微波技術(shù)與天線復(fù)習(xí)大綱教材

1、微波技術(shù)與天線復(fù)習(xí)大綱緒論一、基本概念1、什么是微波，微波的波段如何劃分？答：微波是電磁波譜中介于超短波與紅外線之間的波段，頻率范圍從300MHz到3000GHz，波長(zhǎng)從 0.1mm到 1m。通常，微波波段分為米波、厘米波毫米和亞毫米波四個(gè)波段。2、微波有何特點(diǎn)及特性？ 答：似光性；穿透性；寬頻帶特性；熱效應(yīng)性；散射性；抗低頻干擾性；視距傳 播性；分布參數(shù)的不確定性；電磁兼容和電磁環(huán)境污染。第一章 均勻傳輸線理論一、基本概念1、什么是微波傳輸線（或?qū)Рㄏ到y(tǒng)）？答：微波傳輸線（或?qū)Рㄏ到y(tǒng)） 是用以傳輸信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng)的 總稱。它的作用是引導(dǎo)電磁波沿一定的方向傳輸，因此又稱為導(dǎo)波系統(tǒng)

2、， 它所引 導(dǎo)的電磁波稱為導(dǎo)行波。2、什么是均勻傳輸線，它是如何分類的？答：截面尺寸、形狀、媒質(zhì)分布、材料及邊界條件均不變的導(dǎo)波系統(tǒng)成為規(guī)則導(dǎo) 波系統(tǒng)或均勻傳輸線?？纱笾路譃槿N類型：（ 1）雙導(dǎo)體傳輸線（或 TEM波傳輸線）；由兩根或兩根以上的平行導(dǎo)體構(gòu)成，主 要包括平行雙線、同軸線、 帶狀線和微帶線等。 由于其上傳輸?shù)碾姶挪ㄊ?TEM波 或準(zhǔn) TEM波，所以又稱為 TEM波傳輸線。（2）波導(dǎo)：均勻填充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)管，主要包括矩形波導(dǎo)，圓波導(dǎo)、脊形波 導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)等。（3）介質(zhì)傳輸線：因電磁波沿此類傳輸線表面?zhèn)鞑?，故又稱為表面波波導(dǎo)，主 要包括介質(zhì)波導(dǎo)，鏡像線和單根表面波傳輸線等。二、計(jì)算

3、題（一般是課后練習(xí)題）1.1 設(shè)一特性阻抗為 50 的均勻傳輸線終端接負(fù)載 R1=100 ，求負(fù)載反射系 數(shù)。在負(fù)載 0.2 ，0.25 及0.5 處的輸入阻抗及反射系數(shù)分別為多少？解：， 由于，故當(dāng)分別為 0.2 ，0.25 及 0.5 時(shí)有：將上述所算得的反射系數(shù)帶入求輸入阻抗的公式則有（化簡(jiǎn)略）1.4 有一特性阻抗 =50 的無耗均勻傳輸線，導(dǎo)體間的媒質(zhì)參數(shù) =2.25 ，=1，終 接 =1 的負(fù)載。當(dāng) =100MHz時(shí)，其線長(zhǎng)度為。試求：（1）傳輸線的實(shí)際長(zhǎng)度。 （2）負(fù)載終端反射系數(shù)。 （3）輸入端反射系數(shù)。 （ 4） 輸入端阻抗。解：先求波長(zhǎng)，欲求波長(zhǎng)應(yīng)知道波的傳播速度（一下簡(jiǎn)稱為

4、波速） 。波速其中，分別是自由空間中電介質(zhì)常數(shù)和磁導(dǎo)率常數(shù)， 分別是相對(duì)電介質(zhì)常數(shù)和相 對(duì)磁導(dǎo)率常數(shù)，為光速。，于是，（1）傳輸線的實(shí)際長(zhǎng)度（2）負(fù)載終端反射系數(shù)（ 3）輸入端反射系數(shù)（4）輸入端阻抗1.11 設(shè)特性阻抗為 =50 的無耗均勻傳輸線，終端接有負(fù)載阻抗 為復(fù)阻抗 時(shí)，可以用一下方法實(shí)現(xiàn)阻抗變換器匹配： 即在終端或在阻抗變換器前并接一段 終端短路線，試分別求這兩種情況下阻抗變換器的特性阻抗及短路線長(zhǎng)度。解：圖（a） 中的短路線的輸入導(dǎo)納為 ，由，可得到短路線的長(zhǎng)度，此時(shí)終端等效為純電阻，即。因此阻抗變換器的特性 阻抗為。圖 （b） 中的終端負(fù)載經(jīng)過阻抗變換器變換后的輸入導(dǎo)納為， 短

