微波技術(shù)與天線復(fù)習(xí)題

1、微波技術(shù)與天線復(fù)習(xí)題一、 填空題1微波與電磁波譜中介于（超短波）與（紅外線）之間的波段，它屬于無線電波中波長(zhǎng)（最短）的波段，其頻率范圍從（300MHz）至（3000GHz）,通常以將微波波段劃分為（分米波）、（厘米波）、（毫米波）和（亞毫米波）四個(gè)分波段。2對(duì)傳輸線場(chǎng)分析方法是從（麥克斯韋方程）出發(fā)，求滿足（邊界條件）的波動(dòng)解，得出傳輸線上（電場(chǎng)）和（磁場(chǎng)）的表達(dá)式，進(jìn)而分析（傳輸特性）。3無耗傳輸線的狀態(tài)有（行波狀態(tài)）、（駐波狀態(tài)）、（行、駐波狀態(tài)）。4在波導(dǎo)中產(chǎn)生各種形式的導(dǎo)行模稱為波導(dǎo)的（激勵(lì)），從波導(dǎo)中提取微波信息稱為波導(dǎo)的（耦合），波導(dǎo)的激勵(lì)與耦合的本質(zhì)是電磁波的（輻射）和（接收），

2、由于輻射和接收是（互易）的，因此激勵(lì)與耦合具有相同的（場(chǎng)）結(jié)構(gòu)。5微波集成電路是（微波技術(shù)）、（半導(dǎo)體器件）、（集成電路）的結(jié)合。6光纖損耗有（吸收損耗）、（散射損耗）、（其它損耗），光纖色散主要有（材料色散）、（波導(dǎo)色散）、（模間色散）。7在微波網(wǎng)絡(luò)中用（“路”）的分析方法只能得到元件的外部特性，但它可以給出系統(tǒng)的一般（傳輸特性），如功率傳遞、阻抗匹配等，而且這些結(jié)果可以通過（實(shí)際測(cè)量）的方法來驗(yàn)證。另外還可以根據(jù)微波元件的工作特性（綜合）出要求的微波網(wǎng)絡(luò)，從而用一定的（微波結(jié)構(gòu)）實(shí)現(xiàn)它，這就是微波網(wǎng)絡(luò)的綜合。8微波非線性元器件能引起（頻率）的改變，從而實(shí)現(xiàn)（放大）、（調(diào)制）、（變頻）等功能

3、。9電波傳播的方式有（視路傳播）、（天波傳播）、（地面波傳播）、（不均勻媒質(zhì)傳播）四種方式。10面天線所載的電流是（沿天線體的金屬表面分布），且面天線的口徑尺寸遠(yuǎn)大于（工作波長(zhǎng)），面天線常用在（微波波段）。11對(duì)傳輸線場(chǎng)分析方法是從（麥克斯韋方程）出發(fā)，求滿足（邊界條件）的波動(dòng)解，得出傳輸線上（電場(chǎng)）和（磁場(chǎng)）的表達(dá)式，進(jìn)而分析（傳輸特性）。12微波具有的主要特點(diǎn)是（似光性）、（穿透性）、（寬頻帶特性）、（熱效應(yīng)特性）、（散射特性）、（抗低頻干擾特性）。13對(duì)傳輸線等效電路分析方法是從（傳輸線方程）出發(fā)，求滿足（邊界條件）的電壓、電流波動(dòng)解，得出沿線（等效電壓、電流）的表達(dá)式，進(jìn)而分析（傳輸特

4、性），這種方法實(shí)質(zhì)上在一定條件下是（“化場(chǎng)為路”）的方法。14傳輸線的三種匹配狀態(tài)是（負(fù)載阻抗匹配）、（源阻抗匹配）、（共軛阻抗匹配）。15波導(dǎo)的激勵(lì)有（電激勵(lì)）、（磁激勵(lì)）、（電流激勵(lì)）三種形式。16只能傳輸（一種模式）的光纖稱為單模光纖，其特點(diǎn)是（頻帶很寬）、（容量很大），單模光纖所傳輸?shù)哪Ｊ綄?shí)際上是圓形介質(zhì)波導(dǎo)內(nèi)的主模（），它沒有（截止頻率）。17微波網(wǎng)絡(luò)是在分析（場(chǎng)）分布的基礎(chǔ)上，用（路）的分析方法，將微波元件等效為（電抗或電阻）元件，將實(shí)際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為（傳輸線），從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡(jiǎn)化為（微波網(wǎng)絡(luò)）。18微波元件是對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行必要的（處理）或（變換），微波元件按變換性質(zhì)可

