微波技术与天线复习纲要1.ppt

1、微波技术与天线复习纲要,*说明A/B卷题型与考点 *交代各章要点，主要公式和主要结论,A卷题型说明： *填空每空1分，共20分，内容涉及Smith园图的特征、S参数的物理意义、振子的方向图特点等，共5小题。 *判断题，每题2分，10题共20分，涉及对各章结论、器件特性、有关的电磁现象等的认识。 *简述2题，每题5分共10分，一题与微波技术（第一章）有关，一题与天线阵有关。,*计算题3题，每题10分，共30分 内容涉及传输线的阻抗、反射系数计算 匹配双T+环形器的S参数表达 电场振子天线收发时的场强计算，接受功率 计算 *综合计算题20分 内容为平行耦合器的用于负载功率监测时的功率耦合关系计算。

2、,B卷题型说明： *填空每空1分，共20分，内容涉及Smith园图的特征、功率的单位、微带线的特点、阵列天线的特点等方面，共5小题。 *判断题，每题2分，10题共20分，涉及对各章结论、器件特性、有关的电磁现象等的认识。 *简述2题，每题5分共10分，一题与微波技术的阻抗匹配有关，一题与视距传播的特性有关。,*计算题2题，每题15分，共30分 一题与传输线的阻抗、反射系数，负载功率计算计算有关 一题为传输线的结构已知，先求归一化的a阵，转化S阵，在进一步计算插入相移，插入衰减、输入驻波比等指标 *综合计算题20分 内容为二元天线阵的方向函数推导，特定场点位置上的场强计算。,填空、判断一般与平时

3、的演示，仿真实验所涉及的电磁现象有关 计算部分与课堂理想、作业等内容有关。,课程各章要点归纳： *作为电磁场与电磁波理论的后续课程，微波技术与天线理论围绕：频率、阻抗、功率（射频铁三角）研究传输线（特性、适用场合）、配合传输线型研究结构、元器件、各种功能电路实现，进而深入到系统级的应用。 课程内容上有三个部分：微波的无源器件、电路，微波的有源电路（可与高频相结合），传播信道，天线等 课程内容上公式较多，图表较多，指标的定义复杂、相互转换的关系较多，计算需要明确方向（借助于Mathcad软件辅助）。工具软件较多,学习这门课的第一个层面：了解指标体系（定义，工程单位，计算、转换关系，测量的方法）

4、第二个层面：研究对比结构（了解其特性，借助于仿真研究其作用，积累工程经验），一个电路功能可能有多种不同的实现方案 第三个层面：关注辅助软件的使用，仿真工具的元件库的使用（属性的设置），相关仪器的使用（有相应的操作要领） 第四个层面:借助于微波有关论坛，了解应用背景。,绪论：了解一些无线通信系统常用的频段， 频谱划分,微波一般指300MHz300Gz之间,注意到分布参数器件的特点： *在指定的参考面，位置下表达物理量 *不同频段、不同工作模式下有不同的等效模型 ，不同的特性 *分布参数下物理量、指标具有不确定性 微波系统一般认为只有频率、（入射、反射波的）功率，相位能够准确测量，许多指标需要间接

5、转换,第一章：路的观点方向纵向传播关系 *分析简化，基于路的概念定义的指标测量方便，许多突变结构可以等效为微波电路网络去分析和测量 *了解无耗线的结果（坐标的原点在负载处）,U(z)=U+(z)+U-(z)=A1e +z+A2e z (1- 1- 7a),式中, A1, A2为待定系数,分别是入射波与反射波的振幅. 由边界条件确定。,对于无耗传输线 的解,负号,这对式子说明: *什么位置上电压、电流出现波节点，波腹点 *为什么电压波节点，电流波腹点阻抗为Rmin，电压波腹点、电流波节点上阻抗为Rmax（负载的功率计算可能用上）,无耗线的终端已知解,派生出五点推论：,五点重要推论:,了解一些开路

6、、短路线的应用实例（考点）,上式说明等反射系数圆的特点：,16,（A卷考点）例:传输线电路如图，试求：(1) AA点的输入阻抗 ;(2) B、C、D、E各点的反射系数; (3) AB、BC、CD、BE各段的驻波比 。,求解方法：先支路后干线，从负载端向信号源端的次序解题。题中，AB、BC、CD、BE段都是无耗均匀传输线，通常称AB段为主线。,图2-3-2,17,例 （1） AA点的输入阻抗,图2-3-2,18,例 （2） B、C、D、E各点的反射系数,图2-3-2,19,输入阻抗、反射系数和驻波比,例: （3） AB、BC、CD、BE各段的驻波比,图2-3-2,图 1- 3 终端短路线中的纯驻