5、路線的輸入導(dǎo)納為， 由，可得到阻抗變換器的特性阻抗及短路線的長(zhǎng)度， 。第二章 規(guī)則金屬波導(dǎo)一、基本概念1、規(guī)則金屬波導(dǎo)是用什么方法來分析的？答：一般采用場(chǎng)分析的方法，即麥克斯韋方程組加邊界條件的方法。2、試寫出金屬波導(dǎo)內(nèi)部的電磁波滿足的矢量亥姆霍茲方程。答：其中3、試說明為什么規(guī)則金屬波導(dǎo)內(nèi)不能傳輸 TEM波？ 答：如果內(nèi)部存在 TEM波，則要求磁場(chǎng)應(yīng)完全在波導(dǎo)的橫截面內(nèi)， 而且是閉合曲 線。由麥克斯韋第一方程知， 閉合曲線上磁場(chǎng)的積分應(yīng)等于與曲線相交鏈的電流。 由于空心金屬波導(dǎo)中不存在軸向（即傳播方向） 的傳導(dǎo)電流， 所以必要求有傳播 方向的位移電流。由于位移電流為，這就要求在傳播方向有電場(chǎng)

6、存在。顯然，這 個(gè)結(jié)論與 TEM波（即不存在傳播方向的電場(chǎng)也不存在傳播方向的磁場(chǎng)） 的定義相 互矛盾，所以，規(guī)則金屬波導(dǎo)內(nèi)不能傳播 TEM波。二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）2.2 矩形波導(dǎo)的橫截面尺寸為 , 將自由空間波長(zhǎng)為、和的信號(hào)接入此波導(dǎo)，能 否傳輸？若能，出現(xiàn)哪些模式？解：當(dāng)時(shí)信號(hào)能傳輸，矩形波導(dǎo)中各模式的截止波長(zhǎng)因此，的信號(hào)不能傳輸；的信號(hào)能傳輸。工作在主模，的信號(hào)能傳輸，矩形波導(dǎo) 存在三種模式。第三章 微波集成傳輸線一、基本概念1、什么是微波集成傳輸線？答：它是由微波技術(shù)與半導(dǎo)體器件及集成電路結(jié)合而成的， 從而產(chǎn)生了集成化的 平面結(jié)構(gòu)的微波傳輸線，集成化的微波傳輸線稱為微波集成傳輸

7、線。2、微波集成傳輸線具有何特點(diǎn)？答：（ 1）體積小、重量輕、性能好，一致性號(hào)，成本低； （2）具有平面結(jié)構(gòu)，通 過調(diào)整單一平面尺寸來控制其傳輸特性。3、微波集成傳輸線可分哪幾類，各類主要有那些？答：（ 1）準(zhǔn) TEM波傳輸線，主要有微帶傳輸線和共面波導(dǎo)管；（2）非 TEM波傳輸線，主要有槽線、鰭線等；（3）開放式介質(zhì)波導(dǎo)傳輸線，主要包括介質(zhì)波導(dǎo)、鏡像波導(dǎo)等；（4）半開放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括 H形波導(dǎo)， G形波導(dǎo)。二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）3.1 微帶工作在什么模式？其相速度和光速、帶內(nèi)波長(zhǎng)與空間波長(zhǎng)分別有什么 關(guān)系？答：微帶工作在 TEM模下， TM模中最低次模是模，其截止波長(zhǎng)為，在模，

8、其截 止波長(zhǎng)為，其相速度和光速的關(guān)系為，帶內(nèi)波長(zhǎng)與空間波長(zhǎng)的關(guān)系為3.2 一根以聚四乙烯（）為填充介質(zhì)的帶狀線，已知 , ，求此帶狀線的特性阻 抗及其不出現(xiàn)高次模的最高工作頻率。解：根據(jù)公式（教材第 59 頁 3-1-4 ）可求得特性阻抗。帶狀線的主模式為 TEM 模，若尺寸選擇不好也會(huì)引起高次模， 為了抑制高次模， 帶狀線的最短工作波長(zhǎng) 應(yīng)滿足：， ，因此，所以其最高工作頻率為3.7 證明耦合系數(shù)與奇、偶特性阻抗存在以下關(guān)系：證明：由于，因此有 ?3.12 介質(zhì)波導(dǎo)到模的截止條件是什么？與傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)相比它有哪些特 點(diǎn)？答：（圓形）介質(zhì)波導(dǎo)的也和金屬波導(dǎo)一樣有截止現(xiàn)象， 他們?cè)诮刂箷r(shí)是簡(jiǎn)并