5、以分為（線性互易元器件）、（非線性互易元器件）、（非線性元器件）三大類。19研究天線的實(shí)質(zhì)是研究天線在空間產(chǎn)生的（電磁場(chǎng)）分布，空間任意一點(diǎn)的電磁場(chǎng)都滿足（麥克斯韋方程）和（邊界條件），因此求解天線問題實(shí)質(zhì)是求解（電磁場(chǎng)方程并滿足邊界條件）。20橫向尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸并小于（波長(zhǎng)）的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)天線稱為線天線，它們廣泛地應(yīng)用于（通信、雷達(dá)）等無線電系統(tǒng)中，它的研究基礎(chǔ)是（等效傳輸線理論）。21用口徑場(chǎng)方法求解面天線的輻射場(chǎng)的方法是：先由場(chǎng)源求得口徑面上的（場(chǎng)分布），再求出天線的（輻射場(chǎng)），分析的基本依據(jù)是（惠更斯菲涅爾原理）。二、 問答題1、拋物面天線的工作原理是什么？(8分)答：置于拋物面天線焦

6、點(diǎn)的饋源將高頻導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變成電磁波能量并投向拋物反射面，如果饋源輻射理想的球面波，而且拋物面口徑尺寸為無限大時(shí)，則拋物面就把球面波變?yōu)槔硐氲钠矫娌ǎ芰垦豘軸正向傳播，其它方向的輻射為零，從而獲得很強(qiáng)的方向性。2、什么是視距傳播？簡(jiǎn)述其特點(diǎn)。（8分）1） 發(fā)射天線和接收天線處于相互能看得見的視線范圍內(nèi)的傳播方式叫視距傳播。.32） 特點(diǎn)為：.5a.b.大氣對(duì)電波將產(chǎn)生熱吸收和諧振吸收衰減。c.場(chǎng)量：3.什么是微波？其頻率范圍是多少？它分為幾個(gè)波段答：微波在電磁波譜中介于超短波與紅外線之間的波段，它屬于無線電波中波長(zhǎng)最短的波段，其頻率范圍從300MHz至3000GHz,通常以將微波波段劃分為分米

7、波、厘米波、毫米波和亞毫米波四個(gè)分波段。（7分）4.什么是波導(dǎo)的激勵(lì)和耦合？激勵(lì)與耦合的本質(zhì)是什么？激勵(lì)與耦合的場(chǎng)結(jié)構(gòu)是否相同？（5分）答：在波導(dǎo)中產(chǎn)生各種形式的導(dǎo)行模稱為波導(dǎo)的激勵(lì)，從波導(dǎo)中提取微波信息稱為波導(dǎo)的耦合，波導(dǎo)的激勵(lì)與耦合的本質(zhì)是電磁波的輻射和接收，由于輻射和接收是互易的，因此激勵(lì)與耦合具有相同的場(chǎng)結(jié)構(gòu)。5.微波具有的哪些主要特點(diǎn)（6分）答：微波具有的主要特點(diǎn)是似光性、穿透性、寬頻帶特性、熱效應(yīng)特性、散射特性、抗低頻干擾特性。6天線研究的實(shí)質(zhì)是什么？并闡述拋物面天線的工作原理（9分）答：研究天線的實(shí)質(zhì)是研究天線在空間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布，空間任意一點(diǎn)的電磁場(chǎng)都滿足麥克斯韋方程和邊界條

8、件，因此求解天線問題實(shí)質(zhì)是求解電磁場(chǎng)方程并滿足邊界條件。置于拋物面天線焦點(diǎn)的饋源將高頻導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變成電磁波能量并投向拋物反射面，如果饋源輻射理想的球面波，而且拋物面口徑尺寸為無限大時(shí)，則拋物面就把球面波變?yōu)槔硐氲钠矫娌ǎ芰垦豘軸正向傳播，其它方向的輻射為零，從而獲得很強(qiáng)的方向性。7什么是天波傳播？天波靜區(qū)的含義是什么？(5分)答：1）發(fā)射天線發(fā)射出的電波，在高空中被電離層反射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式叫天波傳播。.23） 當(dāng)時(shí)，以發(fā)射天線為中心的一定半徑內(nèi)不能有天波到達(dá)，從而形成一個(gè)靜區(qū)，這個(gè)靜區(qū)叫天波的靜區(qū)。.3四、解答題1、已知工作波長(zhǎng)，要求單模傳輸，試確定圓波導(dǎo)的半徑，并指出是什么模式？(

