通信、卫星通信、5G移动通信）；②雷达领域（如军用雷达、气象雷达）；③医疗领域（如微波理疗、微波手术刀）；④工业领域（如微波加热、微波干燥）；⑤科研领域（如微波等离子体、微波光谱分析）。（举例合理即可）答：特性阻抗是传输线中入射电压与入射电流的比值，是传输线的固有参数。影响实际传输线特性阻抗的因素有：传输线的几何尺寸（如线径、间距）、填充介质的介电常数和磁导率、工作频率（实际传输线存在色散，频率影响阻抗）。答：TE₁₀波的场结构特点：①电场只有y方向分量，沿x方向按正弦规律分布，在x=0和x=a处为零，在x=a/2处最大；②磁场有x和z方向分量，沿x方向也按正弦规律分布；③场分量沿y方向均匀分布，与y无关；④波沿z方向传播，无y方向传播分量。答：S参数是描述微波网络端口间反射和传输特性的参数，定义为端口接匹配负载时，各端口的反射波、传输波与入射波的比值。优点：①适合高频微波网络，测量方便（无需开路、短路负载，仅需匹配负载）；②物理意义明确，直接反映端口的反射和传输性能；③可通过测量直接获取，便于工程应用。答：工作原理：微波谐振腔是封闭的金属空腔，电磁波在腔内来回反射，当入射波频率与腔的谐振频率相等时，发生谐振，腔内形成驻波，能量被集中存储。主要应用：①微波振荡器的选频元件；②微波滤波器；③微波测量中的标准负载、波长计。答：主要功能：将微波信号按一定比例定向耦合到另一端口，实现信号的分配、取样或监测，且不影响主信号的传输。判断耦合方向：通过测量各端口的功率，耦合端口（有耦合信号输出）与入射端口、传输端口的方向一致，隔离端口（无耦合信号或信号极弱）与耦合方向相反。五、计算题（详细解析）解：

（1）反射系数Γ的计算公式：Γ=(Z_L-Z₀)/(Z_L+Z₀)代入数据：Z₀=50Ω，Z_L=100Ω，得Γ=(100-50)/(100+50)=50/150=1/3≈0.333（模值），相位为0°。（2）电压驻波比VSWR的计算公式：VSWR=(1+|Γ|)/(1-|Γ|)代入|Γ|=1/3，得VSWR=(1+1/3)/(1-1/3)=(4/3)/(2/3)=2。（3）输入阻抗Zᵢₙ的计算公式：Zᵢₙ=Z₀×(Z_L+jZ₀tan(βl))/(Z₀+jZ_Ltan(βl))，其中β=2π/λ，l=0.25λ，故βl=π/2，tan(βl)=∞。简化得：Zᵢₙ=Z₀²/Z_L=(50)²/100=2500/100=25Ω。答：（1）反射系数Γ=1/3；（2）电压驻波比VSWR=2；（3）输入阻抗Zᵢₙ=25Ω。解：

（1）TE₁₀波的截止频率f_c=c/(2a√εᵣ)，其中c=3×10⁸m/s，a=0.08m，空气介质εᵣ=1。代入数据：f_c=3×10⁸/(2×0.08×1)=3×10⁸/0.16≈1.875×10⁹Hz=1.875GHz。（2）工作波长λ=c/f=3×10⁸/(10×10⁹)=0.03m=3cm。波导波长λ_g=λ/√(1-(f_c/f)²)=0.03/√(1-(1.875/10)²)=0.03/√(1-0.03515625)=0.03/√0.96484375≈0.03/0.982≈0.0305m=3.05cm。（3）填充εᵣ=4的介质后，截止频率f_c'=c/(2a√εᵣ)=1.875GHz/√4=1.875/2=0.9375