9、的， 其截止頻率均為，式中，是零階貝塞爾函數(shù)的第個(gè)根。特別地，時(shí)，有， ，因此 當(dāng)時(shí)，（圓形）介質(zhì)波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)單模傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）在很寬的頻帶和較大的直徑變化范圍內(nèi)，模的損耗較小；（2）它可以直接由矩形波導(dǎo)的主模激勵(lì)，而不需要波形變換。3.13 已知光纖直徑，求單模工作的頻率范圍。解：由，取，則3.14 已知的階躍光纖，求的單模光纖的直徑，并求此光纖的 NA。 解：取，由得，。另外，第四章 微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)一、基本概念1、什么是微波網(wǎng)絡(luò)？ 答：在分析電磁場(chǎng)分布基礎(chǔ)上，用“路”的分析方法將微波元件用電抗或電阻網(wǎng) 絡(luò)來等效， 將波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)用傳輸線來等效， 從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡(jiǎn)化為微波 網(wǎng)絡(luò)。2

10、、什么是網(wǎng)絡(luò)分析？ 答：借助于“路”的分析方法，通過分析網(wǎng)絡(luò)的外部特性，總結(jié)出系統(tǒng)的一般傳 輸特性，如功率傳遞、阻抗匹配等。3、什么是網(wǎng)絡(luò)綜合？答：根據(jù)微波元件的工作特性設(shè)計(jì)出要求的微波網(wǎng)絡(luò)， 從而用一定的微波結(jié)構(gòu)來 實(shí)現(xiàn)。二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）4.2 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。解：該題可分解為三個(gè)網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)分別可如教材 93 頁表 4-2 的“并聯(lián)導(dǎo)納”、“短 截線”、“并聯(lián)導(dǎo)納”。這三個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 A 矩陣分別為于是，其中4.4 試求圖示終端接匹配負(fù)載時(shí)的輸入阻抗，并求出輸入端匹配的條件。解：為了不引起反射，則需，從而有， ，一般可取4.5 設(shè)某系統(tǒng)如圖所示

11、， 雙端口網(wǎng)絡(luò)為無耗互易對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)， 在終端參考面 T2 處 接匹配負(fù)載，測(cè)得距參考面 T1 距離處為電壓波節(jié)點(diǎn)，駐波系數(shù)為 1.5 ，試求該 雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣。解：設(shè)參考面 T1 處的反射系數(shù)為，其模值和相位為：，因此有，由 S 參數(shù)的定義知，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的互易性有， ，網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性有。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)無耗的性質(zhì)：于是我們可以得到兩個(gè)方程：解上述方程可得：，故而，4.6 試求如圖所示并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的 S 矩陣。解：分別設(shè)端口 1 和端口的入射波和反射波為， 端口 1 和 2 的電壓和電流分別為 和。分別對(duì)端口 1 列出其電壓和電流方程， 根據(jù)入射波、反射波與電壓、電流的關(guān)系經(jīng)變換得到：第五章 微波元器件一、

12、基本概念1、什么是微波元件？ 答：在微波系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生、放大、變頻、匹配、分配、濾波等功能的 部件，稱之為微波元件。2、微波元件可分哪些類，各類主要是那些？ 答：微波元器件按其變換性質(zhì)可分為線性互易元器件、 線性非互易元器件及非線 性元器件三大類。（1）線性互易元器件只對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性并滿足互易 定理，主要包括：微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧 振器件等。（2）非線性互易元器件主要是指鐵氧體器件，它的散射矩陣不對(duì)稱，但仍工作 在線性區(qū)域，主要包括：隔離器、環(huán)形器等。（3）非線性器件能引起頻率的改變，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制、變頻等，主要包括：微波 電子管

13、、微波晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場(chǎng)效應(yīng)管及微波點(diǎn)真空器件等。二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）5.1 有一矩形波導(dǎo)終端接匹配負(fù)載，在負(fù)載處插入一可調(diào)螺釘后，測(cè)得駐波比 為 1.94 ，第一個(gè)波節(jié)點(diǎn)離負(fù)載距離為 0.1 ，求此時(shí)負(fù)載處的反射系數(shù)及螺釘?shù)臍w 一化電納值。解：插入螺釘后的反射系數(shù)模值為：反射系數(shù)的相位可由下式確定， ，由反射系數(shù)與導(dǎo)納之間的關(guān)系： ，可得5.9 證明如圖所示微帶環(huán)形電橋的各端口接匹配負(fù)載時(shí)，各段的歸一化特性導(dǎo) 納為。證明：微帶環(huán)形電橋的各支路可用下圖來等效。根據(jù)傳輸線四分之一波長(zhǎng)的阻抗變換性：信號(hào)從到與從到兩條支路并聯(lián)，端口的輸入導(dǎo)納為因此即信號(hào)由到與到兩條支路并聯(lián)，同