9、10分)解：1）明確圓波導(dǎo)中兩種模式的截止波長(zhǎng)：.42）題意要求單模傳輸，則應(yīng)滿足：33）結(jié)論：在時(shí)，可保證單模傳輸，此時(shí)傳輸?shù)哪Ｊ綖橹髂E1132、一卡塞格倫天線，其拋物面主面焦距：，若選用離心率為的雙曲副反射面，求等效拋物面的焦距。(5分)解：（1）寫出等效拋物面的焦距公式：.3（2） 將數(shù)據(jù)代入得：23、已知圓波導(dǎo)的直徑為5cm，填充空氣介質(zhì)，試求1） TE11、TE01、TM01三種模式的截止波長(zhǎng)2） 當(dāng)工作波長(zhǎng)分別為7cm,6cm,3cm時(shí)，波導(dǎo)中出現(xiàn)上述哪些模式。3） 當(dāng)工作波長(zhǎng)為時(shí)，求最低次模的波導(dǎo)波長(zhǎng)。(12分)解：1）求截止波長(zhǎng).3TE11：TM01：TE01:2）判斷.6

10、a當(dāng)工作波長(zhǎng)時(shí)，只出現(xiàn)主模TE11。b當(dāng)工作波長(zhǎng)，便出現(xiàn)TE11，TM01。c當(dāng)工作波長(zhǎng)，便出現(xiàn)TE11，TM01，TE01。3）求波導(dǎo)波長(zhǎng)34、一卡塞格倫天線，其拋物面主面焦距：，若選用離心率為的雙曲副反射面，求等效拋物面的焦距。(5分)解：1）寫出等效拋物面的焦距公式：.32）將數(shù)據(jù)代入得：2五計(jì)算題（共 61分，教師答題時(shí)間30分鐘）例 1- 4設(shè)無耗傳輸線的特性阻抗為50, 工作頻率為300MHz, 終端接有負(fù)載Zl=25+j75(), 試求串聯(lián)短路匹配支節(jié)離負(fù)載的距離l1及短路支節(jié)的長(zhǎng)度l2。 解: (1)求參數(shù)由工作頻率f=300MHz, 得工作波長(zhǎng)=1m。終端反射系數(shù) =0.33

11、3+j0.667=0.7454駐波系數(shù) (2)求長(zhǎng)度第一波腹點(diǎn)位置 （m）調(diào)配支節(jié)位置 (m)調(diào)配支節(jié)的長(zhǎng)度 圖 2 - 3 給出了標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-32各模式截止波長(zhǎng)分布圖。 例2-1 設(shè)某矩形波導(dǎo)的尺寸為a=8cm,b=4cm; 試求工作頻率在3GHz時(shí)該波導(dǎo)能傳輸?shù)哪Ｊ?。解?）結(jié)論可見，該波導(dǎo)在工作頻率為3GHz時(shí)只能傳輸TE10模例 6 -3確定電基本振子的輻射電阻。 解: 1）電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) 設(shè)不考慮歐姆損耗, 則根據(jù)式（6 -2 -4）知電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為2）求輻射功率將其代入式（6 -3 -7）得輻射功率為3） 所以輻射電阻為 例64一長(zhǎng)度為2h(hh, 因而在yOz面內(nèi)作下

12、列近似: 所以4）進(jìn)一步變換整個(gè)短振子的輻射場(chǎng)令積分：則因?yàn)閔時(shí), 電流三角分布時(shí)的輻射電阻和方向系數(shù)與電流正弦分布的輻射電阻和方向系數(shù)相同, 也就是說, 電流分布的微小差別不影響輻射特性。因此, 在分析天線的輻射特性時(shí), 當(dāng)天線上精確的電流分布難以求得時(shí), 可假設(shè)為正弦電流分布, 這正是后面對(duì)稱振子天線的分析基礎(chǔ)。7）有效長(zhǎng)度現(xiàn)在我們來討論其有效長(zhǎng)度。 根據(jù)有效長(zhǎng)度的定義, 歸于輸入點(diǎn)電流的有效長(zhǎng)度為這就是說, 長(zhǎng)度為2h、電流不均勻分布的短振子在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)與長(zhǎng)度為h、電流為均勻分布的振子在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)相等, 如圖 6 -10 所示。 由于輸入點(diǎn)電流等于波腹點(diǎn)電流, 所以歸

