微波技术与天线复习大纲

微波技术与天线复习大纲

绪论

一、基本概念

1、什么是微波，微波的波段如何划分？

答：微波是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，频率围从300MHz到30 00GHz，波长从0.1mm到1m。

通常，微波波段分为米波、厘米波毫米和亚毫米波四个波段。

2、微波有何特点及特性？

答：似光性；穿透性；宽频带特性；热效应性；散射性；抗低频干扰性；视距传播性；分布参数的不确定性；电磁兼容和电磁环境污染。

第一章均匀传输线理论

一、基本概念

1、什么是微波传输线（或导波系统）？

答：微波传输线（或导波系统）是用以传输信息和能量的各种形式的传输系统的总称。它的作用是引导电磁波沿一定的方向传输，因此又称为导波系统，它所引导的电磁波称为导行波。

2、什么是均匀传输线，它是如何分类的？

答：截面尺寸、形状、媒质分布、材料及边界条件均不变的导波系统成为规则导波系统或均匀传输线。

可大致分为三种类型：

（1）双导体传输线（或TEM波传输线）；由两根或两根以上的平行导体构成，主要包括平行双线、同轴线、带状线和微带线等。由于其上传输的电磁波是TEM波或准TEM波，所以又称为TEM波传输线。

（2）波导：均匀填充介质的金属波导管，主要包括矩形波导，圆波导、脊形波导和椭圆波导等。

（3）介质传输线：因电磁波沿此类传输线表面传播，故又称为表面波波导，主要包括介质波导，镜像线和单根表面波传输线等。

二、计算题（一般是课后练习题）

1.1 设一特性阻抗为50Ω的均匀传输线终端接负载R1=100Ω，求负载反射系数。在负载0.2，0.25及0.5处的输入阻抗及反射系数分别为多少？

解：，

，，

由于，，故当分别为0.2，0.25及0.5时有：

，

将上述所算得的反射系数带入求输入阻抗的公式则有

（化简略）

1.4 有一特性阻抗=50Ω的无耗均匀传输线，导体间的媒质参数=

2.25，=1，终接=1Ω的负载。当=100MHz时，其线长度为。试求：

（1）传输线的实际长度。（2）负载终端反射系数。（3）输入端反射系数。（4）输入端阻抗。

解：先求波长，欲求波长应知道波的传播速度（一下简称为波速）。

波速

其中，分别是自由空间中电介质常数和磁导率常数，分别是相对电介质常数和相对磁导率常数，为光速。

，，于是，

（1）传输线的实际长度

（2）负载终端反射系数

（3）输入端反射系数

（4）输入端阻抗

1.11 设特性阻抗为=50Ω的无耗均匀传输线，终端接有负载阻抗Ω为复阻抗时，可以用一下方法实现阻抗变换器匹配：即在终端或在阻抗变换器前并接一段终端短路线，试分别求这两种情况下阻抗变换器的特性阻抗及短路线长度。

解：图(a)中的短路线的输入导纳为，，

由，可得到短路线的长度，此时终端等效为纯电阻，即。因此阻抗变换器的特性阻抗为。

图(b)中的终端负载经过阻抗变换器变换后的输入导纳为，短路线的输入导纳为，由，可得到阻抗变换器的特性阻抗及短路线的长度，。

第二章规则金属波导

一、基本概念

1、规则金属波导是用什么方法来分析的？

答：一般采用场分析的方法，即麦克斯韦方程组加边界条件的方法。

2、试写出金属波导部的电磁波满足的矢量亥姆霍兹方程。

答：

其中

3、试说明为什么规则金属波导不能传输TEM波？

答：如果部存在TEM波，则要求磁场应完全在波导的横截面，而且是闭合曲线。由麦克斯韦第一方程知，闭合曲线上磁场的积分应等于与曲线相交链的电流。由于空心金属波导中不存在轴向（即传播方向）的传导电流，所以必要求有传播方向的位移电流。由于位移电流为，这就要求在传播方向有电场存在。显然，这个结论与TEM波（即不存在传播方向的电场也不存在传播方向的磁场）的定义相互矛盾，所以，规则金属波导不能传播TEM波。