14、理。5.13 設(shè)矩形諧振腔由黃銅制成， 其電導(dǎo)率，其尺寸為，試求模式的諧振腔波 長(zhǎng)和無載品質(zhì)因數(shù)的值。解：諧振腔波長(zhǎng)為：矩形諧振腔的表面阻抗為無載品質(zhì)因數(shù)為：5.15 試說明如圖所示雙 Y 結(jié)環(huán)形器的工作原理。 答：設(shè)兩個(gè)環(huán)形器的連接端口為，根據(jù) Y 結(jié)環(huán)形器的工作原理， 當(dāng)信號(hào)從端口 輸入時(shí)， 端口有輸出，而端口為隔離端無輸出， 輸入到端口的信號(hào)從端 口輸出， 端口為隔離端無輸出。類似分析可得信號(hào)從端口輸入， 則端口 輸出，端口、隔離，從而形成了信號(hào)的環(huán)形。第六章 天線輻射與接收的基本理論一、基本概念1、什么是天線？答：用來輻射和接收無線電波的裝置稱之為天線。2、天線有哪些基本功能？答：（1

15、）天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰俊＿@首先要求天線是 一個(gè)良好的 “電磁開放系統(tǒng)”，其次要求天線與發(fā)射機(jī)匹配或與接收機(jī)匹配。 （2） 天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于所需的方向上，或?qū)λ璺较虻膩聿ㄓ凶畲蟮慕?收，即天線具有方向性。（3）天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線有 適當(dāng)?shù)臉O化。（ 4）天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。3、天線可分哪幾類？答：（ 1）按用途的不同，可將天線分為通信天線、廣播電視通信、雷達(dá)天線等。 （2）按工作波長(zhǎng)的不同，可將天線分為長(zhǎng)波、中波、短波、超短波和微波天線 等。（3）按輻射元的類型，可大致分為線天線和面天線。二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）6.5 設(shè)某天線

16、的方向圖如圖所示， 試求主瓣零功率波瓣寬度、 半功率波瓣寬度、 第一旁瓣電平。解：主瓣零功率波瓣寬度為： 。主瓣半功率波瓣寬度為： 。第一旁瓣電平：6.6 長(zhǎng)度為（）沿軸放置的短振子，中心饋電，其電流分布為，式中，試求短 振子的：輻射電子；方向系數(shù)；有效長(zhǎng)度（歸于輸入電流） 。解：由于，所以短振子的電流可近似為短振子的輻射場(chǎng)為：輻射功率為：將輻射電場(chǎng)帶入上式得： ，于是 輻射電阻為：； 方向系數(shù)為： 有效長(zhǎng)度：第七章 電波傳播概論一、基本概念7.1 什么是衰落？簡(jiǎn)述引起衰落的原因。答：所謂衰落（ Fading ），一般是指信號(hào)電平隨時(shí)間的隨機(jī)起伏。根據(jù)引起衰落 的原因分類大致可分為吸收型和干擾

17、型衰落。 吸收型衰落主要是由于傳輸媒質(zhì)電 參數(shù)的變化， 使信號(hào)在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相應(yīng)的變化而引起的； 干擾型衰落主要 是由隨機(jī)多徑干涉現(xiàn)象引起的。7.2 什么是傳輸失真？簡(jiǎn)述引起失真的原因。答：無線電波通過媒質(zhì)除產(chǎn)生傳輸損耗外， 還會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真振幅失真和相位 失真。產(chǎn)生失真的原因有兩個(gè)，一是媒質(zhì)的色散效應(yīng)，二是隨機(jī)多徑傳輸效應(yīng)。7.3 什么是視距傳播？簡(jiǎn)述視距傳播的特點(diǎn)。 答：所謂視距（ Horizon ）傳播是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看得見的視 線距離之內(nèi)的傳播方式。地面通信、衛(wèi)星通信及雷達(dá)等都可采用這種傳輸方式。 主要用于超短波和微波段的電波傳播。 在大氣中它的傳播路線是一個(gè)下彎曲