13、于輸入點(diǎn)電流的有效長(zhǎng)度等于歸于波腹點(diǎn)電流的有效長(zhǎng)度， 但一般情況下是不相等的。 6.4 接收天線理論例8-4畫出兩個(gè)平行于z軸放置且沿x方向排列的半波振子, 在d=/4、=/2時(shí)的H面和E面方向圖。 解:1) H面方向圖函數(shù) 將d=/4、=-/2 代入式（8-2-11），得到H面方向圖函數(shù)為 (8-2-14)天線陣的H面方向圖如圖811，在由圖811可見，在時(shí)輻射最大，而在時(shí)輻射為零，方向圖的最大輻射方向沿著陣的軸線（這也是端射陣）。請(qǐng)讀者自己分析其原因。 2) E面方向圖函數(shù)將d=/4、=/2代入式（8-2-10） ，得到E面方向圖函數(shù)為 (8-2-15)顯然，E面的陣方向圖函數(shù)必須考慮單個(gè)

14、振子的方向性。圖812示出了利用方向圖乘積定理得出的E面方向圖。由圖8-12可見, 單個(gè)振子的零值方向在=0和=180 處, 陣因子的零值在=270處, 所以, 陣方向圖共有三個(gè)零值方向, 即=0、=180、=270, 陣方向圖包含了一個(gè)主瓣和兩個(gè)旁瓣。例 9 -1設(shè)有一矩形口徑ab位于xOy平面內(nèi), 口徑場(chǎng)沿y方向線極化, 其口徑場(chǎng)的表達(dá)式為: , 即相位均勻, 振幅為三角形分布, 其中|x|。 求: xOy平面即H平面方向函數(shù); H面主瓣半功率寬度; 第一旁瓣電平; 口徑利用系數(shù)。解:1）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的一般表達(dá)式 根據(jù)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的一般表達(dá)式: （1） 求和一并代入上式, 并令=0得 ： 最后積分得其

15、中， 3）求H面方向函數(shù)所以其H面方向函數(shù)為4）求主瓣半功率波瓣寬度由求得主瓣半功率波瓣寬度為5）第一旁瓣電平為 6）求方向系數(shù)將和代入（9212）得方向系數(shù)：所以口徑利用系數(shù) =0.75。 可見口徑場(chǎng)振幅三角分布與余弦分布相比，主瓣寬度展寬, 旁瓣電平降低, 口徑利用系數(shù)降低。1 綜合類設(shè)無耗傳輸線的特性阻抗為50, 工作頻率為300MHz, 終端接有負(fù)載Zl=25+j75(), 試求串聯(lián)短路匹配支節(jié)離負(fù)載的距離及短路支節(jié)的長(zhǎng)度（只需要求一種情況）（16分）。 解: (1)求參數(shù)由工作頻率f=300MHz, 得工作波長(zhǎng)=1m。終端反射系數(shù) =0.333+j0.667=0.7454 駐波系數(shù)

16、(2)求長(zhǎng)度第一波腹點(diǎn)位置： （m）調(diào)配支節(jié)位置： (m)調(diào)配支節(jié)的長(zhǎng)度： 2三基類試證明工作波長(zhǎng), 波導(dǎo)波長(zhǎng)g和截止波長(zhǎng)c滿足以下關(guān)系（10分）: 證明：（1）明確關(guān)系式 （1） （2） （3） （4）（2）結(jié)論將（2）（3）、（4）代入（1）中得結(jié)論3 一般綜合試求圖示網(wǎng)絡(luò)的A矩陣, 并確定不引起附加反射的條件（12分）。 附：解：（1）將網(wǎng)絡(luò)分解成兩個(gè)并聯(lián)導(dǎo)納和短截線網(wǎng)絡(luò)的串接，于是網(wǎng)絡(luò)的A矩陣為：(2)查表4.2得到網(wǎng)絡(luò)的A矩陣為：則：4一般綜合一長(zhǎng)度為2h(h)中心饋電的短振子, 其電流分布為: , 其中I0為輸入電流, 也等于波腹電流Im , 已知短振子的輻射場(chǎng)（電場(chǎng)、 磁場(chǎng)）表達(dá)