二、计算题（一般是课后练习题）

2.2 矩形波导的横截面尺寸为,,将自由空间波长为、和的信号接入此波导，能否传输？若能，出现哪些模式？

解：当时信号能传输，矩形波导中各模式的截止波长

，，

因此，的信号不能传输；的信号能传输。工作在主模，的信号能传输，矩形波导存在三种模式。

第三章微波集成传输线

一、基本概念

1、什么是微波集成传输线？

答：它是由微波技术与半导体器件及集成电路结合而成的，从而产生了集成化的平面结构的微波传输线，集成化的微波传输线称为微波集成传输线。

2、微波集成传输线具有何特点？

答：（1）体积小、重量轻、性能好，一致性号，成本低；（2）具有平面结构，通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性。

3、微波集成传输线可分哪几类，各类主要有那些？

答：（1）准TEM波传输线，主要有微带传输线和共面波导管；

（2）非TEM波传输线，主要有槽线、鳍线等；

（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。

二、计算题（一般是课后练习题）

3.1 微带工作在什么模式？其相速度和光速、带波长与空间波长分别有什么关系？

答：微带工作在TEM模下，TM模中最低次模是模，其截止波长为，在模，其截止波长为，其相速度和光速的关系为，带波长与空间波长的关系为

3.2 一根以聚四乙烯（）为填充介质的带状线，已知,,，求此带状线的特性阻抗及其不出现高次模的最高工作频率。

解：根据公式（教材第59页3-1-4）可求得特性阻抗。带状线的主模式为TEM 模，若尺寸选择不好也会引起高次模，为了抑制高次模，带状线的最短工作波长应满足：，，，因此，所以其最高工作频率为

3.7 证明耦合系数与奇、偶特性阻抗存在以下关系：

证明：由于，因此有?

3.12 介质波导到模的截止条件是什么？与传统的金属波导相比它有哪些特点？

答：（圆形）介质波导的也和金属波导一样有截止现象，他们在截止时是简并的，其截止频率均为，式中，是零阶贝塞尔函数的第个根。特别地，时，有，，因此当时，（圆形）介质波导可实现单模传输。

其优点是：

（1）在很宽的频带和较大的直径变化围，模的损耗较小；

（2）它可以直接由矩形波导的主模激励，而不需要波形变换。

3.13 已知光纤直径，，求单模工作的频率围。

解：由，，

，取，则

3.14 已知的阶跃光纤，求的单模光纤的直径，并求此光纤的NA。

解：取，由得，。

另外，

第四章微波网络基础

一、基本概念

1、什么是微波网络？

答：在分析电磁场分布基础上，用“路”的分析方法将微波元件用电抗或电阻网络来等效，将波导传输系统用传输线来等效，从而将实际的微波系统简化为微波网络。

2、什么是网络分析？

答：借助于“路”的分析方法，通过分析网络的外部特性，总结出系统的一般传输特性，如功率传递、阻抗匹配等。

3、什么是网络综合？

答：根据微波元件的工作特性设计出要求的微波网络，从而用一定的微波结构来实现。

二、计算题（一般是课后练习题）

4.2 试求图示网络的[A]矩阵，并确定不引起附加反射的条件。

解：该题可分解为三个网络的级联分别可如教材93页表4-2的“并联导纳”、“短截线”、“并联导纳”。这三个网络的A矩阵分别为

，，

于是，

其中

4.4 试求图示终端接匹配负载时的输入阻抗，并求出输入端匹配的条件。

解：

为了不引起反射，则需，从而有，，一般可取

4.5 设某系统如图所示，双端口网络为无耗互易对称网络，在终端参考面T2处接匹配负载，测得距参考面T1距离处为电压波节点，驻波系数为1.5，试求该双端口网络的散射矩阵。

解：设参考面T1处的反射系数为，其模值和相位为：

，，因此有，

由[S]参数的定义知，

根据网络的互易性有，，网络的对称性有。

根据网络无耗的性质：

于是我们可以得到两个方程：

解上述方程可得：，故而，

4.6 试求如图所示并联网络的[S]矩阵。

解：分别设端口1和端口的入射波和反射波为，端口1和2的电压和电流分别为和。分别对端口1列出其电压和电流方程，

根据入射波、反射波与电压、电流的关系

，

经变换得到：

，

第五章微波元器件

一、基本概念

1、什么是微波元件？

答：在微波系统中，实现信号的产生、放大、变频、匹配、分配、滤波等功能的部件，称之为微波元件。

2、微波元件可分哪些类，各类主要是那些？

答：微波元器件按其变换性质可分为线性互易元器件、线性非互易元器件及非线性元器件三大类。