18、的弧 線。7.4 何謂天波傳播？簡(jiǎn)述天波傳播的特點(diǎn)。 答：天波傳播通常是指自發(fā)射天線發(fā)出的電波在高空被電離層反射后到達(dá)接收點(diǎn) 的傳播方式，有時(shí)也稱電離層電波傳播，主要用于中短波通信。其特點(diǎn)是（1）對(duì)通信信號(hào)的頻率有影響； （ 2）隨機(jī)多徑效應(yīng)嚴(yán)重、通信帶寬較窄； （3）電離層 對(duì)反射信號(hào)的頻率是有限的； （4）受地面吸收及障礙物的影響較小、傳輸損耗小 能進(jìn)行長(zhǎng)距離的通信； （5）簡(jiǎn)單易行。第八章 線天線一、基本概念1、什么是線天線？主要用在哪些系統(tǒng)中？ 答：橫向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于縱向尺寸并小于波長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的天線稱為線天線， 它廣 泛用在通信、雷達(dá)等無線系統(tǒng)中。二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）8.4

19、一半波振子臂長(zhǎng)為，直徑，工作波長(zhǎng)，試計(jì)算其輸入阻抗。解：由于，查書 P158圖 84 得：。其等效特性阻抗為由，查書 P161圖 86 得：，即。輸入阻抗為8.5 有兩個(gè)平行于并沿軸方向排列的半波振子，若；時(shí)，試求其方向函數(shù)。 解：半波振子的方向函數(shù)為： ，振因子： , 其中。由方向圖乘積定理，二元陣的方 向函數(shù)等于兩者的乘積（1）時(shí)：令得面方向函數(shù)：令得面方向函數(shù)：（2）時(shí)：令得面方向函數(shù)：令得面方向函數(shù)：8.9 五元二項(xiàng)式天線陣，其電流振幅比為 1：4：6：4：1，各元間距為，求 此天線陣的方向函數(shù)；計(jì)算其主瓣半功率波瓣寬度解：五元二項(xiàng)式天線陣方向函數(shù)為： 28.10 設(shè)以半波振子為接收天

20、線，用來接收波長(zhǎng)為，極化方向與振子平 行的線極化平面波，試求其與振子細(xì)線垂直平面內(nèi)的有效接收面積。 解：半波振子的方向系數(shù) D=1.64，與振子細(xì)線垂直平面內(nèi)的有效接收面積為8.11 設(shè)在相距 1.5 的兩個(gè)站之間進(jìn)行通信，每站均以半波振子為天線， 工作頻率為 300MHz,若一個(gè)站的發(fā)射功率為 100 W，則另一個(gè)站的匹配負(fù)載中能 得到多少功率？解：設(shè)匹配負(fù)載吸收的平均功率為，則接收天線的有效接收面積為 其中為發(fā)射天線的功率流密度。所以而因而8.12 直立陣子的高度為，當(dāng)工作波長(zhǎng)，求它的有效高度 以及歸于波腹電流的輻射電阻。解：歸于波腹電流的有效高度由于，用近似公式：8.16 一個(gè)七元引向天

21、線，反向器與有源陣子的間距為，各引向器等 間距排列，且間距為，試估算其方向系數(shù)。解：在工程上，多元引向器的方向系數(shù)用下式估計(jì)： 式中為引向天線的總長(zhǎng)度： ，為比例系數(shù)，查書 P175圖 833得, 所以。 第九章 面天線一、基本概念1、什么是面天線，應(yīng)用在什么波段？答：電流分布在天線體的金屬表面， 且口徑尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作波長(zhǎng)的天線稱之為 面天線，通常應(yīng)用在無線電頻譜的高頻段，特別是微波波段。2、常用的面天線有哪些？答：常用的面天線主要有拋物面天線，卡塞格倫天線兩種。 二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）9.2 有一位于平面上的正方形口徑，工作波長(zhǎng)為 3cm, 面半功率波瓣寬度為， 口徑場(chǎng)分布沿軸方向線極化，其表達(dá)式為。試求： 面半功率波瓣寬度 ; 面方向圖第一旁瓣點(diǎn)平； 口徑利用因數(shù)和天線的增益； 解：由題意可知，口徑場(chǎng)沿方向都是均勻分布且尺寸相同，因此面和面的方向系數(shù)完全相同，或者說方向圖完全相同，當(dāng)然半功率波瓣寬度也相同，所以面半功率波瓣寬度為面方向圖第一旁瓣點(diǎn)平可以通過查教材 P200圖 9-7 曲線得其方向圖由教材 P200公式（ 9213）得，即9.7 假設(shè)有一位于平面內(nèi)尺寸為的矩形口