17、式為：、試求: 輻射電阻 方向系數(shù)； 有效長(zhǎng)度。（15分） 解: 1）求短振子的輻射電阻由于短振子的輻射場(chǎng)為：則輻射功率為將和代入上式, 同時(shí)考慮到短振子的輻射電阻為2）方向系數(shù)為3）有效長(zhǎng)度歸于輸入點(diǎn)電流的有效長(zhǎng)度為5三基類有兩個(gè)平行于z軸并沿x軸方向排列的半波振子, 已知半波振子的方向函數(shù)為：陣因子為：，其中 ；當(dāng)d=/4, =/2時(shí)，試分別求其E面和H面方向函數(shù), （8分）解：（1）由方向圖乘積定理：二元陣的方向函數(shù)等于元因子和陣因子方向函數(shù)之乘積，于是有：其中：(2)當(dāng)時(shí)，得到E面方向函數(shù)：(3)當(dāng)時(shí)，得到H面方向函數(shù)：1綜合類 一均勻無耗傳輸線的特性阻抗為70,負(fù)載阻抗為Zl=70+

18、j140, 工作波長(zhǎng)=20cm。試計(jì)算串聯(lián)支節(jié)匹配器的位置和長(zhǎng)度（16分）。解：(1)求終端反射系數(shù) (2)求駐波比（3）求串聯(lián)支節(jié)的位置（4）調(diào)配支節(jié)的長(zhǎng)度： 2三基類設(shè)某矩形波導(dǎo)的尺寸為a=8cm,b=4cm; 試求工作頻率在3GHz時(shí)該波導(dǎo)能傳輸?shù)哪Ｊ?。?0分）解： 3）結(jié)論可見，該波導(dǎo)在工作頻率為3GHz時(shí)只能傳輸TE10模3一般綜合試求如圖所示并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的S 矩陣。（14分） 解:(1)寫出參數(shù)方程（2）根據(jù)入射波、反射波與電壓、電流的關(guān)系：，（3）由（1）、（2）變換得到：(4)結(jié)論4一般綜合長(zhǎng)度為2h(h)沿z軸放置的短振子, 中心饋電, 其電流分布為I(z)=Imsink(h-

19、|z|), 式中k=2/, 知短振子的輻射場(chǎng)（電場(chǎng)、 磁場(chǎng)）表達(dá)式為：、試求短振子的 輻射電阻。 方向系數(shù)。 有效長(zhǎng)度（歸于輸入電流）。（13分） 解：1）求短振子的輻射電阻由于短振子的輻射場(chǎng)為：、將和代入上式,則輻射功率為同時(shí)考慮到短振子的輻射電阻為2）方向系數(shù)為3）有效長(zhǎng)度歸于輸入點(diǎn)電流的有效長(zhǎng)度為5三基類六元均勻直線陣的各元間距為/2, 求： 天線陣相對(duì)于的歸一化陣方向函數(shù)。 分別求出工作于邊射狀態(tài)和端射狀態(tài)的方向函數(shù)。 (8分）解：（1）由公式當(dāng)N=6時(shí)則得天線陣相對(duì)于的歸一化陣方向函數(shù)：其中（2）求工作于邊射狀態(tài)和端射狀態(tài)的方向函數(shù) 當(dāng)時(shí)為邊射陣的歸一化方向函數(shù)當(dāng)時(shí)為端射陣的歸一化方

20、向函數(shù) 1綜合類設(shè)某一均勻無耗傳輸線的特性阻抗為，終端接有未知負(fù)載現(xiàn)在傳輸線上測(cè)得電壓最大值和最小值分別是100mV和20mV,第一電壓波節(jié)位置離負(fù)載，試求該負(fù)載的阻抗。（16分）解：1）32）33）.34）.35）42、一般綜合如圖求雙端口網(wǎng)絡(luò)的矩陣和矩陣（12分） 解：1）由矩陣的定義：.6則：2）求63、一般綜合設(shè)矩形波導(dǎo)寬邊，工作頻率為：，用阻抗變換器匹配一段空氣波導(dǎo)和一段的波導(dǎo)，如圖求匹配介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)及變換器的長(zhǎng)度。（12分） 解：1）各部分的等效特性阻抗如圖2）根據(jù)傳輸線的四分之一波長(zhǎng)阻抗變換性：，得。 53）求波導(dǎo)波長(zhǎng)：波導(dǎo)波長(zhǎng)為：.44）求變換器的長(zhǎng)度：.34三基類型直立振子天線的高度，其電流分布表達(dá)式為：，當(dāng)工作波長(zhǎng)，求它歸于波腹電流的有效高度？（10分）解：1）寫出表達(dá)式2）求有效高度1、 綜合類設(shè)有一無耗傳輸線，終端接有負(fù)載，求：1）、要使傳輸線的駐波比最小，則該傳輸線上的特性阻抗是多少？2）、此時(shí)的最小反射系數(shù)及駐波比是多少？3）、離終端最近