7、波状态 等效电路,注意短路、开路的等效电路,经典题例,B卷要掌握负载的功率计算（参见习题1.8，1.9等）,本章在A/B卷中均有一个简述问题（开放式的问题）,了解微波功率单位dBm与W或mW之间的转换 结合S参数了解（无耗线）回波损耗、插入损耗的关系,功率计算在A卷中放在定向耦合器上，在B卷中放在传输线上,了解阻抗匹配的意义，结合Smith园图和仿真实验了解匹配的实现方法（一个问题有多种实现方式），单枝节匹配的定量分析计算略,电感区域，电容的区域，特征的点、线、圆的位置。 串传输线、串电感、电容的轨迹变化，并电感、电容的轨迹变化，实轴的读数有什么含义等问题,为什么实轴的读数既是Rmax又是驻波

8、比,Smith Chart8射 頻 操,1.串電感,27,4.並電容,2.串電容,5.串傳輸線,3.並電感,射 頻 操(意义重大),用于改造轨迹，实现匹配时提供方向）,了解同轴线结构特殊尺寸的意义,第二章：内容大部分被压缩，只需了解主要的工程结论 波导虽是经典的微波传输线，但在通信系统的的使用不如光纤、同轴线、微带广泛 矩形波导、圆柱波导、平行双线、同轴、微带、光纤等的特性，使用场合,矩形波导中模式下标m,n的取值特点，模式成为传播态的条件。 主模TE10单模改造的条件：、,或写作,单模工作的条件说明，矩形波导适合用于1G以上的频率，频率较低时，尺寸过大 脊波导是在不增加尺寸的情况下增加相对带

9、宽的一种改进结构 矩形波导特点;大功率、窄带、色散、用于厘米波、毫米波波段,图 2 4 矩形波导TE10模的场分布图(重要),(记住场图结构电场在y方向,磁场在x，z方向且闭合),圆柱波导的主模TE11 圆对称模TM01 低损模TE01的特点，用途 模式下标m,n的含义 简并的特点等问题 模式间的激励、转换关系,第三章：微带、耦合微带的特性 微带主要了解其特性的工程结论及其理论依据，更重要的是结合第五章研究微带结构的电路功能（以及ADS仿真结论）,*重点了解微带线的传输特性：（包括工作模式，弱色散的工作频率范围，介电系数对器件性能的影响，w/h变化对阻抗的影响，微带实现的电路的常见结构，微带尺

10、寸的选择等方面，后续讨论要注意处理微带结构的等效电路）,掌握用工具软件计算特性阻抗与尺寸,微带线的基本关系尺寸一定，频率一定时,介电系数高则等效介电系数大,介电系数高则特性阻抗减小大,介电系数高则相速慢,介电系数高则损耗大,微带线的基本关系尺寸一定，频率一定时,介电系数高则准波的频带变窄,介电系数高则器件尺寸变小（唯一有利的一点）,介电系数高则准波的频带变窄,微带线的基本关系介电系数一定基板厚度一定，频率一定时,微带线的基本特性： *准TEM波，弱色散（5G一下时，5G以上色散显著），宽带传输线。 *一般使用频率范围在100M100G左右，一定尺寸下频率高到一定程度出现高次模 介电系数高则频带

11、变窄 *衰减包括导带衰减，介质衰减（介电系数高则介质衰减大）和辐射衰减三部分 *特性阻抗取决于介电系数，填充系数，w/h比所决定的电容，介电系数高则特性阻抗变低，w/h变大则特性阻抗变低，利用高低阻抗变化可制作分布参数电抗元件 *传播相速随等效介电系数增大而降低 *工作波长随等效介电系数增大而减小，工作频率较低时，可利用介电系数较高的基板使器件小型化。 *微带一般时候用于小功率场合 *利用微带线的辐射能力可制作平面印制的天线或天线阵 *微带线的理论建模和仿真都只是近似的结果,有关习题讨论,微带线阶梯及其等效电路,A,B,收窄等效串电感，另一种结构是收窄做成环形结构或螺旋结构,高低阻抗微带线实现

12、串联电感,了解微带结构的等效电路,微带线阶梯及其等效电路,A,B,并联电抗元件的另一种实现为并联短路、开路支架，控制其长度,高低阻抗微带线实现并联电容,高低阻抗线微带线实现滤波电路,等效电路为,微波滤波器的并联支架实现,由 波长传输线构成的倒置变换器与 波长谐振器构成的微带带通滤波器,或者为如下结构（实现什么电路功能，画出等效电路，有待实验仿真）,图 3 8 对称耦合微带线的等效电路,了解耦合微带的耦合口，隔离口判断,主线,副线,1口输入,2口输出,3口耦合输出,4口隔离,控制好平行线的耦合关系，可以实现主线在1口输入，2口输出时，副线上只有3口有耦合输出，4口无隔离无信号,特定频率的信号因开

13、路只能串入副线，其他频率的信号不同程度被滤掉，形成带阻滤波，此结构比高低阻抗的微带结构紧凑,为什么这一结构称为带通滤波,特性阻抗表现为偶模大于奇模。 电容为奇模大于偶模 奇模相速大于偶模相速 意味着差动信号传输速度较快，也意味着差动程度不同的信号传输速度不一样。,奇模相速大于偶模相速 意味着差动信号传输速度较快，也意味着差动程度不同的信号传输速度不一样。 了解这些结论的依据（判断题有关） 耦合微带需要明确奇模、偶模阻抗，用工具软件来计算尺寸,第四章 *微波系统等效成微波网络的前提条件、意义 *均匀结构等效成传输线，不均匀结构等效为微波网络 *微波网络的分类，性质,本章关注：归一化的定义,a阵与

14、S阵的相互关系，微波网络采用S参数的优点，S参数的物理意义（主要有6点），网络性质与S参数的关系，S参数与传输外特性的关系（注意表4-1，4-2的结论）,注意电流的方向,基于模式电压、电流引入的参数如下,若将各端口的电压和电流分别对自身特性阻抗归一化, 则有,若将网络各端口电压、 电流对自身特性阻抗归一化后, 得,(4-3-16),其中，,定义,归一化电压、电流,归一化转移矩阵的定义,已知典型级联结构，先求a阵，转换S阵，是B卷15分的计算题的考点 表4-2注意典型结构归一化a阵的结果。,采用S参数的优点,参数在微波网络理论中获得广泛运用原因之一 参量涉及的自变量和因变量是微波技术中广为关心的

15、入射波和反射波，能够测量。,参量在微波网络理论中获广泛运用原因之二网络参考面移动对参量影响最小。,参量在微波网络理论中获广泛运用原因之三参量在实验室内很容易测量出来。,参量在微波网络理论中最广泛运用原因之四参量决定了二端口微波网络的工作特性参量。,S参数是唯一能够测量的网络参数，据此可以转换其他参数,表示端口2匹配时, 端口1的反射系数,表示端口1匹配时, 端口2的反射系数,表示端口1匹配时, 端口2到端口1的反向传输系数,表示端口2匹配时, 端口1到端口2的正向传输系数,2口的入射波为0，即2端口接匹配负载，无反射，1口的回波为网络内部结构引起,物理意义,二端口互易、对称、无耗网络S参数的性

16、质（考点） a阵与S参数的转换,本章题例： 补充题:,A卷有关,：网络结构如下: *计算归一化是a阵和S参数*计算电压传输系数，插入相移，插入衰减和输入驻波比,T1,T2,B卷有关,第五章： 关注矩形波导的ET分支，H-T分支，模T，环形器，耦合微带的特性，S参数及应用,补充题例一：,如图所示E-T分支，其臂2接短路活塞，请问短路活塞与对称中心平面的距离l为多少时，臂3的负载得到最大功率或最小功率？,解：,2端口输出的信号经短路器全部反射回来。 当第二个端口的反射信号与1端口的信号同相时，3端口输出的信号为差信号；如果反射波与1端口的信号反相时，3端口输出为最大。,注意这些题例,又由于短路器的

17、反射系数为-1，即有p的相位差。 当l=lg/4时，波由A点经短路器的反射回至A点所走过的路程为2l= lg/2，由路程所提相位差为p，加上短路反射所得相位差p，因此，当波回A点时与1端口的入射波为同相，因此，3端口的输出为最小功率。,当l=lg/2时，波由A点经短路器的反射回至A点所走过的路程为2l= lg，由路程所提相位差为2p，加上短路反射所得相位差p，因此，当波回A点时与1端口的入射波为反相，因此，3端口的输出为最大功率。,思考：如果信号从1口入，从2口出，3口E面分支接短路活塞，则 接多长时可使2口获得最大的输出功率， 接多长时可使2口获最小的输出功率，根据E-T的S参数，说明其最大

18、输出功率和最小输出功率是入射波功率的百分之多少？,1口入,2口出,3口接短路活塞,思考：对于H-T分支，1口入，2口出，3口接短路活塞，2口获得最大功率输出或最小功率输出的条件是什么，结果是1口输入功率的百分之几,1口入,2口出,3口接短路活塞,写如下结构的S参数,补充题例八：定向耦合器用于功率监测 定向耦合器的耦合关系如图所示：其方向性为无穷大，耦合度为20db，用此定向耦合器监测输出到负载 的功率，1口为匹配信号源，功率计 的读数为8mW，它对3壁的驻波比为2.0，功率计 读数为2mW,它对4壁匹配。,负载,匹配信号源,1口,2口,4口,3口,（1)计算负载 吸收的功率 （2）计算2壁的驻波比,此题要正确理解功率的信号分配关系，同时要准确理解指标的定义 1口为匹配信号源，只存在 来自失配负载和失配功率计 所形成的 被匹配信号源功率吸收，1口的入波传递到负载的同时耦合到3口的功率计 ，方向性无穷大说明1口对4口完全隔离,2口为失配负载，吸收 同时存在 传递回1口并耦合到4口，被两者吸收,3口为失配功率计，形成反射波 部分传递到4口成为 读数的一部分， 的读数为,4口接匹配功率计，只存在 ,1mW来自3口的反射，1mW来自2口负载反射波的耦合，根据20db的耦合系数，2口 的反射功率为100mW,因此2口的吸收功率为：,因此2口的吸收功率为791W，反射系数为：,此题